Sesuai dengan namanya, NMR berhubungan dengan sifat magnet dari inti atom.

Dari pernyataan tersebut maka timbul pertanyaan, Kenapa Inti atom dapat bersifat magnet?

Untuk menjelaskan hal tersebut, mari kita bahas dari konsep dasarnya.

Spektroskopi NMR pada dasarnya merupakan spektroskopi absorbsi, apabila UV mengabsorbsi energi pada panjang gelombang UV-VIS sehingga terjadi transisi elektron, IR adanya transisi vibrasional,  maka dalam NMR, sampel pada kondisi tertentu akan mengabsorbsi radiasi elektromagnetik daerah radio, pada frekuensi –frekuensi yang tergantung sifat – sifat sampel. Nah….jadi pada sampel yang diberi radiasi elektromangetik daerah radio tersebutlah yang akan muncul berbagai frekuensi puncak absorbsi yang apabila di plot versus intensitas puncak akan memberikan suatu spektrum NMR. dengan catatan sampel pada kondisi tertentu.

Kondisi tertentu seperti apakah itu? Yang membuat Kondisisi tertentu tersebut bberkaitan dengan spin inti. apa itu spin inti?

Spin Inti

Setiap inti atom bermuatan dimana pada kebanyakan inti, muatan bergerak (berputar) mengelilingi inti pada sumbu inti tersebut. Perputaran muatan inti ini akan menimbulkan dipol magnetik sepanjang sumbu inti dengan momen magnetik inti sebesar mikro. Sehingga yang terjadi, pada inti tertentu akan timbul sifat magnet (bersifat magnetik) akibat adanya dipol magnetik tersebut namun ada juga inti yang dipol magnetiknya hilang karena terjadi peristiwa saling meniadakan.

Inti tertentu seperti apa yang dapat menimbulkan sifat magnet dan inti seperti apa yang dipol magnetiknya hilang?

 

A= nomer massa (jmlah proton dan netron), Z = nomor atom (jumlah elektron pada suatau atom netral)

 

Inti tertentu yang menimbulkan sifat magnet adalah inti yang memiliki nomor atom gasal, nomor massa gasal atau keduanya gasal. Sedangkan yang dipol magnetiknya saling meniadakan dan tidak menimbulkan sifat magnet adalah inti yang memiliki nomor atom dan nomor massa genap.

inilah yang menyebabkan mengapa inti atom bisa bersifat magnetik.

Muatan yang berputar tersebut memiliki momentum sudut yang sering disebut bilangan Kuantum spin ( I ). Bilangan Kuantum spin ini merupakan resultan dari spin yang dimiliki oleh setiap proton dan netron dimana setiap proton dan netron mempunyai spinnya sendiri. Jadi, apabila harga I=0, maka artinya inti tidak memiliki spin sehingga tidak ada resultan dari spin. Hal ini karena jumlah proton genap dan jumlah netron genap.  Harga dari I adalah 0, 1/2, 1,3/2, 2, 5/2, dan seterusnya. Jika jumlah proton dan netron ganjil maka harga dari I adalah 1/2;3/2;5/2. Jika jumlah salah satu proton atau netron genap maka nilai I 1,2,3 dst.

Bilangan kuantum spin dan kelimpahannya di alam dari beberapa inti atom

Isotope	I	Natural abundance	Isotope	I	Natural abundance
1H	1/2	99,985	18O	0	0,200
2H	1	0,015	19F	1/2	100
12C	0	98,90	31P	1/2	100
13C	1/2	1,10	32S	0	95,03
14N	1	99,635	33S	3/2	0,75
15N	1/2	0,367	34S	0	4,21
16O	0	99,762	35Cl	3/2	75,77
17O	5/2	0,038	37Cl	3/2	24,23

Nah..hidrogen dengan nomer massa 1 yang di alam sangat melimpah lah yang lebih digunakan HNMR. meskipun demikian Ditrium (H2) yang sediaan nya sedikit pun nanti juga berguna…tuh…lihat, carbon 12, di alam sangat melimpah, namun tidak ada CNRM carbon 12, karena I nya nol.tapi adanya CNMR carbon 13.

 

Kita lanjut ya…gimana atom – atom dengan I pecahan dapat terdeteksi di NMR?

Nah…atom – atom yang bersifat magnetik apabila dalam kondisi normal (tidak dikenai medan magnetik eksternal), dia akan memiliki spin random dan masing – masing atom memiliki energi yang sama (liat gambar a).

Akan tetapi, atom – atom yang diberi medan magnetik eksternal (sering disimbolkan sebagai Ho atau Bo), maka tingkatan spin yang tadinya random berubah. Untuk proton dengan harga I =1/2, dia akan memiliki dua orentasi spin. (cara ngetung jumlah oreientasi spinnya dengan rumus 2 I + 1, misalnya untuk C13 yang I nya 1/2, maka jumlah orientasi spinnya 2 x (1/2)+ 1 sama dengan 2 orentasi. Begitu pula H1 yang I nya juga setengah.).

Kemana arah orientasi spin tersebut??? yakni searah dengan medan magnet eksternal dan berlawanan arah dengan medan magnet eksternal (gambar b). Dengan adanya medan magnet eksternal ini, energi dari spin ini menjadi tidak sama, ada yang melawan medan magnet eksternal memiliki energi yang lebih besar daripada spin yang searah dengan medan magnet eksternal. Untuk spin yang searah dengan medan magnet eksternal Bo di simbolkan dengan +1/2, sedangkan untuk yang berlawanan arah –1/2.

 

gambar diatas menunjukkan bahwa atom yang tidak diberikan Bo memiliki energi yang sama, sedangkan setelah diberikan Bo, maka terjadi perbedaan energi antara spin yang melawan arah Bo (-1/2) maupun searah Bo (+1/2).  Lantas berapa beda tingkatan energinya (Delta E) ???

jawabnya adalah tergantung dari besar medang magnet eksternal yang diberikan (strength of applied field, Bo).

Nah..inilah jawaban mengapa NMR di LIPI, Surabaya, dan MIPA UGM hasil NMR nya “berbeda” jika berdasarkan frekuensi absorbsi.

 

Berapa beda tingkat energi yang dikenai Bo :

Delta E = h gama B_o/2phi

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa perbedaan energi antara dua tingkatan spin tersebut tergantung pada kekuatan medan magnet eksternal, B_o. Semakin besar Bo yang dikenakan ke atom, maka semakin besar pula delta energinya. gama adalah rasio magnetogyric yang besarnya tergantung macam inti. jadi inti satu dengan inti atom lainnya berbeda, misal H1 dengan H2 memiliki perbedaan gama.  Jadi delta E dipengaruhi gama, dan Bo.

 

Lantas kapan fenomena NMR bisa terjadi? maksudnya, sinyal yang ada dispektra bisa muncul?

caranya adalah dengan memberikan energi (radiasi elektromagnetik) yang besarnya sama dengan delta energi (delta E) sehingga spin yang searah dengan energi dari medan magnet eksternal mengabsorbsi energi yang diberikan, akibatnya spin berubah orientasinya, yakni berlawanan arah dengan medan magnet eksternal. Jadi berapa besar gelombang elektromagnetik yang diberikan??jawabannya adalah tergantung Bo nya.

Besarnya energi yang diberikan = Delta E

h.v   = Delta E

h.v   = h .gama .Bo/ 2 phi

v = gama .Bo/ 2 phi

v disebut frekuensi resonansi yang besarnya sebanding dengan gama (magnetic gerik) dan medan magnet eksternal yang diberikan.

 

Berikut adalah Kekuatan medan magnet eksternal, B_o beserta harga frekuensi agar inti tertentu dapat beresonansi

Isotope	Bo (Gauss)	n (MHz)
1H	10.000 14.100 21.150 23.500 51.480	42,6 60,0 90,0 100,0 220,0
2H	10.000	6,5
13C	10.000 21.150	10,7 22,6
19F	10.000	40,0
35Cl	10.000	4,2

 

semakin tebal elektron yang mengelilingi suatu atom, maka akan merasakan semakin kecil medan magnet eksternal.

 

Lantas, pertanyaan selanjutnya , bagaimana cara memperoleh spektrum NMR?

Ada 2 teknik untuk memperoleh spectra NMR. Yaitu:

1. Continous Wave (CW). Pada CW, proton – proton di eksitasikan satu persatu. dibagi menjadi field –swab dan frequency swab. field swab adalah Bo divariasi, dan v tetap. sedangkan frequency swab sebaliknya.

2. Pulse Fourier Transform (PFT atau FT) – proton dieksitasi serempak, diberi energi radiasi yang mencakup semua eksitasi. sehingga signal sampel akan naik terus naik terus, dengan demikian ratio signal to noise akan tinggi, signal meningkat terus dan noise tidak terlihat.

Kelebihan teknik FT disbanding CW adalah:

- Lebih cepat

- Lebih sensitif (karena 'ratio signal to noise' ditingkatkan).

 

 

Inti di kelilingi oleh elektron yang tentunya bermuatan. Apabila diberi medan Bo,maka elektron ini akan menimbulkan medan magnet juga, yang disebut medan magnet lokal. Medan magnet lokal ini arahnya kemana? melawan medan magnet yang diberikan. Misalnya saja jika Bo diberi 100 teslon dan medan magnet lokalnya 20 teslon. maka medan magnet yang dirasakan oleh inti tidak 100 teslon melainkan 80 teslon (100-20).

Nah…padahal density elektron setiap atom pada satu molekul itu berbeda – beda (hanyo kenapa??). sehingga semakin density elektronnya pada atom yang berada pada satu molukul  bernilai tinggi, maka menyebabkan medan magnet eksternal (Bo ) yang dirasakan oleh inti atom yang berada pada satu molekul  juga semakin kecil karena terjadi pengurangan oleh medan magnet lokal. Apabila boleh diasumsikan, maka medan magnet eksternal adalah angin, sedangkan medan magnet lokal adalah jaket yang ada dalam tubuh kita. semakin tebal jaket, kita akan semakin sedikit merasakan angin.

B effektif = Bo - Blokal

dengan demikian, menyebabkan frekuensi resonansi (v) masing masing atom berbeda – beda, karena v berbanding lurus dengan Bo.

 

v = (gama/2 phi)* Bo

dengan demikian, akan muncul dua istilah :

Inti yang beresonansi dengan frekuensi tinggi akibat Blokal yang melawan B eksternal tenaganya kecil. Blokal kecil disebabkan karena density elektron yang rendah sehingga atom tidak terlindungi. Akibatnya atom merasakan Beffektif yang tinggi. Karena jaketnya kecil (dilindungi elektron yang rendah) maka disebut dishielding.

dan Inti yang beresonansi dengan frekuensi kecil akibat Blokal yang melawan B eksternal tenaganya besar. Blokal besar disebabkan karena density elektorn yang tinggi sehingga atom terlindungi dari Beksternal, dengan demikian Beffektifk yang dirasakan oleh atom adalah kecil, sehingga daerahnya sering disebut shielding. Karena B effektif kecil, maka vrekuensinya juga kecil, sehingga sering disebut juga pada daerah tersebut lower frekuensi.

TMS merupakan senyawa yang dianggap sebagai molekul yang protonnya paling terlindungi karena density elektronnya tinggi. AKibatnya atom proton merasakan Beffektif paling rendah diantara atom –ataom proton/carbon senyawa – senyawa lainnya. Oleh karena itu TMS sering digunakan sebagai penanda nilai vrekuensi 0. B effektif besar, maka vrekuensi besar, sehingga daerahnya sering disebut hight frekuensi.

Kenapa digunakan TMS??

Dalam suatu molekul, tiap proton berada dalam lingkungan kimia yang sedikit berbeda, sehingga ia akan mempunyai shielding elektronik yang tingkatannya sedikit berbeda. Perbedaan frekuensi resonansi proton-proton tersebut sangat kecil.

Misalnya: Dalam medan magnet eksternal 14.100 Gauss, perbedaan frekuensi resonansi proton dalam CH₃Cl dan CH₃F hanya sebesar 72 Hz. Sedangkan frekuensi yang diperlukan untuk beresonansinya proton dalam medan magnet tersebut adalah 60 MHz (60.000.000 Hz). Bila dibandingkan dengan ini, maka perbedaan frekuensi kedua macam proton tersebut di atas hanyalah sangat kecil, yaitu sekitar 1 ppm saja (72/60.000.000 = 1,2 x 10^-6).

Sangat sulit mengukur frekuensi absolut dari masing-masing proton yang berbeda tersebut.

Untuk itu, dalam NMR yang diukur adalah perbedaan frekuensi antara suatu jenis proton dengan frekuensi resonansinya proton senyawa reference. Senyawa ini disebut sebagai standard internal dan ditambahkan ke dalam sample sebelum me'running' NMR.

Senyawa yang digunakan sebagai senyawa reference tersebut adalah:

Tetrametilsilan (TMS)

=TMS memberikan signal yang tajam (singlet) dengan intensitas tinggi, karena mempunyai 12 proton yang ekivalen.

=Mengabsorbsi pada 'higher field' dibanding hampir semua proton organik. (Si bersifat elektropositif, sehingga proton-proton dalam TMS sangat terlindungi (shielded))

n turun (d = 0).

=Bersifat inert.

=Mempunyai titik didih yang rendah (27^oC), sehingga mudah dihilangkan kalau dikehendaki lagi senyawa yang diuji.

=Larut dalam kebanyakan pelarut organik.

TMS tidak larut dalam air maupun D₂O. Dalam hal ini TMS dapat dilakukan sebagai 'eksternal standard'. Atau dapat juga dipakai garam Natrium dari asam 3-(trimetilsilil)-propanasulfonat.

(CH₃)₃SiCH₂CH₂CH₂SO₃^-Na⁺

Berapa Hz bergesernya suatu proton dari TMS akan tergantung pada kekuatan medan magnet eksternal yang digunakan.Semakin besar medan magnet yang digunakan, semakin besar perbedaan frekuensi dari TMS.

 

 

Sumber : semuanya di catat dari perkuliahan S1 dan S2 Fakultas Farmasi UGM Elusidasi struktur Dr. Ratna Asmah S., M.Si,