magnetik resonans inti (mri) - ipb · pdf file2014/12/8 1 magnetik resonans inti (mri)...

Download Magnetik resonans inti (mri) - IPB · PDF file2014/12/8 1 MAGNETIK RESONANS INTI (MRI) Spektrometri Divisi Kimia Analitik FMIPA IPB Agenda Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia

If you can't read please download the document

Upload: vandat

Post on 06-Feb-2018

256 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • 2014/12/8

    1

    MAGNETIK RESONANS

    INTI (MRI) Spektrometri

    Divisi Kimia Analitik FMIPA IPB

    Agenda

    Pendahuluan

    Percobaan FT-NMR

    Geseran Kimia

    Coupling spin-spin

    Instrumentasi

    Aplikasi Analitik

    Teknik NMR Hypenated

    Sejarah NMR

    1945: First successful detection of an NMR signal by Felix Bloch (Stanford) and Edward Purcell (Harvard): Nobel prize in Physics 1952

    1949: Discovery of the NMR echo by Erwin Hahn

    1951: Discovery of the chemical shift by J. T. Arnold and F. C. Yu

    1951: Discovery of the indirect spin-spin coupling by W. G. Proctor

    1953: Earth field NMR for well logging by Schlumberger-Doll

    1966: Introduction of Fourier NMR by Richard Ernst,

    Nobel Prize in Chemistry 1991

    1971: Two-dimensional NMR by Jean Jeener, later multi-dimensional NMR by Richard Ernst

    1972: NMR imaging by Paul Lauterbur and

    Peter Mansfield, Nobel prize in Medicine

    2003

    1975: Multi-quantum NMR and

    spectroscopy by T. Hashi, later by Alex

    Pines and Richard Ernst

    1977: High-resolution solid-state NMR

    spectroscopy by John Waugh, Ed Stejskal,

    and Jack Schaefer

    1979: 2D Exchange NMR by Jean Jeener.

    Application to protein analysis in molecular

    Biology by Kurt Wuthrich, Nobel prize in

    Chemistry 2002

    1980: Unilateral NMR in process control

    and medicine by Jasper Jackson

    1984: Hyper polarization of xenon by

    William Happer

    1995: Commercialization of well logging

    NMR by NUMAR

    Spektrum elektromagnetik

  • 2014/12/8

    2

    Bagaimana Radiasi dan Materi Berinteraksi?

    Spektrum elektromagnetik

    Bagaimana Radiasi dan Materi Berinteraksi?

    Agenda

    Pendahuluan

    Sifat Inti Atom

    Kuantisasi Inti 1H pada

    Medan Magnet

    Lebar Garis

    Absorpsi

    Pendahuluan

    MRI melibatkan absorpsi gelombang radio oleh inti atom yang dikombinasikan dengan atom lain dalam molekul yang berada dalam medan magnet

    Gelombang radio memiliki energi radiasi elektromagnetik yang rendah. Frekuensinya 107 Hz.

    Kuantitas energi yang terlibat dalam radiasi frekuensi radio (RF) sangat sedikit tidak memungkinkan vibrasi, rotasi ataupun eksitasi elektronik dari atom atau

    molekul

    Putaran inti atom dalam medan magnet dapat menyerap radiasi RF dan absis putaran inti berubah arah

    Secara prinsip: tiap atom yang berbeda secara kimia di dalam molekul akan memiliki frekuensi absorpsi (resonansi) jika inti berada dalam momen magnet

    Bidang analitik yang menggunakan absorbsi radiasi RF oleh inti dalam medan magnet memberikan informasi sampel dalam spektroskopi MRI

  • 2014/12/8

    3

    Pendahuluan

    Dalam kimia analitik, MRI adalah teknik yang digunakan untuk mempelajari bentuk dan struktur molekul.

    Perbedaan lingkungan kimia dari inti atom aktif NMR yang berada dalam molekul memberikan informasi struktur molekul

    MRI memberikan informasi orientasi spasial atom dalam molekul

    Jika telah diketahui senyawa apa yang ada di dalam campuran, MRI dapat digunakan untuk menentukan berapa banyak senyawa tersebut dalam campuran

    Artinya MRI dapat digunakan untuk tujuan kualitatif dan tujuan kuantitatif

    MRI juga dapat digunakan untuk mempelajari kesetimbangan kimia, kinetika reaksi, pergerakan molekul dan interaksi intermolekul

    1.1 Sifat Inti Atom

    Diasumsikan inti berotasi pada aksis dan memiliki spin inti yang dilambangkan dengan , bilangan kuantum spin.

    Inti memiliki muatan

    Spin inti bermuatan menghasilkan medan magnet sepanjang rotasi aksis untuk menghasilkan sinyal dalam percobaan NMR harus memiliki bilangan kuantum 0 dan harus memiliki momen magnet dipol

    Inti seperti 1H spinnya diaksis dan membentuk 2 tingkat energi yang berbeda. Karena inti memiliki massa dan karena massa bergerak, inti memiliki momentum spin angular dan menghasilkan energi mekanik

    Rumus energi mekanik untuk inti hidrogen ialah

    Dimana l adalah bilangan kuantum spin

    1.1 Sifat Inti Atom

    Inti memiliki sifat

    magnet pada skala

    yang sangat kecil

    Inti terdiri dari

    proton dan neutron

    dengan sifat spt

    pada Tabel

    Characteristic Neutron Proton

    Mass (kg) 1.67410-27 1.67410-27

    Charge (coulomb) 0 1.602 10-19

    Spin quantum number

    Magnetic moment (joule/tesla) -9.66 10-27 1.41 10-26

    Magnetic moment (nuclear

    magnetron)

    -1.91 2.79

  • 2014/12/8

    4

    1.1 Sifat Inti Atom

    l adalah sifat fisik inti yang dibuat dari proton dan neutron

    Contoh 12C : no atom 6, no massa 12 ada 6 proton (genap)

    dan 6 neutron (genap). spin inti = 0 tidak ada spin tidak

    ada momen magnetik

    Inti dengan l = 0 tidak menyerap radiasi RF jika diletakkan

    dalam medan magnet tidak memberikan sinyal pada MRI.

    1.1 Sifat Inti Atom

    Inti Atom Jumlah

    proton tak

    berpasangan

    Jumlah

    neutron tak

    berpasangan

    Total spin (MHz)

    Rasio

    magnetogirik

    1H 1 0 42.6

    2H 1 1 1 6.5

    31P 1 0 17.3

    23Na 1 2 3/2 11.3

    15N 0 1 4.3

    13C 0 1 10.7

    19F 1 0 40.1

    1.1 Sifat Inti Atom

    l adalah sifat fisik inti yang dibuat dari proton dan neutron

    Penting

    di

    senyawa

    organik

    1.1 Sifat Inti Atom

    Bentuk kedua dari energi inti ialah magnetik

    Tiap pergerakan muatan listrik menghasilkan medan magnet

    Momen magnet inti menggambarkan pembesaran dari dipol

    magnet

    Rasio momen magnet inti terhadap bilangan kuantum spin

    disebut rasio magnetigirik (giromagnetik) yang disimbolkan

    = /l.

    Rasio ini berbeda pada tiap inti

    Medan magnet inti yang menghasilkan momen magnetik inti

    dapat dan akan berinteraksi dengan medan magnet lokal.

    Dasar MRI adalah mempelajari inti aktif secara magnetik pada

    medan magnet yang diaplikasikan dari luar.

  • 2014/12/8

    5

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Ketika inti ditempatkan pada medan magnet uniform yang sangat kuat, B0, inti akan lined up (berbaris) pada arah tertentu yang relatif pada arah medan magnet. Tiap arah berasosiasi dengan tingkat energi.

    Hanya tingkat energi yang terdefinisikan dengan baik yang dimungkinkan sehingga dapat dikuantisasi.

    Jumlah orientasi atau bilangan kuantum magnetik adalah sifat fisik dari inti dan nilainya setara dengan 2l + 1.

    Untuk 1H l = sehingga jumlah orientasinya 2 (dinyatakan dengan bilangan kuantum magnetik, m yaitu l, l-1, l-2, .-l. Sehingga untuk 1H hanya ada 2 tingkat energi yaitu m=- dan m=+

    Pecahnya tingkat energi pada medan magnet disebut Zeeman splitting

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Besarnya E setara dengan kekuatan medan magnet

    eksternal dan momen magnet inti .

    Penyerapan radiasi pd frekuensi tertentu setara dg E

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Persamaan Larmor:

    Hubungan frekuensi adsoprsi radiasi

    FR & kekuatan medan magnet

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Inti juga berputar pada aksis akibat medan magnet

    eksternal. Perputaran ini disebut precession

    Rotasi aksis inti hidrogen sebesar sudut

    terhadap medan magnet yang diberikan.

    Energinya setara dengan E = Bo cos

    Ketika energi dalam bentuk RF diabsorpsi

    oleh inti sudut pasti berubah

    Untuk proton, absorpsi melibatkan flipping

    momen magnet dari yang searah dengan

    medan magnet menjadi berlawanan

    dengan medan yang diberikan

  • 2014/12/8

    6

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Ketika laju presisi setara dengan frekuensi RF yang diberikan, absorpsi radiasi menyebabkan inti menjadi berlawanan arah dengan medan magnet (keadaan tereksitasi)

    Ketika senyawa organik yang mengandung proton diukur pada NMR, sampel pertama kali diletakkan pada medan magnet lalu diiradiasi dengan radiasi RF

    Ketika frekuensi radiasi cocok, komponent magnetik akan mengabsorb energi radiasi

    Jika medan B0 dibuat tetap, dapat dibuat hubungan absorbsi terhadap frekuensi radiasi RF. Hasilnya spt gambar di samping

    Percobaan yang sama dapat dilakukan dengan membuat frekuensi RF tetap dan Bo bervariasi

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Spektra NMR aktual untuk toluena. Kiri atas pada proton 300MHz, kiri bawah 13C 300MHz, kanan proton pada 60MHz

    1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

    Ketika inti menyerap energi, akan tereksitasi dan mencapai

    keadaan tereksitasi. Inti akan kehilangan energi dan kembali

    ke keadaan tidak tereksitasi. Kemudian inti kembali menyerap

    energi radiasi dan kembai ke keadaann tereksitasi. Inti yang

    berganti-ganti keadaan tereksitasi dan tidak tereksitasi

    keadaannya disebut resonansi. (NMR)

    Kekuatan medan magnet diberikan dengan nilai tesla (T) atau

    gauss (G). Hubungan antara kedua unit:1T=104G

    Jika medan magnet yang dipalikasikan 1.41T frekuensi yang

    diabsorpsi oleh proton: 60MHz

    60MHz menggambarkan kekuatan medan magnet yang diaplikasikan

    Untuk inti 13C juga menyerap radiasi 60MHz, tetapi kekuatan medan

    magnet yang diperlukan 5.6T (4 kali dari proton karena rasio

    magnetogiriknya)

    1.2.1 saturasi dan kekuatan medan

    magnet Perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan inti tereksitasi

    sangat kecil

    Jumlah inti dalam keadaan dasar adalah jumlah inti yang s