Spektroskopi resonansi magnet inti, umumnya dikenal sebagai spektroskopi NMR atau spektroskopi resonansi magnet (SRM), merupakan suatu teknik spektroskopi yang didasarkan pada reorientasi inti atom yang memiliki spin inti tidak nol di dalam medan magnet eksternal. Reorientasi ini terjadi melalui penyerapan radiasi elektromagnetik pada wilayah frekuensi radio, kira-kira dari 4 hingga 900 MHz. Frekuensi tersebut bergantung pada sifat isotopik inti yang bersangkutan dan meningkat secara proporsional dengan kekuatan medan magnet eksternal.[1]
Frekuensi resonansi dari setiap inti yang aktif terhadap NMR bergantung pada lingkungan kimianya. Oleh karena itu, spektrum NMR memberikan informasi mengenai gugus fungsi individual yang terdapat dalam sampel, serta mengenai keterhubungan antara inti-inti yang berdekatan di dalam molekul yang sama.
Karena spektrum NMR bersifat unik atau sangat khas bagi masing-masing senyawa dan gugus fungsi, spektroskopi NMR merupakan salah satu metode terpenting untuk mengidentifikasi struktur molekul, khususnya senyawa organik.
Prinsip NMR umumnya melibatkan tiga tahap berurutan:
- Penyelarasan (polarisasi) spin inti magnetik dalam suatu medan magnet eksternal yang diterapkan dan bersifat konstan, yaitu B0.
- Gangguan terhadap penyelarasan spin inti tersebut oleh medan magnet osilasi yang lemah, yang biasanya disebut sebagai pulsa radiofrekuensi (RF).
- Deteksi dan analisis gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh inti-inti dalam sampel sebagai akibat dari gangguan tersebut.
Demikian pula, para biokimiawan menggunakan NMR untuk mengidentifikasi protein dan molekul kompleks lainnya. Selain untuk identifikasi, spektroskopi NMR memberikan informasi rinci mengenai struktur, dinamika, keadaan reaksi, serta lingkungan kimia suatu molekul. Jenis NMR yang paling umum adalah NMR proton dan NMR karbon-13, tetapi teknik ini pada prinsipnya dapat diterapkan pada sampel apa pun yang mengandung inti dengan spin.
Spektrum NMR bersifat unik, terpisah dengan baik, mudah dianalisis, dan sering kali sangat dapat diprediksi untuk molekul kecil. Berbagai gugus fungsi dapat dibedakan dengan jelas, dan bahkan gugus fungsi yang sama tetapi memiliki substituen tetangga yang berbeda tetap menghasilkan sinyal yang dapat dibedakan. Oleh karena itu, NMR sebagian besar telah menggantikan uji kimia basah tradisional, seperti reaksi warna atau kromatografi konvensional, untuk tujuan identifikasi.
Kelemahan utama spektroskopi NMR adalah sensitivitasnya yang relatif rendah dibandingkan metode analisis lain, seperti spektrometri massa. Umumnya diperlukan sekitar 2–50 mg zat untuk memperoleh spektrum NMR dengan kualitas yang memadai. Metode NMR bersifat non-destruktif, sehingga sampel dapat dipulihkan kembali setelah pengukuran. Untuk memperoleh spektrum beresolusi tinggi, zat padat biasanya dilarutkan agar membentuk larutan cair, meskipun NMR fasa padat juga memungkinkan.
Skala waktu NMR relatif panjang, sehingga kurang cocok untuk mengamati fenomena yang berlangsung sangat cepat, karena hanya menghasilkan spektrum rata-rata. Meskipun pengotor dalam jumlah besar dapat terdeteksi dalam spektrum NMR, metode lain umumnya lebih efektif untuk analisis pengotor, karena sensitivitas NMR secara inheren tidak tinggi – meskipun pada frekuensi yang lebih tinggi sensitivitasnya meningkat.
Spektroskopi korelasi merupakan pengembangan dari NMR konvensional. Dalam NMR dua dimensi, emisi berpusat pada satu frekuensi tertentu dan resonansi yang saling berkorelasi dapat diamati. Hal ini memungkinkan identifikasi substituen tetangga dari suatu gugus fungsi yang diamati, sehingga penugasan resonansi dapat dilakukan secara tidak ambigu. Selain itu, terdapat metode yang lebih kompleks seperti NMR 3D dan 4D, serta berbagai teknik yang dirancang untuk menekan atau memperkuat jenis resonansi tertentu. Dalam spektroskopi efek inti Overhauser (NOE), proses relaksasi resonansi diamati. Karena NOE bergantung pada kedekatan antarinti, pengukuran NOE untuk setiap inti memungkinkan penyusunan model tiga dimensi dari molekul tersebut.
Spektrometer NMR relatif mahal; peralatan ini umumnya tersedia di universitas, tetapi lebih jarang ditemukan di perusahaan swasta. Pada periode antara tahun 2000 hingga 2015, harga sebuah spektrometer NMR berkisar sekitar 0,5–5 juta USD.[3][4] Spektrometer NMR modern dilengkapi dengan magnet superkonduktor yang sangat kuat, berukuran besar, dan mahal, yang didinginkan menggunakan helium cair. Hal ini disebabkan karena resolusi spektrum NMR secara langsung bergantung pada kekuatan medan magnet. Medan magnet yang lebih tinggi juga meningkatkan sensitivitas spektroskopi NMR, yang bergantung pada perbedaan populasi antara dua tingkat energi inti, dan perbedaan ini meningkat secara eksponensial seiring bertambahnya kekuatan medan magnet.
Selain itu, tersedia pula instrumen yang lebih murah dengan menggunakan magnet permanen dan resolusi yang lebih rendah. Spektrum NMR proton (inti 1H) bahkan dapat diamati dalam medan magnet Bumi. Namun, NMR beresolusi rendah menghasilkan puncak spektrum yang lebih lebar dan mudah saling tumpang tindih, sehingga menyulitkan analisis struktur molekul yang kompleks. Oleh karena itu, penggunaan medan magnet berkekuatan tinggi—yang menghasilkan sensitivitas dan resolusi puncak yang lebih baik—lebih disukai untuk keperluan penelitian.[5]
Sejarah
suntingPenemuan NMR dikaitkan dengan Isidor Isaac Rabi, yang menerima Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1944 atas karyanya.[6] Selanjutnya, pada akhir 1940-an hingga awal 1950-an, spektroskopi NMR dikembangkan secara independen oleh kelompok Edward Mills Purcell di Harvard University dan kelompok Felix Bloch di Stanford University. Atas penemuan dan pengembangan teknik ini, Purcell dan Bloch dianugerahi bersama Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1952.[7]
Kriteria
suntingFaktor penentu utama aktivitas NMR pada inti atom adalah bilangan kuantum spin inti (I). Sifat kuantum intrinsik ini—yang dianalogikan dengan “spin” pada atom—mencirikan momentum sudut dari inti tersebut. Agar bersifat aktif terhadap NMR, suatu inti harus memiliki spin inti tidak nol (I ≠ 0).[8]
Spin inti yang tidak nol inilah yang memungkinkan inti atom berinteraksi dengan medan magnet eksternal dan menghasilkan sinyal dalam NMR. Atom dengan jumlah proton dan neutron ganjil memiliki nilai bilangan kuantum spin inti setengah bilangan bulat (I = 1/2, 3/2, 5/2, dan seterusnya). Atom-atom tersebut bersifat aktif terhadap NMR karena memiliki spin inti tidak nol.[9]
Atom dengan jumlah proton dan neutron genap, tetapi masing-masing terdiri dari jumlah proton ganjil dan jumlah neutron ganjil, memiliki spin inti bernilai bilangan bulat (I = 1, 2, 3, dan seterusnya). Sebaliknya, atom dengan jumlah proton genap dan jumlah neutron genap memiliki bilangan kuantum spin inti nol (I = 0), sehingga tidak bersifat aktif terhadap NMR.[9]
Inti-inti atom yang aktif terhadap NMR, khususnya yang memiliki bilangan kuantum spin sebesar 1/2, sangat penting dalam spektroskopi NMR. Contoh inti tersebut meliputi 1H, 13C, 15N, dan 31P.[10]
Selain itu, beberapa atom dengan nilai spin yang sangat tinggi (misalnya I = 9/2 pada atom 99Tc) juga banyak dipelajari menggunakan spektroskopi NMR, meskipun karakter spektrumnya umumnya lebih kompleks dibandingkan inti dengan spin 1/2.[11]
Lihat pula
sunting- Akselerator partikel
- Daya fusi
- Efek Mössbauer
- Kristalografi sinar-X
- Magnet superkonduktor
- Medan magnet
- Pencitraan resonansi magnetik
- Spektrometer massa
- Spektroskopi inti
Referensi
sunting- ^ Charles P. Slichter (1963). Principles of magnetic resonance: with examples from solid state physics. Harper & Row. ISBN 978-3-540-08476-1.
- ^ Structural biology: practical NMR applications (PDF) (Edisi 2nd). Springer. 6 September 2012. hlm. 67. ISBN 978-1-4614-3964-6. Diakses tanggal 7 Desember 2018.
- ^ Marc S. Reisch (29 Juni 2015). "NMR Instrument Price Hikes Spook Users". CEN.
- ^ "Taking It Higher". The Scientist. 30 Oktober 2000.
- ^ Paudler, William (1974). Nuclear Magnetic Resonance. Boston: Allyn and Bacon Chemistry Series. hlm. 9–11.
- ^ "Discovery of NMR".
- ^ "Background and Theory Page of Nuclear Magnetic Resonance Facility". Mark Wainwright Analytical Centre - University of Southern Wales Sydney. 9 Desember 2011. Diarsipkan dari asli tanggal 27 Januari 2014. Diakses tanggal 9 Februari 2014.
- ^ "4.7: NMR Spectroscopy". Chemistry LibreTexts (dalam bahasa Inggris). 14 Juli 2016. Diakses tanggal 2023-11-25.
- ^ a b Balci, Metin (2005). "Dynamic NMR Spectroscopy". Basic 1H- and 13C-NMR Spectroscopy. Elsevier. hlm. 213–231. doi:10.1016/b978-044451811-8.50008-5. ISBN 978-0-444-51811-8.
- ^ "NMR active nuclei for biological and biomedical applications". Open Medscience (dalam bahasa Inggris (Britania)). 17 Juni 2016. Diakses tanggal 25 November 2023.
- ^ Kuznetsov, Vitaly V.; Poineau, Frederic; German, Konstantin E.; Filatova, Elena A. (2024-11-11). "Pivotal role of 99Tc NMR spectroscopy in solid-state and molecular chemistry". Communications Chemistry (dalam bahasa Inggris). 7 (1): 259. Bibcode:2024CmChe...7..259K. doi:10.1038/s42004-024-01349-2. ISSN 2399-3669. PMC 11555319. PMID 39528801.
Bacaan lebih lanjut
sunting- John D. Roberts (1959). Nuclear Magnetic Resonance: applications to organic chemistry. McGraw-Hill Book Company. ISBN 978-1-258-81166-2.
- J.A.Pople; W.G.Schneider; H.J.Bernstein (1959). High-resolution Nuclear Magnetic Resonance. McGraw-Hill Book Company.
- A. Abragam (1961). The Principles of Nuclear Magnetism. Clarendon Press. ISBN 978-0-19-852014-6.
- Charles P. Slichter (1963). Principles of magnetic resonance: with examples from solid state physics. Harper & Row. ISBN 978-3-540-08476-1.
- John Emsley; James Feeney; Leslie Howard Sutcliffe (1965). High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Pergamon. ISBN 978-1-4831-8408-1.
Pranala luar
sunting
- James Keeler. "Understanding NMR Spectroscopy" (reprinted at University of Cambridge). University of California, Irvine. Diakses tanggal 2007-05-11.
- The Basics of NMR - A non-technical overview of NMR theory, equipment, and techniques by Dr. Joseph Hornak, Professor of Chemistry at RIT
- GAMMA and PyGAMMA Libraries - GAMMA is an open source C++ library written for the simulation of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy experiments. PyGAMMA is a Python wrapper around GAMMA.
- relax Software for the analysis of NMR dynamics
- Vespa - VeSPA (Versatile Simulation, Pulses and Analysis) is a free software suite composed of three Python applications. These GUI based tools are for magnetic resonance (MR) spectral simulation, RF pulse design, and spectral processing and analysis of MR data.
- Jaroslaw Jazwinski "Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in Organic Chemistry: Theoretical Foundations and Measurement Techniques"
- Witold Danikiewicz, Olga Staszewska-Krajewska "Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in Organic Chemistry: Basic and Advanced Methods of Spectra Interpretation"
