Nuclear Magnetic Resonance

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) M.Ekaditya Albar / 0806331683 Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia

Pendahuluan

Mekanisme Kerja

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) adalah metode analisis modern yang memanfaatkan sifat magnetik inti tertentu. NMR adalah RF ( radio frequency) spectroscopy yang melibatkan interaksi antara nuclear magnetic dipole dengan medan magnet internal atau eksternal. Interaksi ini akan menghasilkan informasi detail tentang sifat kimia dari suatu atom dan lingkungannya. Spektum NMR banyak  diperoleh dengan menggunakan radio transmitter, pulse generator, radio detektor yang sensitif dan laboratorium electromagnet yang besar.

Jumlah energi yang terlibat pada radiasi RF sangat kecil untuk menggetarkan, merotasi atau mengeksitasi sebuah atom atau molekul. Namun energi tersebut cukup untuk mempengaruhi nuclear spin dari atom dalam sebuah molekul. Hasilnya, nukleus yang berputar dari beberapa atom pada molekul dalam medan magnet dapat menyerap radiasi RF dan mengubah arah sumbu putarnya. Secara prinsip, tiap atom dalam molekul memiliki perbedaan frekuensi penyerapan atau resonansi jika nukleus tersebut memiliki momen magnetik.

Sampel NMR berupa serbuk  anorganik, kawat tipis atau lapisan tipis dengan dimensi kurang dari 10 μm. Bentuk  khusus dan single crystal dapat digunakan untuk kasus-kasus tertentu. Padatan organik  biasanya dilarutkan pada pelarut tertentu, sedangkan larutan organik dapat langsung digunakan. Untuk NMR konvensional, sampel harus bersifat nonmagnetic. Berat sampel NMR kira-kira maksimal 0.1 gr (anorganik  atau organik). Sedangkan waktu yang diperlukan untuk analisa dengan menggunakan NMR adalah 30 menit sampai 48 jam.

Nukleus M  mengalami spinning dengan frekuensi sudut ω0 karena pengaruh medan magnet H 0 :

M.Ekaditya Albar / 0806331683 / Teknik Metalurgi-Material UI

secara spontan dari elektron konduksi paramagnetic. Waktu relaksasi juga ditentukan dengan menggunakan elektron pada saat berada pada level Fermi, yang menginduksi perubahan nuclear spin.

Sebuah nukleus memiliki ukuran -14 sekitar ~10 m dan memiliki distribusi muatan serta sifat magnetik yang berbedabeda. Untuk mempelajari sebuah material dengan NMR, sifat nuklir dari sebuah nukleus dapat digunakan sebagai parameter intrinsik yang fix. NMR diamati dengan menggunakan detector yang sensitif untuk menentukan respon perubahan dari sebuah sistem nuclear spin terhadap medan RF (biasanya medan magnet) yang diberikan. Perubahan ini hanya dapat diamati disekitar frekuensi resonansi dari nuclear spin. Untuk nukleus yang bebas, frekuensi resonansi ( v0) akibat pengaruh medan magnet ( H 0) adalah : v0

         H 0  2  

Frekuensi (v0) sering disebut sebagai Frekuensi Larmor. Pada logam, medan magnet pada nukleus dapat dibedakan dari medan magnet ( H 0) yang diberikan. Hal ini dapat ditunjukkan dengan mengganti H 0 dengan :

Bentuk dari nuclear resonance bergantung pada interaksi pada nukleus dan antara nukleus dan keadaan awal lingkungannya. Perbandingan antara bentuk  garis frekuensi secara teori dan praktek  memungkinkan : (1) Penempatan lokasi atom tertentu pada unit sel, (2) Membuat perkiraan kuantitatif tentang pergerakan atom (self-diffusion), (3) Mempelajari shortdan long-range order, dan (4) Mengetahui keberadaan dari second phase. Ada dua tipe utama dari NMR yang sering digunakan. Dengan metode pertama, kita dapat menggunakan gelombang elektromagnetik dan mengubah-ubah frekuensinya sampai kita mendeteksi gelombang yang diserap. Metode ini disebut “Continous Wave NMR”. Metode lain dari NMR disebut “Pulse NMR” atau “Fourier  Transform NMR” dengan menggunakan fakta bahwa nukleus tidak hanya statis pada medan magnet, tapi berputar disekitar medan magnet. Hal ini dikarenakan nukleus memiliki momentum sudut.

Dimana H m adalah medan resonansi pada logam, ΔH  adalah medan magnet internal dan –ΔH/H m adalah Knight shift. Pada beberapa logam, Knight shift  meningkat Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Page 2

M.Ekaditya Albar / 0806331683 / Teknik Metalurgi-Material UI

Kemampuan

Contoh aplikasi penggunaan NMR spectroscopy adalah sebagai berikut :  





Diagram blok dari continuous-wave NMR spectrometer  menggunakan medan sweep dan crossed-coil detector . 1. Magnet dan sumber tegangan yang terhubung. 2. Continuous-wave RF transmitter dan receiver. 3. Sampel diletakkan pada lapisan transmitter dan receiver coil. 4. Perlengkapan untuk modulasi audio dari medan magnet. 5. Detektor fasa yang sensitif dan pengolah data serta display hasil spektrum NMR. Contoh hasil analisa NMR :





Mendeteksi perubahan fasa. Mempelajari difusi atom hidrogen pada logam. Mempelajari spin wave pada material ferromagnetic. Mempelajari pengaruh terhadap struktur elektronik. Mengidentifikasi dan kuantitatif sebuah isomer.

tekanan perhitungan

Menentukan rasio atau perbandingan pada kopolimer.

Keunggulan dan Kekurangan

Keunggulan NMR : 







Dapat digunakan untuk analisa kualitatif maupun kuantitatif terutama untuk senyawa organik. Dapat digunakan pada suhu yang sangat rendah untuk logam. Dapat mempelajari bentuk dan struktur molekul dari sampel yang dianalisa. NMR merupakan cara paling akurat untk mengukur kekuatan dari sebuah medan magnet.

Kekurangan NMR : 

Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Hasil analisa kualitatif dan kuantitatif  dari spektrum NMR lebih banyak  dilakukan terhadap sampel organik  (mengandung atom C, H dan O).

Page 3

M.Ekaditya Albar / 0806331683 / Teknik Metalurgi-Material UI

Contoh Hasil Pengujian dan Pembahasan

Pada gambar terdapat dua puncak karena ada dua lingkungan hidrogen yang berbeda dalam gugus CH 3 dan gugus COOH yang mengandung oksigen. Mereka berada pada posisi yang berbeda dalam spektrum karena membutuhkan medan magnet luar yang sedikit berbeda untuk menyebabkannya beresonansi pada frekuensi radio tertentu. Ukuran kedua puncak memberikan informasi yang penting, yaitu banyaknya atom hidrogen dalam tiap-tiap lingkungan. Bukan tinggi puncaknya tetapi perbandigan luas area di bawah puncak. Jika kita menghitung luas area di bawah puncak pada diagram di atas, kita akan mendapatkan perbandingannya 3 (untuk puncak yang tinggi) dan 1 (untuk puncak yang kecil). Perbandingan 3:1 menunjukkan banyaknya atom hidrogen dalam dua lingkungan yang berbeda – hal – hal ini sesuai untuk CH 3COOH. Referensi 



ASM Handbook Volume 10, Material Characterization, 1998. Undergraduate Instrumental Sixth Edition, 2005.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Analysis,

Page 4