spektrosopi NMR 1D

1. KONSEP LANJUTAN
IZZAH MAURYZA H. KORDI K
H012221010

2. • Pengukuran Sinyal NMR penyiapan (atau pembentukan)
koheren di bidang –x,y
perekaman FID di waktu relaksasi
Koheren yang terekam hanyalah
yang berjenis SQC saja
Tujuan utama perekaman FID adalah
mengekstrak frekuensi-frekuensi Larmor
yang terkandung di dalam Mo.
5.2 Konsep Pengukuran NMR

3. Blok penyiapan koheren yang paling sederhana adalah yang hanya
melibatkan satu pulsa kuat seperti pada percobaan pulsa tunggal.
Pada percobaan ini semua magnetisasi sebelum perekaman FID
adalah sefasa. Pada percobaan yang lebih rumit, yaitu percobaan
multipulsa, koheren yang dibentuk pertamakali dimodifikasi lebih
lanjut menjadi berbagai jenis koheren, baik yang bersifat SQC
ataupun campuran DQC/ZQC, walaupun pada akhirnya hanya
magnetisasi SQC yang terekam pada FID.
Modifikasi koheren kombinasi pulsa 90° dan 180°
Modifikasi Fasa Dengan memanfaatkan kopling J
terutama kopling 1H-13C

4. 5.3 Transfer Koheren
Transfer koheren dapat diartikan sebagai transfer informasi antar koheren
(magnetisasi spin inti atom). Informasi yang ditransfer adalah frekuensi
Larmor.
Sebagai contoh, pada percobaan NMR heteronuklir magnetisasi 1H dapat
mentransfer koherennya ke magnetisasi 13C.
Transfer koheren juga dapat berlangsung secara homonuklir, yaitu dari
magnetisasi 1H ke magnetisasi 1H yang lain.
Pembentukan multiplisitas karena kopling J pada spektrum 1H NMR ataupun
pada spektrum 13C NMR pada dasarnya merupakan salah satu contoh
‘transfer koheren’, karena dengan adanya multiplisitas tersebut dapat
diketahui hubungan antara gugus tetangga.

5. Transfer koheren pada NMR dapat berlangsung dengan dua cara.
 Yang pertama adalah transfer koheren yang berlangsung melalui ikatan
melalui kopling J. Percobaan-percobaan NMR seperti:
 COSY (Correlation Spectroscopy)
 TOCSY (Total Correlation Spectroscopy)
 DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer)
 HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence)
 HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence)
 HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation)
 Percobaan APT (Attached Proton Test) tidak menggunakan transfer koheren.
Percobaan NMR Homonuklir
Percobaan NMR Heteronuklir

6.  Kunci pada transfer koheren melalui Ikatan ini adalah keadaan doblet (multiplet) fasa
berlawan (misalnya 2IXSZ) sebagai prasyarat sehingga dapat dilakukannya transfer
koheren. Misalkan suatu sistem magnetisasi 13C1HCl3, (kloroform) yang menghasilkan
sinyal proton doblet dan sinyal karbon doblet dengan konstanta kopling J sekitar 150
Hz.
 Penyiapan koheren 1H sebagai doblet berlawanan fasa dilakukan dengan cara
pemberian pulsa 90° (x) di saluran 1H dan dibiarkan berevolusi kopling selama Ʈ 1/(2J)
(sekitar 3,3 milidetik), sehingga terbentuk koheren 2IXSZ. Transfer koheren dari 1H ke
13C terjadi dengan cara memberikan pulsa 90° (y) sekaligus di saluran 1H dan 13C
secara bersamaan, sehingga mengubah 2IXSZ menjadi 2(-IZ)SX (=-2SXIZ):

7. Yang kedua adalah transfer koheren yang berlangsung melalui ruang ( ~ 3
amstrong) atau karena kedekatan ruang.
Transfer koheren ini memanfaatkan energi yang dilepaskan ketika relaksasi
berlangsung, yaitu relaksasi longitudinal (T1), baik secara kuantum ganda
(DQ) ataupun kuantum nol (ZQ).
Percobaan NMR yang memanfaatkan transfer koheren ini adalah berbagai
jenis percobaan yang melibatkan NOE (Nuclear Overhausser Effect), seperti
NOE-diff (selisih-NOE)
NOE1D (transient NOE)
NOESY (NOE-correlation spectroscopy), dan
ROESY (rotating frame NOE spectroscopy)

8.  Energi yang diserap ketika pulsa 90° diberikan kepada magnetisasi Mo
akan ‘disimpan’ dalam bentuk transisi α → β dan penghomogenan fasa
magnetisasi atau koheren
Relaksasi
pelepasan kembali kedua bentuk energi
tersebut, yaitu dengan cara mengubah β→ α
(spin inti-β kembali menjadi spin inti-α) dan
pengacakan kembali fasa
 Kedua proses berjalan secara independen, dengan waktu relaksasi masing-
masing adalah T1 (waktu relaksasi longitudinal) dan T2 (waktu relaksasi
transvers)
(T1 ≥ T2).
Waktu T1 Fenomena NOE Waktu T2
menentukan lebar puncak
suatu puncak NMR

9. • Perlu diketahui bahwa energi yang diserap oleh inti atom tidak dilepaskan
kembali ke lingkungan kedalam bentuk gerakan-gerakan molekul seperti
getaran, rotasi, dan translasi, sebagaimana energi yang diserap pada transisi
elektronik (serapan ultra violet dan infra merah).
• Hal ini disebabkan karena inti atom pada prinsipnya berada dalam ruang
'vakum' yang sangat jauh dari elektron ikatan yang mengikat satu inti atom
yang satu dengan yang lainnya dalam suatu molekul.
• Interaksi inti atom dengan 'dunia luar' hanya dapat dilakukan melalui interaksi
medan magnet.

10. Gambar 5.1 Hubungan antara
jumlah molekul (dalam
pengaruh Bo = -11,74 Tesla atau
frekuensi proton 500 MHz)
terhadap frekuensi putaran
gejolak untuk berbagai ukuran
molekul. Skala vertikal tidak
bersifat linier. Sebagai contoh,
jumlah molekul yang memiliki
frekuensi satu kuantum (SQ
atau ~500 MHz) pada ukuran
molekul 100 Da sekitar 15% dari
yang berukuran molekul sekitar
1000 Da.

11. • Jumlah molekul yang memiliki frekuensi putaran gejolak sekitar 500 MHz
mencapai maksimum pada ukuran molekul 'medium', yaitu sekitar 1000 Da.
• Putaran 500 MHz pada Bo = 11,74 Tesla adalah ekivalen dengan putaran satu
kuantum (SQ, single quantum).
• Putaran SQ turun sangat drastis ketika ukuran atau berat molekul bertambah
kecil ataupun bertambah besar. Bahkan pada ukuran molekul yang lebih besar
boleh dikatakan putaran SQ mendekati nol.
• Putaran gejolak molekul SQ memacu relaksasi longitudinal 'normal' SQ, yaitu dari
β→ α.
• Fenomena NOE tidak berkaitan dengan relaksasi SQ, melainkan berkaitan
dengan relaksasi dua kuantum (DQ), yaitu pada contoh ini pelepasan foton
berfrekuensi 1 GHz (2 x 500 MHz), dan 'nol' kuantum (ZQ), yaitu pelepasan
energi foton berfrekuensi kecil (selisih frekuensi farmor proton yang hanya
berorde beberapa hingga ribuan Hz saja).

12. Gambar 5.2 Mekanisme transfer
koheren melalui ruang berdasarkan
fenomena NOE.
a) relaksasi SQ tidak menghasilkan
efek NOE
b) relaksasi DQ menghasilkan
NOE-negatif
c) relaksasi ZQ menghasilkan efek
NOE-positif.
Perbandingan atau jumlah populasi -
α dan -β tidak mencerminkan yang
sebenarnya.

13. 5.4 Kembali tentang pulsa
• Pulsa merupakan salah satu komponen penting (tanpa pulsa tidak ada NMR
pulsa) pada ramuan percobaan multipulsa ataupun percobaan pulsa tunggal
yang khusus, seperti spin homodekopling dan NOE-diff (NOE selisih).
• Macam-macam pulsa dapat dikelompokkan kedalam tiga golongan, yaitu:
1. ditinjau dari kekuatan atau dayanya
2. dari bentuk pulsanya
3. dari komposisinya yang disebut pulsa komposit.

14. Pulsa kuat dan pulsa lemah
• Pulsa kuat berkaitan dengan pembentukan koheren pada magnetisasi.
• Dua pulsa kuat yang paling terkenal adalah pula 90° dan 180°.
• Untuk memulai koheren di bidang -x,y (transvers), sudah pasti menggunakan
pulsa 90°.
• Pulsa 180° mencerminkan suatu koheren dari bidang atau sumbu yang satu
ke bidang atau sumbu lainnya yang berlawanan.
• Pulsa kuat dengan daya sedikit lebih lemah banyak dimanfaatkan rangkaian
pulsa khusus, yang disebut pulsa komposit
• Pulsa yang berdaya kuat hanya diterapkan dengan jangka waktu yang sangat
pendek, jika diterapkan dengan waktu yang lama pulsa kuat akan merusak
probe karena efek panas yang ditimbulkannya.

15. • Pulsa lemah dicirikan oleh daya atau amplitudo yang jauh lebih rendah dari
pulsa kuat
• Pulsa-pulsa lemah bertujuan hanya untuk transisi α→β, tetapi tidak disertai
dengan pembentukan koherensi pada magnetisasi.
• Pulsa-pulsa lemah tersebut dimanfaatkan pada percobaan-percobaan NOE-
diff, pra-penjenuhan, dan homodekopling selektif, yaitu hanya untuk
meradiasi daerah frekuensi yang sempit.
• Diantara ketiga jenis pulsa lemah pada Tabel 4.1, daya untuk percobaan
NOE-diff adalah yang paling lemah, karena tujuan pemberian pulsa pada
percobaan ini adalah semata-mata untuk menciptakan transisi α→β untuk
membangun efek NOE melalui relaksasi DQ.

16. • Percobaan homodekopling menggunakan pulsa lemah dengan daya yang
jauh lebih kuat dari percobaari NOE-diff, tetapi tetap masih jauh lebih lemah
dari pulsa kuat.
• Daya yang lebih kuat pada percobaan homodekopling diperlukan untuk
menciptakan keseimbangan transisi ↔ relaksasi yang cepat, sehingga
menciptakan efek dekopling
• Percobaan pra-penjenuhan bertujuan untuk menghilangkan atau menekan
Intensitas sinyal H₂O atau sinyal pelarut karena intensitasnya terlalu tinggi
sehingga sinyal-sinyal analit (atau sampel) 'tidak terlihat.

17. bentuk pulsa segiempat (rectangular)
kurva 'normal' (Gaussian)
 Pulsa segiempat dibuat
dengan cara yang sederhana.
Pulsa-pulsa kuat 90°, 180°,
dan 270° dilakukan dengan
cara ini.
 Karakteristik pulsa ini adalah daya eksitasinya
tidak merata, maksimum di tengah-tengah
rentang eksitasi, tetapi menurun di sisi kanan
dan kirinya. Semakin jauh dari tengah-tengah
rentang eksitasinya, semakin rendah daya
eksitasinya
 Salah satu cara untuk menanggulangi
permasalahan ketidakrataan daya
eksitasi dari pulsa segiempat tersebut
adalah dengan menggunakan pulsa
komposit
Bentuk pulsa

18. 5.5 Rangkaian Pulsa (Percobaan) Spin Echo
• Percobaan NMR pulsa tunggal dicirikan oleh hanya satu pulsa (pulsa 90°
untuk membentuk koheren maksimum) dan tidak ada jeda waktu setelahnya,
FID langsung dikumpulkan; kecuali jeda untuk membiarkan koheren kembali
ke keadaan ekuilibrium (relaksasi) sebelum percobaan selanjutnya
dilaksanakan (disebut sebagai waktu penyiapan).
• Pengukuran spektrum 1H NMR dan 13C NMR (baik dengan kopling-1H atau
dengan dekopling-1H menyeluruh) merupakan percobaan NMR pulsa
tunggal.

19. • Percobaan NMR multipulsa dicirikan oleh adanya jeda waktu sebelum
pengumpulan FID dan juga pulsa-pulsa tambahan selain pulsa 90° (bisa
pulsa 180°, pulsa 90° kedua dan seterusnya, atau pulsa 45° atau pulsa 135°).
• Salah satu rangkaian multi pulsa yang terkenal adalah rangkaian pulsa spin
echo
• Rangkaian pulsa spin echo merupakan "keharusan", atau mesti ada, ketika
jeda waktu diberikan setelah koheren terbentuk di bidang-x,y (pulsá 90°),
sebelum dilakukan pengumpulan FID.
Mengapa rangkaian pulsa spin echo penting?

20. Perlu diingat bahwa MO terdiri dari berbagai
unit-unit koheren MO1, MO2, MO3,…, Mon,
masing- masing memiliki frekuensi Larmor VL1,
VL2, VL3,…, VLn berbeda-beda, karena lingkungan
kimia yang berbeda-beda pula.
Apabila diberikan jeda waktu sebelum
pengumpulan FID, masing- masing Mo akan
menjalani apa yang disebut sebagai "evolusi"
geseran kimia, yaitu putaran karena frekuensi
Larmornya, dan masing-masing akan
menempati fasa (posisi) terhadap receiver yang
berbeda-beda.
maka fasa puncak-puncak sinyal NMR
menjadi tidak teratur, ada yang berupa serapan
positif, serapan negatif, dipersif positif, dan
dispersif negatif, dan bahkan campuran antara
serapan dan dispersif.
Rangkaian pulsa spin echo
merupakan jawaban dalam
menanggulangi ketidakteraturan
fasa akibat jeda waktu sebelum
pengumpulan FID.

21. • Ciri rangkaian spin echo adalah adanya penyisipan pulsa
180° di tengah-tengah jeda waktu. Untuk percobaan NMR
heteronuklir (dua saluran 13C dan 1H), penyisipan pulsa
tersebut dapat di salah satu, atau di kedua saluran
sekaligus secara bersamaan. Untuk percobaan NMR
homonuklir (1H saja), penyisipan pulsa 180° akan berlaku
untuk semua koheren 1H.

22. • Untuk percobaan heteronuklir terdapat tiga rangkaian spin
echo untuk jeda waktu Ʈ = 2t
Gambar 5.3 Tiga jenis rangkaian
pulsa spin echo.
A. Fasa yang tersebar akibat
evolusi geseran kimia
difokuskan, sementara evolusi
kopling tetap berjalan;
B. Fasa yang terpencar oleh
evolusi geseran kimia dan
kopling difokuskan; dan
C. Evolusi geseran kimia tetap
berjalan, sementara akibat
evolusi kopling difokuskan.

23. • Dengan menggunakan model
vektor, ketiga rangkaian spin echo
dapat dijelaskan sebagaimana
dinyatakan pada Gambar 5.4
Gambar 5.4 Penjelasan dengan
model vektor untuk tiga rangkaian
spin echo A-C. Penjelasan rinci dapat
dilihat pada Gambar 5.3.
Arah putar magnetisasi 13C terkopling
1Hα, diandaikan berlawanan arah
jarum jam, dan sebaliknya untuk yang
terkopling 1Hβ. Putaran geseran kimia
diandalkan searah jarum jam.

24. • Putaran pulsa, putaran evolusi geseran kimia, dan evolusi
kopling untuk koheren 13C yang terkopling ¹H = α
ditetapkan berlawanan arah putaran jarum jam,
sementara putaran evolusi kopling untuk koheren 13C
yang terkopling 1H = β adalah searah dengan arah
putaran jarum jam.
• Pulsa 180° (x) di saluran 13C mencerminkan koheren
terhadap bidang-x,z, sementara pulsa 180° (x) di saluran
¹H menukarkan identitas α→β dan β→α pada magnetisasi
1H.

25. • Sebagai kesimpulan, rangkaian spin echo bertujuan untuk :
1) menempatkan posisi magnetisasi tepat sesumbu dengan receiver
(fasa 0° atau 180°) (spin echo A, sementara evolusi kopling
berjalan), atau
2) membuat multiplet kembali menjadi in-phase (spin echo C,
sementara evolusi geseran kimia berlangsung)
3) posisi magnetisasi tepat sesumbu dan multiplet menjadi in-phase
(spin echo B).