MAKALAH BIOKIMIA FISIK "SPEKTROSKOPI NMR"

MAKALAH BIOKIMIA FISIK
SPEKTROSKOPI NMR


Disusun oleh:
Ratih Mulyarti H1A007040
Sopan triyanto H1A007041
Ruli Budi F. H1A007042
Fera Laili Ni’mah H1A007044
Futya Millatina H1A007045
Wahyono H1A007046
Iskandar Z. H1A007047





DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL
UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK
JURUSAN MIPA
PROGRAM STUDI KIMIA
PURWOKERTO
2010

BAB I
PENDAHULUAN

A. Latar Belakang
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) adalah salah satu metode analisis yang paling mudah digunakan pada kimia modern. NMR digunakan untuk menentukan struktur dari komponen alami dan sintetik yang baru, kemurnian dari komponen, dan arah reaksi kimia sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia [1,2]. Meskipun banyak jenis nuclei yang berbeda akan menghasilkan spektrum, nuclei hidrogen (H) secara histori adalah salah satu yang paling sering diamati. Spektrokopi NMR khususnya digunakan pada studi molekul organik karena biasanya membentuk atom hidrogen dengan jumlah yang sangat besar [3,4,5,6].
Pada spektrum hidrogen NMR menghadirkan beberapa resonansi yang menjelaskan pertama bahwa molekul yang dipelajari mengandung hidrogen. Kedua, jumlah pita dalam spektrum menunjukkan bagaimana beberapa posisi yang berbeda pada molekul dimana hidrogen melekat/menempel. Frekuensi dari beberapa resonansi utama pada spektrum NMR menunjukkan perubahan kimia. Ini sangat penting untuk menduga bagian dari spektrum NMR yang mengandung informasi tentang lingkungan masing-masing atom hidrogen dan struktur dari komponen yang dipelajari. Informasi ketiga bahwa sebuah spektrum NMR menentukan perbandingan luas/daerah pita yang berbeda, ini menjelaskan jumlah atom hidrogen yang relatif yang keluar pada masing-masing posisi pada molekul yang diperoleh. Perbandingan ini petunjuk/bukti langsung struktur dari struktur molekul dan harus mutlak sesuai untuk beberapa struktur yang diusulkan sebelum struktur tersebut kemungkinan dipertimbangkan benar.
Struktur kompleks pita-pita dapat mengandung informasi tentang jarak yang memisahkan beberapa atom hidrogen yang melewati ikatan kovalen dan penyusun spasial atom hidrogen yang melekat pada molekul, termasuk struktur dasarnya. Struktur dasar menunjukkan pembungkusan atau penggabungan molekul yang memiliki ikatan yang panjang, seperti struktur spiral DNA. Struktur kompleks pita NMR pada mulanya spin coupling diantara beberapa atom hidrogen. Penggabungan ini merupakan perputaran fungsi jarak melintasi ikatan dan geometri molekul. Dalam kasus molekul kecil, pita yang kompleks mungkin disimulasikan tepat dengan perhitungan mekanika kuantum atau didekati menggunakan mekanika kuantum yang sesuai dengan aturan.

B. Tinjauan Pustaka
NMR digunakan untuk menentukan struktur dari komponen alami dan sintetik yang baru, kemurnian dari komponen, dan arah reaksi kimia sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia. Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi structural. Spektroskopi resonansi magnet inti seringkali disingkat NMR termasuk ke dalam spektroskopi absorpsi seperti halnya dengan spektroskopi infra merah atau spektroskpoi ultra violet. Dasar dari spektroskopi NMR adalah absorpsi radiasi elektromagnetik dengan frekuensi radio oleh inti atom. Frekuensi radio yang digunakan berkisar dari 0,1 sampai dengan 100 MHz. Bahkan, baru-baru ini ada spektrometer NMR yang menggunakan radio frekuensi sampai 500 MHz.
Inti proton (atom hidrogen) dan karbon (karbon 13) mempunyai sifat-sifat magnet. Bila suatu senyawa mengandung hidrogen atau karbon diletakkan dalam bidang magnet yang sangat kuat dan diradiasi dengan radiasi elektromagnetik maka inti atom hidrogen dan karbon dari senyawa tersebut akan menyerap energi melalui suatu proses absorpsi yang dikenal dengan resonansi magnetik. Absorpsi radiasi terjadi bila kekuatan medan magnet sesuai dengan frekuensi radiasi elektromagnetik.
Proton tunggal 1H adalah isotop yang paling penting dalam hydrogen. Isotop ini melimpah hampir 100% dan jaringan hewan mengandung 80% air. 1H memproses momen magnetik yang besar dari nuclei yang penting secara biologi. Ketika pada medan magnet konstan, frekuensi NMR dari nuclei hanya bergantung pada momen magnetnya, frekuemsi 1H paling tinggi pada spekrometer yang sama. Sebagai contoh, pada spekrometer 360 MHz untuk 1H, frekuensi untuk 31P adalah 145,76 MHz dan untuk 13C adalah sekitar 90 MHz.
13C adalah isotop karbon yang dapat digunakan untuk NMR. Dialam ada hanya 1,1%. Oleh karena itu, spektrum 13C yang diperoleh membutuhkan banyak waktu. Disamping itu spektrum 13C lebarnya adalah 200 ppm, yang identifikasinya mudah diperoleh pada metabolisme jaringan. Sensitiftas spektroskopi 13C dapat ditingkatkan dengan spektroskopi proton-observed carbon-edited.

BAB II
ISI

A. Instrumentasi Spektrometer NMR
Instrumen NMR terdiri atas komponen-komponen utama berikut: (1) Magnet, (2) tempat sampel (3) generator FR (4) Oksillator FR (5) Detektor FR (6) Rekorder.
a. Magnet
Sensitivitas dan resolusi dari Spektrometer NMR tergantung pada kekuatan dan kualitas magnetnya. Dengan bertambahnya kekuatan medan magnet, sensitivitas dan resolusi akan bertambah pula. Terdapat tiga jenis magnet dalam Spektrometer NMR yaitu magnet pokok, elektromagnet, dan magnet “superconducting”.
b. Tempat Sampel dan Probe Sampel
Biasanya tempat sampel berupa tabung berbentuk silinder dengan diameter luar 5 mm dan berisi sekitar 0,4 ml cairan. Dapat juga digunakan tabung mikro untuk sampel yang mempunyai volume lebih kecil. Tempat sampel terletak di antara dua kutub magnet. Agar terkena medan magnet yang merata, sampel diputar pada sumbunya.
Probe sampel NMR merupakan sebuah alat untuk menempatkan dengan tepat tempat sampel di medan magnet. Probe sampel tidak hanya terdiri dari tempat sampel tapi juga kumparan generator FR, kumparan osilator FR dan kumparan detektor FR.
c. Generator FR
Pada celah magnet terdapat sepasang kumparan diletakkan paralel terhadap magnet dan dihubungkan dengan generator frekuensi radio (FR) misalnya 60 MHz. Kumparan ini akan memberikan radiasi elektromagnetik yang digunakan untuk mengubah orientasi perputaran proton.
Dengan mengubah arus searah melalui kumparan ini, kekuatan medan magnet dapat berubah beberapa ratus miligauss. Umumnya kekuatan medan magnet berubah secara otomatis terhadap waktu dan perubahannya linier dengan gerakan kertas rekorder.
d. Osilator FR
Signal dari osilator FR masuk ke dalam sepasang kumparan yang letaknya tegak lurus dengan medan magnet. Osilator digunakan dengan frekuensi tertentu misalnya 60, 90, atau 100 MHz. Pada spektrometer NMR resolusi tinggi, frekuensi harus konstan. Output dari osilator FR lebih kecil dari 1 watt dan harus tetap konstan sampai 1% selama jangka waktu tertentu.
e. Detektor FR
Tegak lurus dengan kumparan osilator FR adalah kumparan detektor FR. Bila radiasi diserap maka putaran inti akan menghasilkan signal dengan frekuensi radio (FR) pada kumparan detektor FR. Signal FR yang dihasilkan biasanya kecil dan harus diperkuat dengan faktor 105 atau lebih sebelum dicatat atau direkam pada rekorder.
f. Rekorder
Respon yang dihasilkan pada detektor dicatat atau direkam sebagai signal resonansi atau puncak. Kertas rekorder bergerak dari kiri ke kanan sesuai dengan kenaikan kekuatan medan magnet.
B. Geseran Kimia
Dalam suatu spektrum NMR, posisi serapan oleh sebuah proton bergantung pada kuat netto medan magnet lokal yang mengitarinya. Medan lokal ini merupakan hasil medan magnet terapan dan medan magnet terimbas yang mengitari proton itu. Besar kecilnya medan terimbas ini tergantung dari rapatan elektron (awan elektron) yang mengelilingi proton tersebut. Semakin besar rapatan elektron yang mengelilingi proton semakin kuat medan magnet imbasan yang dihasilkan. Dan jika medan magnet imbasan sekitar sebuah proton itu relatif kuat maka medan itu melawan medan magnet terapan dengan lebih kuat sehingga diperlukan medan magnet terapan yang lebih besar agar proton itu dapat beresonansi. Dalam hal ini, proton itu dikatakan terperisai (shielded) dan absorpsinya terletak di atas-medan dalam spektrum NMR. Atau sebaliknya jika medan magnet imbasan di sekitar sebuah proton itu relatif lemah, maka medan magnet terapan yang diperlukan juga kecil agar proton ini beresonansi. Proton itu dikatakan tak terperisai (deshhielded) dan absorpsinya muncul di bawah-medan.
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi geseran kimia, yaitu : (1) efek induksi dan (2) efek anisotropik. Jika suatu atom ditempatkan dalam suatu medan magnet terapan, maka elektron-elektron yang mengelilingi inti akan beredar. Peredaran elektron ini akan menimbulkan medan magnet kecil (imbasan) yang melawan medan magnet terapan. Adanya medan magnet imbasan ini mengakibatkan medan magnet terapan yang diperlukan proton untuk beresonansi menjadi lebih besar. Proton ini dikatakan terperisai oleh elektron dan absorpsinya muncul di atas medan.

C. Spektrum NMR
Spektrum NMR merupakan spektrum kompleks, sebagai absis adalah kekuatan medan magnet. Kekuatan medan magnet ini diukur dengan pergeseran kimia pada garis bawah dengan satuan ppm dan pada garis atas dengan satuan Hertz. Kekuatan medan magnet bertambah dari kiri ke kanan.
Jumlah Signal Proton
Jumlah signal (isyarat) proton menerangkan berapa jenis (macam) proton yang terdapat dalam suatu senyawa. Dua atau lebih proton dengan lingkungan magnet sama akan mempunyai nilai pergeseran kimia yang sama dan hanya menghasilkan satu signal proton NMR. Proton-proton dengan lingkungan magnet yang sama ini dikatakan ekivalen. Sebagai contoh senyawa CH3Cl (metil klorida) mempunyai satu signal karena tiga proton dalam CH3 adalah ekivalen.

D. Aplikasi NMR
1. Bidang Kedokteran
Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi struktural. NMR manjadi sebuah teknik alternatif selain kristalografi X-Ray, untuk memperoleh informasi struktur dan resolusi dinamik atomik dan studi interaksi molekuler dari makromolekul biologi pada kondisi larutan secara fisiologi. Usaha sangat penting untuk memperluas aplikasi NMR untuk sistem molekul yang lebih besar, karena jumlah yang lebih besar secara biologi dibutuhkan kompleks makromolekul dan makromolekuler yang memiliki massa molekuler melebihi range yang sacara prakis digunakan untuk spektroskopi NMR konvensional dalam larutan. Peningkatan ukuran ini memberikan batasan, contohnya, penentuan struktur protein yang tidak dapat dikristalkan, termasuk membran protein integral, penelitian interaksi molekuler melibatkan molekul besar dan penghimpunan makromolekuler, dan penentuan struktur dari oligonukleotida yang lebih besar dan kompleks dengan protein.

2. Bidang Biologi Molekuler
Untuk protein dan protein komplek dengan massa molekuler sekitar 25-30 kDa kualitas spektra menurun dengan cepat membatasi mayor A ketika bekerja dengan makromolekul besar yang berasal dari kecepatan relaksasi tinggi signal NMR, menyebabkan garis tajam yang melebar, yang berpindah menuju resolusi spektra yang lebih sedikit dan perbandingan signal-to-noise yang rendah. Banyak peningkatan kualitas spektra NMR dari biologi makromolekuler dengan massa molekuler sekitar diatas 25 kDa dapat diperoleh dengan deuterasi, teknik yang telah dipakai dalam biologi NMR selama lebih dari 30 tahun. Dikombinasikan dengan label 15N dan 13C, label 2H mengalami pemulihan yang sangat mengesankan sekitar 10 tahun yang lalu dan telah menjadi alat yang paling penting untuk menentukan struktur yang lebih besar dalam larutan.
3. Studi Larutan NMR pada Protein Membran
Protein membran berperan pada beberapa fungsi fisiologi yang penting, dan dalam membentuk kunci target obat-obatan. Studi struktural protein membran oleh X-ray crystallography atau oleh NMR spektrokopi lebih sulit dari pada untuk protein yang dapat dilarutkan. Karena sistem membran yang nyata terlalu besar untuk diteliti dengan ekperimen larutan NMR, protein membran sering diencerkan dalam detergen micelles. Dari system micellar, spektra dapat diperoleh menggunakan TROSY (Transverse Relaxation-Optimized Spectroscopy). Membran protein dalam detergen/lemak micelles menghasilkan sedikit resonansi NMR dan signal overlap berkurang daripada protein globular dari massa molekuler yang sama. Walaupun molekul detergen dapat menunjukkan fraksi yang besar dari keseluruhan massa yang besar dari pencampuran micelles, pelabelan isotop yang sesuai seperti tanda 13C, 15N dari protein dan atau menggunakan detergen deuterasi, memastikan bahwa signal NMR protein dapat dideteksi dengan besar atau tanpa interferensi dari signal molekul detergen.
. NMR pada biologi melekuler dilakukan pada sample dalam bentuk larutan yang terlebih dahulu dilakukan pemurnian atau ekstraksi. Dengan NMR dapat diketahui struktur molekulernya dan perubahan yang terjadi ketika mendapat ganguan dari luar (rangsangan, penyakit atau penambahan zat lain)



BAB III
KESIMPULAN

NMR digunakan untuk menentukan struktur dari komponen alami dan sintetik yang baru, kemurnian dari komponen, dan arah reaksi kimia sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia. Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi structural. NMR pada biologi melekuler dilakukan pada sample dalam bentuk larutan yang terlebih dahulu dilakukan pemurnian atau ekstraksi.Dengan NMR dapat diketahui struktur molekulernya dan perubahan yang terjadi ketika mendapat ganguan dari luar (rangsangan, penyakit atau penambahan zat lain)





















DAFTAR PUSTAKA