Language
Country/Area
No result found
Gradien medan listrik dan momen kuadrupol nuklir: Bagaimana keduanya menentukan sifat materi?
Spektroskopi resonansi kuadrupol nuklir (NQR) adalah teknik analisis kimia yang berkaitan erat dengan resonansi magnetik nuklir (NMR). Tidak seperti NMR, resonansi nuklir NQR dapat dideteksi tanpa medan magnet eksternal, sehingga spektroskopi NQR juga disebut "NMR medan nol". Resonansi NQR dimediasi oleh interaksi antara gradien medan listrik (EFG) dan momen kuadrupol dari distribusi muatan nuklir. Berbeda dengan NMR, NQR hanya berlaku untuk zat padat dan tidak untuk zat cair, karena dalam zat cair gradien medan listrik di dekat inti rata-rata menjadi nol dan tensor EFG memiliki jejak nol. Karena EFG lokasi inti tertentu dalam suatu zat ditentukan terutama oleh elektron valensi yang berpartisipasi dalam ikatan tertentu dengan inti lain di dekatnya, frekuensi transisi NQR bersifat unik dalam zat tersebut.
Frekuensi NQR dalam senyawa atau kristal tertentu sebanding dengan hasil kali momen kuadrupol nuklir (sifat inti) dan EFG di dekat inti.
Fenomena serupa, tetapi tidak identik, dalam NMR adalah konstanta kopling, yang juga merupakan hasil interaksi antar inti dalam analit. Setiap inti dengan lebih dari satu partikel inti yang tidak berpasangan (proton atau neutron) akan memiliki distribusi muatan yang menghasilkan momen kuadrupol listrik. Tingkat energi inti yang diizinkan bergeser secara tidak merata karena interaksi muatan inti dengan gradien medan listrik yang disediakan oleh distribusi kerapatan elektron yang tidak merata.
Energi yang diarahkan ke inti melalui radiasi elektromagnetik dapat menyebabkan inti menyerap sebagian energi, yang dapat dilihat sebagai gangguan pada tingkat energi kuadrupol. Tidak seperti kasus NMR, penyerapan dalam NQR terjadi tanpa adanya medan magnet eksternal. Menerapkan medan statis eksternal ke inti kuadrupol akan membagi tingkat energi kuadrupol menurut interaksi Zeeman.
Teknologi NQR sangat peka terhadap sifat dan simetri ikatan di sekitar inti dan dapat mengkarakterisasi perubahan fase pada benda padat pada suhu yang berbeda.
Karena simetri, pergeseran ini rata-rata menjadi nol dalam fase cair, sehingga spektrum NQR hanya dapat diukur dalam fase padat. Dalam kasus NMR, inti dengan spin ≥ 1/2 memiliki momen dipol magnetik, sehingga energinya dapat dipartisi oleh medan magnet, yang menghasilkan penyerapan energi resonansi yang terkait dengan frekuensi Larmor. Dalam kasus NQR, inti dengan spin ≥ 1, seperti 14N, 17O, 35Cl, dan 63Cu, juga memiliki momen kuadrupol listrik. Momen kuadrupol nuklir terkait dengan distribusi muatan nuklir non-bulat, yang menunjukkan tingkat penyimpangan distribusi muatan nuklir dari bentuk bulat, yaitu bentuk elipsoid atau cakram inti.
NQR adalah pengamatan langsung interaksi antara kuadrupol moment dan gradien medan listrik lokal (EFG) lingkungannya. Frekuensi transisi NQR sebanding dengan momen kuadrupol listrik inti dan kekuatan EFG lokal. Namun, dalam padatan, kekuatan EFG mencapai beberapa kilovolt per meter persegi, sehingga tidak layak untuk melakukan eksperimen NQR dengan EFG tertentu, seperti dalam NMR, dengan memilih medan magnet eksternal.
Spektrum NQR bersifat khusus untuk suatu zat dan oleh karena itu disebut "sidik jari kimia."
Karena ketergantungan yang kuat dari frekuensi NQR pada suhu, NQR dapat digunakan sebagai sensor suhu yang akurat dengan resolusi hingga 10^−4 °C. Aplikasi spektrum NQR juga memiliki prospek yang luas dan memiliki potensi besar untuk berperan dalam industri farmasi. Secara khusus, penerapan 14N-NQR memungkinkan diskriminasi senyawa enantiomerik dalam campuran rasemat, seperti D-serin dan L-serin. Meskipun kedua senyawa ini memiliki komposisi yang serupa, keduanya memiliki sifat yang sama sekali berbeda. D-serin dapat menjadi biomarker untuk penyakit Alzheimer dan obat untuk pengobatan skizofrenia, sedangkan L-serin adalah obat yang sedang menjalani uji klinis obat A manusia FDA yang dikenal karena potensinya untuk mengobati sklerosis lateral amiotrofik.
NQR juga memiliki kemampuan untuk membedakan polimorf kristal. Misalnya, senyawa yang mengandung obat sulfonamida telah menunjukkan kepekaan terhadap polimorfisme. Perbedaan frekuensi NQR, serta perbedaan konstanta kopling kuadrupol dan parameter asimetri, memungkinkan diferensiasi polimorf, kemampuan yang menjadikan NQR alat yang ampuh untuk autentikasi obat dan memerangi pemalsuan.
Beberapa tim peneliti di seluruh dunia tengah berupaya mengembangkan teknologi NQR untuk mendeteksi bahan peledak. Peralatan yang dirancang untuk mendeteksi ranjau dan bahan peledak yang disembunyikan di dalam bagasi telah diuji. Sistem deteksi tersebut terdiri dari sumber daya frekuensi radio (RF), kumparan yang menghasilkan medan eksitasi magnetik, dan rangkaian deteksi yang memantau respons RF NQR dari bahan peledak. Bahkan perangkat palsu yang disebut ADE 651 mengklaim menggunakan NQR untuk mendeteksi bahan peledak, tetapi sebenarnya tidak dapat melakukannya.
Meskipun demikian, perangkat tersebut berhasil dijual seharga jutaan dolar ke puluhan negara, termasuk pemerintah Irak.
Keterbatasan utama NQR berasal dari banyaknya isotop. NQR memerlukan adanya momen kuadrupol bukan nol, yang hanya diamati pada inti dengan spin lebih besar atau sama dengan satu dan yang distribusi muatan lokalnya menyimpang dari simetri bola. Meskipun teknik NQR yang ada memiliki intensitas sinyal rendah karena rendahnya kelimpahan isotop pada sebagian besar inti aktif NQR, spektroskopi NQR masih menunjukkan kegunaannya dalam banyak skenario praktis.
Menghadapi kemungkinan NQR yang tak terbatas, dapatkah kita menerobos keterbatasan teknologi yang ada?
