Magnetic Resonance Imaging (MRI)

  1. Sejarah MRI

1.1 Penemu MRI

Awal kelahirannya MRI bukanlah satu alat yang serta merta dibuat oleh satu orang atau satu vendor besar tertentu. Namun ada beberapa alat yang di buat kemudian dikembangkan.

Pada periode 1990 an MRI merupakan alat diagnostic yang Ekslusif dan sangat sulit dicari, serta menjadi indikator rumah sakit dengan pelayanan radiologi termodern. Dewasa ini kita dapat dengan cukup mudah menemukan rumah sakit yang menyediakan pelayanan MRI dengan tenaga teknis seorang radiografer tertentu yang diperbolehkan untuk mengoperasikannya.

Periode 1940-an adalah masa keemasan bagi fisika quantum. Dengan demikan banyak para ahli yang melakukan penelitian pada fisika quantum, akses dunia terhadap segala hal tentang apa yang membentuk material dan apa yang menjadi unit terkecil dari material terbuka lebar. Dunia memasuki jaman atom, substansi penting yang menjadi tulang punggung pencitraan MRI. Dan titik paling awal dari perkembangan MRI yang sangat cepat dewasa ini terjadi pada tahun 1946.

Berikut ini beberapa nama yang hadir dalam kelahiran dan pengembangan dari MRI

  1. Felix Bloch (Stanford Univ.) dan Edward Purcell (Harvard Univ.)

Pada tahun 1946, dua fisikawan asal amerika serikat ini secara independent melakukan penelitian dan mengemukakan teori tentang “precission” yang secara umum menyatakan inti atom (proton) berputar dan menghasilkan momen magnetic. Teori ini kemudian melahirkan apa yang dikenal dengan “Persamaan Bloch” mengenai momentum magnetic yang merupakan sebuah teori yang didapat dari penelitian dan studi mendalam mengenai atom. Atas hal ini, kedua ahli tersebut saling berbagi penghargaan nobel pada tahun 1952 untuk kategori ilmu fisika. Namun pada kenyataannya pada saat disampaikan teori tersebut belum dapat dibuktikan secara empiris, baru sebatas teori dan persamaan matematis.

Awal periode 1950-an teori Bloch diuji dan dapat dibuktikan secara eksperimen dan mengantarkan bloch dan Purcell meraih nobel fisika 1952. Semenjak periode tersebut, mulailah dilakukan penelitian terhadap NMR (nuclear magnetic resonance = sifat magnetivitas inti atom) secara massif – hal yang menjadi cikal bakal dari MRI.

Seiring dengan perkembangan penelitian terhadap NMR, pada tahun 1960 dunia sains memperkenalkan NMR spectrometer untuk keperluan analisis dan penelitian inti atom. Alat ini menghasilkan gambaran spectrum-spektrum NMR dari molekul pembentuk material, sehingga pada periode 1960 – 1970 NMR spectrometer telah digunakan secara luas untuk penelitian mengenai konfigurasi dan susunan molekul dari sebuah material. Penelitian mengenai spectrum NMR dengan spectrometer telah menorehkan satu langkah paling maju dalam perkembangan MRI.

2. Raymond Vahan Damadian, MD

Seorang dokter keturunan Armenia berkebangsaan Amerika ini, melakukan penelitian mengenai pemanfaatan NMR untuk bidang Medis. Pada tahun 1971, Damadian menyatakan dalam jurnal ilmiahnya, bahwa jaringan kanker menghasilkan spectrum NMR yang berbeda dengan jaringan normal, sehingga hal ini dapat dijadikan sebuah metode untuk mendeteksi kanker. Walaupun Teori karakterisasi jaringan ini kemudian terbukti, namun saat itu terlalu sulit untuk diaplikasikan dalam bidang medis, karena gambaran hanya berupa spectrum-spektrum NMR yang terlalu variabel untuk ditafsirkan guna keperluan diagnosa medis.

Pada tahun 1979, The University of Nottingham Group memproduksi gambaran potongan coronal dan sagittal (disamping potongan aksial) dengan NMR. Selanjutnya karena kekaburan istilah yang digunakan untuk alat NMR dan di bagian apa sebaiknya NMR diletakkan, maka atas saran dari AMERICAN COLLEGE of RADIO-LOGI (1984), NMR dirubah menjadi Magnetic Resonance Imaging (MRI) dan diletakkan di bagian Radiologi.

3. Dr. Paul Christian Lauterbur

Peneliti dari University of Illinois ini mendesain sebuah spectrometer NMR yang dapat menghasilkan gambaran tomogram dari material dan bukan lagi berbentuk spectrum. Hal ini merupakan tindak lanjut dari langkah yang telah diambil oleh Damadian yang kemudian mendorong seorang Lauterbur mengenalkan konsep gradient yang disisipkan pada medan magnetic spectrometer sehingga dimungkinkan untuk menghasilkan informasi spasial melalui pancaran gelombang Radio Frekuensi ke dan dari obyek. Konsep yang didesain oleh Lauterbur ini kemudian menghasilkan gambaran 2 dimensi dari obyek percobaannya 2 buah tabung berisi air, dan konsep Lauterbur ini walaupun berhasil dibuktikan namun pada prosesnya dibutuhkan waktu berjam –jam untuk menghasilkan sebuah gambaran tomogram.

Mengikuti konsep yang dibuat oleh Lauterbur, Damadian kemudian merancang alat NMR untuk membuktikan teorinya – NMR dapat digunakan untuk mendeteksi kanker karena jaringan kanker menghasilkan spectrum yang berbeda dengan jaringan normal. Dan pada tahun 1974, gambaran MRI dari makhluk hidup yang pertama dihasilkan oleh Damadian, yaitu berupa gambaran jaringan tubuh dari tikus percobaan yang menderita tumor. Hal ini membuat Damadian mendapatkan patennya yang pertama pada tahun yang sama untuk “konsep NMR bagi pencitraan tubuh manusia”.

4. Dr. Larry Minkoff dan Dr. Michael Goldsmith

Berangkat dari keberhasilan Lauterbur, Damadian dan teamnya ini kemudian merancang sebuah proyek ambisius. Sebuah Mesin NMR yang diperuntukkan bagi manusia. NMR Super konduktor rancangan Damadian dan teamnya ini dinamakan Indomitable, nama ini dipilih untuk mengingatkan damadian et.al. tentang perjuangan tak kenal lelah dalam membalikkan persepsi public tentang kemustahilan penggunaan NMR bagi bidang medis dan diujicobakan untuk pertamakalinya guna menggambarkan tubuh manusia.

Percobaan ini memakan waktu 5 jam dan berhasil menghasilkan gambaran NMR cross sectional dari tubuh manusia yang pertama kalinya. Walaupun gambaran ini – dibandingkan dengan MRI sekarang – hanya berupa perbedaan grayscale dan kontras terang-gelap, namun gambaran ini telah menjadi bukti paling otentik bahwa NMR terbukti dapat digunakan bagi keperluan diagnosa medis.

5.  Dr. Peter Mansfield

Keberhasilan Damadian dan Lauterbur, kemudian disempurnakan oleh Dr. Peter Mansfield dari University of Nottingham yang membangun sebuah proses matematis untuk mempercepat proses konversi signal menjadi data gambar, membuat proses penggambaran berjam-jam seperti yang dilakukan Damadian menjadi proses yang hanya memakan hitungan menit, sebuah pencapaian luar biasa untuk saat itu.

Untuk pekerjaan mereka ini, pada tahun 2003 Lauterbur dan Mansfield berbagi hadiah nobel bidang ilmu kedokteran atas usaha mereka “membawa” MRI ke dalam dunia kedokteran, Namun sangat disayangkan Damadian tidak disertakan dan dicatat sebagai pengkonsep dari MRI oleh organisasi Nobel.

Komersialisasi NMR bagi masyarakat luas dimulai pada tahun 1977, yaitu pada saat Damadian dan rekan-rekannya mendirikan FONAR Corporation, perusahaan pertama yang membuat whole body NMR scanner secara komersial untuk keperluan medis. Belakangan istilah NMR diganti menjadi MRI, karena istilah NMR dianggap berkonotasi buruk – sehubungan dengan pengembangan atom menjadi senjata pemusnah.

Selanjutnya sejak medio 1980-an pengembangan MRI bergerak dengan kecepatan yang sangat pesat, semua vendor peralatan medis seolah berlomba untuk menghasilkan MRI scanner terbaik dipasaran. Hasil dari semua kerja keras tersebut sekarang dapat kita nikamti dalam bentuk fisik dan aplikasi MRI yang lebih bersahabat baik itu berupa Open System, Short bore system atau scan dalam hitungan menit. Seperti halnya teknologi dalam bidang apa pun, perkembangan ini belum berhenti sampai disini, selama masih ada ruang bagi pengembangan maka MRI akan terus berkembang hingga dalam bentuk yang belum atau tidak kita bayangkan sebelumnya.

1.2 Penamaan MRI

Perilaku nuklir atomik adalah hal terpenting bagi teknik ini, akan tetapi penggunaan istilah nuklir harus dihindari. Hal ini dilakukan agar tidak menimbulkan kebingungan maupun kekhawatiran yang timbul sebagai akibat adanya kaitan antara perkataan “nuklir” dengan teknologi yang digunakan dalam senjata nuklir dan risiko bahan radioaktif. Berbeda dengan teknologi senjata nuklir, Prinsip kerja dari MRI yaitu mengacu pada NMR (Nuklear Magnetik Resonance ) dengan nuclear berarti inti atau jaringan tubuh manusia, Magnetik yaitu magnet dan Resonance yaitu resonansi, maka dari prinsip ini MRI aman digunakan untuk pencitraan tubuh manusia.

2.   Pengertian dan Kegunaan MRI

2.1 Pengertian MRI

Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu alat kedokteran di bidang pemeriksaan diagnostik radiologi , yang menghasilkan rekaman gambar potongan penampang tubuh atau organ manusia dengan menggunakan medan magnet berkekuatan antara 0,064 – 1,5 tesla (1 tesla = 1000 Gauss) dan resonansi getaran terhadap inti atom hydrogen. Selain itu juga untuk menemukan jumlah kandungan air dalam struktur geologi. Biasa digunakan untuk menggambarkan secara patologi atau perubahan fisiologi otot hidup dan juga memperkirakan ketelusan batu kepada hidrokarbon.

2.2 Kegunaan MRI

Dengan MRI, isi dalam tubuh dapat dilihat tanpa harus melalui pembedahan. Ada beberapa kelebihan MRI dibandingkan dengan teknologi sebelumnya (CT Scan) yaitu MRI tidak mengionisasi tubuh, lebih unggul untuk mendeteksi beberapa kelainan pada jaringan lunak, serta mampu memberi gambaran anatomi yang lebih detail dan jelas dari berbagai sudut pandang tanpa merubah posisi pasien.

Citra fasa dalam MRI terletak pada interval [-π, π], dengan adanya derau pada citra tersebut yang menyebabkan terjadinya lompatan fasa, sehingga kualitas citra menjadi menurun atau tidak sesuai lagi dengan citra aslinya. Untuk itu diperlukan suatu metode rekonstruksi citra yang sesuai agar diperoleh nilai fasa absolut dengan menggunakan teknik penurunan energi untuk meningkatkan kualitas citra.

Pada pengujian dasar menggunakan citra uji ring (Gaussian), didapatkan hasil bahwa metode ini mampu merekonstruksi citra fasa yang terdegradasi derau pada level variansi ≤ 0,001 dengan sangat baik, cukup baik pada level variansi derau antara 0,001 – 0,05, dan kurang baik pada level variansi derau 0,05 – 0,1. Sedangkan pada level variansi derau ≥ 0,1 metode ini sudah tidak mampu lagi melakukan proses rekonstruksi.

mri-scanner

Gambar 1

Untuk menghasilkan gambaran MRI dengan kualitas yang optimal sebagai alat diagnostik, maka harus memperhitungkan hal-hal yang berkaitan dengan teknik penggambaran MRI, antara lain :

  1. Persiapan pasien serta teknik pemeriksaan pasien yang baik,

  2. Kontras yang sesuai dengan tujuan pemeriksaanya,

  3. Artefak pada gambar, dan cara mengatasinya,

  4. Tindakan penyelamatan terhadap keadaan darurat.

2.3 Jenis-jenis MRI

MRI yang ditinjau dari tipenya terdiri dari :

  1. MRI yang memiliki kerangka terbuka (open gantry) dengan ruang yang luas

  2. MRI yang memiliki kerangka (gantry) biasa yang berlorong sempit.


MRI yang ditinjau dari kekuatan magnetnya terdiri dari :

  1. MRI Tesla tinggi ( High Field Tesla ) memiliki kekuatan di atas 1 – 1,5 T

  2. MRI Tesla sedang (Medium Field Tesla) memiliki kekuatan 0,5 – T

  3. MRI Tesla rendah (Low Field Tesla) memiliki kekuatan di bawah 0,5 T

Sebaiknya suatu rumah sakit memilih MRI yang memiliki tesla tinggi karena alat tersebut dapat digunakan untuk teknik Fast Scan yaitu suatu teknik yang memungkinkan 1 gambar irisan penampang dibuat dalam hitungan detik, sehingga kita dapat membuat banyak irisan penampang yang bervariasi dalam waktu yang sangat singkat. Dengan banyaknya variasi gambar membuat suatu lesi menjadi menjadi lebih spesifik.

3. Cara Kerja MRI

  1. Pertama, putaran nukleus atom molekul otot diselarikan dengan menggunakan medan magnet yang berkekuatan tinggi.

Struktur atom hidrogen dalam tubuh manusia saat diluar medan magnet mempunyai arah yang acak dan tidak membentuk keseimbangan. Kemudian saat diletakkan dalam alat MRI (gantry), maka atom H akan sejajar dengan arah medan magnet. Demikian juga arah spinning dan precessing akan sejajar dengan arah medan magnet.

2. Kemudian, denyutan/pulsa frekuensi radio dikenakan pada tingkat menegak kepada garis medan magnet agar sebagian nuklei hidrogen bertukar arah.

Saat diberikan frequensi radio , maka atom H akan mengabsorpsi energi dari frequensi radio tersebut. Akibatnya dengan bertambahnya energi, atom H akan mengalami pembelokan, sedangkan besarnya pembelokan arah, dipengaruhi oleh besar dan lamanya energi radio frequensi yang diberikan.

3. Selepas itu, frekuensi radio akan dimatikan menyebabkan nuklei berganti pada konfigurasi awal.

Ketika ini terjadi, tenaga frekuensi radio dibebaskan yang dapat ditemukan oleh gegelung yang mengelilingi pasien. Pada saat kembali inilah, atom H akan memancarkan energi yang dimilikinya. Kemudian energi yang berupa sinyal tersebut dideteksi dengan detektor yang khusus dan diper-kuat.

4. Sinyal ini dicatat dan data yang dihasilkan diproses oleh komputer untuk menghasilkan gambar otot.

Sinyal ini diolah dan direkonstruksikan berdasarkan sinyal yang diperoleh dari berbagai irisan.

5. Dengan ini, ciri-ciri anatomi yang jelas dapat dihasilkan. Pada pengobatan, MRI digunakan untuk membedakan otot patologi seperti tumur otak dibandingkan otot normal.

4. Artefak pada MRI dan Upaya Mengatasinya

Artefak adalah kesalahan yang terjadi pada gambar.  Artefak menurut jenisnya dapat terdiri dari :

  1. kesalahan geometrik,

  2. kesalahan algoritma,

  3. kesalahan pengukuran attenuasi.

Artefak menurut penyebabnya terdiri dari :

  1. Artefak yang disebabkan oleh pergerakan physiologi, karena:

  • gerakan jantung gerakan per-nafasan,

  • gerakan darah dan cairan cerebrospinal,

  • gerakan yang terjadi secara tidak periodik seperti gerakan menelan, berkedip dan lain-lain.

  1. Artefak yang terjadi karena perubahan kimia dan pengaruh magnet.

  2. Artefak yang terjadi karena letak gambaran tidak pada tempat yang seharusnya.

  3. Artefact yang terjadi akibat dari data pada gambaran yang tidak lengkap.

  4. Artefak sistem penampilan yang terjadi misalnya karena perubahan bentuk gambaran akibat faktor kesalahan geometri, kebocoran dari tabir radio frekuensi.


Akibat adanya artefak–artefak tersebut pada gambaran akan tampak :

  • gambaran kabur,

  • terjadi kesalahan geometri,

  • tidak ada gambaran, gambaran tidak bersih,

  • terdapat garis–garis dibawah gambaran,

  • gambaran bergaris-garis miring,

  • gambaran tidak beraturan.

Upaya untuk mengatasi artefak pada gambaran MRI, antara lain dilakukan dengan cara :

  • waktu pemotretan dibuat secepat mungkin memeriksa keutuhan tabir pelindung radio frekuensi,

  • menanggalkan benda-benda yang bersifat ferromagnetic bila memungkinkan,

  • perlu kerja sama yang baik dengan pasien.

5. Kelebihan MRI Dibandingkan dengan CT Scan

Ada beberapa kelebihan MRI dibandingkan dengan pemeriksaan CT Scan yaitu :

  • MRI lebih unggul untuk mendeteksi beberapa kelainan pada jaringan lunak seperti otak, sumsum tulang serta muskuloskeletal.

  • Mampu memberi gambaran detail anatomi dengan lebih jelas.

  • Mampu melakukan pemeriksaan fungsional seperti pemeriksaan difusi, perfusi dan spektroskopi yang tidak dapat dilakukan dengan CT Scan.

  • Mampu membuat gambaran potongan melintang, tegak, dan miring tanpa merubah posisi pasien.

  • MRI tidak menggunakan radiasi pengion.

Perbandingan antara MRI dab CT Scan :

Salah satu tinjauan kelebihan MRI yaitu menurut pengetahuan pengobatan masa kini, tidak ada dampak yang berbahaya pada orang yang sakit. Dibandingkan dengan CT scans “computed axial tomography” yang menggunakan aksial tomografi berkomputer yang melibatkan dos radiasi mengion, MRI hanya menggunakan medan magnet kuat dan radiasi tidak mengion “non-ionizing” dalam jalur frekuensi radio.

Bagaimanapun, perlu diketahui bahwa orang sakit yang membawa benda asing logam (seperti serpihan peluru) atau implant terbenam (seperti tulang Titanium buatan, atau pacemaker) tidak boleh dipindai di dalam mesin MRI, disebabkan penggunaan medan megnet yang kuat.

Satu lagi kelebihan scan MRI adalah kualitas gambar yang diperoleh biasanya revolusi lebih baik dibanding CT scan. Lebih-lebih lagi untuk scan otak dan tulang belakang walaupun mesti dicatat bahwa CT scan kadangkala lebih berguna untuk cacat tulang.

Berbeda dengan CT scan, MRI tidak memberikan rasa sakit akibat radiasi karena tidak digunakannya sinar-X dalam proses tersebut.

Beberapa faktor kelebihan yang dimiliki MRI yaitu kemampuannya membuat potongan koronal, sagital, aksial dan oblik tanpa banyak memanipulasi posisi tubuh pasien sehingga sangat sesuai untuk diagnostik jaringan lunak.

Teknik penggambaran MRI relatif kompleks karena gambaran yang dihasilkan tergantung pada banyak parameter. Bila pemilihan parameter tersebut tepat, kualitas gambar MRI dapat memberikan gambaran detil tubuh manusia dengan perbedaan yang kontras, sehingga anatomi dan patologi jaringan tubuh dapat dievaluasi secara teliti.

6.   Aplikasi Klinik Pemeriksaan M R I

Pemeriksaan MRI bertujuan mengetahui karakteristik morpologik (lokasi, ukuran, bentuk, perluasan dan lain lain dari keadaan patologis. Tujuan tersebut dapat diperoleh dengan menilai salah satu atau kombinasi gambar penampang tubuh akial, sagittal, koronal atau oblik tergantung pada letak organ dan kemungkinan patologinya.

Adapun jenis pemeriksaan MRI sesuai dengan organ yang akan dilihat, misalnya :

1. Pemeriksaan kepala untuk melihat kelainan pada : kelenjar pituitary, lobang telinga dalam , rongga mata , sinus ;

2. Pemeriksaan otak untuk mendeteksi: stroke / infark, gambaran fungsi otak, pendarahan, infeksi; tumor, kelainan bawaan, kelainan pembuluh darah seperti aneurisma, angioma, proses degenerasi, atrofi;

3. Pemeriksaan tulang belakang untuk melihat proses Degenerasi (HNP), tumor, infeksi, trauma, kelainan bawaan.

4. Pemeriksaan Musculo-skeletal untuk organ: lutut, bahu, siku, pergelangan tangan, pergelangan kaki, kaki, untuk mendeteksi robekan tulang rawan, tendon, ligamen, tumor, infeksi/abses dan lain lain;

5. Pemeriksaan Abdomen untuk melihat hati, ginjal, kantong dan saluran empedu, pakreas, limpa, organ ginekologis, prostat, buli-buli,

6. Pemeriksaan Thorax untuk melihat: paru –paru, jantung.

7. Contoh Gambar Hasil Scan MRI

picture1

Gambar 2

picture2

Gambar 3

picture3

Gambar 4

picture4

Gambar 5


7. Apakah Alat Scan MRI Berbahaya?

Tidak ada yang tahu bahaya atau efek samping dari penggunaan alat scan MRI. Uji tes dengan alat ini tidak menyakitkan karena kita tidak merasakannya. Sejak pancarannya tidak dipergunakan, prosedur ini dapat dipergunakan berulang tanpa masalah yang di timbulkan. Ada sebuah risiko teoritis kecil ke fetus di 12 minggu pertama kehamilan, oleh karena itu penscanan tidak dilaksanakan pada perempuan hamil selama saat ini.

Saat pasien berada di dalam satu silinder besar, sebagian orang mengalami kecemasan sehingga mengalami claustrophobic selama test. Pasien yang ketakutan ini mungkin seharusnya berkonsultasi dahulu agar saat menjalani tes scan sehingga mereka menjadi rileks.

Alat scan ini juga menghasilkan suatu gangguan saat alat ini bekerja, yang mungkin dirasakan ketidaknyamanan.

8. Tindakan yang Perlu Dilakukan Bila Terjadi Kecelakaan

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam kaitannya dengan kecelakaan selama pemeriksaan MRI. Bila terjadi keadaan gawat pada pasien, segera menghentikan pemeriksaan dengan menekan tombol ABORT, pasien segera dikeluarkan dari pesawat MRI dengan menarik meja pemeriksaan dan segera berikan perto-longan dan apabila tindakan selanjutnya memer-lukan alat medis yang bersifat ferromagnetik harus dilakukan di luar ruang pemeriksaan .

Seandainya terjadi kebocoran Helium, yang ditandai dengan bunyi alarm dari sensor oxigen, tekanlah EMERGENCY SWITCH dan segera membawa pasien ke luar ruang pemeriksaan serta buka pintu ruang pemeriksaan agar terjadi pertukaran udara, karena pada saat itu ruang pemeriksaan kekurangan oksigen.

Apabila terjadi pemadaman (Quenching), yaitu hilangnya sifat medan magnet yang kuat pada gentry (bagian dari pesawat MRI) secara tiba-tiba, tindakan yang perlu dilakukan buka pintu ruangan lebar- lebar agar terjadi pertukaran udara dan pasien segera di bawa keluar ruangan pemeriksaan. Hal perlu dilakukan karena Quenching menyebabkan terjadinya penguapan helium, sehingga ruang pemeriksaan MRI tercemar gas Helium.

Dikutip dari

http://www.litbang.depkes.go.id/

http://biomedisuntukpemula.blogspot.com/2009/06/sekilas-tentang-magnetic-resonance.html

http://mriforyou.blogspot.com/2009/08/sejarah-mri.html

http://www.listen-up.org/med/ct_mri.htm

December 12th, 2009

Setelah penemuan proton dan elektron, Ernest Rutherford melakukan penelitian penembakan lempeng tipis. Jika atom terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan negatif maka sinar alpha yang ditembakkan seharusnya tidak ada yang diteruskan/menembus lempeng sehingga muncullah istilah inti atom. Ernest Rutherford dibantu oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden (1911) menemukan konsep inti atom didukung oleh penemuan sinar X oleh WC. Rontgen (1895) dan penemuan zat Radioaktif (1896). Percobaan Rutherford dapat digambarkan sebagai berikut.

1

Hasil percobaan ini membuat Rutherford menyatakan hipotesanya bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif. Untuk mengimbanginya sehinga atom bersifat netral. Massa inti atom tidak seimbang dengan massa proton yang ada dalam inti atom, sehingga dapat dipredisi bahwa ada partikel lain dalam inti atom.

Atom yang mempunyai nomor atom yang sama tetapi memiliki nomor massa yang berbeda disebut dengan isotop. Isotop suatu atom ditentukan oleh jumlah neutron di dalam intinya. Isotop yang berbeda dari satu unsur yang sama mempunyai sifat kimia yang sangat mirip karena reaksi kimia hampir tergantung seluruhnya pada jumlah elektron yang dimiliki sebuah atom. Isotop-isotop dari sampel dari unsur tertentu dapat dipisahkan dengan menggunakan sentrifugasi atau spektometer massa. Bila detektornya masih menggunakan film, dinamakan spektrograf massa. Cara pertama digunakan untuk memproduksi uranium yang diperkaya dari sebuah sampel uranium biasa dan cara yang kedua digunakan dalam metode penanggalan karbon (carbon dating). Spektromasa adalah alat yang di gunakan untuk menentukan mass atom atau molekul, yang ditemukan oleh Franci William Aston pada tahun 1919. Prinsip kerja alat ini adalah pembelokan partikel bermuatan dalam medan magnet.

Jumlah proton dan netron menentukan tipe dari nukleus atau inti atom. Proton dan neutron hampir memiliki massa yang sama, dan kombinasi jumlah, jumlah massa, rata-rata sama dengan massa atomik sebuah atom. Kombinasi massa dari elektron sangat kecil secara perbandingan terhadap massa nukleus, di karenakan berat dari proton dan neutron hampir 2000 kali massa elektron.

2

Partikel bermuatan ditembakkan memasuki suatu ruang dari sumber S melalui celah S1, dan masuk ke dalam ruang yang dipengaruhi medan magnet B dan medan listrik E yangsaling tegak lurus. Hal ini berguna untuk mengatur partikel (ion) agar bergerak dengan kecepatan tertentu.

Partikel di dalam dua medan yang berlawanan akan mengalami dua gaya yang berlawanan

3

Sehingga didapatkan kecepatan partikel sebesar

4

Setelah itu partikel akan bergerak dengan kecepatan v memasuki ruang yang memiliki medan magnet B’ yang tegak lurus dengan lintasan partikel, melalui celah S2. Di dalam medan magnet B’, partikel akan dibelokkan oleh gaya Lorentz dengan lintasan lingkaran berjari-jari r hingga jatuh pada pelat film.

5

Jika nilai q, B’, dan v telah diketahui, maka nilai m ditentukan oleh besarnya nilai r. Untuk r kecil, m juga kecil dan sebaliknya. Untuk lebih jelas mengenai cara kerja alat ini, maka akan dipaparkan sebagai berikut:

Cara Kerja spektrometer massa

1. Prinsip dasar

Apabila ada sebuah benda sedang bergerak lurus dan diberikan gaya luar ke arah samping maka benda itu tidak akan bergerak lurus, melainkan ia akan bergerak membelok ke arah samping karena adanya gaya luar tersebut.

Misalkan anda sedang menghadapi sebuah bola meriam yang sedang melewati anda dan anda mau membelokkannya pada saat tepat lewat di depan anda. Dan alat yang anda punya hanyalah sebuah selang penyemprot air yang dihubungkan dengan sebuah pompa jet. Sejujurnya, apa yang anda lakukan .itu tidak akan berpengaruh banyak. Karena bola meriam itu sangat berat dan ia tidak akan membelok dari jalur lurusnya.

Tapi coba kita pikir lagi, anda mencoba membelokan sebuah bola tenis yang sedang bergerak dengan kecepatan yang sama dengan bola meriam tersebut dengan menggunakan selang penyemprot air yang sama. Karena bola tenis ini sangat ringan, maka ia akan membelok dengan amat sangat.

Berapa besar penyimpangan yang akan terjadi karena gaya luar itu, tergantung pada massa benda tersebut (dalam hal ini bola). Apabila kecepatan bola dan besarnya gaya luar itu diketahuiAanda bisa menghitung massa bola tersebut jika sudah diketahui bagaimana pola pembelokan yang terjadi pada bola tersebut. Semakin kecil pembelokan yang terjadi, berarti semakin berat massa bola tersebut.(Perhitungan yang sebenarnya tidaklah terlalu sulit) Prinsip diatas tersebut dapat juga diterapkan pada benda atau partikel seukuran atom.

2. Proses yang terjadi di dalam alat spektrometer massa

Atom dapat dibelokkan dalam sebuah medan magnet (dengan anggapan atom tersebut diubah menjadi ion terlebih dahulu). Karena partikel-partikel bermuatan listrik dibelokkan dalam medan magnet dan partikel-partikel yang tidak bermuatan (netral) tidak dibelokkan. Tahap-tahap yang terjadi:

a. Ionisasi

Atom di-ionisasi dengan emengambilf satu atau lebih elektron dari atom tersebut supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanya membentuk ion-ion negatif (sebagai contoh, klor) atau unsur-unsur yang tidak pernah membentuk ion (sebagai contoh, argon). spektrometer massa ini selalu bekerja hanya dengan ion positif.

b. Percepatan

Ion-ion tersebut dipercepat supaya semuanya mempunyai energi kinetik yang sama.

c. Pembelokan

Ion-ion tersebut dibelokkan dengan menggunakan medan magnet, pembelokan yang terjadi tergantung pada massa ion tersebut. Semakin ringan massanya, akan semakin dibelokan. Besarnya pembelokannya juga tergantung pada besar muatan positif ion tersebut. Dengan kata lain, semakin banyak elektron yang ediambilf pada tahap 1, semakin besar muatan ion tersebut, pembelokan yang terjadi akan semakin besar. Dalam medan magnet, ion-ion tersebut akan mengalami pembelokan yang bergantung pada:

  1. Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan.
  2. Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
  3. Massa partikel (ion). Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan.

4. Muatan partikel. Makin besar muatan, makin besar pembelokan.

d. Pendeteksian

Sinar-sinar ion yang melintas dalam mesin tersebut dideteksi dengan secara elektrik.

Diagram lengkap dari spektrometer massa:

6

Hal-hal yang terjadi pada spektrometer massa

1. Keadaan hampa udara

Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul2 udara.

2. Ionisasi

http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_atom03/padding.gif7http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_atom03/padding.gif

Sampel yang berbentuk gas (vaporised sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik emelepaskanf elektron-elektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap elektron (electron trap) yang mempunyai muatan positif. Partikel-partikel dalam sample tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energi cukup untuk melepaskan satu atau lebih elektron dari sample tersebut sehingga sample tersebut menjadi ion positif.

Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sample yang sudah menjadi ion positif. Ion-ion positif yang terbentuk ini ediajak keluarf dan masuk ke bagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yang bermuatan positif (Ion repellel).

Tambahan: Seperti yang anda akan lihat sebentar lagi, seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000 V). Ketika kita berbicara tentang kedua lempengan bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000 V.

3. Percepatan

http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_atom03/padding.gif8

Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0 V. Celah yang berada di tengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.

4. Pembelokkan

http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_atom03/padding.gif9

Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:

* Massa ion tersebut. Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat.

* Muatan ion. Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1.

Dua faktor diatas digabungkan ke dalam Perbandingan Massa/Muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (atau m/e). Sebagai contoh: Apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama yaitu 28.

Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokkan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokkan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar.

Akan jauh lebih mudah untuk membahas masalah ini jika kita menganggap bahwa muatan semua ion adalah +1. Hampir semua ion-ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehingga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.

Tambahan: Anda juga harus mengerti bahwa kemungkinan adanya ion bermuatan +2(atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spektrum massa dimana ion-ion nya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1

Jadi dengam menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. Ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.

5. Pendeteksian

Pada gambar diatas, hanya sinar B yang bisa terus melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan dinetralisasi. Pada akhirnya, ion-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spektrometer massa oleh pompa vakum.

http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_atom03/padding.gif10

Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh elektron yang pindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara elektron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan elektron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut.

Aliran elektron di dalam kabel itu dideteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besat arus listrik yang timbul.

6. Mendeteksi ion-ion lainnya.

Bagaimana ion-ion lainnya dapat dideteksi – padahal sinar A dan sinar B sudah tidak ada lagi dalam mesin? Ingat bahwa sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil(ion yang paling ringan bila bermuatan +1) Untuk membuat sinar ini sampai ke detektor ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil).

Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar(ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detektor ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan magnet yang lebih besar.

Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detektor ion, dimana disana ion-ion tersebut akan menimbulkan arus listrik dimana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang datang. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untuk membawa sinar tersebut ke detektor ion. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik (yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara langsung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala 12C.

Tambahan: Skala 12C adalah skala dimana isotop 12C mempunyai berat tepat 12 unit.

Bentuk output dari spektrometer massa

Hasil dari pencatat diagram disederhanakan menjadi ediagram garisf. Ini menunjukkan arus listrik yang timbul oleh beragam ion yang mempunyai perbandingan m/z masing2.

Diagram garis Molybdenum (Mo) adalah sebagai berikut:

http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_atom03/padding.gif11

Garis tegak lurus itu menunjukkan besarnya arus listrik yang diterima oleh alat pencatat arus yang berarti banyaknya ion datang ke detektor. Seperti yang anda bisa lihat dari diagram diatas, ion yang paling banyak adalah ion yang mempunyai perbandingan m/z 98. Ion-ion lainnya mempunyai perbandingan m/z 92,94,95,96,97 dan 100.

Ini berarti molybdenum mempunyai 7 macam isotop. Dengan menganggap bahwa semua ion tersebut bermuatan +1 maka berarti massa dari ketujuh isotop tersebut adalah 92,94,95,96,97 ,98 dan 100.

Tambahan: Bila ada ion bermuatan +2 , maka anda akan tahu karena semua garis yang ada pada diagram diatas akan mempunyai garis lain dengan besar 1/2 dari nilai m/z (karena, sebagai contoh, 98/2=49). Garis-garis itu akan jauh lebih sedikit daripada garis ion +1 karena kemungkinan terbentuknya ion +2 adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan kemungkinan terbentuknya ion +1.

October 22nd, 2009

Improve the web with Nofollow Reciprocity.