SPEKTROFOTOMETRI DAN SPEKTROSKOPI <901>

Definisi

Spektrofotometri Serapan adalah pengukuran serapan selektif oleh molekul atau ion radiasi elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang tertentu dan sempit, mendekati cahaya monokromatik. Spektrofotometri serapan mencakup panjang gelombang dan daerah bilangan gelombang berikut: ultraviolet (185 nm hingga 380 nm), cahaya tampak (380 nm hingga 780 nm), inframerah-dekat (0,78-2,5μm atau 12.800-4.000 cm^-1) dan inframerah-sedang (2,5-50 μm atau 4000-200 cm^-1 ).

Kolorimetri telah diterima secara umum sebagai pengukuran cahaya “yang telah disaring” di daerah cahaya tampak; meskipun demikian, lebih baik untuk membatasi penggunaannya pada penerapan di mana persepsi manusia terhadap warna terlibat, misalnya daerah cahaya tampak.

Spektroskopi Serapan Atom adalah pengukuran radiasi yang diserap oleh atom yang tidak tereksitasi dalam fase gasnya, yang telah dihembuskan ke dalam nyala api atau, dalam hal tidak adanya nyala api, langsung ke dalam jalur radiasi.

Spektroskopi Emisi Nyala Api (Fotometri Nyala Api) adalah pengukuran intensitas radiasi yang diemisikan dari atom atau molekul yang tereksitasi secara elektronik. Eksitasi dilakukan dengan menghembuskan larutan zat ke dalam api panas.

Spektrofotometri Fluorosensi Atau "fluorometri", adalah pengukuran cahaya yang diemisikan dari zat kimia saat dipaparkan pada radiasi elektromagnetik. Intensitas maksimum dari fluorosensi yang diemisikan biasanya berada pada panjang gelombang yang lebih panjang (misalnya dari energi yang lebih rendah) dari radiasi yang mengeksitasi.

Turbidimetri dan Nefelometri adalah dua teknik hamburan cahaya yang melibatkan pengukuran cahaya yang tersebar karena jalan masuknya melalui media transparan dengan fase partikulat yang tersuspensi. Akibat penyebaran ini, pelemahan atau penurunan intensitas terjadi pada sinar sepanjang sumbu perjalanannya. Turbidimetri melibatkan pengukuran derajat penurunan sinar cahaya oleh partikel yang tersuspensi dalam sebuah media, pengukuran dilakukan pada sumbu sinar yang ditransmisikan. Nefelometri melibatkan pengukuran cahaya yang tersebar oleh partikel-partikel tersuspensi, pengukuran dilakukan pada sudut yang tepat dari sinar datang.

Terminologi

Daya pancar, P adalah energi pancar tiap detik yang mencapai area tertentu dari detektor. Daya pancar datang biasanya diberikan simbol P₀. Terminologi alternatif adalah intensitas pancaran dengan simbol I dan I₀.

Serapan, A = Log₁₀ (P₀/P) adalah logaritma basis 10 dari hasil bagi daya pancar yang datang pada larutan uji dibagi dengan daya pancar yang ditransmisikan oleh larutan uji. Istilah sebelumnya merupakan kerapatan optik (optical density "OD"), daya serap, dan ekstinksi.

Serapan jenis,A_1 cm ^1%= $\frac{A}{bc} \times 10$ adalah hasil bagi serapan, A, terhadap panjang lintasan, b dalam cm, dan kadar, c, dari larutan uji, dinyatakan dalam g tiap 100 ml. Secara umum, serapan spesifik dari sebuah zat adalah sebuah konstanta dan bersifat independen dari intensitas pancaran datang, panjang lintasan dan kadar. Sebelumnya dinyatakan dengan simbol E_1 cm ^1%

Transmitan, T = (P/P₀) adalah hasil bagi daya pancar yang ditransmisikan dibagi dengan daya pancar datang pada larutan uji. Transmitan sering dinyatakan sebagai persentase dan terkait dengan serapan melalui persamaan A =–LogT, atau A = 2 – Log%T. Istilah lain adalah transmisi dan transmitansi.

Daya serap, a = A/bc adalah hasil bagi serapan, A, dibagi dengan hasil absorpsi panjang lintasan, b, dalam cm, dan kadar, c, dari larutan uji, dinyatakan dalam g tiap 1.000 ml. Secara umum, daya serap suatu zat adalah konstanta dan bersifat independen dari intensitas sinar datang, panjang lintasan, dan kadar.

Daya serap molar [Simbol: є] adalah hasil bagi serapan (A) dengan hasil perkalian kadar zat, dinyatakan dalam mol per liter, dengan panjang serapan dalam cm. Istilah sebelumnya adalah indeks serapan molar, koefisien ekstinksi molar dan koefisien serapan molar.

Spektrum serapan adalah representasi grafik dari serapan larutan uji atau fungsinya misalnya transmitan, sebagai ordinat dan panjang gelombang sinar datang sebagai absis.

Intensitas fluoresensi, I adalah istilah untuk aktivitas fluoresensi dari suatu zat dan umumnya dinyatakan dalam satuan terkait dengan respon detektor. Istilah lain adalah daya fluoresensi, dengan simbol F.

Spektrum eksitasi fluoresensi adalah kurva yang menggambarkan intensitas sinar datang sebagai ordinat dan panjang gelombang sebagai absis.

Spektrum emisi fluoresensi adalah kurva yang menggambarkan intensitas sinar datang yang diemisikan oleh zat yang teraktivasi dan memberikan panjang gelombang eksitasi spesifik sebagai ordinat dan panjang gelombang sebagai absis.

Turbidansi adalah efek hamburan cahaya dari partikel tersuspensi dalam media keruh.

Kekeruhan adalah ukuran pelemahan daya sinar datang per satuan panjang dari media keruh. Istilah sebelumnya adalah koefisien kekeruhan.

Teori dan Rumus Perhitungan

Ketika radiasi elektromagnetik berjalan menembus media yang mengandung atom, molekul, atau ion dari suatu zat kimia, radiasi pada frekuensi tertentu dapat secara parsial atau total dipindahkan dalam sebuah proses yang disebut “serapan”. Sebagai hasil serapan ini, zat ini diaktivasikan dari tingkat energi terendahnya (ground state) ke tingkat energi yang lebih tinggi (tingkat tereksitasi). Agar serapan dapat terjadi, energi radiasi pengeksitasi harus sesuai dengan perbedaan energi terkuantisasi antara ground state dan satu tingkat tereksitasi dari zat. Dalam serapan atom, eksitasi terjadi hanya melalui transisi elektronik. Sinar tampak dan ultraviolet dapat mengeksitasi hanya bagian paling luar atau elektron berikatan ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron dalam kulit hanya tereksitasi oleh sinar X (kurang dari 1 nm).

Untuk molekul poliatomik, transisi vibrasional dan rotasional dapat terjadi sebagai tambahan pada eksitasi elektronik, dan sebagai hasil spektrum molekular mencakup pita-pita serapan yang berdekatan dan bukan garis tipis yang pada umumnya teramati pada spektrum serapan atom. Transisi vibrasional murni dapat dicapai dengan sinar inframerah dalam rentang 1 hingga 15 μm, sementara perubahan dalam tingkat rotasional terdeteksi dalam daerah dari 10 hingga 100 μm.

Penurunan daya pancar sinar monokromatik proporsional terhadap jarak yang ditempuh sinar dalam media serapan dan kadar zat yangmenyerap dalam media tersebut. Penurunan energi ini dapat digambarkan secara kuantitatif dengan Hukum Lambert-Beer:

Log₁₀(P₀/P) = Log₁₀(1/T) = A = abc

Sehingga, jika daya serap dan ketebalan sel konstan selama penetapan, plot serapan sebagai ordinat dan kadar sebagai absis dapat menghasilkan hubungan linear. Penerapan praktis Hukum Lambert-Beer, mengharuskan penggunaan larutan baku dengan kadar yang diketahui untuk membandingkan serapannya dengan larutan zat yang kadarnya tidak diketahui. Jika pengukuran serapan dilakukan dalam dua sel yang cocok dengan panjang lintasan yang sama, daya serap (a) dan ketebalan sel (b) akan sama. Sehingga rumus umum berikut dapat digunakan sebagai perhitungan kadar larutan zat yang tidak diketahui,

Cu	=	Kadar larutan zat
Cs	=	Kadar larutan baku
Au	=	Serapan larutan zat
As	=	Serapan larutan baku

Hukum Lambert-Beer biasanya cukup memberikan pemahaman menyeluruh dengan mempertimbangkan keterbatasannya, karena hukum ini tidak memperhitungkan efek suhu, panjang gelombang, atau interaksi zat terlarut-pelarut dan zat terlarut-zat terlarut seperti asosiasi, disosiasi, reaksi kimia dan sebagainya. Karena keterbatasan ini, hukum ini biasanya hanya bekerja pada larutan encer, di mana interaksi tersebut tidak berpengaruh. Batasan lain pada Hukum Lambert-Beer adalah ketidakmampuan sebagian besar instrumen untuk memberikan sinar monokromatik.

Fluoresensi dapat diamati pada sejumlah zat gas, cair atau padat. Meskipun demikian, fluoresensi hanya diterapkan secara analitik pada sejumlah kecil senyawa organik. Fluoresensi terjadi ketika sebuah molekul menyerap sinar yang cukup pada panjang gelombang tertentu untuk meningkatkannya ke tingkat singlet tereksitasi dengan energi yang lebih tinggi. Energi yang diperoleh dilepaskan sebagai sinar atau fluoresen dengan panjang gelombang lebih panjang dari sinar datang. Dalam sebagian besar kasus, agar fluoresensi dapat terjadi transisi elektronik yang terlibat adalah sistem pi→pi*. Dalam jumlah yang lebih kecil, pi → pi dan pi → sigma* terjadi transisi. Terdapat jeda antara serapan dan emisi sinar selama lebih kurang 10^-9detik. Periode jeda pendek ini membedakan fluoresensi dengan fosforesensi, yang memiliki periode jeda lebih kurang 10^-3 detik dan dikarenakan pelepasan sinar yang lebih lemah dari tingkat triplet tereksitasi dan bukan tingkat singlet sebagaimana pada fluoresensi. Efek kadar pada intensitas fluoresensi dapat dijelaskan dengan versi modifikasi hukum Lambert-Beer. Terdapat hubungan linear antara intensitas fluoresensi(I) larutan dan kadar zat pengemisi:

I = 2, 3 K × bcP₀

K adalah konstanta yang bergantung pada efisiensi kuantum dari proses fluoresensi dan parameter instrumental. Pada P₀ konstan, hubungan sederhana seperti pada Hukum Lambert-Beer dapat diperoleh: I = Kc. Kemudian plot intensitas fluoresensi dari suatu larutan sebagai ordinat terhadap kadar zat pengemisi sebagai absis akan linear pada kadar rendah (Lihat Gambar).

Ketika cahaya melintas menembus suatu media transparan yang mengandung fase partikel tersuspensi, terjadi hamburan ke segala arah, dan hasilnya sinar kehilangan daya sepanjang lintasannya. Untuk suspensi encer dan di bawah kondisi tetap (partikel, bentuk, ukuran, indeks bias, panjang gelombang sinar), kehilangan intensitas sinar berhubungan dengan jumlah partikel (atau kadar, c) dengan persamaan serupa dengan Hukum Lambert-Beer.

dimana τ = kc/2,303. Sehingga, dalam analisis turbidimetri kurva dibuat antara larutan baku dengan Log(P_o/P) sebagai ordinat dan kadar (c) sebagai absis (P_o ditentukan menggunakan pelarut sebagai blangko). Dalam analisis nefelometri, intensitas hamburan pada sudut yang tepat terhadap sinar datang ditetapkan sebagai ordinat dengan kadar sebagai absis.

Alat

Prinsip dasar optik dan elektronik yang digunakan dalam pembuatan spektrofotometer berlaku untuk seluruh daerah spektrum mulai dari ultraviolet hampa sampai dengan inframerah jauh. Dalam perdagangan tersedia spektrofotometer sinar tampak, sinar tampak dan ultraviolet, sinar ultraviolet, sinar inframerah dekat; dan dalam daerah spektrum inframerah. Dalam memilih jenis spektrofotometer, beberapa faktor perlu dipertimbangkan, termasuk sifat zat yang akan dianalisa, derajat akurasi, sensitifitas dan selektifitas.

Bagian esensial dari spektrofotometer adalah sumber energi radiasi yang stabil; alat yang memungkinkan pemilihan daerah panjang gelombang yang telah ditentukan seperti prisma atau “grating monochromator”; celah untuk membatasi lebar pita yang sesuai; kompartemen zat; detektor radiasi; dan indikator yang dapat berupa meter; perekam; penghitung digital; printer; atau komputer.

Sumber radiasi yang sering digunakan adalah lampu hidrogen atau deuterium untuk daerah ultraviolet, lampu tungsten untuk sinar tampak, dan lampu Nernst, “globar,” atau kabel pijar untuk inframerah. Kuarsa, sel leburan silika atau kuvet dapat digunakan di daerah ultraviolet, sinar tampak, atau inframerah-dekat. Untuk spektrofotometri inframerah umumnya menggunakan sel atau lempeng yang terbuat dari natrium klorida. Detektor sinar ultraviolet dan sinar tampak biasanya berupa tabung “photomultiplier” yang dilengkapi dengan “amplifier”.

Spektrofotometer UV-Vis:

Terdapat dua jenis spektrofotometer yaitu spektrofotometer sinar tunggal dan spektrofotometer sinar ganda. Beberapa spektrofotometer dapat dioperasikan secara manual atau dilengkapi dengan sistem otomatis.

Spektrofotometer Serapan Atom (AAS):

Instrumen untuk pengukuran serapan atom memiliki komponen dasar yang sama dengan spektrofotometer lain kecuali sumber sinar dan wadah zat uji. Sumber sinar yang paling umum adalah lampu “hollow-cathode”, katoda yang biasanya terbuat dari unsur yang akan dianalisa. Zat uji dihembuskan sebagai kabut halus ke dalam nyala api yang dihasilkan oleh campuran teroptimasi udara dan asetilena atau gas lain yang cocok. Nyala api menguapkan molekul-molekul pelarut dan membawazat terlarut ke dalam fase gas. Cahaya monokromatik diemisikan dari lampu “hollow-cathode” diserap secara selektif oleh analit.

Terdapat dua jenis spektrofotometer yaitu spektrofotometer sinar tunggal dan spektrofotometer sinar ganda. Satu dari keterbatasan utama dari AAS Nyala Api adalah rendahnya sensitivitas terhadap unsur-unsur tertentu. Untuk penentuan unsur dalam kadar rendah, digunakan teknik atomisasi elektrotermal (atomisasi tungku grafit). Sejumlah volume yang diketahui dari larutan analit ditempatkan pada pusat tabung grafit yang terdapat pada tanur, larutan dikeringkan dan diabukan menggunakan pemanasan terkontrol dari elektroda yang terhubung dengan tanur. Zat terlarut yang telah dikeringkan diatomisasi menjadi uap dalam waktu singkat untuk menyerap cahaya dari lampu “hollow-cathode”. Unsur-unsur tertentu dapat secara selektif dibawa ke keadaan atomik gas (misal uap raksa) tanpa menggunakan nyala api. Teknik seperti itu menggunakan aksesori pembangkit uap,di mana ion raksa dalam larutan direduksi menjadi logam raksa dan uap raksa disemprot kuat dengan gas inert seperti nitrogen ke dalam sel optik.

Inductively Coupled Plasma – Spektrofotometer Emisi Atom (ICP-AES):

Instrumen untuk “inductively coupled plasma” – pengukuran emisi atom terdiri atas sistem aspirasi larutan zat uji, sumber plasma suhu tinggi (~ 6000^O) (“torch” dimana gas argon ditumbukkan menggunakan sumber frekuensi radio untuk menghasilkan plasma suhu tinggi). Plasma menguapkan molekul pelarut, mengubah zat terlarut ke dalam bentuk atom dan mengeksitasinya ke tingkat energi yang lebih tinggi. Cahaya yang diemisikan dari atom diukur dengan panjang gelombang emisi spesifik. “Torch” dapat dioperasikan baik dalam mode aksial atau radial bergantung pada jenis dan sifat unsur yang akan diukur dan jenis matriks zat uji.

Instrumen ICP modern menggunakan charge coupled detector (CCD) untuk pengukuran cepat intensitas cahaya yang diemisikan yang mencakup beberapa panjang gelombang. Terdapat dua jenis ICP yaitu: (a) sistem sekuensial (sequential system) memindai spektrum emisi dari panjang gelombang yang lebih rendah ke yang lebih tinggi selama pengujian, membuat penentuan unsur secara berturutan dan; (b) sistem bersamaan (simultaneous system) yang mengumpulkan data emisi dari seluruh panjang gelombang secara bersamaan. Instrumen ICP memiliki keuntungan tambahan dengan memiliki kurva baku dengan linearitas tinggi dan sensitivitas yang lebih dibandingkan dengan AAS untuk beberapa unsur.

Spektrofluorimeter:

Alat pengukuran intensitas fluoresensi dapat berupa fluorometer, yang menerapkan penyaring untuk menghambat lebar pita dari sinar eksitasi dan emisi, atau spektrofluorometer yang menggunakan prisma atau “grating monochromators” untuk membatasi sinar eksitasi, sinar emisi, atau keduanya.

Karena spektrofluorimeter memerlukan sumber radiasi yang lebih intens daripada spektrofotometer, maka digunakan lampu raksa dengan garis diskrit kuatnya atau lampu xenon yang mempunyai energi berkesinambungan dari ultraviolet ke inframerah. Sel untuk pengukuran fluorometri dibuat dari silika, dan kompartemen sel dirancang untuk memungkinkan hamburan cahaya yang lemah mencapai “photomultiplier”. Untuk meminimalkan gangguan hamburan, detektor ditempatkan pada sudut yang tepat pada sinar eksitasi yang datang.

Untuk pengukuran turbidimetri, umumnya digunakan fotometer konvensional dengan sumber tungsten. Meskipun demikian, lebih disukai untuk melakukan pengukuran di daerah biru dari busur raksa. Untuk pengukuran nefelometri, umumnya digunakan fluorometer standar.

Spektrometer Inframerah:

Spektroskopi inframerah berhubungan dengan frekuensi vibrasional dan rotasional dalam molekul. Pengukuran inframerah dapat dilakukan dalam daerah inframerah-dekat (0,78-2,5 μm atau 12.800-4.000 cm^-1) atau inframerah-sedang (2,5-50 μm atau 4000-200 cm^-1). Daerah yang paling sering digunakan, adalah 2,5-15 μm atau 4000-670 cm^-1.

Terdapat dua jenis instrumen yaitu (a) spektrofotometer “dispersive grating” terutama digunakan untuk analisis kualitatif dan (b) instrumen “multiplex”, menerapkan “Fourier transform” yang baik digunakan untuk pengukuran kualitatif dan kuantitatif. Spektrofotometer “dispersive grating” digantikan oleh instrumen “Fourier transform” karena kecepatannya, keandalannya dan kenyamanan. Dalam perdagangan hampir semua spektrometer inframerah Fourier transform (FTIR) didasarkan pada “Michelson interferometer”. Komponen esensial FTIR adalah sumber radiasi, interferometer, wadah zat uji dan detektor.