KONSEP DASAR SPEKTROFOTOMETRI

a.    Teknik Spektroskopi

Spektroskopi merupakan metode analisis yang melibatkan pengukuran dan interpretasi radiasi elektromagnetik yang diserap atau diemisikan ketika molekul, atau atom, atau ion bergerak dari satu tingkat energi tertentu ke tingkat energi lainnya. Setiap atom, ion atau molekul berinteraksi secara khas dengan radiasi elektromagnetik. Spektroskopi berkaitan dengan perubahan energi rotasi, energi vibrasi ataupun energi elektronik sebagai akibat penyerapan radiasi. Ada pula spektroskopi yang berkaitan dengan perbedaan energi yang terjadi karena suatu contoh ditempatkan dalam medium magnet atau listrik. Resonansi magnet inti (NMR) dan resonansi spin elektron (ESR) merupakan contohnya.

b.    Radiasi Elektromagnetik

Suatu berkas radiasi merupakan gelombang elektromagnetik atau foton yang bergerak dengan kecepatan cahaya. Foton mempunyai sifat partikel dengan energi tertentu dan pada saat yang sama juga mempunyai sifat gelombang.

Sebuah foton yang berasal dari suatu titik tertentu dalam ruang bergerak dari titik tersebut dalam bentuk gelombang yang dicirikan dengan vektor medan listrik yang secara berkala mempunyai titik maksimum pada arah tegak lurus terhadap arah gelombang. Panjang gelombang (λ) suatu radiasi adalah jarak dari dua titik maksimum tersebut. Besaran ini biasa dinyatakan dengan satuan Angstrom (1 Ǻ = 10^-8 cm) atau nanometer (1 nm = 10^-7 cm). Radiasi juga mempunyai frekuensi (v) yaitu jumlah gelombang yang melintasi satu titik tertentu selama waktu tertentu.

Sangat jelas bahwa jumlah gelombang semakin besar dengan semakin kecilnya panjang gelombang.

c.    Spektrum Elektromagnetik

Radiasi elektromagnetik mencakup kisaran panjang gelombang yang sangat besar. Sesuai dengan kisaran panjang gelombangnya maka energi juga beragam sehingga bagian zat yang bisa dipengaruhi beragam pula.

d.    Eksitasi Elektron

Setiap atom atau molekul mempunyai harga energi dengan diskrit tertentu yang akan menyerap sejumlah energi sesuai dengan energi yang ada pada atom atau molekul tersebut sehingga akan terjadi eksitasi dari tingkat energi lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Energi atom atau molekul dinyatakan dengan energi translasi (E_t), energi rotasi (E_r), energi getaran (E_v) dan energi elektronik (E_e).

Untuk energi translasi (E_t) tidak memberikan informasi dalam spektroskopi, sedangkan energi elektronik (E_e) akan banyak dibahas pada spekrofotometri UV-Vis dan energi getaran (E_v) serta energi rotasi (E_r) akan banyak berperan pada spektrofotometri infra merah.

Secara umum setiap molekul mempunyai jumlah elektron tertentu dan menempati berbagai orbital molekul dengan berpasangan. Menurut asal Pauli, kedua elektron yang menempati orbital molekul dengan berpasangan harus mempunyai spin yang arahnya berlawanan. Tingkat energi elektron dalam molekul yang berpasangan tadi disebut tingkat nergi elektron singlet. Tingkat Energi singlet ini tidak terorientasi terhadap medan magnet sehingga bersifat diamagnetik.

Tingkat energi elektron singlet yang berada dalam keadaan dasar (singlet ground state) apabila dikenakan radiasi elektromagnetik akan mengalami eksitasi (singlet exited state) ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Pada molekul tertentu setelah satu elektron tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi karena terjadi konversi internal dan eksternal akan mengalami perubahan spin, tidak lagi berpasangan terhadap satu elektron pasangannya yang masih berada dalam keadaan dasar.

Tingkat energi elektron dalam molekul yang spinnya sama (tidak berpasangan) disebut tingkat energi elektron triplet (triplet exited state). Pada keadaan ini molekul akan terorientasi terhadap medan magnetik sehingga dikatakan bersifat paramagnetik.

e.    Interaksi zat dengan radiasi

Ada berbagai cara interaksi antara zat dengan radiasi yang bersentuhan dengannya. Interaksi tersebut bisa dikaitkan dengan sifat radiasi sebagai gelombang bisa pula sebagai partikel yang berenergi. Jenis interaksi yang berkaitan dengan sifat gelombang diantaranya ialah difraksi, refraksi dan rotasi optis. Interaksi yang berkaitan dengan sifat partikel berenergi ialah penyerapan (absorpsi) dan emisi.

Difraksi merupakan modifikasi gelombang yang berjalan melalui ujung benda padat, melalui celah atau lubang kecil ataupun karena pemantulan oleh suatu permukaan. Fenomena difraksi digunakan dalam analisis yang berkaitan dengan monokromator kisi untuk memisahkan radiasi polikromatis menjadi beberapa komponen radiasi. Difraksi juga digunakan dalam spektroskopi sinar X.

Refraksi merupakan pembelokan atau perubahan arah berkas radiasi ketika melintasi batas medium satu pindah ke medium lainnya yang tidak sama densitasnya. Perubahan arah terjadi karena sedikit perbedaan laju radiasi dalam kedua media tersebut. Besarnya refraksi tergantung pada jenis media dan radiasinya. Refraksi dimanfaatkan dalam analisis yang berkaitan dengan penggunaan monokromator prisma. Fenomena ini secara langsung digunakan untuk analisis kualitatif zat yang menjadi media.

Rotasi optis merupakan fenomena terputarnya (terotasinya) bidang polarisasi sinar selama melalui media. Jenis dan komposisi media menentukan apakah terjadi rotasi optis atau tidak, dan juga besarnya rotasi tersebut bila memang terjadi.

Penyerapan dan pengemisian radiasi mungkin merupakan fenomena yang paling penting dilihat dari segi analisis kimia. Penyerapan radiasi merupakan proses terserapnya radiasi oleh zat sedangkan pengemisian radiasi merupakan proses pengemisian radiasi oleh zat yang menyerap energi atau radiasi. Bila suatu atom, partikel, molekul apa saja menyerap foton maka partikel tersebut menjadi lebih energetik. Dua sifat tersebut menjadi dasar penerapan penyerapan atau pengemisian untuk prosedur analisis.

f.     Serapan sinar dan warna zat

Bila suatu zat bertemu dengan radiasi maka akan terjadi interaksi. Sebagian spektrum radiasi tersebut diserap oleh zat dan sebagian lagi diteruskan ke mata kita. Bagian radiasi yang sampai ke mata kita itulah yang memberikan gambaran mengenai benda tersebut. Bila zat menyerap sebagian dari sinar tampak dan meneruskan sinar tampak lainnya, maka akan terlihat warna sinar yang diteruskan tersebut. Jelasnya bila benda meneruskan sinar merah ke mata kita maka kita akan mellihat benda tersebut berwarna merah. Bila benda menyampaikan sinar biru ke mata kita maka benda tersebut akan tampak berwarna biru.  Ke mana perginya sinar lainnya? Sinar lainnya diserap walaupun tentu saja tidak seluruhnya diserap. Sinar yang diserap merupakan komplemen dari sinar yang diteruskan ke mata kita. Warna kedua sinar tersebut disebut warna komplementer. Bagaimana dengan air, yang tampak tidak berwarna oleh mata kita? Tidakkah zat tersebut menyerap sinar? Mungkin saja air menyerap sinar, tetapi yang pasti air tidak menyerap sinar tampak. Inilah yang menyebabkan air tidak berwarna.

g.    Prinsip Dasar Spektrofotometri

Ketika suatu berkas sinar masuk ke sistem penyerap, maka laju serapan foton akan berbanding lurus dengan intensitas sinar tersebut yang biasa disimbolkan dengan I.