JENIS-JENIS SPEKTROFOTOMETRI

• Penerapan analitis penyerapan dan pengemisian   

Banyak cara untuk memanfaatkan penyerapan dan pengemisian dalam analisis sehingga kita mengenal beberapa metode dasar. Metode-metode tersebut ialah metode penyerapan yang lebih sering disebut metode serapan, metode pengemisian yang lebih dikenal sebagai metode emisi, metode pembauran foton, metode fluorosensi dan fosforesensi.  

Metode serapan merupakan metode yang berkaitan dengan pengukuran intensitas radiasi elektromagnetik yang diserap oleh suatu sampel. Panjang gelombang radiasi yang diserap sampel khas untuk atom, ion, atau molekul yang menyerapnya. Hal ini merupakan dasar analisis kualitatif sampel. Selain itu jumlah foton yang diserap berbanding langsung dengan jumlah partikel penyerap. Hubungan tersebut menjadi dasar analisis kuantitatif.

Metode emisi mengukur panjang gelombang dan intensitas radiasi yang diemisikan oleh atom, ion ataupun molekul tereksitasi. Pengukuran tersebut bisa untuk tujuan kualitatif maupun kuantitatif. Panjang gelombang radiasi yang diemisikan tergantung pada jenis zatnya sedangkan intensitasnya tergantung pada jumlahnya. Energi yang diperlukan untuk menaikkan partikel tersebut ke keadaan tereksitasi bisa diperoleh dengan berbagai cara dan salah satu diantaranya ialah dengan pemanasan.

Metode pembauran foton melibatkan penyerapan radiasi diikuti dengan pengemisian kembali radiasi yang sama panjang gelombangnya dengan arah yang berlainan. Metode ini bisa juga melibatkan pembauran foton oleh permukaan partikel koloid. Tergantung pada peralatan yang digunakan, bisa diukur radiasi yang dibaurkan bisa pula yang tidak terbaurkan. Turbidimetri memperhatikan radiasi yang tidak dibaurkan sedangkan Nefelometri memperlihatkan radiasi yang dibaurkan.

Metode fluoresensi dan fosforesensi melibatkan penyerapan radiasi dan pengemisian radiasi yang umumnya lebih panjang gelombangnya atau lebih rendah energinya. Energi radiasi yang tidak teremisikan dalam bentuk radiasi kemudian diubah menjadi energi termal. Fluorosensi maupun fosforesensi berkaitan dengan perubahan energi vibrasi. Perbedaan antara kedua fenomena tersebut ialah dalam selang waktu antara penyerapan dan emisi. Pada fosforesensi, emisi terjadi pada waktu sekitar 10^-3 detik setelah penyerapan sementara fluorosensi lebih cepat terjadi yaitu dalam waktu 10^-6 – 10^-9 detik setelah penyerapan.

• Jenis-jenis Spektrofotometri

1. Spektrofotometri Infra Merah

Spektrofotometri Infra Red atau Infra Merah merupakan suatu metode yang mengamati interaksi molekul dengan radiasi elektromagnetik yang berada pada daerah panjang gelombang 0,75 – 1.000 µm atau pada Bilangan Gelombang 13.000 – 10 cm^-1. Radiasi elektromagnetik dikemukakan pertama kali oleh James Clark Maxwell, yang menyatakan bahwa cahaya secara fisis merupakan gelombang elektromagnetik, artinya mempunyai vektor listrik dan vektor magnetik yang keduanya saling tegak lurus dengan arah rambatan.

Saat ini telah dikenal berbagai macam gelombang elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang tertentu. Spektrum lektromagnetik merupakan kumpulan spektrum dari berbagai panjang gelombang. Berdasarkan pembagian daerah panjang gelombang sinar infra merah dibagi atas tiga daerah, yaitu:

§  Daerah Infra Merah dekat.

§  Daerah Infra Merah pertengahan.

§  Daerah infra Merah jauh.

2. Spektrofotometri Raman

Interaksi Radiasi Elektro Magnetik (REM) dengan atom atau molekul yang berada dalam media yang transparan, maka sebagian dari radiasi tersebut akan dipercikkan oleh atom atau molekul tersebut. Percikan radiasi oleh atom atau molekul tersebut menuju ke segala arah dengan panjang gelombang dan intensitas yang dipengaruhi ukuran partikel molekul.

Apabila media transparan tersebut mengandung hanya partikel dengan ukuran dimensi atom (permukaan 0,01 A²) maka akan terjadi percikan radiasi dengan intensitas yang sangat lemah. Radiasi percikan tersebut tidak tampak oleh karena panjang gelombangnya adalah pada daerah ultraviolet. Radiasi hamburan tersebut dikenal dengan hamburan Rayleigh.

Demikian pula yang tejadi pada molekul-molekul dengan diameter yang besar atau teragregasi sebagai contoh molekul suspensi atau koloida. Percikan hamburan pada larutan suspensi dan sistem koloida panjang gelombangnya mendekati ukuran partikel molekul suspensi atau sistem koloid tersebut. Radiasi hamburan rersebut dikenal sebagai hamburan Tyndal atau hamburan mie yang melahirkan metode turbidimetri. Suatu penelitian yang sulit dengan hasil temuan yang sangat berarti, dalam ilmu fisika telah dilakukan oleh Chandra Venkrama Raman seorang ahli fisika berkebangsaan India, pada tahun 1928.

Menurut temuan Raman tampak gejala pada molekul dengan struktur tertentu apabila dikenakan radiasi infra merah dekat atau radiasi sinar tampak, akan memberikan sebagian kecil hamburan yang tidak sama dengan radiasi semula.

Hamburan yang berbeda dengan radiasi semula (sumber radiasi) tersebut berbeda dalam hal panjang gelombang, frekuensi serta intensitasnya dikenal sebagai hamburan Raman. Hamburan Raman tersebut memberikan garis Raman dengan intensitas tidak lebih dari 0,001% dari garis spektra sumber radiasinya.

3. Spektrofotometri Fluorescensi dan Fosforescensi

Suatu zat yang berinteraksi dengan radiasi, setelah mengabsorpsi radiasi tersebut, bisa mengemisikan radiasi dengan panjang gelombang yang umumnya lebih besar daripada panjang gelombang radiasi yang diserap. Fenomena tersebut disebut fotoluminensi yang mencakup dua jenis yaitu fluoresensi dan fosforesensi. Fluoresensi terjadi dalam selang waktu lebih pedek daripada fosforesensi. Selain itu kondisi yang menyebabkan fluoresensi dan fosforesensi pun berbeda. Fluoresensi biasa terjadi pada suhu sedang dalam larutan cair, sedangkan fosforesensi biasa terjadi pada suhu sangat rendah dan pada media pekat. Pada fluoresensi dan fosforesensi terjadi perubahan energi vibrasi molekul sebagai akibat darip enyerapan radiasi oleh molekul tersebut.

4. Spektrofotometri Resonansi Magnetik Inti

Sebelum era 1950 para ilmuwan khususnya yang berkecimpung dalam bidang kimia organik mersakan kurang puas terhadap apa yang telah dicapai dalam analisis instrumental. Kekurangpuasan mereka terutama dari segi analisis kuantitatif, penentuan struktur dan gugus hidrokarbon yang dirasa banyak memberikan informasi.

Pada waktu itu dirasa perlu menambah anggota teknik spektroskopi untuk tujuan lebih banyak memberikan informasi gugus hidrokarbon dalam molekul. Dua orang ilmuwan dari USA pada tahun 1951 yaitu Felix Bloch dan Edwardo M. Purcell (dari Harvard university) menemukan bahwa inti atom terorientasi terhadap medan magnet.

Selanjutnya menurut Bloch dan Purcell setiap proton di dalam molekul yang sifat kimianya berbeda akan memberikan garis-garis resonansi orientasi magnet yang diberikan berbeda.

Bertolak dari penemuan ini lahirlah metode baru sebagai anggota baru teknik soektroskopi yang diberi nama “Nuclear Magnetic Resonance (NMR)”.

Para ilmuwan di Indonesia mempopulerkan metode ini dengan nama spektrofotometer Resonansi Magnet Inti (RMI). Spektrofotometri RMI sangat penting artinya dalam analisis kualitatif, khususnya dalam penentuan struktur molekul zat organik. Spektrum RMI akan mampu menjawab beberapa pertanyaan yang berkaitan dengan inti atom yang spesifik seperti:

§  Gugus apa yang dihadapi?

§  Di mana lokasinya gugus tersebut dalam molekul?

§  Beberapa jumlah gugus tersebut dalam molekul?

§  Siapa dan dimana gugus tetangganya?

§  Bagaimana hubungan gugus tersebut dengan tetangganya?

Hasil spektoskopi RMI seringkali merupakan penegasan urutan gugus atau susunan atom dalam satu molekul yang menyeluruh.

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.