Instrumen kimia Gas Chromatography (GC)

 

Merupakan suatu instrumen yang digunakan untuk menganalisis senyawa-senyawa organik yang dapat diuapkan dalam GC diamana titik uapnya antara 200^o C- 350^o C. Biasanya senyawa-senyawa yang memiliki massa molekul relatif kecil. Detektor yang digunakan dsesuaikan dengan senyawa yang dianalisis.

                GC biasanya memakai detektor flame ionization detector (FID) atau thermal conductivity detector (TCD). Sedangkan GC-MS detektornya menggunakan mass spectrometer (spektrometer massa).

F  Detektor pada GC :

·           Thermal Conductivity Detector (TCD)

Prinsip dasar adalah perubahan konduktivitas panas dari gas yang mengalir lewat detektor ini karena adanya solute didalamnya. Memiliki respon yang baik terhadap zat organic maupun anorganik pada umumnya, dan senyawa-senyawa yang memiliki gugus halogen, N, dan S, sifatnya sederhana, non destruktif terhadap sample.

·           Flame Ionization Detektor (FID)

Detektor ini tidak sensitive terhadap gas yang tidak terbakar seperti H2O, CO2, SO2, dan NO2. Detektor ini berguna sebagai detektor umum untuk zat-zat organic,senyawa hidrokarbon, termasuk yang terkontaminasi dengan uap air, oksida nitrogen, dan belerang. Kelemahan destruktif terhadap sample.

·           Thermionic Detector (TD)

Detektor ini sensitive terhadap senyawa organik yang mengandung fosfor dan nitrogen. Respon terhadap atom phosphor kiri-kira 10 kali lebih besar daripada respon terhadap atom nitrogen dan 104 sampai 106 lebih besar daripada responya terhadap atom karbon. Dibandingkan dengan FID, maka TD detector 500 kalli lebih sensitive daripada FID untuk senyawa yang mengandung fosfor dan 50 kali untuk senyawa yang mengandung nitrogen. Sifat ini menyebabkan TD cocok untuk analisis pestisida yang mengandung phosphor.

·           Electron Capture Detector (ECD)

Detektor ini sangat sensitive terhadap molekul yang mengandung gugus fungsional elektronegatif, seperti halogen, peroksida, quinon, dan nitro group. Tidak sensitive terhadap amine, alcohol, hidrokarbon. ECD sangat cocok untuk analisis insektisida terklorinasi

·           Detektor Fotometri Nyala

Detektor ini sensitive terhadap senyawa organik yang mengandung sulfur dimana panjang gelombang yang digunakan adalah 393 nm. Jika panjang gelombang yang digunakan adalah 526 nm maka detektor ini sensitiv terhadap senyawa fosfor.

·           Detektor Fotoionisasi.

Detektor ini sensitive terhadap senyawa organik yang dapat terionisasi dengan UV.

·           Detektor Mass Spectroscopy (MS)

MS digunakan sebagai detector untuk senyawa secara umum yang bisa dianalisa oleh GC. Digunakan untuk mengetahui BM senyawa yang dianalisis sehingga dapat diketahui struktur molekulnya.

·           Nitrogen Phosphor Detector (NPD)

Detektor ini sensitive terhadap senyawayang mengandung unsure nitrogen dan fosfor..

GC-MS 

Perkembangan teknologi instrumen menghasilkan alat yang merupakan gabungan dari dua sistem dan prinsip dasar yang berbeda satu sama lain tetapi dapat saling melengkapi, yaitu gabungan antara kromatografi gas dan spektrometer massa (GC-MS). Kedua alat dihubungkan dengan satu interfase. Kromatografi gas disini berfungsi sebagai alat pemisah berbagai komponen campuran dalam sampel, sedangkan spektrometer massa berfungsi untuk mendeteksi masing-masing molekul komponen yang telah dipisahkan pada sistem kromatografi gas. Dari kromatografi GC-MS akan diperoleh informasi struktur senyawa yang terdeteksi.

            Dalam kromatografi gas, pemisahan terjadi ketika sampel diinjeksikan ke dalam fase gerak. Fase gerak yang biasa digunakan adalah gas inert seperti helium. Fase gerak membawa sampel melalui fase diam yang ditempatkan dalam kolom. Sampel dalam fase gerak berinteraksi dengan fase diam dengan kecepatan yang berbeda-beda. Saat terjadi interaksi yang tercepat akan keluar dari kolom lebih dulu, sementara yang lambat akan keluar paling akhir. Komponen-komponen yang telah terpisah kemudian menuju detektor. Detektor akan memberikan sinyal yang kemudian ditampilkan dalam komputer sebagai kromatogram. Pada kromatogram, sumbu x menunjukkan waktu retensi (retention time yaitu waktu saat sampel diinjeksikan sampai elusi berakhir), Sedangkan sumbu y menunjukkan intensitas sinyal.

            Dalam detektor selain memberikan sinyal sebagai kromatogram, komponen-komponen yang terpisah akan ditembak elektron sehingga terpecah menjadi fragmen-fragmen dengan perbandingan massa dan muatan tertentu (m/z). Fragmen-fragmen dengan m/z ditampilkan komputer sebagai spektra massa, dimana sumbu x menunjukkan perbandingan m/z sedangkan sumbu y menunjukkan intensitas. Dari spektra tersebut dapat diketahui struktur senyawa dengan membandingkannya dengan spektra massa standar dari literatur yang tersedia dalam komputer. Pendekatan pustaka terhadap spektra massa dapat digunakan untuk identifikasi bila indeks kemiripan atau Similarity Indeks (SI) berada pada rentangan ≥80% (Howe and Williams, 1981).

            Analisis GC-MS merupakan metode yang cepat dan akurat untuk memisahkan campuran dalam jumlah yang kecil, dan menghasilkan data yang berguna mengenai struktur serta identitas senyawa organik.

Read More

Spektrofotometri Infra Merah

Kata Kunci: atom, elektromagnetik, energi, gelombang, infra merah,molekul, spektrofotometri, spektrum, vibrasi

Ditulis oleh EG Giwangkara S pada 30-06-2007

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.

Gambaran berkas radiasi elektromagnetik diperlihatkan pada Gambar 1 berikut :

Saat ini telah dikenal berbagai macam gelombang elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang tertentu. Spektrum elektromagnetik merupakan kumpulan spektrum dari berbagai panjang gelombang. Berdasarkan pembagian daerah panjang gelombang pada Tabel 1 dan Gambar 2, sinar infra merah dibagi atas tiga daerah, yaitu:
a. Daerah Infra Merah dekat.
b. Daerah Infra Merah pertengahan.
c. Daerah infra merah jauh..

Dari pembagian daerah spektrum elektromagnetik tersebut diatas, daerah panjang gelombang yang digunakan pada alat spektrofotometer infra merah adalah pada daerah infra merah pertengahan, yaitu pada panjang gelombang 2,5 – 50 µm atau pada bilangan gelombang 4.000 – 200 cm^-1. Satuan yang sering digunakan dalam spektrofotometri infra merah adalah Bilangan Gelombang () atau disebut juga sebagai Kaiser.

Interaksi Sinar Infra Merah Dengan Molekul

Dasar Spektroskopi Infra Merah dikemukakan oleh Hooke dan didasarkan atas senyawa yang terdiri atas dua atom atau diatom yang digambarkan dengan dua buah bola yang saling terikat oleh pegas seperti tampak pada gambar disamping ini. Jika pegas direntangkan atau ditekan pada jarak keseimbangan tersebut maka energi potensial dari sistim tersebut akan naik.

Setiap senyawa pada keadaan tertentu telah mempunyai tiga macam gerak, yaitu :

1. Gerak Translasi, yaitu perpindahan dari satu titik ke titik lain.
2. Gerak Rotasi, yaitu berputar pada porosnya, dan
3. Gerak Vibrasi, yaitu bergetar pada tempatnya.

Bila ikatan bergetar, maka energi vibrasi secara terus menerus dan secara periodik berubah dari energi kinetik ke energi potensial dan sebaiknya. Jumlah energi total adalah sebanding dengan frekwensi vibrasi dan tetapan gaya ( k ) dari pegas dan massa ( m₁ dan m₂ ) dari dua atom yang terikat. Energi yang dimiliki oleh sinar infra merah hanya cukup kuat untuk mengadakan perubahan vibrasi.

Panjang gelombang atau bilangan gelombang dan kecepatan cahaya dihubungkan dengan frekwensi melalui bersamaan berikut :

Energi yang timbul juga berbanding lurus dengan frekwesi dan digambarkan dengan persamaan Max Plank :

sehingga :

dimana :

E = Energi, Joule
h = Tetapan Plank ; 6,6262 x 10^-34 J.s
c = Kecepatan cahaya ; 3,0 x 10¹⁰ cm/detik
n = indeks bias (dalam keadaan vakum harga n = 1)
l = panjang gelombang ; cm
u = frekwensi ; Hertz

Dalam spektroskopi infra merah panjang gelombang dan bilangan gelombang adalah nilai yang digunakan untuk menunjukkan posisi dalam spektrum serapan. Panjang gelombang biasanya diukur dalam mikron atau mikro meter ( µm ). Sedangkan bilangan gelombang (  ) adalah frekwensi dibagi dengan kecepatan cahaya, yaitu kebalikan dari panjang gelombang dalam satuan cm^-1. Persamaan dari hubungan kedua hal tersebut diatas adalah :

Posisi pita serapan dapat diprediksi berdasarkan teori mekanikal tentang osilator harmoni, yaitu diturunkan dari hukum Hooke tentang pegas sederhana yang bergetar, yaitu :

dimana :

Keterangan :

c = kecepatan cahaya : 3,0 x 10¹⁰ cm/detik
k = tetapan gaya atau kuat ikat, dyne/cm
µ = massa tereduksi
m = massa atom, gram

Setiap molekul memiliki harga energi yang tertentu. Bila suatu senyawa menyerap energi dari sinar infra merah, maka tingkatan energi di dalam molekul itu akan tereksitasi ke tingkatan energi yang lebih tinggi. Sesuai dengan tingkatan energi yang diserap, maka yang akan terjadi pada molekul itu adalah perubahan energi vibrasi yang diikuti dengan perubahan energi rotasi.

Perubahan Energi Vibrasi

Atom-atom di dalam molekul tidak dalam keadaan diam, tetapi biasanya terjadi peristiwa vibrasi. Hal ini bergantung pada atom-atom dan kekuatan ikatan yang menghubungkannya. Vibrasi molekul sangat khas untuk suatu molekul tertentu dan biasanya disebut vibrasi finger print. Vibrasi molekul dapat digolongkan atas dua golongan besar, yaitu :

1. Vibrasi Regangan (Streching)
2. Vibrasi Bengkokan (Bending)

Vibrasi Regangan (Streching)

Dalam vibrasi ini atom bergerak terus sepanjang ikatan yang menghubungkannya sehingga akan terjadi perubahan jarak antara keduanya, walaupun sudut ikatan tidak berubah. Vibrasi regangan ada dua macam, yaitu:

1. Regangan Simetri, unit struktur bergerak bersamaan dan searah dalam satu bidang datar.
2. Regangan Asimetri, unit struktur bergerak bersamaan dan tidak searah tetapi masih dalam satu bidang datar.

Vibrasi Bengkokan (Bending)

Jika sistim tiga atom merupakan bagian dari sebuah molekul yang lebih besar, maka dapat menimbulkan vibrasi bengkokan atau vibrasi deformasi yang mempengaruhi osilasi atom atau molekul secara keseluruhan. Vibrasi bengkokan ini terbagi menjadi empat jenis, yaitu :

1. Vibrasi Goyangan (Rocking), unit struktur bergerak mengayun asimetri tetapi masih dalam bidang datar.
2. Vibrasi Guntingan (Scissoring), unit struktur bergerak mengayun simetri dan masih dalam bidang datar.
3. Vibrasi Kibasan (Wagging), unit struktur bergerak mengibas keluar dari bidang datar.
4. Vibrasi Pelintiran (Twisting), unit struktur berputar mengelilingi ikatan yang menghubungkan dengan molekul induk dan berada di dalam bidang datar.

Daerah Spektrum Infra Merah

Para ahli kimia telah memetakan ribuan spektrum infra merah dan menentukan panjang gelombang absorbsi masing-masing gugus fungsi. Vibrasi suatu gugus fungsi spesifik pada bilangan gelombang tertentu. Dari Tabel 2 diketahui bahwa vibrasi bengkokan C–H dari metilena dalam cincin siklo pentana berada pada daerah bilangan gelombang 1455 cm^-1. Artinya jika suatu senyawa spektrum senyawa X menunjukkan pita absorbsi pada bilangan gelombang tersebut tersebut maka dapat disimpulkan bahwa senyawa X tersebut mengandung gugus siklo pentana.

Daerah Identifikasi

Vibrasi yang digunakan untuk identifikasi adalah vibrasi bengkokan, khususnya goyangan (rocking), yaitu yang berada di daerah bilangan gelombang 2000 – 400 cm^-1. Karena di daerah antara 4000 – 2000 cm^-1 merupakan daerah yang khusus yang berguna untuk identifkasi gugus fungsional. Daerah ini menunjukkan absorbsi yang disebabkan oleh vibrasi regangan. Sedangkan daerah antara 2000 – 400 cm^-1 seringkali sangat rumit, karena vibrasi regangan maupun bengkokan mengakibatkan absorbsi pada daerah tersebut.

Dalam daerah 2000 – 400 cm^-1 tiap senyawa organik mempunyai absorbsi yang unik, sehingga daerah tersebut sering juga disebut sebagai daerah sidik jari (fingerprint region). Meskipun pada daerah 4000 – 2000 cm^-1 menunjukkan absorbsi yang sama, pada daerah 2000 – 400 cm^-1 juga harus menunjukkan pola yang sama sehingga dapat disimpulkan bahwa dua senyawa adalah sama.

Read More

Interaksi radiasi dengan materi

Ketika radiasi nuklir mengenai materi, ada tiga kemungkinan yang dapat terjadi, yaitu radiasi akan dibelokkan, diserap (berinteraksi) atau diteruskan.

Secara umum, interaksi radiasi dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu interaksi radiasi partikel bermuatan (alpha dan beta), radiasi partikel yang tidak bermuatan (neutron) dan yang terakhir adalah radaisi gelombang elektromagnetik/foton (radiasi gamma dan sinar-x). Karena ketiga jenis radiasi ini memiliki karakteristik yang berbeda, maka interaksi yang terjadi pun akan berbeda.

Interaksi radiasi partikel bermuatan

Ada tiga kemungkinan interaksi radiasi yang dapat terjadi ketika suatu partikel bermuatan mengenai materi, yaitu ionisasi, eksitasi dan brehmstrahlung. Ketika menumbuk suatu materi, radiasi alpha yang memiliki massa dan muatan yang relatif besar cenderung melakukan proses ionisasi, sedangkan radiasi partikel yang lebih kecil seperti beta, elektron, atau proton dapat melakukan ketiganya.

Selain ketiga reaksi tersebut diatas, ada interaksi lain yang dapat terjadi, yaitu reaksi inti yang probabilitas kejadiannya jauh lebih kecil dibandingkan interaksi lainnya. Contoh reaksi inti yang dapat terjadi adalah proses aktivasi inti, yaitu proses pembuatan inti atom baru dengan menggunakan alat pemercepat proton yang disebut akselerator.

Proses ionisasi

Ketika partikel bermuatan melalui suatu materi, partikel tersebut akan berinteraksi dengan atom-atom penyusun materi dan menyebabkan beberapa elektron terlepas dari lintasannya karena adanya gaya tarik Coulomb. Proses terlepasnya elektron dari suatu atom disebut sebagai proses ionisasi. Setelah proses ionisasi, atom yang mula-mula netral menjadi  bermuatan (ion) positif.

Setelah melakukan proses ionisasi energi radiasi yang datang akan mengalami pengurangan (terdapat selisih energi). Ini dikarenakan adanya transfer energi dari radiasi kepada elektron , sehingga elektron memiliki energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari atom. Jika energi radiasi akhir masih cukup banyak, proses ioniasasi dapat terjadi lagi, terus-menerus hingga energi radiasinya habis.

Elektron yang terlepas dari atom (disebut ion negatif) akan menjadi elektron bebas yang tidak  memiliki energi kinetik dan bebas bergerak secara random (acak) di dalam medium.

Proses eksitasi

Sepintas proses eksitasi mirip dengan proses ionisasi. Akan tetapi, pada proses eksitasi elektron tidak sampai terlepas dari atom. Elektron hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar (energi lintasannya lebih besar). Setelah terjadi proses eksitasi, atom tersebut berubah menjadi atom yang tereksitasi.

Sebagaimana pada proses ionisasi, energi radiasi yang datang akan berkurang setelah melakukan proses eksitasi. Ini terjadi karena radiasi mentransfer sebagian (atau seluruh) energinya kepada elektron, sehingga elektron memiliki energi yang cukup untuk berpindah lintasan. Proses eksitasi juga dapat berlangsung berulang kali hingga energi radiasinya habis.

Atom yang berada dalam keadaan tereksitasi ini akan kembali ke keadaan dasarnya (ground state) dengan melakukan transisi elektron. Salah satu elektron yang berada di lintasan luar akan berpindah mengisi kekosongan di lintasan yang lebih dalam sambil memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. Energi sinar-x karakteristik yang dipancarkan dalam peristiwa ini setara dengan selisih energi antara lintasan sebelum dan sesudah transisi.

Proses Brehmstrahlung

Proses ini lebih dominan terjadi pada interaksi radiasi beta dan elektron karena massa dan muatan partikel beta relatif lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi dan daya tembusnya lebih tinggi dibandingkan partikel alpha.

Karena adanya gaya elektrostatik, radiasi beta atau elektron yang bergerak melewati inti akan dibelokkan. Perubahan arah gerak ini menyebabkan adanya perubahan momentum yang kemudian akan menghasilkan pancaran energi gelombang elektromagnetik (foton). Foton yang muncul pada proses ini disebut sebagai sinar-x brehmsstrahlung (bedakan dengan sinar-x karakteristik yang dihasilkan oleh transisi elektron).

Berbeda dengan energi radiasi sinar-x karakteristik yang hanya dipengaruhi oleh selisih tingkat energi lintasan, tingkat energi radiasi sinar-x brehmsstrahlung ini dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu energi radiasi yang mengenai atom, nomor atom (jumlah proton) inti dan sudut pembelokannya.
 

Interaksi radiasi neutron

Neutron mempunyai massa yang hampir sama dengan proton dan tidak bermuatan. Neutron ratusan kali lebih besar dari elektron, tetapi ukurannya 1/4 kali ukuran alpha. Karena itulah mengapa neutron sangat sulit dihentikan dan memiliki daya jangkau yang besar.

Ada 5 reaksi yang terjadi ketika sebuah neutron berinteraksi dengan inti. 2 reaksi yang pertama dikenal sebagai hamburan neutron, dimana neutron tetap muncul diakhir proses. Sedangkan interaksi yang terakhir dikenal dengan sebutan penyerapan neutron. Pada interaksi ini, inti menyerap neutron dan menghasilkan sesuatu yang lain. Berbeda.

Tumbukan

Neutron merupakan partikel yang memiliki massa namun tidak bermuatan listrik, sehingga interaksi neutron dengan materi lebih banyak bersifat mekanik, yakni tumbukan antara neutron dengan atom (inti atom) materi, baik secara elakstik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron, sehingga setelah beberapa kali tumbukan energi neutron akan habis dan proses tumbukan pun berhenti. Jika energi neutron sudah sangat rendah, ada kemungkinan untuk terjadinya reaksi penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap.

Tumbukan elastik

--

Pada tumbukan elastik, tidak ada energi yang ditransfer dari neutron kepada inti target yang dapat menyebabkan suatu keadaan eksitasi. Pada tumbukan elastik berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik (momentum atau energi kinetik sistem sebelum dan sesudah interaksi adalah sama), meskipun biasanya akan ada energi kinetik yang diberikan neutron kepada inti target. Sebagian energi neutron yang diberikan kepada inti atom target menyebabkan inti atom target terpental sedangkan neutronnya akan dibelokkan atau dihamburkan.

Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama, atau setidaknya hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar.

Tumbukan tak elastik

Pada tumbukan tak elastik, neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti atom majemuk. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan neutron dengan energi  kinetik rendah dan meninggalkan inti atom dalam keadaan eksitasi. Agar dapat kembali ke keadaan groundstate, inti akan mengeluarkan kelebihan energi yang dimilikinya dalam bentuk radiasi gamma. Jumlah energi kinetik neutron yang dihamburkan, inti atom target dan gamma yang diemisikan akan sama dengan jumlah energi kinetik neutron sebelum tumbukan.
 

Penyerapan/penangkapan neutron

Pada penyerapan neutron oleh suatu inti atom tidak ada neutron yang dihasilkan pada akhir proses, sebagai gantinya akan dihasilkan partikel bermuatan atau gamma. Jika inti atom yang dihasilkan adalah radioaktif, maka radiasi tambahan akan dihasilkan beberapa saat kemudian.

Transmutasi

Bila energi neutron sudah sangat rendah (atau biasa disebut sebagai neutron termal, En < 0,025 eV), maka ada kemungkinan neutron tersebut akan ’ditangkap’ oleh inti atom bahan penyerap sehingga akan terbentuk inti atom baru karena penambahan neutron. Inti atom yang terbentuk ini umumnya tidak stabil (radioaktif) yang memancarkan radiasi (alpha, beta atau gamma). Peristiwa ini disebut sebagai aktivasi neutron, yaitu suatu proses yang dilakukan untuk mengubah bahan/materi yang tadinya bersifat stabil menajdi bahan/materi yang radioaktif.

Isotop B¹⁰ dari unsur Boron merupakan inti atom yang stabil. Ketika sebuah neutron termal mengenai isotop ini, maka akan terjadi proses aktivasi yang akan mengubah B¹⁰ menjadi radioisotop (B¹¹)^*  yang tidak stabil. Inti ini kemudian dengan cepat berubah menjadi Li⁷ yang stabil sambil memancarkan radiasi alpha.

Selain oleh neutron, proses reaksi inti seperti ini juga dapat disebabkan oleh partikel bermuatan seperti proton, tetapi dengan energi yang sangat tinggi. Proses aktivasi ini biasanya dimanfaatkan untuk memproduksi radioisotop.

Read More