spektroskopi emisi atom

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Di alam semesta ini sangat banyak ditemukan unsur-unsur. Ada yang bersifat logam, semilogam, dan nonlogam. Dan letaknya pun juga berbeda-beda. Ada yang di tanah, udara, air, dan lain-lain. Seorang analis perlu untuk mengetahui banyak konsentrasi unsur-unsur logam tersebut. Misalnya unsur yang ada di dalam daun tumbuh-tumbuhan. Pentingnya bagi seorang analis adalah untuk menambah ilmu pengetahuan dan untuk menganalisis suatu penyakit, bahkan juga berguna untuk menciptakan suatu produk yang berguna bagi masyarakat luas. Namun, proses analisis tersebut tidaklah mudah. Karena membutuhkan keahlian tertentu. Cara penentuan konsentrasi suatu unsur (logam) dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu cara konvensional dan cara instrumental. Cara konvensional adalah cara menentukan konsentrasi suatu unsur yang berdasarkan reaksi-reaksi kimia dan cara ini masih sederhana serta memiliki banyak kesalahan. Sedangkan cara instrumental adalah cara menentukan konsentrasi suatu unsur dengan menggunakan alat instrument yang canggih. Cara ini lebih efektif dan efisien serta memiliki banyak keuntungan.

Pengukuran dengan spektroskopi emisi dapat dimungkinkan karena masing-masing atom mempunyai tingkat energi tertentu yang sesuai dengan posisi elektron. Pada keadaan normal, elektron-elektron ini berada pada tingkat dasar dengan energi terendah. Penambahan energi baik secara termal maupun elektrikal, menyebabkan satu atau lebih elektron diletakkan pada tingkat energi lebih tinggi, menjauh dari inti. Elektron tereksitasi ternyata lebih mudah kembali ke tingkat dasar dan pada proses ini kelebihan energi dipancarkan dalam bentuk energi radiasi foton. Jika energi eksitasinya semakin besar, maka energi emisinya juga semakin besar. Absorpsi sendiri (self absorpsion) kadangkala menurunkan intensitas emisi. 

B.     Tujuan

a.       Memahami pengertian tentang spektroskopi emisi atom

b.      Memahami prinsip kerja yang ditimbulkan oleh spektroskopi emisi atom

c.       Memahami setiap bagian dari alat beserta fungsinya

d.      Memahami cara kerja dari alat spektroskopi emisi atom

e.       Memahami penggunaan alat spektroskopi emisi atom

C.    Manfaat

Setelah  mempelajari spektroskopi emisi atom, para farmasis mampu mengoperasikan alat dari spektroskopi emisi atom.

BAB II

ISI

A.    Deskripsi Teoritis

Teknik spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari interaksi radiasi dengan materi pada panjang gelombang tertentu. Sedangkan  spektrofotometri adalah pengukuran kuantitatif dari intensitas radiasi elektromagnetik pada satu atau lebih panjang gelombang dengan suatu transduser (detektor).

Spektroskopi emisi atom atau Atomic Emission Spectroscopy (AES) adalah suatu alat yang dapat digunakan untuk analisa logam secara kualitatif maupun kuantitatif yang didasarkan pada pemancaran atau emisi sinar dengan panjang gelombang yang karakteristik untuk unsur yang dianalisa. Sumber dari pengeksitasi dari Atomic Emission Spectroscopy bisa didapat dari nyala api gas atau Busur listrik. Sumber eksitasi dari nyala gas biasanya disebut ICP (Inductively Couple Plasma) sedangkan sumber eksitasi dari busur listrik biasa disebut “ARC” atau “SPARK”, sedangkan alat detector sinarnya adalah Tabung Penggandaan Foton atau “Photo Multiplier Tube (PMT)”. AES digunakan untuk unsur golongan alkali karena unsur-unsur golongan alkali elektronnya mudah tereksitasi, sedangkan unsur-unsur golongan lain membutuhkan panas lebih tinggi untuk dapat tereksitasi elektronnya sehingga tidak dapat menggunakan AES. Eksitasi adalah proses perpindahan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap sejumlah energi tertentu dari luar. Bedanya dengan AAS, AES tidak menggunakan sumber sinar. Perhatikan perbedaan antara SSA dan AES berikut:

Analisa Kualitatif dan kuantitatif

1.      Analisa kualitatif

Garis-garis emisi yang khas bagi suatu unsur logam akan tergambar pada film foto sebagai garis-garis hitam, letak suatu garis hitam tersebut pada film foto menentukan nilai panjang gelombang yang khas bagi unsur logam bersangkutan. Suatu unsur logam tertentu dapat menghasilkan banyak sekali garis hitam pada film foto, dengan intensitas yang berbeda. Untuk mengidentifikasi unsur logam secara kualitatif dengan cara ini maka dibuat spectrum emisi cuplikan yang mengandung logam X pada film foto, sehingga pada film tersebut timbul garis-garis hitam dengan panjang gelombang yang khas bagi logam X tersebut, kemudian spectrum logam X tersebut dibandingkan dengan spectrum standar (juga dalam film foto) yang mengandung garis-garis hitam yang khas untuk berbagai unsur logam yang telah diketahui jenisnya dan biasanya disebut “Master Spectrum”.

2.      Analisa Kuantitatif

Dahulu banyak dilakukan dengan menggunakan alat spektrograf emisi yang detektornya film foto. Dibuat beberapa cuplikan standar unsur X dengan konsentrasi yang sudah diketahui, kemudian tiap cuplikan standar itu di dieksitasi dalam “Spark” sehingga diperoleh spectrum emisi X tersebut pada film foto. Dari berbagai garis spectrum yang dihasilkan pada film foto tersebut, kemudian dipilih salah satu garis yang intensitasnya kuat dan dengan menggunakan alat “Densitometer” diukur derajat kehitaman dari garis yang dipilih itu pada berbagai konsentrasi X.

Semakin tinggi konsentrasi X maka semakin hitam garisnya (dan sebaliknya). Sehingga dapat disimpulkan“Tingkat kehitaman garis spectrum emisi pada film foto itu berbanding lurus dengan Intensitas (I) garis emisi itu”. Densitometer memberikan langsung nilai Intensitas untuk berbagai konsentrasi. Sehingga dapat dibuat kurva hubungan antara Intensitas dan Konsentrasi pada suatu panjang gelombang yang diukur.

Banyak kerumitan dan kesulitan yang diperoleh dengan cara atau metoda analisa yang menggunakan detektor film foto ini, karena waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan analisanya tidak singkat.
Dengan berkembangannya ilmu elektronik yang semakin maju, maka detektor film foto ini sekarang diganti dengan“Tabung Penggandaan Foto” (Photo Multi Plier Tube) / PMT.

B.     Prinsip Kerja

Spektroskopi emisi atom merupakan spektroskopi yang didasarkan pada cahaya yang dipancarkan ketika elektron turun dari level energi tinggi ke energi yang lebih rendah. Jika ada energi dari luar yang mengganggu atom, misalnya dari sumber eksitasinya (arc, spark, dan plasma) yang dihasilkan tegangan tinggi atau laser pulsa berdaya tinggi, maka elektron dalam atom akan naik dari ground state ke level energi eksitasi dikarenakan absorbsi dari energi yang mengganggu. Elektron kemudian turun kembali ke level ground state dengan memancarkan cahaya yang disebut sebagai foton. Cahaya yang dipancarkan tersebut memiliki karateristik khusus sesuai dengan atomnya. Salah satunya pada panjang gelombangnya.

Prinsip dasar dari analisa Atomic Emission Spectrometer (AES) ini yaitu : Apabila atom suatu unsur ditempatkan dalam suatu sumber energi kalor (sumber pengeksitasi), maka elektron di orbital paling luar atom tersebut yang tadinya dalam keadaan dasar atau ‘ground state’ akan tereksitasi ke tingkat-tingkat energi elektron yang lebih tinggi. Eksitasi adalah proses perpindahan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap sejumlah energi tertentu dari luar. Karena keadaan tereksitasi itu merupakan keadaan yang sangat tidak stabil maka elektron yang tereksitasi itu secepatnya akan kembali ke tingkat energi semula yaitu ke keadaan dasarnya (ground state). Pada waktu atom yang tereksitasi itu kembali ke tingkat energi lebih rendah yang semula, maka kelebihan energi yang dimilikinya sewaktu masih dalam keadaan tereksitasi akan ‘dibuang’ keluar berupa ‘emisi sinar’ dengan panjang gelombang yang karakteristik bagi unsur yang bersangkutan.

Sumber Pengeksitasi atom

Sumber pengeksitasi atom suatu unsur memerlukan suatu sumber energi kalor yang mampu mengeksitasikan elektron di orbital paling luar dari atom tersebut ke tingkat energi atom yang lebih tinggi.
Pada spektrofotometri emisi nyala, sumber pengeksitasinya adalah nyala api gas, tetapi kelemahan dari nyala api ini adalah energi kalor yang dihasilkan nya relatif rendah. Misalnya campuran gas Acetilen dan O₂ murni hanya akan menghasilkan suhu sekitar 3000^oC. Dengan kombinasi gas ini maka unsur-unsur yang dapat dieksitasikan dengan menghasilkan intensitas sinar emisi yang baik biasanya adalah logam-logam alkali (Na, K, Li, Ca dll). Sedangkan untuk mengeksitasikan atom logam-logam yang lebih berat maka diperlukan nyala api dengan kombinasi gas lain yang dapat memberikan suhu lebih tinggi dan juga memberikan energi kalor yang lebih tinggi.

Oleh karena itu telah diusahakan adanya sumber-sumber pengeksitasi atom yang dapat menghasilkan energi kalor yang lebih tinggi. Ada dua jenis sumber pengeksitasi yang mampu memberikan energi kalor dan suhu yang lebih tinggi, yaitu ‘bunga api listrik’ yang disebut ‘Arc’ atau “Spark” dan “Plasma” yang ditimbulkan secara induksi (Inductively Couple plasma atau ICP). Dengan kedua jenis sumber eksitasi ini maka hampir semua unsur logam dapat dieksitasikan.

Yang dimaksud dengan bunga api listrik atau awan muatan listrik (electrical discharge) adalah loncatan muatan listrik antara ujung batang elektroda dan sampel dimana ujung elektroda dan sampel tidak saling bersentuhan dan apabila antara keduanya diberikan tegangan listrik yang tinggi, maka akan terjadi loncatan muatan elektron dan akan menimbulkan tahanan sehingga hal ini akan menimbulkan kalor yang sangat tinggi, Suhu yang dihasilkan oleh muatan listrik tersebut berkisar antara 4000^oC sampai dengan 7000^oC. Jadi jauh lebih tinggi dari pada yang dihasilkan oleh nyala api gas acetilen dan O₂.

C.    Alat dan Gambar

   

Bagian alat

1.      Spark Stand

Spark stand, adalah bagian dimana Sampel dan elektroda yang biasanya terbuat dari logam wolfram dialiri arus yang dibangkitkan oleh suatu unit pembangkit tegangan tinggi (High Voltage Discharge) sehingga akan timbul spark atau Arc. Proses spark ini akan menyebabkan molekul-molekul dalam sample akan teratomisasi dan kemudian tereksitasi. Banyak sumber energi yang dapat digunakan untuk membangkitkan spark atau Ark. Seperti plasma yang ditimbulkan oleh RF Generator, dalam hal ini yang terpenting adalah Sumber dari pembangkit tersebut mampu mengeksitasikan atom-atom yang ada dalam sample.

Proses spark akan menyebabkan atom-atom dalam sampel tereksitasi dan memancarkan sinar polikromatik. Sinar polikromatik ini selanjutnya dilewatkan melalui lensa kondenser kemudian masuk melalui celah masuk (Entrance slit), selanjutnya akan mengenai suatu kisi difraksi yang kemudian mendispersikannya menjadi sinar-sinar monokromatik. Sinar-sinar monokromatik ini lalu dilewatkan melalui suatu celah keluar (exit slit) dan selanjutnya akan ditangkap oleh photomultiplier tube (PMT) yang bertindak sebagai detektor dan merubahnya menjadi photocurrent.

2.      Concave Diffraction Grating

            Concave Diffraction Grating adalah sebuah alat untuk mendispersikan spectrum polikromatis menjadi spectrum monokromatis. Alat ini adalah sebuah lempengan cekung yang pada permukaannya diberikan alur-alur (grooves) yang sejajar dan biasanya sekitar 1200 – 3000 groove per mm.

3.      Exit Slit (Celah keluar)

Setelah sinar polikromatis didispersikan menjadi sinar monokromatis oleh oleh grating, kemudian keluar melalui suaqtu celah yang disebut Exit slit atau secondary opic.

4.      Detektor

Ada tiga macam detector yang berbeda dalam rentang panjang gelombangnya, kecepatan respon, sensitivitas dll. Detektor dimaksudkan untuk merubah energi yang dipancarkan menjadi sebuah sinyal listrik yang kemudian diproses oleh sebuah amplifier sehingga dapat dapat di interpretasikan lebih lanjut. Ketiga detector tersebut adalah :

4.1              Photocell

Fungsinya adalah mengubah energi sinar menjadi arus listrik yang sebanding dengan Intensitasnya. Daerah kerja detector ini pada daerah sinar tampak (380 – 780 nm) . Bentuknya dalah sebuah keeping logam yang dilapisi dengan bahan Selenium yang sensitive terhadap sinar. Sinar yang mengenai lapisan ini menyebabkan elektron terlepas dan akan terjadi perbedaan muatan yang dapat diukur besarnya dengan microammeter, detektor ini kurang sensitive dan responnya rendah.

4.2              Phototube

Kontruksi detektor ini adalah sebuah tabung vakum yang terbuat dari kuarsa, bagian dalamnya berisi katoda (Photocathode) logam berbentuk ½ silinder dengan permukaanya dilapisi oksida logam yang mudah melepaskan electron bila dikenai sinar, kemudian sebagai anoda adalah sebuah kawat berlubang (wire mesh). Antara Katoda dan Anoda dipasang selisih tegangan dan apabila sebuah sinar datang masuk melalui jendela kuarsa dan jatuh ke permukaan Katoda, energi sinar ini akan diserap oleh lapisan oksida logam dan elektron yang ada dilapisan ini akan terlempar dan berkumpul pada Anoda, sehingga dalam tabung foton akan timbul arus. Detector ini mampu membaca sinar tampak dan sinar ultra violet dengan panjang gelombang dari 190 – 650 nm dan dari 600 – 1000 nm. Jadi untuk menguji daerah dengan panjang gelombang dari 190 sampai 1000 nm diperlukan lebih dari satu detector.

4.3              Photomultipliers

PMT atau Tabung Penggandaan Foton terdiri dari tabung kaca hampa udara yang sebagian dindingnya terbuat dari kuarsa, bagian dalam terdiri dari Katoda yang permukaannya dilapisi suatu bahan yang akan mengeluarkan electron bila dikenai sinar. Selanjutnya sejumlah elektroda yaitu Dynode yang diberi tegangan listrik dan yang dapat mengeluarkan elektron bila permukaannya dikenai berkas elektron yang dipercepat, rangkaian listrik yang meliputi katoda, sumber arus 900 Volt dan pembagi tegangan untuk 9 dynode (masing-masing 90 Volt), tahanan, penguat arus (amplifier) dan pencatat (recorder). Apabila berkas sinar dengan intesitas P (dari sumber cahaya spark) jatuh pada permukaan katoda maka lapisan yang melapisi katoda akan melepaskan electron. Berkas electron ini akan bergerak dengan percepatan kepermukaan dinoda 1 yang mempunyai tegangan 90 Volt lebih positif dari katoda. Tiap electron yang jatuh pada permukaan dynode 1 akan menyebabkan dikeluarkannya lebih dari satu electron dari permukaan dynode 1 itu. Elektron dari dynode 1 akan bergerak dengan percepatan kepermukaan dynode 2 yang juga 90 Volt lebih positif dari dynode 1, tiap electron yang jatuh kepermukaan dynode 2 akan melepaskan lebih dari satu electron. Elektron dari permukaan dynode 2 akan menuju kepermukaan dynode 3 yang juga 90 Volt lebih positif, dan seterusnya. Setelah proses tersebut berlangsung 9 kali (pada 9 dynode) maka untuk setiap fotton,sinar yang jatuh pada permukaan katoda akan dibebaskan 106 – 107 elektron yang akan terkumpul pada Anoda. Arus listrik yang telah mengalami pengutan (didalam tabung, karena adanya dynode) disalurkan melalui rangkaian untuk diperkuat lebih lanjut.

D.    Cara Kerja Alat

            Sampel dapat berupa zat padat, cair, ataupun gas. Sebelumnya, sampel harus dikonversi menjadi atom bebas biasanya melalui sumber eksitasi suhu tinggi. Sampel cair dikonversi dalam bentuk nebulasi dan dibawa ke sumber eksitasi oleh gas yang mengalir. Sampel padat dapat dikonversi melalui ablasi laser sehingga dapat dirubah dari sampel solid menjadi aliran gas. Zat padat juga dapat langsung menguap oleh percikan antara elektroda.

Salah satu energi yang bisa digunakan untuk mengeksitasi atom adalah dengan menembakkan laser pulsa berdaya tinggi (energi ~20 mJ) ke permukaan material.

Berikut ini skematik spektroskopi emisi atom menggunakan laser daya tinggi:

             

Jika sebuah laser pulsa (CO₂ laser) ditembakkan ke permukaan sebuah material, maka permukaan material akan terablasi dan atom serta molekul keluar dengan menghasilkan sebuah cahaya plasma yang mempunyai temperatur tinggi sebesar 10000 K. Karena temperatur yang tinggi, atom yang ada di dalam plasma tersebut tereksitasi. Dengan menggunakan fiber optik (digunakan untuk mengirimkan cahaya ke spektrometer) dan spektrometer (digunakan untuk mendispersi cahaya seperti cara kerja prisma) akan dperoleh spektrum hubungan panjang gelombang dan intensitas. Panjang gelombang ini merupakan atom-atom yang teridentifikasi dari material yang ditembak. Dengan menggunakan teknik ini, mampu mengetahui atom yang terkandung dalam material dalam waktu yang sangat cepat yaitu kurang dari 1 menit. Dengan karakteristik khusus yang dimiliki oleh atom, yaitu setiap atom mempunyai panjang gelombang yang berbeda satu sama lain, maka kita dapat mengetahui kandungan semua atom dalam semua material baik gas, padat, serbuk, dan cair. 

E.     Kelebihan dan Kekurangan AES

Kelebihan AES:

1.      Dapat menangani berbagai pelarut, baik organik dan anorganik di alam.

2.      Dapat disesuaikan untuk menangani padatan, lumpur, cair, atau gas.

3.      Dapat mendeteksi unsur non-logam (misalnya: P, S, halogen)

4.      Murah dalam pembelian dan pemeliharaan

5.      Mudah dioperasikan

Kekurangan AES:

1.      Tidak dapat mengidentifikasi keadaan oksidasi unsur/ senyawa dalam matriks aslinya.

2.      Energi kalor yang dihasilkan nya relatif rendah sehingga perlu adanya kombinasi gas.

BAB III

KESIMPULAN

1.      Teknik spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari interaksi radiasi dengan materi pada panjang gelombang tertentu. Sedangkan  spektrofotometri adalah pengukuran kuantitatif dari intensitas radiasi elektromagnetik pada satu atau lebih panjang gelombang dengan suatu transduser (detektor).

2.      Pada spektrofotometri emisi nyala, sumber pengeksitasinya adalah nyala api gas, tetapi kelemahan dari nyala api ini adalah energi kalor yang dihasilkan nya relatif rendah.

3.      Bagian-bagian alat spektroskopi emisi atom meliputi: Spark Stand, Concave Diffraction Grating, Exit Slit (Celah keluar), Detektor

DAFTAR PUSTAKA

Bassett. J., R.C. Denney, G. H. Jeffery dan J. Mendham. 1994. Buku Ajar Vogel Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik. Jakarta :EGC.

Day, R.A dan Underwood, A.L. 1989. Analisa Kimia Kuantitatif. Jakarta :Erlangga.

Mulja, M. dan Suharman. 1995. Analisis Instrumen. Surabaya :Airlangga University Press.

Gandjar, Ibnu G., Rohman, Abdul. 2012. ANALISIS OBAT SECARA SPEKTROFOTOMETRI DAN KROMATOGRAFI. Yogyakarta :Pustaka Pelajar.

Khopkar. 1990. Konsep Dasar Kimia Analitik. 275-283. Jakarta :UI-Press

Sastrohamidjojo. Spektroskop. Yogyakarta :Liberty.

Sudjadi. 2007. Kimia Farmasi Analisis.  Yogyakarta :Pustaka Pelajar.

Sumar Hendayana, dkk. 1994. Kimia Analitik Instrumen (edisi kesatu). Semarang: IKIP Semarang Press