BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Suatu spectrum massa diperoleh dengan mengubah
komponen-komponen sampel menjadi ion-ion fase gas yang sangat mudah menguap,
dan pemecahannya berdasarkan perbandingan massa vs. muatan (mass-to-charge
ratios).
Spektrometri Massa mungkin merupakan instrument
analitik yang paling aplikatif untuk para ilmuwan, mengingat teknik ini mampu
menyediakan informasi kualitatif dan kuantitatif tentang atom dan komposisi
molekuler dari senyawa organic dan anorganik. Namun, tingginya biaya
operasional dan perawatan alat cukup membatasi penggunaannya.
Awal 1940, Mass Spect pertama dirancang untuk
penentuan komponen dalam campuran hidrokarbon kompleks dalam industry minyak.,
kemudian berkembang untuk penggunaan berbagai senyawa organic yang dihasilkan
oleh industry kimia.
Pertengahan 1950, dirancang untuk penentuan unsure
secara kualitatif dan kuantitatif berdasar mass to charge ratio ion-ion dasar
yang dihasilkan oleh electric spark. Hal ini dimanfaatkan baik oleh industry
elektronika maupun nuklir. Keduanya berdasar pada material yang sensitive untuk
trace kontaminan.
Awal 1960, Mass Spect digunakan untuk identifikasi dan
analisis struktur molekul yang kompleks. Basisnya adalah pola fragmen ion
masing-masing dengan massa berbeda, yang terbentuk saat molekul besar
terionisasi. Mass Spect lebih mudah diidentifikasi daripada spectra IR dan NMR,
mengingat alat ini menyediakan informasi massa struktur komponen dan MR
molekul.Perkembangan terakhir, Spektrometri Massa digunakan secara luas sebagai
detector untuk kromatografi gas maupun cair.
Dahulu,
berat molekul suatu senyawa ditentukan dengan cara mengukur kerapatan uap atau
penurunan titik beku senyawa tersebut, sementara rumus molekulnya ditentukan
dengan cara analisis unsur. Selain lama dan merepotkan, teknik ini juga
memerlukan jumlah sampel yang banyak dengan kemurnian yang tinggi. Sekarang
berat molekul dan rumus molekul bisa ditentukan dengan cepat dan jumlah sampel
sedikit menggunakan spektrofotometer massa (MS).
1.2 Tujuan
1.3 Manfaat Spektroskopi Massa
1)
Mengetahui komposisi unsur dari bahan yang dianalisa
sehingga diketahui berat dan rumus molekulnya
2)
Mengetahui unsure senyawa baik senyawa organic maupun
anorganik
3)
Untuk analisis kualitatif maupun kuantitatif suatu
kompleks
4)
Untuk penentuan struktur dari komponen permukaan
padatan
5)
Untuk menentukan perbandingan isotop atom dalam suatu
sampel
BAB II
ISI
2.1
Deskripsi
Teori
Spektrometri
massa adalah alat yang digunakan untuk menentukan massa atom
atau molekul,
yang ditemukan oleh Franci William Aston pada
tahun 1919.
Identifikasi
struktur kimia suatu molekul, merupakan salah satu fungsi spektroskopi massa.
Penentuan struktur molekul baik molekul organik maupun anorganik didasarkan
pada pola fragmentasi dari ion-ion yang terbentuk ketika suatu molekul
diionkan. Pola fragmentasi suatu molekul sangat berbeda dengan molekul yang
lain dan hasil analisisnya dapat berulang (reproducible).
Spektrometri massa bekerja dengan membangkitkan
molekul-molekul bermuatan atau fragmen-fragmen molekul baik dalam keadaan
sangat hampa atau segera sebelum sampel memasuki ruang sangat hampa. Molekul
terionisasi harus dibangkitkan dalam fase gas. Dalam spektrometri massa klasik
hanya ada satu metode yang menghasilkan molekul bermuatan, tetapi kini ada
beberapa alternatif. Sewaktu molekul sudah bermuatan dan berada dalam satu fase
gas, molekul tersebut dapat dimanipulasi dengan penerapan medan listrik atau
medan magnet agar dapat menentukan bobot molekulnya dan bobot molekul semua
fragmen yang menghasilkan dari pemecahan molekul.
Spektrometer massa adalah suatu instrumen yang dapat
menyeleksi molekul-molekul gas bermuatan berdasarkan massa atau beratnya.
Teknik ini tidak dapat dilakukan dengan spektroskopi, akan tetapi nama
spektroskopi dipilih disebabkan persamaannya dengan pencatat fotografi dan
spektrum garis optik.
Spektrometer massa menembaki bahan yang sedang
diteliti dengan berkas elektron dan secara kauntitatif mencatat hasilnya
sebagai suatu spektrum fragmen-fragmen ion positif. Catatan ini disebut
spektrum massa. Terpisahnya fragmen-fargmen ion positif didasarkan pada
massanya (lebih tepat, massa dibagi muatan, tetapi kebanyakan ion bermuatan
tunggal).
Secara umum
spektroskopi massa terdiri dari tiga bagian penting, yaitu tempat pengionan
sampel, pemisahan ion, dan deteksi ion yang terbentuk. Suatu spektroskopi massa dengan tehnik tumbukan
elektron (EI). Sampel dimasukan kedalam chamber, diuapkan dengan menaikkan
temperatur chamber, ditembak dengan elektron berenergi tinggi, ion fragmen yang
terbentuk dipercepat dan dipisahkan dalam medan magnet, kemudian dideteksi
dengan detektor.
Seiring
dengan berkembangnya teknologi, masing-masing bagian telah mengalami perubahan
untuk meningkatkan kemudahan dalam penggunaan dan kemampuan alat dalam
menganalisa. Saat ini, spektroskopi massa biasanya digunakan secara mandiri dalam
analisa sampel atau digunakan bersama-sama dengan alat lain, seperti dengan
Kromatografi Cair Kinerja Tinggi (HPLC), Kromatografi Gas (GC), Electroforesis
Kapiler (CE) sehingga dikenal istilah HPLC-MS, GC-MS, dan CE-MS. HPLC, GC, atau
CE berperan untuk memisahkan campuran sampel, yang selanjutkan setiap komponen
yang sudah terpisah akan dianalisa satu persatu dalam MS.
2.2
Prinsip
Spektrometri Massa
Prinsip
kerja alat ini adalah pembelokan partikel bermuatan dalam medan magnet Molekul
bermuatan atau fragmen molekul dihasilkan dalam suatu ruang sangat hampa, atau
segera sebelum suatu sampel memasuki ruang sangat hampa dengan menggunakan
berbagai metode untuk produksi ion. Ion-ion dihasilkan dalan fase gas sehingga
ion tersebut kemudian dapat dimanipulasi dengan penerapan pada medan magnet
atau medan listrik agar dapat menentukan molekulnya.
2.3
Kelebihan
Spektrometri Massa
Metode terbaik untuk mendapatkan identifikasi cepat pengotor minor, yang
idealnya harus dilakukan dengan menggunakan pemisahan secara kromatografi
bersama dengan spektrometri massa resolusi tinggi sehingga komposisi unsur
tersebut dapat ditentukan dengan munculnya spektrometri massa elektrosemprot
dan munculnya kembali spektrometri massa waktu lintas, teknik tersebut akan
menjadi metode utama dalam pengendalian mutu antibodi dan peptida terapeutik.
2.4
Keterbatasan Spektrometri Massa
Spektrometri massa kini tidak digunakan dalam pengendalian mutu rutin
tapi ditempatkan dalam suatu lingkungan penelitian dan pengembangan yang
digunakan untuk mengatasi masalah-masalah spesifik yang berasal dari proses
rutin atau dalam pENgembangan proses intrumentasi ini mahal dan membutuhkan
dukungan personel yang sangat terlatih dan pemeliharaan yang teratur. Namun,
keterbatasan ini secara bertahap dihilangkan.
2.5
Penjelasan
Tentang Yang Terjadi di Spektrometer Massa
1. Keadaan hampa udara
Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul-molekul udara.
2. Ionisasi
Sampel yang berbentuk gas (vaporised sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik ‘melepaskan’ elektron-elektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap elektron (electron trap) yang mempunyai muatan positif.
Partikel-partikel dalam sample tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energi cukup untuk melepaskan satu atau lebih elektron dari sample tersebut sehingga sample tersebut menjadi ion positif.
Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sample yang sudah menjadi ion positif.
Ion-ion positif yang terbentuk ini ‘diajak keluar’ dan masuk ke bagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yang bermuatan positif (Ion repellel).
Tambahan: Seperti yang anda akan lihat sebentar lagi, seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000 V). Ketika kita berbicara tentang kedua lempengan bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000 V.
3. Percepatan
Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0 V. Celah yang berada di tengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.
4. Pembelokkan
Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:
• Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan.
• Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
• Massa ion (partikel)
Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat. Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan.
• Muatan ion
Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1. Makin besar muatan, makin besar pembelokan.
Dua faktor di atas (massa dan muatan ion) digabungkan ke dalam Perbandingan Massa/Muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (atau m/e). Sebagai contoh: apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama yaitu 28.
Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokkan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokkan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar.
Akan jauh lebih mudah untuk membahas masalah ini jika kita menganggap bahwa muatan semua ion adalah +1. Hampir semua ion-ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehingga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.
Tambahan: Anda juga harus mengerti bahwa kemungkinan adanya ion bermuatan +2(atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spektrum massa dimana ion-ion nya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1
Jadi dengam menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. Ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.
5. Pendeteksian
Pada gambar diatas, hanya sinar B yang bisa terus melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan dinetralisasi. Pada akhirnya, ion-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spektrometer massa oleh pompa vakum.
Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh elektron yang pindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara elektron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan elektron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut.
Aliran elektron di dalam kabel itu dideteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besat arus listrik yang timbul.
Mendeteksi ion-ion lainnya.
Bagaimana ion-ion lainnya dapat dideteksi – padahal sinar A dan sinar B sudah tidak ada lagi dalam mesin?
Ingat bahwa sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil (ion yang paling ringan bila bermuatan +1). Untuk membuat sinar ini sampai ke detektor ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil).
Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar (ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detektor ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan magnet yang lebih besar.
Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detektor ion, dimana disana ion-ion tersebut akan menimbulkan arus listrik dimana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang datang. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untuk membawa sinar tersebut ke detektor ion. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik (yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara langsung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala 12C.
Tambahan: Skala 12C adalah skala dimana isotop 12C mempunyai berat tepat 12 unit.
Bentuk output dari spektrometer massa
1. Keadaan hampa udara
Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul-molekul udara.
2. Ionisasi
Sampel yang berbentuk gas (vaporised sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik ‘melepaskan’ elektron-elektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap elektron (electron trap) yang mempunyai muatan positif.
Partikel-partikel dalam sample tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energi cukup untuk melepaskan satu atau lebih elektron dari sample tersebut sehingga sample tersebut menjadi ion positif.
Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sample yang sudah menjadi ion positif.
Ion-ion positif yang terbentuk ini ‘diajak keluar’ dan masuk ke bagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yang bermuatan positif (Ion repellel).
Tambahan: Seperti yang anda akan lihat sebentar lagi, seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000 V). Ketika kita berbicara tentang kedua lempengan bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000 V.
3. Percepatan
Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0 V. Celah yang berada di tengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.
4. Pembelokkan
Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:
• Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan.
• Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
• Massa ion (partikel)
Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat. Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan.
• Muatan ion
Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1. Makin besar muatan, makin besar pembelokan.
Dua faktor di atas (massa dan muatan ion) digabungkan ke dalam Perbandingan Massa/Muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (atau m/e). Sebagai contoh: apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama yaitu 28.
Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokkan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokkan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar.
Akan jauh lebih mudah untuk membahas masalah ini jika kita menganggap bahwa muatan semua ion adalah +1. Hampir semua ion-ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehingga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.
Tambahan: Anda juga harus mengerti bahwa kemungkinan adanya ion bermuatan +2(atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spektrum massa dimana ion-ion nya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1
Jadi dengam menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. Ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.
5. Pendeteksian
Pada gambar diatas, hanya sinar B yang bisa terus melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan dinetralisasi. Pada akhirnya, ion-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spektrometer massa oleh pompa vakum.
Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh elektron yang pindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara elektron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan elektron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut.
Aliran elektron di dalam kabel itu dideteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besat arus listrik yang timbul.
Mendeteksi ion-ion lainnya.
Bagaimana ion-ion lainnya dapat dideteksi – padahal sinar A dan sinar B sudah tidak ada lagi dalam mesin?
Ingat bahwa sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil (ion yang paling ringan bila bermuatan +1). Untuk membuat sinar ini sampai ke detektor ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil).
Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar (ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detektor ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan magnet yang lebih besar.
Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detektor ion, dimana disana ion-ion tersebut akan menimbulkan arus listrik dimana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang datang. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untuk membawa sinar tersebut ke detektor ion. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik (yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara langsung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala 12C.
Tambahan: Skala 12C adalah skala dimana isotop 12C mempunyai berat tepat 12 unit.
Bentuk output dari spektrometer massa
2.6
Penanganan Dan Ionisasi Sampel
Sampel yang akan dianalisis dimasukkan pada
tempat pengionan dalam alat spektroskopi massa. Sampel dapat berupa gas,
padatan, dan larutan sesuai dengan wujud sampel dan teknik ionisasi yang
dipilih. Beberapa teknik ionisasi yang lazim dilakukan akan dibahas berikut
ini.
1. Tumbukan Elektron (Electron Impact/EI)
Ruang pengionan, uap sampel ditumbuk
dengan elektron berenergi tinggi (70 ev). Energi yang diserap molekul sampel
akan mendorong pelepasan/ pengionan elektron dari orbital ikatan dan orbital
anti-ikatan. Energi ditransfer kearah pembentukan ion melalui proses tumbukan
seperti terlihat pada persamaan reaksi berikut :
A-B-C +
e- → A-B-C+ + 2
e-
Metode ini banyak digunakan untuk
sampel yang volatil dan stabil pada temperatur tinggi. Sacara umum, spektroskopi
massa dengan metode tumbukan elektron yang menghasilkan ion positif (kation)
lebih disukai dibandingkan yang menghasilkan ion negatif (anion). Selain itu,
literatur dengan pola-pola fragmentasi ion positif sebagai referensi telah
banyak dipublikasikan.
2. Electrospray Ionisation (ESI)
Suatu
larutan disemprotkan melalui pipa berdiameter sangat kecil kedalam ruang vakum
dengan medan listrik bergradient beberapa ratus hingga ribuan volt per
centimeter, menghasilkan ion gas dari solut. ESI merupakan tehnik MS yang mampu
menghasilkan fraksi besar dari fragmen-fragmen molekul organik atau analit
biologis. Karena MS mengukur rasio massa terhadap muatan ion, metode ini
memberikan keuntungan dalam menganalisa massa yang sangat tinggi tanpa perlu
instrument analisis massa yang khusus. Sebagai
contoh, suatu ion dengan massa 120.000 dalton membawa 60 muatan positif muncul
pada 2000 massa per muatan. Metode ini telah digunakan untuk mengukur massa ion dari molekul hingga
200.000 dalton, seperti protein.
3. Chemical Ionization (CI)
Ion yang akan dianalisa diproduksi
melalui transfer suatu partikel (H+, H-, dan lebih berat)
hasil pengionan suatu reaktan berupa gas yang lebih berat ke dalam sampel.
Umumnya reaktan yang digunakan adalah gas metana pada tekanan 0,2-2,0 torr
(27-270 pascal). Mula-mula metana (CH4) diionkan melalui proses
tumbukan elektron menghasilkan ion CH4+ . Selanjutnya ion
tersebut bereaksi dengan molekul netral metana yang lain menghasilkan asam
Bronsted yang kuat untuk bereaksi dengan molekul sampel melalui transfer
proton.
CH4 + e-
→ CH4+ + 2 e-
CH4+ + CH4
→ CH5+ + CH3
CH3+ + CH4
→ C2H5+ + H2
CH5+ + A-B-C
→ HABC+ + CH4
C2H5+ + A-B-C
→ HABC+ + C2H4
Gas lain yang juga sering
digunakan adalah hidrogen (H2), uap air (H2O), ammonia
(NH3), dan isobutana (C4H10). Dalam gas-gas
ini, ion yang reaktif adalah H3+, H2O+,
NH3+ dan C4H10+. Energi
yang ditransfer pada proses ionisasi dengan metode ini berkisar 10-50 kkal/mol
atau 40-200 kJ/mol, jumlah energi yang cukup kuat untuk proses fragmentasi,
namun fragmentasi yang terjadi lebih sedikit dari metode tumbukan elektron.
4. Fast Atom Bombardment (FAB)
FAB
merupakan suatu tehnik ionisasi yang popular untuk molekul non-volatil dan atau
labil terhadap temperatur tinggi. Baik digunakan untuk molekul polar dan
molekul dengan berat molekul tinggi. Umumnya FAB menggunakan uap atom netral
berkecepatan tinggi seperti Argon dan Xenon pada 8 kV. Sampel yang dianalisa
dapat berupa padatan atau sampel yang dilarutkan dalam pelarut kental seperti
gliserol. Biasanya ion pseudo molekuler [M+H]+ terbentuk bersama
sedikit ion fragmen dengan massa yang lebih rendah.
5. Field Desorption (FD)
Untuk
material yang kurang volatil, ionisasi biasanya dilakukan dekat permukaan
elektroda melalui gradient medan listrik yang sangat tinggi (beberapa volt per
angstrom). Awan
elektron dalam molekul didistorsi dan bagian molekul yang mengandung kelebihan
elektron berperan sebagai anoda. Ion yang terbentuk akan ditolak oleh anoda.
Lifetime dari ion ini sangat singkat dibandingkan dengan ion hasil tumbukan
electron. Karena sedikit energi yang ditransfer berupa energi dalam dan ion
bergerak sangat cepat, dan fragmentasinya sangat sedikit, maka berat molekul
sangat mudah dideteksi.
6. Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)
Metode
ini baik digunakan untuk sampel dengan berat molekul lebih besar dari 700.000,
dan tehnik ini telah digunakan untuk menentukan berat molekul dari molekul
biologi besar yang bersifat polar, seperti enzim, analisa interaksi antibodi.
Sampel berupa matriks organik atau dibuat dalam matrik organic (asam sinapinat
biasanya untuk sampel protein), dioleskan pada permukaan suatu lempeng,
selanjutnya diradiasi dengan sinar laser (N2 l 337 nm) . MALDI adalah metode ionisasi yang lemah dan fragmentasi
ion sampel jarang terjadi. Ion yang dihasilkan biasanya berupa ion molekuler
sehingga spektra yang dihasilkan sangat sederhana.
2.7
ANALISA SPEKTRA MASSA
2.7.1
RUMUS MOLEKUL DAN INDEKS KEKURANGAN
HIDROGEN
Peralatan
spektroskopi massa resolusi tinggi (HRMS) yang telah tersedia saat ini mampu
menentukan massa suatu ion molekuler (massa yang setara dengan rumus molekul) atau
fragmen molekul (pecahan molekul setelah proses ionisasi) secara akurat,
sehingga memudahkan untuk membedakan ion molekuler atau fragmen molekul yang
massanya hampir sama. Massa yang teramati adalah penjumlahan eksak semua massa
atom penyusun molekul atau fragmen molekul dengan kelimpahan isotop terbanyak. Sebagai
contoh, HRMS mampu membedakan CO, N2, CH2N, dan C2H4.
12C 12,0000 14N 28,0062 12C 12,0000 12C 24,0000
16O 15,9949 1H2 2,0156 1H4 4,0312 14N 14,0031
27,9949 28,0187 28,0312
Untuk ion
molekul yang tersusun oleh atom-atom yang memiliki beberapa isotop atom dengan
kelimpahan yang cukup besar, maka ion molekul yang muncul bisa lebih dari satu.
Ion molekuler yang muncul biasanya ditandai sebagai M+, [M+1]+,
[M+2]+, dan seterusnya tergantung jumlah ion molekuler yang mungkin
ada. Sebagai contoh CH3Br yang memiliki ion molekuler M+
dan [M+2]+ akibat adanya isotop 79Br dan 81Br
yang kelimpahannya hampir sama banyak.
M+
12C 12,0000 [M+2]+ 12C 12,0000
1H3
3,0234 1H3 3,0234
79Br 78,9183 81Br 80,9163
93.9417 95.9397
Bila ion
molekuler diketahui, maka rumus molekul dari sampel dapat ditentukan pula
dengan cara mencocokkan harga m/z dari ion molekuler dengan tabel Rumus Molekul
dengan variasi jumlah karbon, hidrogen, nitrogen, dan oksigen yang tersedia.
Selanjutnya dari rumus molekul yang ada, dapat dihitung indeks kekurangan
hidrogen (sering disebut BDE) yang bermanfaat untuk diprediksi jumlah ikatan
rangkap atau adanya cincin/siklik dalam molekul tersebut. Harga DBE dihitung
dengan rumus :
DBE = S C - ½ S H - ½ S Halogen + ½ S N + 1
Tabel 3.1 Kelimpahan relatif dan massa eksak
beberapa isotop yang umum
|
Unsur
|
Isotop
|
Massa eksak
|
Kelimpahan relatif
|
|
Karbon
|
12C
|
12,0000
|
100
|
|
|
13C
|
13,0034
|
1,11
|
|
Hidrogen
|
1H
|
1,0078
|
100
|
|
|
2H
|
2,0141
|
0,016
|
|
Nitrogen
|
14N
|
14,0031
|
100
|
|
|
15N
|
15,0001
|
0,38
|
|
Oksigen
|
16O
|
15,9949
|
100
|
|
|
17O
|
16,9991
|
0,04
|
|
|
18O
|
17,9992
|
0,20
|
|
Silikon
|
28Si
|
27,9769
|
100
|
|
|
29Si
|
28,9765
|
5,10
|
|
|
30Si
|
29,9738
|
3,35
|
|
Belerang
|
32S
|
31,9721
|
100
|
|
|
33S
|
32,9715
|
0,78
|
|
|
34S
|
33,9679
|
4,40
|
|
Klor
|
35Cl
|
34,9689
|
100
|
|
|
37Cl
|
36,9659
|
32,5
|
|
Brom
|
79Br
|
78,9183
|
100
|
|
|
81Br
|
80,9163
|
98,0
|
Adanya isotop suatu atom dapat membantu dalam
identifikasi suatu molekul. Spektra massa suatu senyawa akan menampilkan puncak
yang menginformasikan jumlah isotop yang ada dalam molekul. Sebagai contoh
spektra massa suatu hidrokarbon yang memiliki 5 atom karbon. Intensitas puncak [M+1]+
yang mengindikasikan banyaknya isotop C13 dalam molakul, pasti 5(1,1%) = 5(0,011)
dikalikan intensitas relatif puncak ion molekuler. Jadi banyaknya atom karbon
dalam molekul dapat dihitung bila intensitas relatif [M]+ dan [M+1]+
diketahui.
Jumlah
C = intensitas relatif puncak [M+1]+
0,011
x intensitas relatif [M]+
2.7.2
Pola Fragmentasi Setiap Golongan Senyawa
Organik
a)
Alkana
Puncak
ion molekuler alkana rantai terbuka selalu muncul tetapi intensitasnya semakin
rendah seiring dengan bertambahnya panjang rantai. Pola fragmentasinya ditandai dengan
puncak-puncak dengan selisih massa 14 (CH2) yaitu m/z 29, 43, 57,
71, 84, ... seterusnya. Setiap puncak umumnya memiliki m/z = 14n + 1, dimana fragmen yang paling tinggi
pada C3 dan C4, serta puncak seterusnya akan terus
berkurang secara bertahap.
|
Spectra
massa dodekana
|
Pola fragmentasi alkana bercabang memiliki
kemiripan dengan alkana terbuka, hanya saja pola perubahan puncak dengan
selisih m/z 14 hilang karena adanya fragmentasi yang dominan pada percabangan.
|
Spektra massa
2,3-dimetilbutana
|
Intensitas puncak ion molekuler alkana dengan
rantai bercabang cenderung lebih rendah dibandingkan alkana tak bercabang. Hal
ini mengindikasikan tingginya tingkat kestabilan karbokation yang dihasilkan
dari fragmentasi pada percabangan rantai, sehingga mendukung proses fragmentasi
dari ion molekuler. Sementara alkana siklik cenderung memiliki puncak ion
molekuler yang tinggi. Seperti terlihat
pada spektra n-heksana, 2-metilpentana
dan sikloheksana berikut.
|
Spektra
massa n-heksana
|
|
Spektra massa
2-metil-pentana
Spektra
massa sikloheksana
Pola fragmentasi alkana siklik mirip dengan alkana
pada umumnya dengan pengurangan massa sesuai dengan deret homolog alkana.
Puncak dasar fragmentasi sikloalkana adalah hasil pelepasan etena (C2H4)
atau m/z [M-28]+ seperti puncak pada m/z 56 dari sikloheksana. Bila
alkana siklik memiliki cabang atau rantai samping, pemutusan cabang merupakan
pola fragmentasi yang paling favorit.
b)
Alkena
Puncak ion molekuler alkena khususnya
polialkena selalu muncul. Alkena rantai terbuka memiliki ciri mirip dengan
alkana, dimana puncak-puncak dengan selisih massa 14 akan muncul. Puncak dengan
massa CnH2n-1 dan CnH2n akan lebih tampak dibandingkan puncak CnH2n+1 . Fragmentasi allilik dan vinilik akan
terlihat nyata. Puncak-puncak yang lazim terlihat adalah m/z 27, 41, 55, 69,
83, ....dan seterusnya. Pada spektra massa 2-pentena terlihat puncak pada m/z
41 dan 55 hasil dari fragmentasi pelepasan etil dan metil.
|
||||
|
||||
Spektra massa 2-pentena
Ciri khas fragmentasi sikloalkena merupakan
kebalikan reaksi Diels-Alder, yaitu pemcahan cincin menghasilkan suatu diena
dan dienofil. Hal ini dibuktikan dengan munculnya puncak m/z 68 pada spektra
massa limonen.
|
||
|
c)
Alkuna
Spektra massa alkuna mirip
dengan alkena. Intensitas puncak ion molekuler cukup tinggi dan pola
fragmentasinya mirip dengan alkena. Pemutusan ikatan C – C dari karbon yang
terikat langsung ke C ≡ C dan pelepasan H dari alkuna terminal sangat lazim
dijumpai.
|
Spektra massa 2-pentuna menunjukkan puncak ion
molekuler pada m/z 68 dengan intesitas yang cukup tinggi. Pelepasan radikal hidrogen
dari C-1 menghasilkan puncak pada m/z 67. Dengan pola yang sama, pelepasan
radikal metil akan menghasilkan puncak pada m/z 53.
|
Spektra massa
2-pentuna
d)
Alkohol
Puncak ion molekuler alkohol primer dan
sekunder muncul dengan intensitas yang sangat rendah, bahkan tidak muncul untuk
alkohol tersier. Pemutusan ikatan C – C dekat atom oksigen pada alkohol primer
akan menghasilkan puncak dengan m/z 31 (CH2=OH)+ . Alkohol
sekunder dengan pola fragmentasi yang sama akan menghasilkan puncak dengan m/z
45, 59, 73, ... seterusnya tergantung panjang rantai karbon, sementara alkohol
tersier menghasilkan puncak mulai m/z 59, 73, ... seterusnya.
|
Alkohol rantai panjang biasanya menghasilkan
puncak M-18 akibat pelepasan H2O dan puncak [M-(H2O +
alkena)]+.
|
Spektra 2-pentanol menunjukkan puncak-puncak pada
m/z 45 dan 74 hasil dari pelepasan C3H9 dan CH3.
Sementara puncak ion molekuler muncul dengan intensitas yang sangat rendah.
|
Spektra massa
2-pentanol
Alkohol siklik seperti sikloheksanol akan
mengalami fragmentasi sekurang-kurangnya dengan tiga skema yang berbeda, yaitu
:
|
Spektra massa
sikloheksanol
e)
Eter
Eter alifatik memiliki intensitas puncak
ion molekuler yang lebih rendah dibandingkan alkohol dengan berat molekul yang
sama. Pola fragmentasi eter hampir mirip dengan alkohol seperti pemutusan
ikatan C - Ca dan penataan ulang dengan pemutusan ikatan Cb - H. Pola fragmentasi eter menghasilkan m/z mulai 31, 45, 59, 73, dan
seterusnya tergantung panjangnya rantai alkil.
|
Spektra massa dietileter menunjukkan puncak ion
molekuler pada m/z 74. Hasil fragmentasi pelepasan CH3 pada m/z 69.
sementara puncak 45 dan 31 merupakan hasil fragmentasi lanjutan dari puncak
[M-15] melalui pelepasan CH2=CH2 diikuti dengan :CH2
.
Spektra massa
dietileter
f)
Aldehid
Puncak ion molekuler aldehid
biasanya mucul walaupun intensitasnya lemah. Pemutusan ikatan C – C dan C – H
dari C karbonil atau yang lazim disebut pemutusan a (a-cleavage) lazim terjadi menghasilkan
puncak fragmen dengan m/z [M-H]+ dan [M-R]+ atau [CHO]+.
Selain, itu pemutusan b juga merupakan model fragmentasi yang
penting menghasilkan fragmen R+ atau senilai [M-43]+.
|
Aldehid rantai panjang dapat mengalami fragmentasi
yang disebut dengan penataan ulang McLafferty. Aldehid tidak bercabang akan
menghasilkan puncak pada m/z 44. Puncak hasil penataan ulang ini biasanya
menjadi puncak dasar.
|
Selain aldehid, penataan ulang McLafferty dapat
terjadi pada semua senyawa karbonil seperi keton, asam karboksilat, ester, dan
amida yang memiliki panjang rantai minimum 4 atom karbon dan atom C ke-4 harus
mengikat atom H.
Spektra massa
pentanaldehid
Spektra massa pentanaldehid diatas menunjukkan
puncak pada m/z 29 dan 44 yang merupakan hasil fragmentasi Ca dengan C karbonil, serta hasil penataan ulang McLafferty.
g)
Keton
Puncak ion molekuler dari keton biasanya umumnya
muncul walaupun intensitasnya tidak begitu tinggi. Pola fragmentasi keton
asiklik hampir mirip dengan aldehid, yaitu pemutusan ikatan Ca dengan C karbonil. Bila ukuran kedua gugus alkil yang mengapit C karbonil
tidak sama, maka lepasnya gugus alkil yang lebih besar akan lebih disukai
sehingga intensitas puncaknya umumnya lebih tinggi. Bila rantai karbon keton memiliki
jumlah atom C³4, maka puncak hasil penataan ulang McLafferty
akan teramati.
Spektra massa 2-pentanon
Puncak ion molekuler 2-pentanon terlihat cukup
tinggi intensitasnya pada m/z 86. Sementara puncak pada m/z 43 dan 71 merupakan
hasil pemecahan Ca dengan C karbonil, dimana intensitas puncak hasil
pelepasan rantai propil lebih tinggi dibandingkan pelepasan rantai metil.
Puncak pada m/z 58 merupakan hasil penataan ulang McLafferty.
Keton siklik mengalami variasi fragmentasi dan
penataan ulang. Sebagai contoh adalah spektra massa sikloheksanon dibawah ini.
Spektra massa sikloheksanon
Munculnya puncak-puncak pada m/z 98, 83,70, 55,
dan 42 dapat dijelaskan melalui beberapa variasi fragmentasi dan penataan
ulang.
|
h)
Asam Karboksilat
Puncak ion molekuler asam karboksilat
biasanya muncul, walaupun pada senyawa tertentu intensitasnya rendah atau
bahkan tidak teramati. Pemecahan a (ikatan Ca dengan C=O) yang lazim dijumpai pada
senyawa karbonil juga akan teramati pada senyawa ini. Spektra masssa asam
butanoat dibawah ini menunjukkan puncak ion molekuler yang lemah pada m/z 88.
Sementara puncak pada m/z 71, 45, dan 43 merupakan hasil pemecahan a. Penataan ulang McLafferty juga terjadi pada asam butanoat dengan
munculnya puncak pada m/z 60 dengan
intensitas tertinggi.
Spektra massa asam butanoat
i)
Ester
Pola fragmentasi ester serupa dengan asam
karboksilat. Selain pemecahan a, penataan ualng McLafferty lazim terjadi
pada ester. Etil butanoat menunjukkan puncak ion molekuler dengan intensitas
lemah pada m/z 116. Pemecahan a akan menghasilkan puncak-puncak pada m/z
43, 45, 71 dan 73. Sementara penataan ulang McLafferty menghasilkan puncak pada
m/z 88.
Ester etil dari asam-p-hidroksibenzoat
lazim mengalami pemecahan a (melapas radikal etoksi) menghasilkan
puncak pada m/z 121 dengan intensitas yang sangat tinggi. Fragmen ini memiliki
kestabilan yang tinggi karena resonansi ke cincin aromatik.
Spektra massa etilbuatnoat
Spektra massa
etil-p-hidroksibenzoat
j)
Amina
Harga m/z dari ion molekuler amina sangat
bermanfaat dalam mengidentifikasi banyaknya atom N dalam senyawa amina. Amina
dengan jumlah atom N ganjil akan memiliki ion molekuler dengan harga m/z
ganjil, sementara senyawa yang jumlah atom N-nya genap akan memiliki harga yang
genap pula. Sayangnya, puncak ion molekuler amina intensitasnya sangat lemah
bahkan jarang muncul. Intensitas puncak tertinggi biasanya berasal dari hasil
pemecahan a. Sementara amina
rantai panjang lazim membentuk fragmen siklik 6 atom (n=4).
|
|||
|
|||
Spektra massa heksilamina
k)
Hidrokarbon Aromatik
Jika ada gugus alkil yang terikat pada
cincin benzena, fragmentasi lazimnya terjadi pada posisi benzilik membentuk
fragmen dengan m/z 91 (C7H7+). Bila panjang
rantai alkil lebih besar atau terdiri dari 3 atom karbon, fragmen massa hasil
penataan ulang McLafferty akan teramati.
|
l)
Alkil halida
Intensitas puncak ion molekuler senyawa
alkil halida alifatik bervariasi, dimana alkil iodida memiliki intensitas
ternggi dan alkil fluorida terendah. Intensitas puncak ion molekuler akan
berkurang seiring dengan bertambahnya ukuran gugus atau cabang pada posisi a . Pola fragmentasi yang paling penting dari alkil halida terutama alkil
iodida dan alkil bromida adalah lepasnya atom halida dan meninggalkan
carbokation pada rantai alkil. Hal ini mudah terjadi karena iodida dan bromida
merupakan gugus pergi yang baik. Karbokation yang terbentuk biasanya mengalami
fragmentasi lebih lanjut. Sebaliknya pola fragmentasi pelepasan halida sangat
jarang terjadi pada alkil klorida, dan bahkan tidak terjadi pada alkil
fluorida. Pada kedua alkil halida ini (Cl dan F) lazimnya terjadi pelepasan HX
|
Pola fragmentasi pemecahan a pada lakil halida juga sering terjadi.
Bila pada posisi a terdapat percabangan, maka lepasnya gugus yang
lebih besar umumnya lebih lazim terjadi. Puncak yang dihasilkan dari pemecahan a umumnya cukup lemah.
|
Untuk alkil klorida dan alkil bromida rantai
panjang, pembentukan fragmen siklik 5 atom lazim terjadi dengan melepas sisa
rantai dalam bentuk radikal.
|
Puncak ion molekuler dan pola fragmentasi senyawa
alkil halida cukup unik sehingga memudahkan dalam proses identifikasi. Fluorida
dan iodida tidak memiliki isotop, sementara klorida dan bromida memiliki isotop
dengan kelimpahan yang berbeda-beda mudah dibedakan. Puncak ion molekuler [M]+
alkil fluorida dan alkil iodida berupa puncak tunggal, sementara untuk
alkil klorida dan alkil bromida akan muncul [M]+ dan [M+2]+
bila mengandung satu atom Cl atau Br. Serta akan lebih kompleks bila jumlah
atom Cl dan atau Br bertambah. Selain itu, perbandingan intensitas
puncak-puncak ion molekuler juga akan lebih kompleks, seperti tertera pada
Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Hubungan Jumlah dan Jenis Atom Halogen
dengan Prosentase Intensitas
Puncak Ion Molekuler
|
Atom
Halogen
|
Intensitas Relatif Puncak
Ion Molekuler (%)
|
||||||
|
[M]+
|
[M+2]+
|
[M+4]+
|
[M+6]+
|
[M+8]+
|
[M+10]+
|
[M+12]+
|
|
|
Br
|
100
|
97,2
|
|
|
|
|
|
|
2 Br
|
100
|
195,0
|
95,5
|
|
|
|
|
|
3 Br
|
100
|
293,0
|
286,0
|
93,4
|
|
|
|
|
Cl
|
100
|
32,6
|
|
|
|
|
|
|
2 Cl
|
100
|
65,3
|
10,6
|
|
|
|
|
|
3 Cl
|
100
|
97,8
|
31,9
|
3,47
|
|
|
|
|
4 Cl
|
100
|
131,0
|
63,9
|
14,0
|
1,2
|
|
|
|
5 Cl
|
100
|
163,0
|
106,0
|
34,7
|
5,7
|
0,4
|
|
|
6 Cl
|
100
|
196,0
|
161,0
|
69,4
|
17,0
|
2,2
|
0,1
|
|
Br Cl
|
100
|
130,0
|
31,9
|
|
|
|
|
|
2 Br 1 Cl
|
100
|
228,0
|
159,0
|
31,2
|
|
|
|
|
2 Cl 1 Br
|
100
|
163,0
|
74,4
|
10,4
|
|
|
|
Keterangan : Angka-angka pada kolom 1 mewakili
jumlah atom dalam molekul
|
Skema
alat spektroskopi massa
DAFTAR PUSTAKA
Bruice PY, 2005, Organic Chemistry, 4th ed, John Wiley & Sons, USA
Cresswell, CJ., Runquist,
OA., Campbell, MM., 1982, Analisis
Spektrum Senyawa Organik, (diterjemahkan oleh Kosasih Padmawinata dan Iwang
Sudiro), Penerbit ITB, Bandung
Dudley W., and Fleming I.,
1995, Spectroscopic Methods in Organic Chemistry, McGraw Hill Higher Education
Pavia DL, Lampman GM, Kriz
GS, 1996, Introduction to Spectroscopy,
Saunders College Publishing, USA
Silverstein RM, Bassler GC,
Morrill TC, 1991, Spectrometric
Identification of Organic Compounds, 5th ed., John Wiley &
Sons, USA
No comments:
Post a Comment