SPEKTROSKOPI

Universitas Muhammadiyah Malang 2013

Harjana

1. Memahami interaksi antara cahaya dan benda (absorbansi,

eksitasi, emisi, luminesensi, fluoresensi, fosforesensi)

2. Mendeskripsikan komponen utama spektrofofometer (sumber

cahaya, monokromator, detektor, interferometer, grating,

ATR, ICP)

3. Menghitung kadar dengan rumus Beer (analisis campuran vs

absorpsi)

4. Memahami mekanisme dan penerapan spketroskopi UV-Vis,

FTIR, Luminesen, atomik

KOMPETENSI YANG DIHARAPKAN

SETELAH MENGIKUTI KULIAH INI

Spektroskopi

Spektroscopi adalah ilmu pengetahuan yang berkaitan dengan interaksi antara radiasi denganbenda (atom dan molekul).

Metode spektrometri menjadi bagian terbesar darimetode analisis, yang sebagian besar berdasarradiasi elektromagnet (cahaya, sinar-gamma, sinar-X, UV-Vis, mikrowave dan radio-frekuensi)

Teknik Spektrofotometri dipergunakan untukmengukur kadar analit dalam larutan dengan caramengukur jumlah cahaya yang diabsorpsi olehlarutan di dalam kuvet yang diletakkan di dalamspektrofotometer

TOPIK BAHASAN

1. Asas dasar dan perbedaan antara spektramolekuler dan spektra atomik

2. Spektrofotometri absorpsi molekuler

3. Komponen dasar spektrofotometer UV-Vis single dan double beam-spectrophotometer

4. Fluorometri, fosforimetri, kemiluminesensi danotomasi

5. Emisi, Absorpsi dan Fluoresensi Atomik

1- Penyerapan radiasi

Ketika suatu radiasi melewati suatu media, suatulapisan padatan, cair atau gas, frekuensi tertentudiserap oleh media, suatu proses dimana energielektromagnet dialihkan ke sampel.

Dua jenis spektra serapan:

– Spektrum Serapan Atom

– Spektrum Serapan Molekul

Bagaimana proses molekul menyerap radiasi?

1- Transisi rotasi:Tiap molekul berotasi dengan berbagai

sumbu, energi rotasi berada pada aras energitertentu, sehingga molekul dapat menyerapradiasi, kemudia naik ke aras energi rotasi yang lebih tinggi

2- Transitsi vibrasi

Atom-atom atau kelompok atom-atom didalam mlekul daling bergetar satu sama lain. Molekul berpeluang menyerap sejumlah energidiskrit dan kemudian naik ke aras energivibrasi yang lebih tinggi

3- Transisi elektron:

Elektron-elektron valensi suatu molekul dptnaik ke aras energi elektron yang lebih tinggi

Ketiga jenis energi internal ini dapatdikuantitasi.

K

L

M

N

O

P

Atom:Untuk Atom hanya terjadi transisi electron

Penyerapan ini menaikan partikel darikedudukan ground state ke excited state yang berenergi lebih tinggi.

Absorpsi Emisi

Transisi rotasi: energi E rendah [λ panjang (microwave ataufar-infrared)]Transisi Vibrasi: terjadi pada energi E tinggi [daerah near, far infrared]Transisi Electron: terjadi pada energi E yg lebih tinggi[daerah visible dan U.V]

Jenis Radiasi Rentang Frequency (Hz) Jenis Transisi

gamma-rays 1020-1024 <1 pm nuclear

X-rays 1017-1020 1 nm-1 pm Elektron dalam

Ultraviolet 1015-1017 400 nm-1 nm Elektron luar

Visible 4-7.5x1014 750 nm-400 nm Elektron luar

near-infrared 1x1014-4x1014 2.5 µm-750 nm

Elektron luar,

vibrasi

molekul

Infrared 1013-1014 25 µm-2.5 µm Vibarasi molekul

Microwaves 3x1011-1013 1 mm-25 µm

Rotasi molekul,

electron spin

flips*

Gelombang radio <3x1011 >1 mm nuclear spin flips*

Pengantar Spectroskopi (lanjutan)

TRANSISI SPEKTRUM TEKNIKKEGUNAAN

UTAMA

TransisiElektron

UV-vis Spektroskopi UV-vis

SpektroskopiSerapan Atom

AnalisisKuantitatif

AnalisisKuantitatif

TransisiVibrasi

IR Spektroskopi IRIdentifikasi Gugus

fungsi danStruktur

Orientasi Spin Radio NMRIdentifikasi

Struktur

So

S1

S2

T1

Diagram transisi energi molekul antrasen

Transisi

S0 S2Transisi

S0 S1

VR

VR

IC

F

ISC

VR

O2 - Q

ICFF

h

E = h =

255 350 425 680402380

Molekul atau atom mana dapat menyerap radiasi?

Molekul: Agar terjadi penyerapan harus terjadi perubahan momen

dipole (polaritas) dalam molekul. Dalam hal ini ikatankovalen polar, dimana pasangan-pasangan elektron yang elektron berpatungan tidak equal.

contoh: molekul yg tidak mempunyai momen dipole

N N tidak punya momen dipole, sehingga tidak menyerap di daerah IR.

contoh molekul yang mempunyai momen dipole.

O C O Molekul diatomik, mempunyai dipole yang permanen, sehingga akan menyerap cahaya.

OCO Model Vibrasinya simmetri, tidak punya momen dipole

OCO dengan dipole terinduksi momen dipole, molekul dapat menyerap radiasi IR.

Spektra Serapan MolekulSpektra Serapan Atom

Elektron paling luar yg menempati energielektronik , or n pada ground state.

1- Elektron paling luar yg menempati satudari orbital atom, yg terletak pada arasenergi [K, L, M, N, ......s, s,p s,p,d s,p,d,f ]

Ketika dieksitasi elektron naik ke arasenergi * or *

2- Ketika dieksitasi elektron naik ke arasenergi atom yang lebih tinggi yg masihdiijinkan

Karea ada ikatan, maka ada aras energivibrasi atau rotasi, baik pada kedudukanground maupun tereksitasi.

3-Karea tidak ada ikatan, maka tidak adaaras energi vibrasi atau rotasi, baik padakedudukan ground maupun tereksitasi.

Pajang gelombang analisis adalah max.4- Pajang gelombang analisis adalahpajang gelombang resonansi dari analit

Spectra berbentuk pita karena adanyaaras energi vibrasi dan rotasi yang sangatdekat, saling tindih dan tidak terpisahpada kedudukan tereksitasi

5- Spektra berbentuk garis

Spektrometri Absorpsi

1. Spektrometri Absorpsi MolekularUV

2. Spektrometri Absorpsi MolekularVis

3. Spektrometri Infrared

4. Resonansi Magnet Inti (NMR)

5. Spektrometri Absorpsi Atom (AAS)

Spektrometri Emisi

1. Fluorimetri2. Spektrographi Emisi

(Spektrometri EmisiArc/Spark)

3. Spektrometri Emisi Atom(Flame photometry)

4. Spektrometri FluoresensiAtom

5. Spektrometri Fluoresensisinar-X

6. Metode Analisis Radiokimia

Metode Analisis Spektrometri

Hukum Beer

Banyak senyawa menyerap radiasi. Jika suaturadiasi monokromatik dengan kekuatanradiasi P0 diarahkan ke suatu larutan sampel

terjadilah penyerapan dan saat keluar darilarutan sampel kekuatan radiasinya tinggal P

Jumlah radiasi yang diserap dapat dinyatakandengan beberapa cara

– Transmittance, T = P / P0

% Transmittance, %T = 100 T

– Absorbance,

A = log10 P0 / PA = log10 1 / TA = log10 100 / %TA = 2 - log10 %T

Persamaan terakhir, A = 2 - log10 %T , penting untuk diingat, karena kitadengan mudah menghitung absorbance dari data % transmittance

Diagram berikut menunjukkanhubungan antara absorbance dantransmittance :

SPEKTROFOTOMETER

Metode Analisis Kuantitatif

1- Metode langsung

2-Pembentukan senyawa yang mengabsorpsi

3- Metode tak langsung:

a) Metode Replacement

b) Reaksi redoks

c) Reaksi katalitik

d) Metode pemucatan

Persamaan yg menggambarkan Hukum Beer

A = ε b c

dimana

A = absorbance (tanpa satuan, A = log P0 / P ).

ε = absorbtivitas molar (ukuran jumlah cahaya ygdiserap/satuan kadar) dg satuan L mol

-1 cm

-1

b = tebal sampel yang dilewati cahaya atau tebalkuvet dalam sentimeter

c = kadar analit dalam larutan sampel dalam mol L-1

Hk Beer di atas menyatakan bahwa

absorbance tergantung pada total kuantitas

analit yg dilewati cahaya dalam kuvet. Jika

dibuat kurva antara absorbance terhadap

kadar, akan didapat garis lurus yang

melewati titik (0,0)

Kurva kerja ini dapat dipergunakan untuk

1.Penetapan kadar larutan sampel

2.Kalibrasi linearitas instrumen analisis

Penetapan kadar sample

1- Kurva Kalibrasi Baku

2- Metode adisi baku

Tahapan penetapan kadar dg kurva kalibrasi

Buat larutan baku dengan beberapakadar tertentu

Ukur serapan pada λmax

Plot Abs vs. kadar

Hitung slope dan intercept

Ukur serapan larutan sampel

Gunakan slope (dan intercept) untukmenetapkan kadar larutan sampel

Contoh kurva baku Hk Beer

y = 0.02x

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.0 20.0 40.0 60.0

concentration (uM)

A

X (kadar) μm Y (serapan)

2.5 0.05

5 0.1

10 0.2

20 0.4

50 1

Tahapan penetapan kadar dg standar adisi

1. Buat paling tidak 3 macam larutan sbb.:

a. Pipet 2,0 ml larutan sample masukan ke labu takar 10,0 ml

b. Pipet 2,0 ml larutan sample + 2,0 ml larutan baku yang serapannya sama dengan larutan sample

c. Pipet 2,0 ml larutan sample + 6,0 ml larutan baku yang serapannya sama dengan larutan sample

Ketiga labu takar ini tambah pelarut ad tanda

2. Ukur serapan pada max

3. Plot Abs vs. kadar adisi

4. Hitung slope dan intercept

5. Cari nilai absis titik potong antara kurva regresi dgn sumbu X

6. Nilai absis pada butir 5 dikalikan 5 adalah kadar larutan sample

Kurva kalibrasi standar adisi

S S+10 S+20X ppm

0.2

0.4

0.6

Abs

C X

0 0.2

10 0.4

20 0.6

Ciri serapan UV-visible untuk analisis kuantitatif

1) Dapat diterapkan untuk spesies organik maupun

anorganik

2) DL antara: 10-100 mM atau lebih peka lagi, jika celah

diperlebar

3) Selektivitas sedang – tinggi

4) Akurasi : 1-3% atau lebih baik

5) Akuisasi data mudah dan hemat

6) Hanya untuk komponen tunggal

Perhatian untuk pengukuran kuantitatif

UV-vis

Serapan analit diukur langsung; biasanya tidak merusak

Jika analit tidak berwarna gunakan pereaksi agar dihasilkanspesies yang serapannya dapat diukur

– Memperbesar serapan molar– Thiocyanate (Fe, Co, Mo), H2O2 (Ti, V, Cr), iodide (Bi, Pd, Te)

Amati pada serapan max: max dan λmax

– Perubahan serapan besar/satuan kadar

– Pilih daerah spektrum yang serapannya tidak mudah terpengaruholeh sedikit perubahan λ

Gunakan instrument yang resoulusinya tinggi.

Ingat serapan UV-visible peka terhadap perubahan pH, suhu, kadar tinggi elektrolit dan spesies pengganggu. Kalau bisagunakan plasebo pada kalibrasi

Gunakan kuvet yang match

Analisis komponen tunggal (SCA)

Kurva kalibrasi jika matriks tidak mengganggu

Gunakan plasebo

Pengamatan 3 gelombang

Cara derivatif

Kurva kalibrasi adisi, jika matriks mengganggu

Analisis campuran (MCA)

1. CARA SSE (Simple Simultan Equations)

Buat kurva kalibrasi menggunakan bakueksternal

– Harus menggunakan baku multiple

Usahakan agar baku match dengan sample

Jika matching sukar dilakukan, gunakanmetode standard addition

Serapan campuran (n analit) adalah aditif

oleh karena itu

– Baca serapan pada sejumlah n λ sesuai dgnjumlah n jenis analit yang akan dianalisis

– Selesaikan dengan n persamaan dengan n bilangan anu

2. CARA DERIVATISASI

3. LSQ (least squares) dan MLH (maximum likehood)

Aλ1 = εMλ1.b.cM + εNλ1.b.cN

Aλ2 = εMλ2.b.cM + εNλ2.b.cN

Keterbatasan spektrometri

1. Penyimpangan Hk Beer

– Penyimpangan Positif

– Penyimpangan Negatif

2. Penyimpangan Instrumental

3. Penyimpangan Kimia

PENYIMPANGAN HK BEER … lanjutan

Pengaruhinstrumen

– Radiasi polikromatik

– Lebar celah

Pengaruh kimia

– Disssosiasi

– Asosiasi

– Pembentukankompleks

– Polimerisasi

– Solvolisis

Pengaruh fisika

– Solven

– Suhu (jika > 5oC), kenaikan suhumempermudah ionisasi

– Foton, misalnya terjadifluoresensi atauscattering