123123075-sp

20/11/2011

1

BAGIAN DARI MATA KULIAH

ANALISIS MUTU KIMIA PANGAN 2011

SPEKTROSKOPISPEKTROSKOPISPEKTROSKOPISPEKTROSKOPISPEKTROSKOPISPEKTROSKOPISPEKTROSKOPISPEKTROSKOPI

Agung Zaim [email protected]

DEFINISI

Spektroskopi

Spektrometri

Spektrometer

Spektrofotometri

SPEKTROSKOPI

Istilah/nama yang digunakan untuk ilmu (secara

teori) yang mempelajari tentang hubungan

antara radiasi/energi/sinar (yang memiliki fungsi

panjang gelombang, yang biasa di sebut

frekuensi) dengan benda.

Gabungan respon frekuensi ini disebut sebagai

spektrum.

SPEKTROMETRI

Tehnik yang digunakan untuk mengukur

jumlah (konsentrasi) suatu zat berdasarkan

spektroskopi.

SPEKTROMETER

Instrument yang digunakan pada teknik

spektrometri

• SPEKTROFOTOMETRI

merupakan tehnik pengukuran jumlah zat

yang juga berdasar spektroskopi khusus untuk

panjang gelombang UV Visible dan infra

merah

• Alat yang digunakan dalam spektrofotometri

disebut SPEKTROFOTOMETER yang dapat

mengukur intensitas sebagai fungsi dari

warna, atau secara lebih khusus, fungsi

panjang gelombang.

KLASIFIKASI SPEKTROSKOPI

• BERDASARKAN MATERINYA :

1. Sp. ATOM

2. Sp. MOLEKUL

• BERDASARKAN SIGNAL RADIASI :

1. Sp. ABSORPSI

2. Sp. EMISI

3. Sp. FLUORESENSI

4. Sp. SCATTERING

20/11/2011

2


1. Sp. ABSORPSI

a. Sp. Absorpsi sinar X

b. Sp. Absorpsi sinar UV-Vakum

c. Sp. Absorpsi sinar UV-Visible

d. Sp. Absorpsi sinar Infra Merah

e. Sp. Absorpsi sinar Gelombang Mikro

f. Sp. Absorpsi Resonansi Magnet Inti

g. Sp. Absorpsi Resonansi Spin Elektron

h. Sp. Absorpsi Photoacoustic


2. Sp. EMISI

1. Sp. Emisi sinar gamma

2. Sp. Emisi sinar X

3. Sp. Emisi sinar UV-Vis

3. Sp. FLUORESENSI

1. Sp Fluorosensi sinar X

2. Sp Fluorosensi UV-Vis

4. Sp. SCATTERING : Sp. Raman

Prinsip Kerja Spektroskopi

• Yaitu didasarkan pada interaksi antara radiasi

electromagnetik dengan bahan yang memberikan

informasi berupa komposisi molekul, struktur,

dinamika dan interaksi dalam bahan

• Faktor yg mempengaruhi spektrometri :

I. Sifat distribusi energy pada atom dan molekul,

II. Karakteristik radiasi elektromagnetik

III. Interaksi radiasi electromagnetic dg atom &

molekul.

I. Sifat Distribusi Energi pada

Atom & Molekul

Dalam spektroskopi, materi dibedakan

menjadi:

A. Materi dalam bentuk atom

(Atomic spectroscopy)

B. Materi dan bentuk molekul

(Molecular spectroscopy)

Dalam materi terkandung ENERGI, yaitu potensi

untuk melakukan kerja.

Energi dalam materi karena adanya gaya

interaksi dalam materi itu:

Dalam atom:

- inti atom Nuclear Energy ~MeV

- inti elektron Electronic Energy ~eV

- translasi Translational Energy ~kecil

Dalam Molekul :

- inti atom Nuclear Energy ~MeV

- inti elektron Electronic Energy ~Ev

- vibrasi molekular Vibration energy ~kal

- rotasi molekular Rotational Energy ~0,01 kal

- translasi Translational Energy ~kecil

20/11/2011

3

Distribusi Energi pada Atom & Molekul

A. Electronic Energy Levels.

B. Vibrational Energy Levels.

C. Rotational Energy Levels.

D. Nuclear Energy Levels.

E. Translational Energy Levels.

A. Electronic Energy Levels

• Bahan yg dianalisa baik berbentuk atom atau

molekul pada suhu kamar berada dalam

keadaan dasar (ground state) dengan tingkat

energi E₀. Apabila bahan tersebut diberi

radiasi elektromagnetik atau energy maka

bahan tersebut menjadi dalam keadaan

tereksitasi (excited state) artinya naik ke

tingkat energy yang lebih tinggi seperti E₁, E₂,

E₃ dst. Proses ini terjadi karena bahan

menyerap radiasi (ABSORPSI)

• Jika bahan dalam keadaan tereksitasi kembali

ke keadaan dasar atau ke level energy yang

lebih rendah maka bahan tersebut akan

memancarkan EMISI

• Jika bahan selama dieksitasi oleh radiasi

elektromagnetik sambil memancarkan radiasi

maka bahan tersebut dikatakan mengalami

FLUORESENSI.

λ radiasi fluoresensi > λ radiasi eksitasi

karena …..

E radiasi fluoresensi < E radiasi eksitasi

B. Vibrational Energy Levels

• Berdasarkan massa atom dan kekuatan ikatan

antar atom dapat menghasilkan energi dari

vibrasi molekul

• Jenis vibrasi yang dapat terjadi :

a) Stretching : simetris dan asimetris

b) Bending : scissoring, wagging, twisting, rocking

C. Rotational Energy Levels

• Gugus kimia pada molekul dapat berputar di

sekitar ikatannya dengan frekuensi tertentu.

• Nilai frekuensi rotasi dipengaruhi oleh massa

atom dan jarak axis rotasi

20/11/2011

4

D. Nuclear Energy Levels

• Inti atom memiliki sifat spin atau berputar

yang menghasilkan daerah medan magnet

yang dapat diukur tingkat energinya

E. Translational Energy Levels

• Terjadi akibat energi panas pada sistem

atom/molemul yang menyebabkan gerakan

translasi

Energi internal suatu sistem adalah energi total

dalam system itu

U = Uinti + Uelek + Uvib + Urot + Utrans

Uinti > Uelek > Uvib > Urot > Utrans

HubunganHubunganHubunganHubunganHubunganHubunganHubunganHubungan SpektrumSpektrumSpektrumSpektrumSpektrumSpektrumSpektrumSpektrum ElektromagnetikElektromagnetikElektromagnetikElektromagnetikElektromagnetikElektromagnetikElektromagnetikElektromagnetik--------Level Level Level Level Level Level Level Level EnergiEnergiEnergiEnergiEnergiEnergiEnergiEnergi

II. KARAKTERISTIK GELOMBANG

ELEKTROMAGNETIK

• Radiasi elektromagnetik merupakan bentuk energi

yang terpancarkan melalui ruang dengan kecepatan

yang sangat tinggi, meliputi sinar gamma, sinar X,

sinar ultraviolet, sinar tampak, sinar infra merah,

microwave dan gelombang radio.

• Memilki sifat dualistik antara sifat gelombang

(seperti panjang gelombang, frekuensi, kecepatan

dan amplitudo) dan sifat partikel (seperti absorbsi

dan emisi energi radiasi).

• Sebagai gelombang radiasi elektromagnetik

terdiri atas komponen magnetik yang saling

tegak lurus.

• Sebagai partikel radiasi elektromagnetik

dipandang sebagai pancaran foton, membawa

kuantum energi tertentu. Besarnya kuantum

energi foton berbanding lurus dengan

frekuensi menurut persamaan Kuantum Plank

20/11/2011

5

Persamaan Kuantum Planck

ε = hv

ε : energi radiasi

h : konstanta Planck = 6,63 x 10 27 erg sec

v : frekuensi

Oleh karena v = c/λ, maka persamaan tersebut

sering ditulis

ε = hc/ λ

dengan c : kecepatan = 3,0 x 10 10 cm/sec

λ : panjang gelombang.

KARAKTERISTIK GELOMBANG

ELEKTROMAGNETIK• The frequency (v) of a wave is the number of cycles

per second (Hz = s-1).

• The period (T) of a wave is the time taken to

complete a cycle: T = 1/v.

• The wavelength (l) is the distance between

successive maxima of a wave.

• The wave number ( ) is the number of cycles per unit

distance (=1/l).

• The amplitude (A) of a wave is the maximum

magnitude of the electric vector.

• The intensity (I) of a wave is proportional to the

square of the amplitude. It is the amount of energy

passing through a given area per second. Increasing

the intensity of an electromagnetic wave increases

the number of quanta passing a given area per

second, not the energy of each individual quantum.

• The velocity (c) of an electromagnetic wave is the

distance traveled per second: c = vl. The velocity of

an electromagnetic wave travelling through a

vacuum is c = 3 x 108 m s-1. The velocity of an

electromagnetic wave travelling through a material is

always less than that in a vacuum. The refractive

index of a material is equal to cvacuum/cmaterial.

• The energy (E) of the photons in an

electromagnetic wave is related to the

frequency of the wave:

E = hv = h/T = hc/l = hc

where, h = Planks constant (6.6262 x 10-34 J s).

These expressions can be used to relate the

energy of an electromagnetic wave to its

frequency, period, wavelength or wave

number. This relationship indicates that

monochromatic radiation (i.e., radiation of a

single frequency) contains photons that all

have the same energy.

• The electromagnetic spectrum consists of

radiation that ranges in wavelength from 10-12

m (high energy) to 104 m (low energy). The

physical principles and mathematical

description of radiation across the whole of

the electromagnetic spectrum is the same,

however, it is convenient to divide it into a

number of different regions depending on the

origin of the waves, i.e., cosmic rays, gamma

rays, x-rays, ultraviolet, visible, infrared,

microwaves, and radio waves.

Where in the spectrum are these transitions?

20/11/2011

6

III. INTERAKSI ANTARA RADIASI &

MATERI

I. TRANSISI :

ELEKTRONIK, VIBRASI, ROTASI, NUKLEAR

II. ABSORPSI

III. EMISI

ANALISIS SPEKTROSKOPI

A. ANALISIS KUANTITATIF :

KADAR BAHAN

B. ANALISIS KUALITATIF :

TIPE ATOM ATAU MOLEKUL

STRUKTUR MOLEKUL

INSTRUMEN

1) SUMBER RADIASI (kecuali utk Sp. Emisi)

2) WADAH SAMPEL (kecuali utk Sp. Emisi)

3) MONOKROMATOR

4) DETEKTOR

5) REKORDER

1. SUMBER RADIASI• Untuk spektrum kontinyu :

– Lampu argon Sp. UV-Vakum

– Lampu deuterium, hidrogen Sp UV

– Lampu xenon, tungsten/wolfram Sp UV-Vis

– Lampu Glower, Globar, Kawat Nikrom Sp Infra Red

• Untuk spektrum diskontinyu :

– Lampu katoda cekung Sp Absorpsi

2. WADAH SAMPEL/KUVET

BAHAN KUVET JENIS SPEKTROMETER

Kuarsa Sp. UV-Vis

Plastik Sp. Vis

Kristal NaCl Sp. IR

Kristal KBr Sp. IR

Kristal LiF Sp. IR

Lebar Kuvet :

0,1 - 1 cm utk Sp UV-Vis

< 1mm utk Sp IR

2. WADAH SAMPEL/KUVET

20/11/2011

7

3. MONOKROMATOR

• FUNGSI :

menghasilkan berkas radiasi dengan satu panjang

gelombang

• KOMPONEN MONOKROMATOR :

Celat/slit, lensa, cermin, prisma/grating

• JENIS MONOKROMATOR :

– Monokromator prisma bunsen

– Monokromator grating czerney-turner

Keunggulan grating dibandingkan dengan prisma:

1. Lebih mudah dibuat

2. Pemisahan λ yang lebih baik

3. Mendispersikan radiasi secara linier

Slits atau celah pada monokromator memegang peranan

penting dalam menentukan karakteristik dan kualitas

pengukuran

4. DETEKTOR

Ada 2 macam, yaitu :

a. Detektor foton :

Sel photovoltaic, phototube, photomultiplier

tube, detektor semikonduktor, detektor diode

silikon

b. Detektor panas

thermocouple, bolometer.

biasa dipakai untuk mengukur radiasi infra merah

5. REKORDER

• Signal listrik dari detektor diperkuat dan

direkam sebagai spektrum yang berbentuk

puncak-puncak.

• Plot antara panjang gelombang dan absorban

akan dihasilkan spektrum

20/11/2011

8

SPEKTROFOTOMETER

UV-VIS

Prinsip

Panjang gelombangsinar akan melewatisuatu larutan (selsampel) dan wadahlain yang identik atauhanya berisi pelarut

(sel pembanding/ referensi)

Hukum Beer-Lambert

‘’Jika sebuah berkas cahaya

dilewatkan ke larutan maka ada

sebagian cahaya yang akan di

serap, ada yang dilewatkan serta

sebagian kecil yang dipantulkan''.

Rumus :

cbA ε=

TRANSMITANSI DAN ABSORBANSITRANSMITANSI DAN ABSORBANSITRANSMITANSI DAN ABSORBANSITRANSMITANSI DAN ABSORBANSI

TransmitansiTransmitansiTransmitansiTransmitansi

100T%Tdan ××××========0P

PT

Solvent

Solution

P

PT =

P = kekuatan (intensitas) sinar diteruskan

P0 = kekuatan (intensitas) sinar datang

Pada kenyataannya, P0 sulit untuk

diukur. Yg diukur adalah Psolvent

(intensitas sinar yg melewati sel berisi pelarut), sehingga:

TP

P

P

PTA

Solution

Solvent

Solvent

Solution1

loglogloglog ========−−−−====−−−−====

AbsorbansiAbsorbansiAbsorbansiAbsorbansi

HUKUM LAMBERTHUKUM LAMBERTHUKUM LAMBERTHUKUM LAMBERT----BEERBEERBEERBEER

Jumlah radiasi yang diserap proporsional dengan Jumlah radiasi yang diserap proporsional dengan Jumlah radiasi yang diserap proporsional dengan Jumlah radiasi yang diserap proporsional dengan ketebalan selketebalan selketebalan selketebalan sel ((((b), ), ), ), konsentrasi analitkonsentrasi analitkonsentrasi analitkonsentrasi analit ((((c), dan ), dan ), dan ), dan koefisien koefisien koefisien koefisien absorptivitas molekulerabsorptivitas molekulerabsorptivitas molekulerabsorptivitas molekuler ((((a) dari suatu spesi (senyawa) ) dari suatu spesi (senyawa) ) dari suatu spesi (senyawa) ) dari suatu spesi (senyawa) pada suatu panjang gelombang.pada suatu panjang gelombang.pada suatu panjang gelombang.pada suatu panjang gelombang.

abcA ====Jika konsentrasi (Jika konsentrasi (Jika konsentrasi (Jika konsentrasi (c) diekspresikan sebagai molaritas ) diekspresikan sebagai molaritas ) diekspresikan sebagai molaritas ) diekspresikan sebagai molaritas (mol/L) dan ketebalan sel ((mol/L) dan ketebalan sel ((mol/L) dan ketebalan sel ((mol/L) dan ketebalan sel (b) dinyatakan dalam ) dinyatakan dalam ) dinyatakan dalam ) dinyatakan dalam centimeter (cm), centimeter (cm), centimeter (cm), centimeter (cm), koefisien absorptivitas molekulerkoefisien absorptivitas molekulerkoefisien absorptivitas molekulerkoefisien absorptivitas molekuler ((((a) ) ) ) disebut disebut disebut disebut koefisien ekstinsi molarkoefisien ekstinsi molarkoefisien ekstinsi molarkoefisien ekstinsi molar ((((ε) dan memiliki satuan ) dan memiliki satuan ) dan memiliki satuan ) dan memiliki satuan [L/(mol.cm)][L/(mol.cm)][L/(mol.cm)][L/(mol.cm)]

bcA ε====Untuk campuran, Hk. LambertUntuk campuran, Hk. LambertUntuk campuran, Hk. LambertUntuk campuran, Hk. Lambert----Beer bersifat aditif.Beer bersifat aditif.Beer bersifat aditif.Beer bersifat aditif.

nnnTotal

nTotal

cbcbcbcbA

AAAAA

εεεε ++++++++++++====

++++++++++++====

......

......

333222111

321

or

HUKUM LAMBERTHUKUM LAMBERTHUKUM LAMBERTHUKUM LAMBERT----BEERBEERBEERBEER

Asumsi:Asumsi:Asumsi:Asumsi:

1. Radiasi sinar datang harus monokromatis.

2. Spesi penyerap (molekul, atom, ion, dll) independen satu sama lain.

3. Radiasi sinar datang merupakan berkas paralel yang tegak lurus dengan permukaan media penyerap.

4. Radiasi sinar melintasi media penyerap dengan panjang yang sama.

5. Media penyerap homogen dan tidak menyebabkan penghamburan sinar.

6. Radiasi sinar datang mempunyai intensitas yang tidak terlalu besar yang menyebabkan efek saturasi.

20/11/2011

9

LIMITASI HUKUM LAMBERTLIMITASI HUKUM LAMBERTLIMITASI HUKUM LAMBERTLIMITASI HUKUM LAMBERT----BEERBEERBEERBEER

Menurut Hk. LambertMenurut Hk. LambertMenurut Hk. LambertMenurut Hk. Lambert----Beer, Beer, Beer, Beer, A berbanding lurus dengan panjang lintasan berbanding lurus dengan panjang lintasan berbanding lurus dengan panjang lintasan berbanding lurus dengan panjang lintasan (b) dan dan dan dan

konsentrasi konsentrasi konsentrasi konsentrasi (c), sehingga:, sehingga:, sehingga:, sehingga:

abcA ====

1. A tidak mempunyai limitasi terkait dengan b.

Gunakan sel yang tipistipistipistipis untuk sampel dengan konsentrasi tinggitinggitinggitinggi.

Gunakan sel yang tebaltebaltebaltebal untuk sampel dengan konsentrasi rendahrendahrendahrendah.

Contoh:Contoh: Jika Jika AA = 0.410 dalam kuvet (= 0.410 dalam kuvet (bb = 1.0 cm)= 1.0 cm)

Sehingga jika:Sehingga jika: bb = 2.0 cm, = 2.0 cm, AA = 0.820 = 0.820

bb = 0.1 cm, = 0.1 cm, AA = 0.041 = 0.041

2. Chemical Deviation

A berbanding lurus dengan konsentrasi (c), kecuali:untuk konsentrasi yang terlalu tinggi atau jika terjadi reaksi kimia

a.a. Biasanya,Biasanya, AA menjadi nonlinier jika menjadi nonlinier jika cc > 0.10 M > 0.10 M

�� Pada konsentrasi diatas 0.10 M, jarak antar molekul analit menjadi Pada konsentrasi diatas 0.10 M, jarak antar molekul analit menjadi

cukup dekat, yang mempengaruhi distribusi muatan, sehingga cukup dekat, yang mempengaruhi distribusi muatan, sehingga

mengubah cara molekul melakukan serapan (mengubah mengubah cara molekul melakukan serapan (mengubah εε).).

-InHIn

2Color1 Color

++++↔↔↔↔++++

H

b.b. AA menjadi nonlinier jika terjadi reaksi kimia.menjadi nonlinier jika terjadi reaksi kimia.

�� Jika analit mengalami assosiasi, dissosiasi Jika analit mengalami assosiasi, dissosiasi

atau bereaksi dengan pelarut atau komponen atau bereaksi dengan pelarut atau komponen

lain dalam larutan, penyimpangan Hk. lain dalam larutan, penyimpangan Hk.

LambertLambert--Beer akan terjadi.Beer akan terjadi.

3. Instrumental Deviation

a.a.a.a.a.a.a.a. Efek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikEfek Radiasi PolikromatikIdealnya, monokromator akan melewatkan radiasi Idealnya, monokromator akan melewatkan radiasi monokromatis, tetapi kenyataannya monokromator akan monokromatis, tetapi kenyataannya monokromator akan melewatkan radiasi berupa pita. Bandwidth spektrometer melewatkan radiasi berupa pita. Bandwidth spektrometer akan mempengaruhi linieritas Hk. Lambertakan mempengaruhi linieritas Hk. Lambert--Beer.Beer.

Pengukuran dilakukan pada Pengukuran dilakukan pada λλmax max untuk memperkecil error.untuk memperkecil error.

AB

b.b.b.b.b.b.b.b. HamburanHamburanHamburanHamburanHamburanHamburanHamburanHamburan cahayacahayacahayacahayacahayacahayacahayacahaya

Hubungan Panjang Gelombang dan Warna

daerah warnawarna panjang gelombang (nm)

Warna Komplementer

ungu 380 - 435 Hijau kekuningan

biru 435 - 500 Kuning

sian

(biru-pucat)500 - 520 Jingga

hijau 520 - 565 Ungu kemerahan

Hijau Kekuningan 565 - 590 Ungu

Jingga 590 - 625 Biru kehijauan

merah 625 - 740 Hijau kebiruan

Ungu kemerahan 680 - 700 hijau

INSTRUMENTASIINSTRUMENTASIINSTRUMENTASIINSTRUMENTASI

1. Single Beam1. Single Beam

Menurut konfigurasinya, dibagi dalam:Menurut konfigurasinya, dibagi dalam:Menurut konfigurasinya, dibagi dalam:Menurut konfigurasinya, dibagi dalam:

1. Single Beam1. Single Beam

2. Double Beam2. Double Beam

3. Multi Channel3. Multi Channel

20/11/2011

10



Double-beam in time instrument



Double-beam in space instrument


3. Multi Channel3. Multi Channel


KOMPONEN INSTRUMENTASI SPEKTOMETER UVKOMPONEN INSTRUMENTASI SPEKTOMETER UVKOMPONEN INSTRUMENTASI SPEKTOMETER UVKOMPONEN INSTRUMENTASI SPEKTOMETER UV----VISVISVISVIS

1. Sumber (Source)1. Sumber (Source)

• Argon 100 – 160 nm• Tungsten 350 – 800 nm

• Deuterium 160 – 360 nm

• Xenon 200 – 900 nm



2. Kuvet (Sample Container)2. Kuvet (Sample Container)



3. Monokromator3. Monokromator

PRISMA

20/11/2011

11



3. Monokromator3. Monokromator

GRATING



4. Detektor4. Detektor

Photovoltaic Phototube

Diode array

Radiasi menyebabkan emisi dari permukaan

padatan photosensitive.

Energi radiasi meng”generate” arus pada

interface lapisan semikonduktor dan metal

Spektrofotometer Serapan AtomSpektroskopi Atom

Spektroskopi atom berkaitan dengan absorpsi, emisi, ataufluoresens oleh atom atau ionnya. Dua daerah radiasielektromagnetik yang memeberikan informasi spektra atomyaitu UV-Vis dan sinar X

Atom tidak memiliki energi rotasi/vibrasi sehingga transisiyang terjadi hanya pada level elektronik saja dan lebar pitaspektra atom sangat sempit

Tipe Spektroskopi Atom

Representasi skematik absorpsi, emisi, dan fluoresens

Komponen Dasar Spektrofotometer Atom

20/11/2011

12

Sumber Radiasi

Lampu Katode Rongga (Hollow cathode lamp)

Lampu jenis ini terdiri atas katode logam silindris (elemen yang samadengan yang di analisis) dan anode tungsten yang tertutup dalam tabungkaca yang mengandung neon atau argon pada tekanan sekitar 1-5 torr.Ketika voltase tinggi diberikan di antara anode dan katode, gas pengisiterionisasi dan ion positifnya terakselerasi menuju katode dan menabraknya→ memercikkan (sputter) atom logam bebas dari permukaan katode

menjadi fase gasnya. Atom bebas tereksitasi oleh benturan dengan elektronberenergi tinggi yang kemudian mengemisikan foton saat kembali kekeadaan dasar. Radiasi ini memiliki frekuensi yang sama dengan yangdiabsorbsi oleh atom analat pada nyala/furnace

Lampu katode rongga.

Pengatom

Atomisasi Nyala : pembakar aliran laminar

Pengatom

Atomisasi Graphite furnace

Proses yang terjadi saat atomisasi

Proses menjadi atomSpektrofotometer serapan Atom

spektrometer berkas rangkap

spektrometer berkas tunggal

20/11/2011

13

Spektrofotometer IR

Jenis Spektrofotometer IR:

� Spektrofotometer IR dispersif (kualitatif)

� Spektrofotometer IR takdispersif (kuantitatif)

� Spektrofotometer IR transformasi Fourier

(kualitatif dan kuantitatif)

Pendahuluan

Spektrofotometer IR Dispersif

Berkas tunggal (Single beam), tidak terlalu praktis karena adanya absorpsi radiasi IR oleh H2O dan CO2 atmosfer

Berkas rangkap (Double beam), sel sampel ditempatkan di depan monokromator untuk meminimalkan efek adanya emisi IR dan radiasi sesatan dari kompartemen sampelMetode deteksi Sistem optis nol (Optical null)

Sistem perekam rasio (Ratio recording)

Spektrofotometer IR takdispersif

Fotometer filterSpektrometer filter dielektrik filter spectrometerSpectrometerSpecial purpose

Spektrofotometer transform Fourier

Interferometer

Pendahuluan

Pendahuluan

Instrumen yang digunakan untuk mengukur absorpsi inframerah memerlukan sumber radiasi inframerah yang kontinu dan transduser inframerah yang sensitif

Tranduser alat yang mengkonversi sifat kimia atau fisika seperti pH atau intensitas foton menjadi sinyal listrik seperti voltase atau arus listrik yang mudah diukur

Sumber radiasi inframerah

- Terdiri atas padatan lembam yang dipanaskan menggunakan energi listrik dengan temperatur 1500-2200 K

- contohnya: Nernst Glower, Globar, kawat pijar, busur merkuri, lampu pijar tungsten, laser CO2

Sumber Radiasi

Nernst GlowerTersusun atas cetakan campuran leburan ZrO2:Y2O3:Er2O3

(90:7:3) dalam bentuk batang berongga, diameter1-3 mm, panjang 2-5 cm yang dipanaskan melalui kawat platina tertutup pada ujung silinder dan cukup mudah pecah.

Glower mempunyai koefisien temperatur negatif pada tahanan listrik maka harus dipanasi terlebih dahulu agar

bersifat konduktif → memerlukan eksternal filamen.

Sirkuitnya juga memerlukan alat pembatas arus, jika tidak akan terjadi pemadaman. Glower dapat dioperasikan

antara suhu 900-1700°C dan dapat dua kali lebih kuat dibandingkan sumber radiasi IR lainnya. Sumber ini harus dilindungi dari aliran udara akan tetapi ventilasi yang

memadai diperlukan untuk menghilangkan kelebihan panas dan penguapan oksida serta bahan pengikat

Spektrum yang baik pada 1 - 10 µm

20/11/2011

14

GlobarGlobar tersusun atas batangan silikon karbida dengan panjang 5 cm,

diameter 5 mm dengan pengoperasian temperatur dekat 1300°C. Salah satu kekurangannya yaitu kontak listrik dari Globar memerlukan pendingin air untuk menghindari bunga api listrik. Sumber ini merupakan pilihan yang

lebih baik dibandingkan Nernst Glower pada panjang gelombang dibawah 5 µm dan daerah inframerah jauh diatas 15 µm

Sumber Radiasi

Kawat pijarSumber radiasi yang takmahal, hayat-

panjang, dan tangguh. Berupa gulungan

lingkar kawat nikrom (film oksidanya terbentuk

pada gulungan lingkarnya) disekeliling

bagian tengah suatu keramik sehingga dapat

dioperasikan dengan suhu 1000°C oleh

pemanasan resistif

Tidak memerlukan pendinginan dan sedikit

perawatan. Sumber radiasi ini

direkomendasikan jika keterandalan

dipentingkan. Gulungan lingkar nikrom

memancarkan radiasi yang kurang kuat

dibandingkan sumber radiasi IR lainnya dan

dapat terkurangi energi awalnya jika

monokromator digunakan. Kawat rodium

dapat dijadikan pengganti nikrom dengan

pancaran radiasi yang lebih kuat tetapi lebih

mahal

Sumber Radiasi

Merkuri ArcUntuk daerah inframerah jauh (λ > 50 µm) tidak satupun dari sumber

termal seperti diatas menyediakan kuat radiasi yang cukup untuk dapat terdeteksi → digunakan busur merkuri tekanan tinggi. Alat ini tersusun atas tabung kuarsa yang mengandung uap merkuri

bertekanan tinggi. Saat listrik melewati uap tersebut maka akan terbentuk plasma yang akan menghasilkan radiasi kontinyu pada daerah inframerah jauh

Lampu pijar TungstenMerupakan sumber radiasi yang cukup baik untuk daerah

inframerah dekat

CO2 LaserTunable CO2 lasers produce radiation in the 1100 to 900 cm–1 (9 to 11 µm) range. The approximately 100 discrete lines in this region are

extremely strong and pure, and occur where many materials have absorption bands. The power is amenable to the very long path lengths that are needed in environmental monitoring

Sumber Radiasi

Detektor Piroelektrik

dibuat dari kristal tunggal barium titanat atau triglisin sulfat (insulator)

dengan sifat spesial untuk suhu dan listrik yang disisipkan pada dua buah elektroda

Absorpsi radiasi IR → terjadi perubahan suhu → perubahan dalam distribusi

muatan pada kristal → arus

Waktu respon cukup cepat untuk digunakan pada FTIR (detektor umum)

Detektor

Golay Pneumatic menggunakan ekspansi gas xenon di dalam bejana tertutup untuk memuaikan dan mengubah bentuk suatu sekat fleksibel yaitu perak yang terdapat pada bagian luarnya

Detektor

Detektor Fotokonduktif

Tersusun atas lapisan tipis material semikonduktor yang terendapkan pada

permukaan kaca takkonduktif

Dalam detektor ini foton yang diteruskan akan berinteraksi dengan

semikonduktor dan akan menghasilkan elektron dan holes (efek fotolistrik

internal). Foton akan menabrak elektron yang terdapat pada detektor sehingga elektron akan berada pada keadaan terkonduksi yang akan

menurunkan tahanan pada semikonduktor

PbS paling banyak digunakan untuk daerah inframerah dekat (1-3 µm).

Hg/Cd/Te (MCT) memberikan waktu respon yang lebih baik dibandingkan

detektor piroelektrik pada daerah infratengah dan jauh, banyak digunakan sebagai detektor pada KG tetapi harus dilakukan pendinginan dengan

nitrogen cair pada suhu 77 K untuk meminimalkan derau (noise) termal

Detektor

20/11/2011

15

Detektor fotovoltaik

Detektor ini akan menghasilkan voltase kecil pada diffused p–

n junction saat dikenai radiasi

Kristal tunggal InSb pada suhu nitrogen-cairan hanya baik sampai 5,5 µm. Detektor timbal timah telurida dapat

mencakup daerah dari 5 sampai 13-µm saat didinginkan

dengan nitrogen cair, jika didinginkan dengan helium cair akan mempunyai kinerja pada daerah 6,6 sampai 18 µm.

Tipe yang lebih sensitif yaitu detektor dengan komposisi

merkuri, kadmium, dan telurium dan digunakan dengan mode amplifikasi arus (current-mode amplifier) dan memiliki

kecepatan respon 20 ns.

Detektor Detektor

Detektor Termal

Kapasitas kalor dari elemen penyerap haruslah kecil karena pada kondisi optimum (10-7-10-9 W), suhu dibatasi perubahannya dalam jumlah kecil

TermokopelDuah buah logam yang tak sama melebur – perbedaan potensial terjadi pada suhu yang berbeda

BolometerDua pita tipis suatu logam yang tahanannya dapat berubah akibat berubahnya suhu

Interferometer (ditemukan oleh Michelson tahun 1887) dapat menjadi alternatif dalam pemilihan panjang gelombang. Disamping menyaring dan

mendispersi radiasi elektromagnetik, interferometer akan melewatkan radiasi

secara simultan untuk seluruh panjang gelombang dalam mencapai detektor

Interferometer

http://www.infrared-analysis.com/info1.htm

Interferometer

Diagram skematik Interferometer Michelson

Interferometer

Radiasi dari sumber difokuskan pada pembelah berkas (beam splitter) yang akan

mentransmisikan setengah dari radiasi ke cermin tetap (fixed mirror), dan memantulkan sebagian yang lain ke cermin bergerak (movable mirror)

Radiasi kemudian bergabung kembali pada pembelah berkas dengan interferensi konstruktif dan destruktif menentukan untuk setiap panjang gelombang intensitas sinar yang akan ke detektor. Saat cermin bergerak berubah posisinya, panjang

gelombang dari sebuah sinar yang mengalami interferensi konstruktif dan destruktif yang maksimum juga akan berubah. Sinyal dalam detektor menunjukkan intensitas sebagai fungsi posisi cermin bergerak, diekspresikan dalam unit jarak atau waktu. Hasilnya disebut sebagai interferogram, atau spektrum dengan domain waktu.

Spektrum dengan domain waktu ini kemudian dikonversi dengan persamaan matematika yang dikenal sebagai transformasi Fourier menjadi spektrum yang normal (spektrum domain frekuensi) dengan intensitas sebagai fungsi energi

radiasi.

Karena cermin gerak yang bergerak pada jalurnya tersebut akan menghasilkan

pengukuran beberapa kali pada tiap λ, maka:- Spektra yang dihasilkan akan cepat (<1 detik)- rasio sinyal dan derau dapat ditingkatkan

Interferometer

20/11/2011

16

Bentukan interferogram dari keluaran interferometer Michelson

Interferometer

(a) Spektrum dari sumber sinar kontinu

(b) Inteferogram dari sumber sinar (a) yang dihasilkan dari keluaran interferometer Michelson

Interferometer

Interferometer Interferometer

(a) Hasil interferogram metilena klorida (b) Spektrum IR spectrum metilena klorida yang dihasilkan dari data (a) yang tertransformasi Fourier

Interferometer Interferometer

20/11/2011

17

Dibandingkan dengan monokromator, interferometer mempunyai dua buah keuntungan yang signifikan yaitu:

Keuntungan JacquinotHasil dari keluaran yang tinggi dalam radiasi. Karena interferometer tidak

mengunakan celah dan mempunyai komponen optik yang sedikit (jika

komponen optik banyak maka ada kemungkinan radiasi dihamburkan ataupun hilang), selain itu keluaran radiasi yang akan menuju ke detektor

lebih kuat 80–200 kali dibandingkan dengan monokromator →

meningkatkan S/N

Keuntungan Fellgett

Waktu yang dibutuhkan dalam menghasilkan spektrum lebih cepat kira-kira 1 detik (scanning dengan monokromator sekitar 10-15 menit), karena semua

frekuensi dimonitor secara simultan.

Interferometer

Spektrofotometer IR Berkas Rangkap Sistem Optis Nol

Instrumentasi Spektrofotometer IR

Spektrofotometer IR Berkas Rangkap


Gambaran Spektrofotometer FTIR

He-Ne



Documents

123123075-sp