SPEKTROFOTOMETRI INFRA-MERAH

MELVIA SUNDALIAN

Interaksi antara Radiasi Elektromagnetik (REM) dengan sampel di daerah yang bersesuaian dengan daerah IR pada daerah REM

REM (Foton) bersifat sebagai gelombang dan partikel

Foton: partikel kecil tak bermassa terdiri dari paket gelombang elektromagnetik (kuantum)

REM terdiri dari medan magnet dan medan listrik

SPEKTROSKOPI INFRA RED

Tipe Radiasi Frekuensi (Hz)

Panjang Gelombang

gamma-rays 1020-1024 <1 pmX-rays 1017-1020 1 nm-1 pmultraviolet 1015-1017 400 nm-1 nmvisible 4-7.5x1014 750 nm-400

nmnear-infrared

1x1014-4x1014

2.5 µm-750 nm

infrared 1013-1014 25 µm-2.5 µm

microwaves 3x1011-1013 1 mm-25 µmradio waves <3x1011 >1 mm

E=Energi (J)h=Konstanta Planck (6,6 x 10-34 J.s)ν=Frekuensi (Hz) ν

Persamaan Planck

E = h.ν

Ada hubungan antara energi, frekuensi dan panjang gelombang.

Dapat dikatakan besarnya energi berbanding lurus besarnya frekuensi

Turunan persamaan planks

v = c/λ

ν=Frekuensi (Hz) c=kecepatan cahaya (3 x 108 km/s)λ=panjang gelombang

Dapat dikatakan besarnya frekuensi berbanding terbalik besarnya panjang gelombang

Selain panjang gelombang Satuan lain biasa digunakan yaitu bilangan gelombang.

Bilangan gelombang merupakan seperpanjang gelombang ( 1/ λ ) dengan satuannya cm -1.

Contoh :suatu senyawa menyerap radiasi inframerah pada bilangan gelombang 2000 cm -1. tentukan Panjang gelombangnya?

Level energi absorbsi suatu molekul: elektronik > vibrasional > rotasional

Radiasi IR menyebabkan vibrasi pada ikatan molekul.

Absorpsi radiasi IR dipengaruhi oleh nilai momen dipol

Semakin besar perbedaan elektronegativitas, semakin besar absorpsi radiasi IR

Molekul seperti O2, N2, Br2 tidak dapat mengabsorpsi radiasi IR.

RADIASI INFRA-MERAH

Momen dipol molekul diatomik

Molekul polar e.g. HCl memiliki nilai momen dipol cukup besar

Jika frekuensi radiasi sesuai dg frekuensi vibrasi-> terjadi perubahan amplitudo pada vibrasi molekular

RADIASI INFRA-MERAH

chemwiki.ucdavis.edu

Osilasi terjadi pada ikatan kovalen senyawa -> menghasilkan gelombang elektromagnetik

Semakin besar perubahan momen dipol->semakin intens gelombang yang dihasilkan

VIBRASI MOLEKULAR

Saat gelombang IR bertemu dengan gelombang elektromagnetik yang dihasilkan senyawa->terjadi absorpsi IRGelombang tersebut terkopling (coupled) dan bervibrasi dua kali amplitudo

IR beam from spectrometer

EM oscillating wavefrom bond vibration

“coupled” wave

Frekuensi Vibrasi

m1 m2k

Dipengaruhi : Kekuatan ikatan dan massa atom k : kostanta kekuatan m : massa atom

Hal yang perlu diperhatikan :1. Ikatan-ikatan kuat akan memiliki nilai K yang besar sehingga frekuensi vibrasi akan lebih besar juga.

2. Ikatan antar atom bermassa besar akan bervibrasi pada frekuensi yang lebih rendah dibandingkan ikatan antar atom bermassa kecil.

Jika frekuensi dianggap suatu pegas dapat didapatkan persamaan yang didasarkan hukum Hookes untuk pegas yang bergerak (vibrasi) yaitu

ν=frekuensi vibrasi

m=massa atom

µ=

Terdiri dari 2 tipe:◦ Stretch (Ulur) => perubahan panjang ikatan

◦ Bend (Tekuk)=> perubahan sudut ikatan

VIBRASI MOLEKULAR

H

HC

H

HC

Simetris Asimetris

H

HCC

H

HCC

H

HCC

H

HCC

Gunting Bergoyang

Berputar

Kibasan

Asimetris > Simetris

Vibrasi Ulur > Vibrasi Tekuk

Infrared Spectral Region

REGIONS WAVELENGTH (λ) RANGE, μm

WAVENUMBER (σ) RANGE, cm-1

NEAR 0.78-2.5 12800-4000

MIDDLE 2.5-50 4000-200

FAR 50-1000 200-10

MOST USED 2.5-15 4000-670

SPEKTRA INFRAMERAHSumbu x: bilangan gelombang (wavenumber) cm-1

Bilangan gelombang= 104/λ(μm)

Sumbu y: %transmitan

Absorbans=2-log %T

Daerah yang diamati: 670-4000 cm-1

Jumlah peak pada spektra IR menunjukkan jumlah teoretis vibrasi ikatan suatu molekul

Namun tidak semua akan teramati dalam spektra Beberapa faktor yang berpengaruh a.l.:

Frekuensi yang berada diluar range bilangan gelombang teramati

Pita serapan yang terlalu lemah sehingga tidak teramati

Beberapa peak yang berdekatan sehingga tampak bergabung

Molekul yang cukup simetris Kurangnya perubahan momen dipol pada suatu ikatan

SPEKTRA INFRAMERAH

IINSTRUMENTASI

IFOURIER-TRANSFORM

IDISPERSIVE

Pertama kali digunakan pada 1940

Awalnya menggunakan prisma dari bahan NaCl sebelum digantikan dengan kisi pada tahun 1960an

Elemen dispersif pada instrumen berasal dari monokromator

DISPERSIVE IR

DISPERSIVE IR

Single Beam Double Beam

DISPERSIVE IRSource

SampleReference

Chopper

Monochromator

Detector

Dispersi terjadi ketika energi yang melalui celah masuk (entrance slit) dipantulkan ke arah elemen pendispersi

Radiasi kemudian dipantulkan kembali ke arah celah keluar (exit slit), menuju ke arah detektor

Spektrum terdispersi akan dipindai sepanjang celah keluar (exit slit)

DISPERSIVE IR

Jenis detektor yang digunakan adalah thermal detector (thermocouple, pyroelectric)

Sumber emisi IR: Globar (SiC), filamen Nernst (Oksida dr Zirkonium, Yttrium, dan Erbium)

DISPERSIVE IR

Kelemahan: Monokromator memiliki celah yg cukup sempit

(entrance & exit)->membatasi range bilangan gelombang yang mengarah ke detektor

Tidak dapat menganalisis sampel dengan cepatSensitivitasnya rendah

DISPERSIVE IR

Konsep berdasar pada interferensi radiasi antara dua sinar untuk menghasilkan interferogram

Radiasi dari sumber menuju ke sampel dilewatkan dahulu ke interferometer

Setelah amplifikasi sinyal, dilakukan konversi dari analog ke digital

Sinyal digital ditransfer ke komputer untuk proses Fourier-Transformation

FOURIER TRANSFORM IR

FOURIER TRANSFORM IR

A. INTERFEROMETER MICHELSON Interferometer : Instrumen yang digunakan untuk mengukur

gelombang melalui pola interferensi Interferometer Michelson terdiri dari 2 cermin datar (stationary

mirror dan moving mirror) yang saling tegak lurus Diantara keduanya diletakkan beamsplitter dengan posisi

diagonal Material beamsplitter: Germanium atau Besi Oksida-> utk

melapisi KBr atau CsI (mid-, and near- IR), PETF (far-IR) Sinar monokromatik->beamsplitter->50% radiasi dipantulkan

ke satu cermin, 50% sisanya diteruskan ke cermin lainnya Pantulan sinar dr cermin kembali ke beamsplitter-> terjadi

interferensi-> 50% radiasi diteruskan ke sampel, 50% sisanya kembali sumber radiasi

FOURIER TRANSFORM IR

FOURIER TRANSFORM IR

B. SUMBER RADIASI Globar atau filamen Nernst (mid- Infrared) Lampu Merkuri bertekanan tinggi (far-

Infrared) Lampu wolfram-halogen (near- Infrared)

FOURIER TRANSFORM IR

C. DETEKTOR DTGS (Deuterium Triglycine Sulphate) atau

MCT (Mercury Cadmium Telluride) untuk mid- IR

Germanium atau Indium-Antimoni untuk far- IR

Fotokonduktor Pb-Sulfida untuk near- IR

FOURIER TRANSFORM IR

D. FOURIER TRANSFORM Ditemukan oleh Joseph Fourier pada abad 19 Suatu persamaan matematis digunakan untuk

mentransformasikan satu fungsi ke fungsi yang lain Mengubah fungsi dari domain waktu ke domain

frekuensi Manfaat: membuat data mentah (raw data) dari

Interferogram dapat diterjemahkan menjadi sebuah spektra

FOURIER TRANSFORM IR

FOURIER TRANSFORM IRContoh interferogram (domain waktu) dan proses Fourier Transform menjadi spektra (domain frekuensi)

Keuntungan FT-IR dibanding dispersive IR: Fellgett advantage: meningkatnya SNR (Signal-

to-noise ratio) seiring dengan banyaknya jumlah elemen resolusi yang dimonitor secara simultan

Jacquinot advantage: meningkatnya SNR seiring dengan tingginya jumlah energi yang tertangkap oleh detektor

Speed advantage: penggunaan moving mirror memungkinkan spektra dapat diperoleh dalam waktu yang singkat

FOURIER TRANSFORM IR

CARA PENGOLAHAN SAMPEL

Pengolahan Sampel

Transmisi Pantulan (reflectance)

1. Padat 2. Cair3. Gas

1. ATR

2. Reflektan Spekular2. Pantulan Diffuse

3. Foto akustik

Melewatkan berkas sinar IR melalui sampel Ketebalan sampel antara 1-20 mikron

Keuntunganmempunyai rasio sinyal-noise yang tinggi tidak mahal

KekuranganPenyiapan sampel relatif lama

TRANSMISI

Sumber Sinar

Sampel

Detektor

Padat

1. Pelet KBrKBr merupakan bahan Inert, transparan terhadap sinar IR,

Penyiapan sampelSampel dan KBr harus digerus untuk mengurangi ukuran partikelnya < 2 mikron.\

serbuk KBr + sampel, kemudian dikempa dengan tekanan sebesar 10,000-15,000 psi

TRANSMISI

2. Mull /Lumpuran Mull: 2-5 mg sampel digerus dengan penambahan

1-2 tetes mulling agent seperti Nujol® (minyak parafin) untuk kemudian dianalisis sebagai lapisan film tipis

3. Lapisan tipis Lpaisan tipis padatan cuplikan pada

lempeng natrium klorida diperleh dengan meneteskan larutan cuplikan pada permukaan lempeng NaCl. Karena pelarut mudah menguap,amka akan didapatkan lapisan tipis lempeng NaCl.

CairanPelarut yang digunakan harus sesuaiFaktor penting :Pelarut harus melarutkan sampel, Pelarut yang digunakan setidaknya non polar ,emeninimlan interkasi solut pelarut,

Neat liquid: 10 mg sampel dianalisis sebagai lapisan film tipis

Larutan: 0.1-1 ml sampel dianalisis menggunakan cell. Selain itu, juga digunakan compensating cell berisi solven yang diletakkan pada reference beam. Solven yang umum digunakan a.l. CCl4 dan CS2

TRANSMISI

Gas

1. Pengukuran pantulan internal dengan menggunakan sel Attenuated total reflectance (ATR) yang bersinggungan (kontak) langsung dengan sampel

2. Pengukuran pantulan eksternal yang melibatkan berkas sinar IR yang dipantulkan secara langsung dari permukaan sampel.

2. Metode Reflektans (Pantulan)

Attenuated Total Reflectance (ATR)Untuk sampel padat, cair, semi-padat, dan lapisan tipis.

ATR menggunakan kristal sebagai media Pemantulan.Kristal ATR dibat dari bahan yang memiliki kelarutan dalam air yang rendah dan memiliki Indeks Bias yang tinggi,

Kristal yang sering digunakan seng Selenida (ZnSe), KRS-5 (Talium Iodida/Talium Bromida), dan Germanium.

ATR (Attenuated Total Reflectance)

ATR (Attenuated Total Reflectance)

ANALISIS

KUALITATIF KUANTITATIF

Digunakan sebagai salah satu metode dalam determinasi struktur kimia suatu senyawa

Berfungsi untuk menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam suatu senyawa

Penetapan senyawa dalam campuran (FT-IR)

ANALISIS KUALITATIF

Terdapat dua daerah yang cukup penting dalam analisis kualitatif spektra IR

Daerah gugus fungsi (4000-1300 cm-1)mendeteksi gugus fungsi yang umum terdapat dalam senyawa kimia (-OH, -NH, -C=O)

Daerah sidik jari (1300-900 cm-1)daerah dengan pola absorbsi cukup kompleks sehingga dapat digunakan sebagai pembeda identitas antara satu senyawa dengan senyawa lain

ANALISIS KUALITATIF

ANALISIS KUALITATIF

Gugus Fungsi Tipe Vibrasi Absorbsi Karakteristik (cm-1)

Intensitas

Alkohol (O-H) Ulur (ik. Hidrogen) 3600-3200 Kuat, lebar

Alkohol (O-H) Ulur (tanpa ik. Hidrogen)

3700-3500 Kuat, tajam

Alkohol (C-O) Tekuk 1150-1050 Kuat

Alkana (C-H) Ulur 3000-2850 Kuat

Alkana (C-H) Tekuk 1480-1350 Bervariasi

Alkena (C-H) Ulur 3100-3010 Sedang

Alkena (C-H) Tekuk 1000-675 Kuat

Alkena (C=C) Ulur 1680-1620 Bervariasi

Alkuna (C-H) Ulur 3300 Kuat, tajam

Alkuna (C≡C) Ulur 2260-2100 Bervariasi, tidak muncul pd alkuna simetris

ANALISIS KUALITATIF

Gugus Fungsi Tipe Vibrasi Absorbsi Karakteristik (cm-1)

Intensitas

Amina (N-H) Ulur 3500-3300 Medium (double band –NH2, single band –NH, no band –N)

Amina (C-N) Ulur 1360-1080 Medium-lemah

Amina (N-H) Tekuk 1600 Medium

Aromatik (C-H) Ulur 3100-3000 Medium

Aromatik (C=C) Ulur 1600-1400 Medium-lemah, multiple bands

Eter (C-O) Ulur 1300-1000 Kuat

Nitril (C≡N) Ulur 2260-2210 Medium

Nitro (N-O) Ulur 1560-1515 & 1385-1345

Kuat, two bands

ANALISIS KUALITATIF

Gugus Fungsi Tipe Vibrasi Absorbsi Karakteristik (cm-1)

Intensitas

Karbonil (C=O) Ulur 1820-1670 Kuat

Aldehida (C=O) Ulur 1740-1720 Kuat

Aldehida (C-H) Ulur 2850-2820 & 2750-2720

Medium, two bands

Amida (C=O) Ulur 1690-1640 Kuat

Amida (N-H) Ulur 3500-3100 (-NH2, two bands)

Amida (N-H) Tekuk 1640-1550

Anhidrida (C=O) Ulur 1830-1800 & 1775-1740

Two bands

Asam Karboksilat (C=O) Ulur 1725-1700 Kuat

Asam Karboksilat (O-H) Ulur 3300-2500 Kuat, sangat lebar

Asam Karboksilat (C-O) Ulur 1320-1210 Kuat

ANALISIS KUALITATIF

Gugus Fungsi Tipe Vibrasi Absorbsi Karakteristik (cm-1)

Intensitas

Ester (C=O) Ulur 1750-1735 Kuat

Ester (C-O) Ulur 1300-1000 Two bands

Keton asiklik (C=O) Ulur 1725-1705 Kuat

Keton siklik (C=O) Ulur 3-membered - 18504-membered - 17805-membered - 17456-membered - 17157-membered - 1705

Kuat

Keton α,β-tak jenuh Ulur 1685-1665 Kuat

Aril keton Ulur 1700-1680 Kuat

ANALISIS KUALITATIF

Karbonat

The C = O group gives rise to a strong absorption in the region 1820 –1660 cm−1. The peak is often the strongest in the spectrum

Asam Karboksilat

Broad absorption near 3400 -2400 cm-1 (usually overlap C-H)

Amida Medium absorption near 3400 cm-1,

sometimes a double peak with equivalent halves.

Amina Medium absorption(s) near 3400 cm-1

Spektroskopi Inframerah juga dapat digunakan dalam analisis kuantitatif

Dasar teori yang digunakan adalah Hukum Beer-LambertA=log (I0/It)=abc= 2 - log10 %T

A=Absorbansi a=absorbtivitas (ml/gr.cm) b=panjang sel (cm) c=konsentrasi (gr/ml) %T=Persen transmitan

ANALISIS KUANTITATIF

Untuk uji kuantitatif diperlukan koreksi dari hamburan dan absorbsi dari solven dan sel

Dapat digunakan dua metode:Cell in/cell outBaseline

ANALISIS KUANTITATIF

• Pada metode cell-in/cell-out spektrometer diset pada bilangan gelombang yang dikehendaki

• Sel kemudian diisi dengan larutan sampel dan dianalisis untuk mendapatkan nilai T

• Pada sel yang sama kemudian diisi solven dan dianalisis untuk mendapatkan nilai T0

• Absorbansi kemudian dapat diukur menggunakan hukum Beer-Lambert dengan mengurangi absorban larutan sampel dengan solven

ANALISIS KUANTITATIF

ANALISIS KUANTITATIF•Pada metode baseline, sebuah garis (DE) ditarik diantara maksima transmitan pada kedua sisi pita•Kemudian digambar garis lurus ABC paralel terhadap sumbu y•Titik B merupakan puncak absorbansi maksimum, Titik C merupakan titik tengah antara garis DE•Absorbansi pada bilangan gelombang ini:

A=log (T0/T)=log (AC/AB)

•Untuk determinasi yang lebih akurat dapat dilakukan pengukuran pada seluruh area yang terdapat pada spektra•Umumnya, area yang diukur hanya pada pita dengan absorbansi maksimum•Hasil yang didapatkan menjadi kurang akurat apabila terjadi tumpang tindih pita

Kelemahan:Deviasi dari Hukum Beer-Lambert

Fenomena ini sama seperti yang ditemui pada spektrofotometer UV-Vis. Deviasi ini dikarenakan pita serapan IR yang cukup sempit

Kompleksitas spektraSangat dimungkinkan terjadinya tumpang tindih pada pita absorbsi

Stray radiationRadiasi yang tidak dikehendaki yang ikut lolos pada celah keluar (exit slit) akibat dari hamburan dan pantulan dari permukaan internal

ANALISIS KUANTITATIF

Contoh Aplikasi: Penetapan kadar Polidimetilsiloksan

(Simetikon) (H3C)3Si-[-(CH3)2SiO-]n-CH3 + SiO2 (USP, Farmakope Indonesia)

Penetapan kadar polutan (OSHA)

ANALISIS KUANTITATIF

Spektrum diubah dari %T menjadi Absorban Analisis selanjutnya seperti pada

spektrofotometer UV-vis

Hal yang harus diperhatikan:◦ Tentukan spektrum spesifik◦ Tumpang tindih spektrum◦ Terdapat lebih dari 1 spektrum spesifik

ANALISIS KUANTITATIF FT-IR

Kemometrik

Larkin, Peter. (2011). Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation. Amsterdam, Netherlands: Elsevier.

Sathyanarayana, D.N. (2007). Vibrational Spectroscopy: Theory and Applications. New Delhi, India: New Age International Publishers.

Silverstein, R.M., et al. (2011). Spectrometric Identification of Organic Compounds (7th ed.). Hoboken, USA: Wiley.

Skoog, D.A., et al. (2013). Fundamentals of Analytical Chemistry (9th ed.) Belmont, USA: Brooks/Cole, Cengage Learning.

Skoog, D.A., et al. (1998). Principles of Instrumental Analysis (5th ed.) Orlando,USA: Harcourt Brace College Publishers.

Stuart, B.H. (2004). Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. Hoboken, USA: Wiley.

DAFTAR PUSTAKA