200-300 nm, metode AAS lebih baik dari fotometri nyala. Untuk analisis kualitatif, metode fotometri nyala lebih disukai dari AAS, karena AAS memerlukan lampu katoda spesifik (hallow cathode). Kemonokromatisan dalam AAS merupakan syarat utama. Suatu perubahan temperature nyala akan mengganggu proses eksitasi sehingga analisis dari fotometri nyala berfilter. Dapat dikatakan bahwa metode fotometri nyala dan AAS merupakan komplementer satu sama lainnya.
1.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang diatas, penulis dapat merumuskan masalah sebagai berikut: -
Bagaimanakah Bagaimanakah teori dasar serta prinsip kerja Spektrometri Serapan Atom (SSA)?
-
Bagaimanakah penggunaan / penerapan Spektrometri Serapan Atom (SSA) dalam proses analisis kimia?
-
Apa sajakah gangguan-gangguan gangguan-gangguan yang biasa terjadi pada Spektrometri Serapan Atom (SSA)
1.3 Manfaat Penulisan Adapun manfaat yang diharapkan dari penulisan makalah ini selain memenuhi tugas dari Dosen Mata Kuliah, juga bertujuan untuk memberi masukan ilmu pengetahuan bagi semua khalayak pada umumnya dan khususnya bagi penulis pribadi sehingga kedepannya dapat lebih mengetahui bagaimana metode maupun prinsip kerja dari Spektrometri Serapan Atom (SSA).
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Spektrometri Serapan Atom (SSA) Sejarah singkat tentang serapan atom pertama kali diamati oleh Frounhofer , yang pada saat itu menelaah garis-garis hitam pada spectrum matahari. Sedangkan yang memanfaatkan prinsip serapan atom pada bidang analisis adalah seorang Australia bernama Alan Walsh
di tahun 1995. Sebelumnya ahli kimia banyak tergantung pada cara-cara
spektrofotometrik atau metode spektrografik. Beberapa cara ini dianggap sulit dan memakan banyak waktu, kemudian kedua metode tersebut segera diagantikan dengan Spektrometri Serapan Atom (SSA). Spektrometri Serapan Atom (SSA) adalah suatu alat yang digunakan pada metode analisis untuk penentuan unsur-unsur logam dan metalloid yang pengukurannya berdasarkan penyerapan cahaya dengan panjang gelombang tertentu oleh atom logam dalam keadaan bebas (Skooget al., 2000). Metode ini sangat tepat untuk analisis zat pada konsentrasi rendah. Teknik ini mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan metode spektroskopi emisi konvensional. Memang selain dengan metode serapan atom, unsur-unsur dengan energi eksitasi rendah dapat juga dianalisis dengan fotometri nyala, akan tetapi fotometri nyala tidak cocok untuk unsur-unsur dengan energy eksitasi tinggi. Fotometri nyala memiliki range ukur optimum pada panjang gelombang 400-800 nm, sedangkan AAS memiliki range ukur optimum pada panjang gelombang 200-300 nm (Skoog et al., 2000).Untuk analisis kualitatif, metode fotometri nyala lebih disukai dari AAS, karena AAS memerlukan lampu katoda spesifik (hallow cathode). Kemonokromatisan dalam AAS merupakan syarat utama. Suatu perubahan temperature nyala akan mengganggu proses eksitasi sehingga analisis dari fotometri nyala berfilter. Dapat dikatakan bahwa metode fotometri nyala dan AAS merupakan komplementer satu sama lainnya.
3
Absorpsi atom dan spektra emisi memiliki pita yang sangat sempit di bandingkan spektrometri molekuler. Emisi atom adalah proses di mana atom yang tereksitasi kehilangan energi yang disebabkan oleh radiasi cahaya. Misalnya, garam-garam logam akan memberikan warna di dalam nyala ketika energi dari nyala tersebut mengeksitasi atom yang kemudian memancarkan spektrum yang spesifik. Sedangkan absorpsi atom merupakan proses di mana atom dalam keadaan energy rendah menyerap radiasi dan kemudian tereksitasi. Energi yang diabsorpsi oleh atom disebabkan oleh adanya interaksi antara satu elektron dalam atom dan vektor listrik dari radiasi elektromagnetik. Ketika menyerap radiasi, elektron mengalami transisi dari suatu keadaan energi tertentu ke keadaan energi lainnya. Misalnya dari orbital 2s ke orbital 2p. Pada kondisi ini, atom-atom di katakan berada dalam keadaan tereksitasi (pada tingkat energi tinggi) dan dapat kembali pada keadaan dasar (energi terendah) dengan melepaskan foton pada energy yang sama. Atom dapat mengadsorpsi atau melepas energi sebagai foton hanya jika energy foton (hν) tepat sama dengan perbedaan energi antara keadaan tereksitasi (E) dan keadaan dasar (G) seperti Gambar di bawah ini:
Gambar. Diagram absorpsi dan emisi atom Absorpsi dan emisi dapat terjadi secara bertahap maupun secara langsung melalui lompatan tingkatan energi yang besar. Misalnya, absorpsi dapat terjadi secara bertahap dari G
E1
E2 , tetapi dapat terjadi juga tanpa melalui tahapan tersebut G
E2. Panjang
gelombang yang diserap oleh atom dalam keadaan dasar akan sama dengan panjang gelombang yang diemisikan oleh atom dalam keadaan tereksitasi, apabila energi transisi kedua keadaan tersebut adalah sama tetapi dalam arah yang yang berlawanan. Lebar pita spektra yang diabsorpsi atau diemisikan akan sangat sempit jika masing-masing atom yang mengabsorpsi atau memancarkan radiasi mempunyai energi transisi yang sama. 4
Lebar Pita Spektra Atom Berdasarkan hukum ketidakpastian Heisenberg, lebar pita alami spektra atom berkisar 10-4 – 10-5 nm. Akan tetapi, terdapat beberapa proses yang dapat menyebabkan pelebaran pita hingga 0.001 nm yang akan dijelaskan lebih lanjut dalam efek Doppler. . Efek Doppler Jika tubuh memancarkan suatu bentuk gelombang menuju seorang pengamat, maka pengamat akan mendeteksi panjang gelompang seolah lebih pendek dari yang diemisikan tersebut. Jika tubuh bergerak menjauh dari pengamat, maka panjang gelombang seolah menjadi lebih panjang. Fenomena ini disebut efek Doppler dan dapat menyebabkan pelebaran pita karena adanya pergerakan termal (panas). Hal yang sama juga terjadi pada atom, dimana dalam suatu kumpulan atom, beberapa atom akan bergerak maju dan sebagian lagi menjauh dari detektor ketika emisi terjadi, sehingga daerah panjang gelombang yang diamati menjadi lebih besar. Efek ini akan semakin besar pada temperatur tinggi karena pergerakan atom akan semakin meningkat yang menyebabkan terjadinya pelebaran pita absorpsi. Pelebaran tekanan (Pressure Broadening) Jika suatu atom yang mengabsorpsi atau memancarkan radiasi bertumbukan dengan atom lain, tumbukan tersebut akan mempengaruhi panjang gelombang foton yang diradiasikan karena terjadi perubahan tingkat energi dalam yang menyebabkan perbedaan keadaan transisi. Tumbukan yang terjadi antara suatu atom yang mengabsorpsi atau memancarkan radiasi dengan atom gas lain disebut dengan pelebaran Lorentz (Lorentz Broadening). Jika atom-atom yang mengabsorpsi dan memancarkan radiasi juga terlibat tumbukan, maka disebut pelebaran Holzmark (Holzmark Broadening). Dalam semua hal, semakin tinggi temperatur, maka tumbukan akan semakin sering terjadi sehingga terjadi pelebaran pita yang disebut dengan pelebaran tekanan (Pressure Broadening).
Spektrometer Serapan Atom Secara umum, komponen-komponen spektrometer serapan atom (SSA) adalah sama dengan spektrometer UV/Vis. Keduanya mempunyai komponen yang terdiri dari sumber 5
cahaya, tempat sample, monokromator, dan detektor. Analisa sample di lakukan melalui pengukuran absorbansi sebagai fungsi konsentrasi standard dan menggunakan hukum Beer untuk menentukan konsentrasi sample yang tidak diketahui. Walaupun komponenkomponenya sama, akan tetapi sumber cahaya dan tempat sampel yang digunakan pada SSA memiliki karakteristik yang sangat berbeda dari yang digunakan dalam spektrometri molekul (misal: UV/Vis).
Sumber Cahaya Karena lebar pita pada absorpsi atom sekitar 0.001 nm, maka tidak mungkin untuk menggunakan sumber cahaya kontinyu seperti pada spektrometri molekuler dengan dua alasan utama sebagai berikut: (a) Pita-pita absorpsi yang dihasilkan oleh atom-atom jauh lebih sempit dari pita-pita yang dihasilkan oleh spektrometri molekul. Jika sumber cahaya kontinyu digunakan, maka pita radiasi yang di berikan oleh monokromator jauh lebih lebar dari pada pita absorpsi, sehingga banyak radiasi yang tidak mempunyai kesempatan untuk diabsorpsi yang mengakibatkan sensitifitas atau kepekaan SSA menjadi jelek. (b) Karena banyak radiasi dari sumber cahaya yang tidak terabsorpi oleh atom, maka sumber cahaya kontinyu yang sangat kuat diperlukan untuk menghasilkan energi yang besar di dalam daerah panjang gelombang yang sangat sempit atau perlu menggunakan detektor yang jauh lebih sensitif dibandingkan detektor fotomultiplier biasa, akan tetapi di dalam prakteknya hal ini tidak efektif sehingga tidak dilakukan. Secara umum, hukum Beer tidak akan dipenuhi kecuali jika pita emisi lebih sempit dari pita absorpsi. Hal ini berarti bahwa semua panjang gelombang yang dipakai untuk mendeteksi sampel harus mampu diserap oleh sampel tersebut. Gambar 11.2 menunjukkan perbandingan pita absorpsi atom dan pita spektrum sumber cahaya kontinyu yang dihasilkan oleh monokromator. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa sebagian besar radiasi tidak dapat diabsorpsi karena panjang gelombangnya tidak berada pada daerah pita absorpsi atom yang sangat sempit dan dapat dikatakan bahwa sangat banyak cahaya yang tidak digunakan atau menyimpang. 6
Gambar 11.2. perbandingan pita absorpsi atom dan pita spektrum sumber cahaya kontinyu yang dihasilkan oleh monokromator Masalah ini dapat diatasi oleh Alan Walsh pada tahun 1953, dengan menggunakan sumber cahaya tunggal (line source) sebagai pengganti sumber cahaya kontinyu. Sebagian besar sumber cahaya tunggal yang digunakan berasal dari lampu katode berongga (hollow chatode lamp) yang memancarkan spektrum emisi atom dari elemen tertentu, misalnya lampu katode berongga Zn digunakan untuk menganalis Zn. Gambar 3a dan 3b menunjukkan cahaya tunggal mengatasi masalah yang telah diuraikan di atas.
Gambar 11.3. Pengaruh sumber cahaya tunggul terhadap pita absorpsi Spektrum Zn diamati pada panjang gelombang 213,4 nm sebelum dan sesudah transmisi melalui monokromator konvensional. Walaupun lebar pita dari monokromator tidak lebih kecil dari sebelum transmisi, akan tetapi sampel yang diukur berada dalam daerah panjang gelombang yang diinginkan. Dengan memilih lampu yang mengandung analit yang diukur,
7
maka kita dapat mengetahui bahwa panjang gelombang yang digunakan sama dengan dengan pita absorpsi analit yang diukur. Ini berarti bahwa semua radiasi yang dipancarkan oleh sumber cahaya dapat diabsorpsi sampel dan hukum Beer dapat di gunakan. Dengan menggunakan sumber cahaya tunggal, monokromator konvensional dapat dipakai untuk mengisolasi satu pita spektra saja yang biasanya disebut dengan pita resonansi. Pita resonansi ini menunjukkan transisi atom dari keadaan dasar ke keadaan transisi pertama, yang biasanya sangat sensitif untuk mendeteksi logam yang diukur (Adam Wiryawan., dkk, 2007)
Lampu Katode Berongga ( Hollow Cathode Lamp) Bentuk lampu katode dapat dilihat pada gambar 11.4. Ciri utama lampu ini adalah mempunyai katode silindris berongga yang dibuat dari logam tertentu. Katode and anode tungsten diletakkan dalam pelindung gelas tertutup yang mengandung gas inert (Ne atau Ar) dengan tekanan 1-5 torr. Lampu ini mempunyai potensial 500 V, sedangkan arus berkisar antara 2 – 20 mA. Adapun
gas pengisi terionisasi pada anode, dan ion-ion yang hasilkan dipercepat menuju katode dimana bombardemen ion-ion ini menyebabkan atom-atom logam menjadi terlepas ke permukaan dan terbentuk awan/populasi atom. Proses ini disebut dengan percikan atom (sputtering). Lebih jauh lagi, tumbukan ini menyebabkan beberapa atom tereksitasi dan kemudian kembali pada keadaan dasar dengan memancarkan spektrum atom yang spesifik. Spektrum gas pengisi (dan komponen lain yang terdapat dalam katode) juga dipancarkan.
8
Jendela atau tempat dimana radiasi keluar dari lampu biasanya dibuat dari silika sehingga dapat menggunakan panjang gelombang di bawah 350 nm.
Nyala Fungsi nyala adalah untuk memproduksi atom-atom yang dapat mengabsorpsi radiasi yang di pancarkan oleh lampu katode tabung. Pada umumnya, peralatan yang di gunakan untuk mengalirkan sample menuju nyala adalah nebulizer pneumatic yang di hubungkan dengan pembakar (burner). Diagram nebulizer dapat di lihat pada Gambar 11.5. Sebelum menuju nyala, sample mengalir melalui pipa kapiler dan dinebulisasi oleh aliran gas pengoksidasi sehingga menghasilkan aerosol. Kemudian, aerosol yang terbentuk bercampur dengan bahan bakar menuju ke burner. Sample yang menuju burner hanya berkisar 5-10% sedangkan sisanya (90-95%) menuju tempat pembuangan (drain). Pipa pembuangan selalu berbentuk ”U” untuk menghindari gas keluar yang dapat menyebabkan ledakan serius. Sample yang berada pada nyala kemudian diatomisasi, dan cahaya dari lampu katode tabung dilewatkan melalui nyala. Sample yang berada pada nyala akan menyerap cahaya tersebut.
9
Gambar Nebuliser pada spektrometer serapan atom (SSA) Jenis-jenis nyala Ada 3 jenis nyala dalam spektrometri serapan atom yaitu: (a) Udara – Propana Jenis nyala ini relatif lebih dingin (1800oC) dibandingkan jenis nyala lainnya. Nyala ini akan menghasilkan sensitifitas yang baik jika elemen yang akan diukur mudah terionisasi seperti Na, K, Cu. (b) Udara – Asetilen Jenis nyala ini adalah yang paling umum dipakai dalam AAS. Nyala ini menghasilkan temperatur sekitar 2300 oC yang dapat mengatomisasi hamper semua elemen. Oksida-oksida yang stabil seperti Ca, Mo juga dapat analisa menggunakan jenis nyala ini dengan memvariasi rasio jumlah bahan bakar terhadap gas pengoksidasi. (c) Nitrous oksida – Asetilen Jenis nyala ini paling panas (3000 oC), dan sangat baik digunakan untuk menganalisa sampel yang banyak mengandung logam-logam oksida seperti Al, Si. Ti, W. Metode AAS berprinsip pada absorbsi cahaya oleh atom, atom-atom menyerap cahaya tersebut pada panjang gelombang tertentu, tergantung pada sifat unsurnya. Misalkan Natrium menyerap pada 589 nm, uranium pada 358,5 nm sedangkan kalium pada 766,5 nm. Cahaya pada gelombang ini mempunyai cukup energiuntukmengubah tingkat energy elektronik suatu atom. Dengan absorpsi energy, berarti memperoleh lebih banyak energy, suatu atom pada keadaan dasar dinaikkan tingkat energinya ke tingkat eksitasi. Tingkattingkat eksitasinya pun bermacam-macam. Misalnya unsur Na dengan noor atom 11 mempunyai konfigurasi electron 1s 1 2s2 2p6 3s1, tingkat dasar untuk electron valensi 3s, artinya tidak memiliki kelebihan energy. Elektronini dapat tereksitasi ketingkat 3p dengan energy 2,2 eV ataupun ketingkat 4p dengan energy 3,6 eV, masing-masing sesuai dengan panjang gelombang sebesar 589 nm dan 330 nm. Kita dapat memilih diantara panjang gelombang ini yang menghasilkan garis spectrum yang tajam dan dengan intensitas maksimum, yangdikenal dengan garis resonansi. Garis-garis lain yang bukan garis resonansi 10
dapat berupa pita-pita lebar ataupun garis tidak berasal dari eksitasi tingkat dasar yang disebabkan proses atomisasinya. Apabila cahaya dengan panjang gelombang tertentu dilewatkan pada suatu sel yang mengandung atom-atom bebas yang bersangkutan maka sebagian cahaya tersebut akan diserap dan intensitas penyerapan akan berbanding lurus dengan banyaknya atom bebas logam yang berada pada sel. Hubungan antara absorbansi dengan konsentrasi diturunkan dari: Hukum Lambert : bila
suatu sumber sinar monkromatik melewati medium transparan,
maka intensitas sinar yang diteruskan berkurang dengan bertambahnya ketebalan medium yang mengabsorbsi. Hukum Beer : Intensitas sinar yang diteruskan berkurang secara eksponensial dengan
bertambahnya konsentrasi spesi yang menyerap sinar tersebut. Dari kedua hukum tersebut diperoleh suatu persamaan:
Dimana:
I t
I 0 e bc
A
I log t bc I 0
I 0
= intensitas sumber sinar
I t
= intensitas sinar yang diteruskan
(1)
= absortivitas molar
b = panjang medium c = konsentrasi atom-atom yang menyerap sinar A = absorbans
11
Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa absorbansi cahaya berbanding lurus dengan konsentrasi atom (Day & Underwood, 1989).
2.2 Prinsip Kerja Spektrometri Serapan Atom (SSA) Telah dijelaskansebelumnya bahwa metode AAS berprinsip pada absorpsi cahaya oleh atom. Atom-atom menyerap cahaya tersebut pada panjang gelombang tertentu, tergantung pada sifat unsurnya Spektrometri Serapan Atom (SSA) meliputi absorpsi sinar oleh atom-atom netral unsur logam yang masih berada dalam keadaan dasarnya (Ground state). Sinar yang diserap biasanya ialah sinar ultra violet dan sinar tampak. Prinsip Spektrometri Serapan Atom (SSA) pada dasarnya sama seperti absorpsi sinar oleh molekul atau ion senyawa dalam larutan. Hukum absorpsi sinar (Lambert-Beer) yang berlaku pada spektrofotometer absorpsi sinar ultra violet, sinar tampak maupun infra merah, juga berlaku pada Spektrometri Serapan Atom (SSA). Perbedaan analisis Spektrometri Serapan Atom (SSA) dengan spektrofotometri molekul adalah peralatan dan bentuk spectrum absorpsinya: Setiap alat AAS terdiri atas tiga komponen yaitu: 1. Unit atomisasi (atomisasi dengan nyala dan tanpa nyala) 2. Sumber radiasi 3. Sistem pengukur fotometri Sistem Atomisasi dengan nyala
Setiap alat spektrometri atom akan mencakup dua komponen utama sistem introduksi sampeldan sumber ( source) atomisasi. Untuk kebanyakan instrument sumber atomisasi ini adalah nyata dan sampel diintroduksikan dalam bentuk larutan. Sampel masuk ke nyala dalam bentuk aerosol. Aerosol biasanya dihasilkan oleh Nebulizer (pengabut) yang dihubungkan ke nyala oleh ruang penyemprot ( chamber spray ).
12
Ada banyak variasi nyala yang telah dipakai bertahun-tahun untuk spektrometri atom. Namun demikian yang saat ini menonjol dan diapakai secara luas untuk pengukuran analitik adalah udara asetilen dan nitrous oksida-asetilen. Dengan kedua jenis nyala ini, kondisi analisis yang sesuai untuk kebanyakan analit (unsur yang dianalisis) dapat sintetikan dengan menggunakan metode-metode emisi, absorbsi dan juga fluoresensi. Nyala udara asetilen
Biasanya menjadi pilihan untuk analisis menggunakan AAS. Temperature nyalanya yang lebih rendah mendorong terbentuknya atom netral dan dengan nyala yang kaya bahan bakar pembentukan oksida dari banyak unsur dapat diminimalkan. Nitrous oksida-asetilen
Dianjurkan dipakai untuk penentuan unsur-unsur yang mudah membentuk oksida dan sulit terurai. Hal ini disebabkan temperature nyala yang dihasilkan relatif tinggi. Unsur-unsur tersebut adalah: Al, B, Mo, Si, Ti, V dan W. Sistem Atomisasi tanpa Nyala (dengan Elektrotermal/tungku)
Sistem nyala api ini lebih dikenal dengan nama GFAAS. GFAAS dapat mengatasi kelemahan dari sistem nyala seperti sensitivitas, jumlah sampel dan penyiapan sampel. Ada tiga tahap atomisasi dengan metodeiniyaitu: 1. Tahap pengeringan atau penguapan larutan 2. Tahap pengabutan atau penghilangan senyawa-senyawa organic 3. Tahap atomisasi Unsur-unsur yang dapat dianalisis dengan menggunakan GFAAS adalah sama dengan unsur-unsur yang dapat dianalisis dengan GFAAS tungsten: Hf, Nd, Ho, La, Lu Os, Br, Re, Sc, Ta, U, W, Y dan Zr. Hal ini disebabkan karena unsur tersebut dapat bereaksi dengan graphit.
13
Petunjuk praktis penggunaan GFAAS: 1. Jangan menggunakan media klorida, lebih baik gunakan nitrat 2. Sulfat dan fosfat bagus untuk pelarutsampel, biasanya setelah sampel ditempatkan dalam tungku. 3. Gunakan cara adisi sehingga bila sampel ada interfensi dapat terjadi pada sampel dan standar. 4. Untuk mengubah unsur metalik menjadi uap atau hasil disosiasi diperlukan energy panas. Temperatur harus benar-benar terkendali dengan sangat hati-hati agar proses atomisasinya sempurna. Ionisasi harus dihindarkan dan ionisasi ini dapat terjadi apabila temperatur terlampau tinggi. Bahan bakar dan oksidator dimasukkan dalam kamar pencamput kemudian dilewatkan melalui baffle menuju ke pembakar. Hanya tetesan kecil dapat melalui baffle. Tetapi kondisi ini jarang ditemukan, karena terkadang nyala tersedot balik ke dalam kamar pencampur sehingga menghasilkan ledakan. Untuk itu biasanya lebih disukai pembakar dengan lubang yang sempit dan aliran gas pembakar serta oksidator dikendalikan dengan seksama. 5. Dengan gas asetilen dan oksidator udara bertekanan, temperature maksimum yang dapat tercapai adalah 1200 oC. untuk temperatur tinggi biasanya digunakan N:O: = 2:1 karena banyaknya interfensi dan efek nyala yang tersedot balik, nyala mulai kurang digunakan, sebagai gantinya digunakan proses atomisasi tanpa nyala, misalnya suatu perangkat pemanas listrik. Sampel sebanyak 1-2 ml diletakkan pada batang grafit yang porosnya horizontal atau pada logam tantalum yang berbentuk pipa. Pada tungku grafit temperatur dapat dikendalikan secara elektris. Biasanya temperatur dinaikkan secara bertahap, untuk menguapkan dan sekaligus mendisosiasi senyawa yang dianalisis. Metode tanpa nyala lebih disukai dari metode nyala. Bila ditinjau dari sumber radiasi, metode tanpa nyala haruslah berasal dari sumber yang kontinu. Disamping itu sistem dengan penguraian optis yang sempurna diperlukan untuk memperoleh sumber sinar dengan garis 14
absorpsi yang semonokromatis mungkin. Seperangkat sumber yang dapat memberikan garis emisi yang tajam dari suatu unsur spesifik tertentu dikenal sebagai lampu pijar Hollow cathode.
Lampu ini memiliki dua elektroda, satu diantaranya berbentuk silinder dan terbuat
dari unsur yang sama dengan unsur yang dianalisis. Lampuini diisi dengan gas mulia bertekanan rendah, dengan pemberian tegangan pada arus tertentu, logam mulai memijar dan atom-atom logam katodanya akan teruapkan dengan pemercikkan. Atom akan tereksitasi kemudian mengemisikan radiasi pada panjang gelombang tertentu.
2.3 Instrumen dan Alat Untuk menganalisis sampel, sampel tersebut harus diatomisasi. Sampel kemudian harus diterangi oleh cahaya. Cahaya yang ditransmisikan kemudian diukur oleh detector tertentu. Sebuah sampel cairan biasanya berubah menjadi gas atom melalui tiga langkah: a. Desolvation (pengeringan) – larutan pelarut menguap, dan sampel kering tetap b. Penguapan – sampel padat berubah menjadi gas c. Atomisasi – senyawa berbentuk gas berubah menjadi atom bebas. Sumber radiasi yang dipilih memiliki lebar spectrum sempit dibandingkan dengan transisi atom.Lampu katoda Hollow adalah sumber radiasi yang paling umum dalam spekstroskopi serapan atom. Lampu katoda hollow berisi gas argon atau neon, silinder katoda logam mengandung logam untuk mengeksitasi sampel. Ketika tegangan yang diberikan pada lampu meningkat, maka ion gas mendapatkan energy yang cukup untuk mengeluarkan atom logam dari katoda. Atom yang tereksitasi akan kembali ke keadaan dasar dan mengemisikan cahaya sesuai dengan frekuensi karakteristik logam.
2.4 Bagian-Bagian pada AAS a. Lampu Katoda
15
Lampu katoda merupakan sumber cahaya pada AAS. Lampu katoda memiliki masa pakai atau umur pemakaian selama 1000 jam. Lampu katoda pada setiap unsur yang akan diuji berbeda-beda tergantung unsur yang akan diuji, seperti lampu katoda Cu, hanya bisa digunakan untuk pengukuran unsur Cu. Lampu katoda terbagi menjadi dua macam, yaitu : Lampu Katoda Monologam
: Digunakan untuk mengukur 1 unsur
Lampu Katoda Multilogam
: Digunakan untuk pengukuran beberapa logam sekaligus, hanya saja harganya lebih mahal.
Soket pada bagian lampu katoda yang hitam, yang lebih menonjol digunakan untuk memudahkan pemasangan lampu katoda pada saat lampu dimasukkan ke dalam soket pada AAS. Bagian yang hitam ini merupakan bagian yang paling menonjol dari ke-empat besi lainnya. Lampu katoda berfungsi sebagai sumber cahaya untuk memberikan energi sehingga unsur logam yang akan diuji, akan mudah tereksitasi. Selotip ditambahkan, agar tidak ada ruang kosong untuk keluar masuknya gas dari luar dan keluarnya gas dari dalam, karena bila ada gas yang keluar dari dalam dapat menyebabkan keracunan pada lingkungan sekitar. Cara pemeliharaan lampu katoda ialah bila setelah selesai digunakan, maka lampu dilepas dari soket pada main unit AAS, dan lampu diletakkan pada tempat busanya di dalam kotaknya lagi, dan dus penyimpanan ditutup kembali. Sebaiknya setelah selesai penggunaan, lamanya waktu pemakaian dicatat. b. Tabung Gas Tabung gas pada AAS yang digunakan merupakan tabung gas yang berisi gas asetilen. Gas asetilen pada AAS memiliki kisaran suhu ± 20.000K, dan ada juga tabung gas yang berisi gas N2O yang lebih panas dari gas asetilen, dengan kisaran suhu ± 30.000K. Regulator pada tabung gas asetilen berfungsi untuk pengaturan banyaknya gas yang akan dikeluarkan, dan gas yang berada di dalam tabung. Spedometer pada bagian kanan regulator merupakan pengatur tekanan yang berada di dalam tabung. 16
Pengujian untuk pendeteksian bocor atau tidaknya tabung gas tersebut, yaitu dengan mendekatkan telinga ke dekat regulator gas dan diberi sedikit air, untuk pengecekkan. Bila terdengar suara atau udara, maka menendakan bahwa tabung gas bocor, dan ada gas yang keluar. Hal lainnya yang bisa dilakukan yaitu dengan memberikan sedikit air sabun pada bagian atas regulator dan dilihat apakah ada gelembung udara yang terbentuk. Bila ada, maka tabung gas tersebut positif bocor. Sebaiknya pengecekkan kebocoran, jangan menggunakan minyak, karena minyak akan dapat menyebabkan saluran gas tersumbat. Gas didalam tabung dapat keluar karena disebabkan di dalam tabung pada bagian dasar tabung berisi aseton yang dapat membuat gas akan mudah keluar, selain gas juga memiliki tekanan. c. Ducting Ducting merupakan bagian cerobong asap untuk menyedot asap atau sisa pembakaran pada AAS, yang langsung dihubungkan pada cerobong asap bagian luar pada atap bangunan, agar asap yang dihasilkan oleh AAS, tidak berbahaya bagi lingkungan sekitar. Asap yang dihasilkan dari pembakaran pada AAS, diolah sedemikian rupa di dalam ducting, agar polusi yang dihasilkan tidak berbahaya. Cara pemeliharaan ducting, yaitu dengan menutup bagian ducting secara horizontal, agar bagian atas dapat tertutup rapat, sehingga tidak akan ada serangga atau binatang lainnya yang dapat masuk ke dalam ducting. Karena bila ada serangga atau binatang lainnya yang masuk ke dalam ducting , maka dapat menyebabkan ducting tersumbat. Penggunaan ducting yaitu, menekan bagian kecil pada ducting kearah miring, karena bila lurus secara horizontal, menandakan ducting tertutup. Ducting berfungsi untuk menghisap hasil pembakaran yang terjadi pada AAS, dan mengeluarkannya melalui cerobong asap yang terhubung dengan ducting d. Kompresor Kompresor merupakan alat yang terpisah dengan main unit, karena alat ini berfungsi untuk mensuplai kebutuhan udara yang akan digunakan oleh AAS, pada waktu pembakaran 17
atom. Kompresor memiliki 3 tombol pengatur tekanan, dimana pada bagian yang kotak hitam merupakan tombol ON-OFF, spedo pada bagian tengah merupakan besar kecilnya udara yang akan dikeluarkan, atau berfungsi sebagai pengatur tekanan, sedangkan tombol yang kanan merupakantombol pengaturan untuk mengatur banyak/sedikitnya udara yang akan disemprotkan ke burner. Bagian pada belakang kompresor digunakan sebagai tempat penyimpanan udara setelah usai penggunaan AAS. Alat ini berfungsi untuk menyaring udara dari luar, agar bersih.posisi ke kanan, merupakan posisi terbuka, dan posisi ke kiri merupakan posisi tertutup. Uap air yang dikeluarkan, akan memercik kencang dan dapat mengakibatkan lantai sekitar menjadi basah, oleh karena itu sebaiknya pada saat menekan ke kanan bagian ini, sebaiknya ditampung dengan lap, agar lantai tidak menjadi basah dan uap air akan terserap ke lap. e. Burner Burner merupakan bagian paling terpenting di dalam main unit, karena burner berfungsi sebagai tempat pancampuran gas asetilen, dan aquabides, agar tercampur merata, dan dapat terbakar pada pemantik api secara baik dan merata. Lobang yang berada pada burner, merupakan lobang pemantik api, dimana pada lobang inilah awal dari proses pengatomisasian nyala api. Perawatan burner yaitu setelah selesai pengukuran dilakukan, selang aspirator dimasukkan ke dalam botol yang berisi aquabides selama ±15 menit, hal ini merupakan proses pencucian pada aspirator dan burner setelah selesai pemakaian. Selang aspirator digunakan untuk menghisap atau menyedot larutan sampel dan standar yang akan diuji. Selang aspirator berada pada bagian selang yang berwarna oranye di bagian kanan burner. Sedangkan selang yang kiri, merupakan selang untuk mengalirkan gas asetilen. Logam yang akan diuji merupakan logam yang berupa larutan dan harus dilarutkan terlebih dahulu dengan menggunakan larutan asam nitrat pekat. Logam yang berada di dalam larutan, akan mengalami eksitasi dari energi rendah ke energi tinggi.
18
Nilai eksitasi dari setiap logam memiliki nilai yang berbeda-beda. Warna api yang dihasilkan berbeda-beda bergantung pada tingkat konsentrasi logam yang diukur. Bila warna api merah, maka menandakan bahwa terlalu banyaknya gas. Dan warna api paling biru, merupakan warna api yang paling baik, dan paling panas. f.
Buangan pada AAS Buangan pada AAS disimpan di dalam drigen dan diletakkan terpisah pada AAS.
Buangan dihubungkan dengan selang buangan yang dibuat melingkar sedemikian rupa, agar sisa buangan sebelumnya tidak naik lagi ke atas, karena bila hal ini terjadi dapat mematikan proses pengatomisasian nyala api pada saat pengukuran sampel, sehingga kurva yang dihasilkan akan terlihat buruk. Tempat wadah buangan (drigen) ditempatkan pada papan yang juga dilengkapi dengan lampu indicator. Bila lampu indicator menyala, menandakan bahwa alat AAS atau api pada proses pengatomisasian menyala, dan sedang berlangsungnya proses pengatomisasian nyala api. Selain itu, papan tersebut juga berfungsi agar tempat atau wadah buangan tidak tersenggol kaki. Bila buangan sudah penuh, isi di dalam wadah jangan dibuat kosong, tetapi disisakan sedikit, agar tidak kering. g. Monokromator Berfungsi mengisolasi salah satu garis resonansi atau radiasi dari sekian banyak spectrum yang dahasilkan oleh lampu piar hollow cathode atau untuk merubah sinar polikromatis menjadi sinar monokromatis sesuai yang dibutuhkan oleh pengukuran. Macam-macam monokromator yaitu prisma, kaca untuk daerah sinar tampak, kuarsa untuk daerah UV, rock salt (kristal garam) untuk daerah IR dan kisi difraksi. h. Detector Dikenal dua macam detector, yaitu detector foton dan detector panas. Detector panas biasa dipakai untuk mengukur radiasi inframerah termasuk thermocouple dan bolometer. Detector berfungsi untuk mengukur intensitas radiasi yang diteruskan dan telah diubah
19
menjadi energy listrik oleh fotomultiplier. Hasil pengukuran detector dilakukan penguatan dan dicatat oleh alat pencatat yang berupa printer dan pengamat angka. Ada dua macam deterktor sebagai berikut:
Detector Cahaya atau Detector Foton
Detector foton bekerja berdasarkan efek fotolistrik, dalam halini setiap foton akan membebaskan elektron (satu foton satu electron) dari bahan yang sensitif terhadap cahaya. Bahan foton dapat berupa Si/Ga, Ga/As, Cs/Na.
Detector Infra Merah dan Detector Panas
Detector infra merah yang lazim adalah termokopel. Efek termolistrik akan timbul jika dua logam yang memiliki temperatur berbeda disambung jadi satu.
2.5 Cara kerja spektrofotometer serapan atom a. Pertama-tama gas di buka terlebih dahulu, kemudian kompresor, lalu ducting, main unit, dan komputer secara berurutan. b. Di buka program SAA (Spectrum Analyse Specialist), kemudian muncul perintah ”apakah ingin mengganti lampu katoda, jika ingi n mengganti klik Yes dan jika tidak No. c. Dipilih yes untuk masuk ke menu individual command, dimasukkan nomor lampu katoda yang dipasang ke dalam kotak dialog, kemudian diklik setup, kemudian soket lampu katoda akan berputar menuju posisi paling atas supaya lampu katoda yang baru dapat diganti atau ditambahkan dengan mudah. d. Dipilih No jika tidak ingin mengganti lampu katoda yang baru. e. Pada program SAS 3.0, dipilih menu select element and working mode.Dipilih unsur yang akan dianalisis dengan mengklik langsung pada symbol unsur yang diinginkan f. Jika telah selesai klik ok, kemudian muncul tampilan condition settings. Diatur parameter yang
dianalisis dengan mensetting fuel flow :1,2 ; measurement;
concentration ; number of sample: 2 ; unit concentration : ppm ; number of standard : 3 ; standard list : 1 ppm, 3 ppm, 9 ppm. 20
g. Diklik ok and setup, ditunggu hingga selesai warming up. h. Diklik icon bergambar burner/ pembakar, setelah pembakar dan lampu menyala alat siap digunakan untuk mengukur logam. i. Pada menu measurements pilih measure sample. j. Dimasukkan blanko, didiamkan hingga garis lurus terbentuk, kemudian dipindahkan ke standar 1 ppm hingga data keluar. k. Dimasukkan blanko untuk meluruskan kurva, diukur dengan tahapan yang sama untuk standar 3 ppm dan 9 ppm. l. Jika data kurang baik akan ada perintah untuk pengukuran ulang, dilakukan pengukuran blanko, hingga kurva yang dihasilkan turun dan lurus. m. Dimasukkan ke sampel 1 hingga kurva naik dan belok baru dilakukan pengukuran. n. Dimasukkan blanko kembali dan dilakukan pengukuran sampel ke 2. o. Setelah pengukuran selesai, data dapat diperoleh dengan mengklikicon print atau pada baris menu dengan mengklik file lalu print. p. Apabila pengukuran telah selesai, aspirasikan air deionisasi untuk membilas burner selama 10 menit, api dan lampu burner dimatikan, program pada komputer dimatikan, lalu main unit AAS, kemudian kompresor, setelah itu ducting dan terakhir gas.
2.6 Metode Analisis Adatiga teknik yang biasa dipakai dalam analisis secara spektrometri. Ketiga teknik tersebut adalah: a. Metode Standar Tunggal Metode ini sangat praktis karena hanya menggunakan satu larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya (Cstd). Selanjutnya absorbsi larutan standar (Asta) dan absorbsi larutan sampel (Asmp) diukur dengan spektrometri. Dari hukum Beer diperoleh:
21
A std b
bctsd
A smp
A std
b
C std
bc smp
A smp
c smp
Sehingga, Astd/Cstd = Csmp/Asmp -> Csmp = (Asmp/Astd) x Cstd Dengan mengukur absorbansi larutan sampel dan standar, konsentrasi larutan sampel dapat dihitung. b. Metode kurva kalibrasi Dalam metode ini dibuat suatu seri larutan standar dengan berbagai konsentrasi dan absorbansi dari larutan tersebut diukur dengan AAS. Langkah selanjutnya adalah membuat grafik antara konsentrasi(C) dengan absorbansi (A) yang y ang merupakan garis lurus yang melewati titik nol dengan slobe =
∈. atau = a.b. konsentrasi larutan sampel dapat dicari setelah
absorbansi larutan sampel diukur dan diintrapolasi ke dalam kurva kalibrasi atau dimasukkan ke dalam persamaan garis lurus yang diperoleh dengan menggunakan program regresi linewar pada kurvakalibrasi. c. Metode adisi standar Metode ini dipakai secara luas karena mampu meminimalkan kesalahan yang disebabkan oleh perbedaan kondisi lingkungan (matriks) sampel dan standar. Dalam metode ini dua atau lebih sejumlah volume tertentu dari sampel dipindahkan ke dalam labu takar. Satu larutan diencerkan sampai volume tertentu kemudiaan larutan yang lain sebelum diukur absorbansinya ditambah terlebih dahulu dengan sejumlah larutan standar tertentu dan diencerkan seperti pada larutan yang pertama. Menurut hukum Beer akan berlaku hal-hal berikut: A x
kC k
AT
k C s
C x
22
Dimana, Cx = konsentrasi zat sampel Cs = konsentrasi zat standar yang ditambahkan ke larutan sampel Ax = absorbansi zat zat sampel (tanpa (tanpa penambahan penambahan zat standar) standar) AT = absorbansi zat zat sampel + zat standar Jika kedua rumus digabung maka akan diperoleh
C x
A x C s A A x T
Konsentrasi zat dalam sampel (Cx) dapat dihitung dengan mengukur Ax dan AT dengan spektrometri. Jika dibuat suatu seri penambahan zat standar dapat pula dibuat grafik antara AT lawan Cs garis lurus yang diperoleh dari ekstrapolasi ke AT = 0, sehingga diperoleh: Cx = Cs x {Ax/(0-Ax)} ; Cx = Cs x (Ax/-Ax) Cx = Cs x (-1) atau Cx = -Cs Salah satu penggunaan dari alat spektrofotometri serapan atom adalah untuk metode pengambilan sampel dan analisis kandungan logam Pb di udara. Secara umum pertikulat yang terdapat diudara adalah sebuah sistem fase multi kompleks padatan dan partikel-partikel cair dengan tekanan uap rendah dengan ukuran partikel antara 0,01 – 100 – 100 μm.
2.7 Keuntungan danKelemahan Metode AAS Keuntungan Keuntungan metode AAS dibandingkan dengan spektrofotometer biasa yaitu spesifik, batas deteksi yang rendah dari larutan yang sama bisa mengukur unsur-unsur yang berlainan, pengukurannya langsung terhadap contoh, output dapat langsung dibaca, cukup ekonomis, dapat diaplikasikan pada banyak jenis unsur, batas kadar penentuan luas (dari ppm sampai %). Sedangkan kelemahannya yaitu pengaruh kimia dimana AAS tidak mampu menguraikan zat menjadi atom misalnya pengaruh fosfat terhadap Ca, pengaruh ionisasi yaitu
23
bila atom tereksitasi (tidak hanya disosiasi) sehingga menimbulkan emisi pada panjang gelombang yang sama, serta pengaruh matriks misalnya pelarut.
2.8 Gangguan-gangguan dalam metode AAS a. Ganguan kimia Gangguan kimia terjadi apabila unsur yang dianailsis mengalami reaksi kimia dengan anion atau kation tertentu dengan senyawa yang refraktori, sehingga tidak semua analiti dapat teratomisasi. Untuk mengatasi gangguan ini dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1) penggunaan suhu nyala yang lebih tinggi, 2) penambahan zat kimia lain yang dapatmelepaskan kation atau anion pengganggu dari ikatannya dengan analit. Zat kimia lai yang ditambahkan disebut zat pembebas ( Releasing Agent ) atau zat pelindung ( Protective ). Agent ). b. Gangguang Matrik Gangguan ini terjadi apabila sampel mengandung banyak garam atau asam, atau bila pelarut yang digunakan tidak menggunakan pelarut zat standar, atau bila suhu nyala untuk larutan sampel dan standar berbeda. Gangguan ini dalam analisis kualitatif tidak terlalu bermasalah, tetapi sangat mengganggu dalam analisis kuantitatif. Untuk mengatasi gangguan ini dalam analisis kuantitatif dapat digunakan cara analisis penambahan standar (Standar Adisi). c. Gangguan Ionisasi Gangguan ionisasi terjadi bila suhu nyala api cukup tinggi sehingga mampu melepaskan electron dari atom netral dan membentuk ion positif. Pembentukan ion ini mengurangi jumlah atom netral, sehingga isyarat absorpsi akan berkurang juga. Untuk mengatasi masalah ini dapat dilakukan dengan penambahan larutan unsur yang mudah diionkan atau atom yang lebih elektropositif dari atom yang dianalisis, misalnya Cs, Rb, K dan Na. penambahan ini dapat mencapai 100-2000 ppm.
24
d. Absorpsi Latar Belakang (Back Ground) Absorbsi Latar Belakang (Back Ground) merupakan istilah yang digunakan untuk menunjukkan adanya berbagai pengaruh, yaitu dari absorpsi oleh nyala api, absorpsi molecular, dan penghamburan cahaya.
2.9 Analisis Kuantitatif a. Penyiapan sampel Penyiapan sampel sebelum pengukuran tergantung dari jenis unsur yang ditetapkan, jenis substratdarisampeldancaraatomisasi. Pada kebanyakan sampel ha lini biasanya tidak dilakukan, bila atomisasi dilakukan menggunakan batang grafik secara elektrotermal karena pembawa (matriks) dari sampel dihilangkan melalui proses pengarangan (ashing) sebelum atomisasi. Pada atomisasi dengan nyala, kebanyakan sampel cair dapat disemprotkan langsung kedalam nyala setelah diencerkan dengan pelarut yang cocok. Sampel padat baiasanya dilarutkan dalam asam tetanol adakalanya didahului dengan peleburan alkali. b. Analisa kuantitatif Pada analisis kuantitatif ini kita harus mengetahui beberapa hal yang perlu diperhatikan sebelum menganalisa. Selain itu kita harus mengetahui kelebihan dan kekurangan pada AAS. Beberapa hal yang perlu diperhatikan sebelum menganalisa: -
Larutan sampel diusahakan seencer mungkin (konsentrasi ppm atau ppb).
-
Kadar unsur yang dianalisis tidak lebih dari 5% dalam pelarut yang sesuai.
-
Hindari pemakaian pelarut aromatic atau halogenida. Pelarut organic yang umum digunakan adalah keton, ester dan etilasetat.
-
Pelarut yang digunakan adalah pelarut untuk analisis (p.a)
25
Langkah analisis kuantitatif: -
Pembuatan Larutan Stok dan Larutan Standar
-
Pembuatan Kurva Baku
Persamaan garis lurus : Y = a + bx dimana: a = intersep b = slope x = konsentrasi Y = absorbansi Penentuan kadar sampel dapat dilakukan dengan memplotkan data absorbansi terhadap konsentrasi atau dengan cara mensubstitusikan absorbansi kedalamp ersamaan garis lurus(Sumar Hendayana, dkk, 1994)
26
PENUTUP Kesimpulan Dari penjelasan-penjelasan tersubut maka dapat diatarik kesimpulan bahwa Spektromerti Serapan Atom didasarkan pada besarnya energi yang diserap oleh atom-atom netral dalam keadaan gas Agar intensitas awal sinar (Po) dan sinar yang diteruskan (P)dapat diukur, maka energy sinar pengeksitasi harus sesuai dengan energy eksitasi atom penyerap dan energy penyerap ini diperoleh melalui sinar lampu katoda berongga. Lampu katoda berongga ada yang bersifat single element dan ada yang bersifat multi element. Salah satu alat yang sangat berperan penting dalam AAS adalah Copper yang berfungsi untuk membuat sinar yang dating dari sumber sinar berselang – seling sehingga sinar yang dipancarkan juga akan berselang - seling. AAS memiliki keakuratan yang tinggi pada analisis kualitatif Beberapa jenis gangguan dengan cara AAS pada analisis kuantitatif
Gangguankimia
Gangguanmatrik
Gangguanionisasidan
Gangguan background
27
DAFTAR PUSTAKA Adam Wiryawan., dkk. 2007. Kimia Analitik . Departemen Pendidikan Nasional. Jakarta
Sumar Hendayana, dkk, 1994, Kimia Analitik Instrumen, IKIP Semarang.
Surface Area Analyzer A. Penjelasan Alat Surface Area Analyzer (SAA) merupakan salah satu alat utama dalam karakterisasi material. Alat ini khususnya berfungsi untuk menentukan luas permukaan material, distribusi pori dari material dan isotherm adsorpsi suatu gas pada suatu bahan. Alat ini prinsip kerjanya menggunakan mekanisme adsorpsi gas, umumnya nitrogen, argon dan helium, pada permukaan suatu bahan padat yang akan dikarakterisasi pada suhu konstan biasanya suhu didih dari gas tersebut. Alat tersebut pada dasarnya hanya mengukur jumlah gas yang dapat diserap oleh suatu permukaan padatan pada tekanan dan suhu tertentu. Secara sederhana, jika kita mengetahui berapa volume gas spesifik yang dapat diserap oleh suatu permukaan padatan pada suhu dan tekanan tertentu dan kita mengetahui secara teoritis luas permukaan dari satu molekul gas yang diserap, maka luas permukaan total padatan tersebut dapat dihitung. Tentunya telah banyak teori dan model perhitungan yang dikembangkan para peneliti untuk mengubah data yang dihasilkan alat ini berupa jumlah gas yang diserap pada berbagai tekanan dan suhu tertentu (disebut juga isotherm) menjadi data luas permukaan, distribusi pori, volume pori dan lain sebagainya. Misalnya saja untuk menghitung luas permukaan padatan dapat digunakan BET teori, Langmuir teori, metode t-plot, dan lain sebagainya. Yang paling banyak dipakai dari teori – teori tersebut adalah BET (lihat pada kategori dasar teori).
28
Gambar 1. SAA (Surface Area Analyzer) Gambar 1 diatas adalah contoh alat SAA dari perusahaan Quantachrome dengan seri Autosorb-1. Gambar A adalah port untuk keperluan degassing. Seri ini memiliki 2 port untuk keperluan itu. Tampak satu port sedang dipakai untuk degassing sampel yang diletakkan dalam tabung dan diselimuti bagian bawah tabung dengan mantel pemanas. Gambar B adalah port analisa yang pada gambar baru tidak terpakai. Gambar C adalah kontainer untuk menampung zat pendingin. Jika kita memakai gas nitrogen maka kita perlu memakai nitrogen cair dengan suhu sekitar 77 K. Jika memakai argon maka kita perlu argon cair. Sehingga mungkin ini menjadi kendala juga ketika akan mengoperasikan alat ini di Indonesia yang belum punya banyak instalasi gas dalam kondisi cairnya. Sedangkan gambar D adalah panel yang menunjukkan layout dari proses analisa dilengkapi indikator – indikator lampu yang dapat menandakan setiap valve dalam posisi dibuka atau ditutup.
B. Persiapan Sampel Preparasi sampel untuk analisa luas permukaan cukup sederhana. Namun juga tergantung dari seri alat, biasanya seri lama mengharuskan bahan dipeletkan terlebih dahulu
29
agar tidak menghasilkan debu yang dapat merusak alat. Namun pada versi baru alat sudah diberi pengaman sehingga sampel berbentuk serbuk langsung dapat dianalisa. Hanya saja perlu diperhatikan jika sampel terlalu ringan maka akan terjadi peristiwa elutriasi pada saat tabung sampel dikenai tekanan vakum yang dapat mempengaruhi hasil analisa. Solusinya disamping dipeletkan, dapat juga dengan memakai tabung sampel yang sesuai. Biasanya alat ini memberikan banyak alternatif bentuk tabung yang spesifik untuk kondisi sampel tertentu. Beberapa jenis tabung sampel disajikan pada gambar dibawah ini. Tabung yang memiliki tempat sampel besar biasanya dipakai untuk serbuk sedangkan yang kecil untuk pelet atau serbuk yang tidak mudah melayang.
Gambar 2. Wadah sampel Alat ini hanya memerlukan sampel dalam jumlah yang kecl. Biasanya berkisar 0.1 sampai 0.01 gram saja. Persiapan utama dari sampel sebelum dianalisa adalah dengan menghilangkan gas – gas yang terserap (degassing). Alat surface area analyzer ini terdiri dari dua bagian utama yaitu Degasser dan Analyzer. Degasser berfungsi untuk memberikan perlakuan awal pada bahan uji sebelum dianalisa. Fungsinya adalah untuk menghilangkan gas – gas yang terserap pada permukaan padatan dengan cara memanaskan dalam kondisi vakum. Biasanya degassing dilakukan selama lebih dari 6 jam dengan suhu berkisar antara 200 – 300C tergantung dari karakteristik bahan uji.
30
Namun jika tidak ada waktu degassing selama 1 jam juga sudah memenuhi yang biasanya alat ini dilengkapi dengan metode pengecekan kesempurnaan proses degassing dengan menekan tombol tertentu pada komputer pengendali. Kemudian setelah dilakukan degassing maka bahan uji dapat dianalisa. Proses degassing dilakukan dengan cara menutup ujung tabung berisi sampel dengan mantel pemanas dan ujung atas dihubungkan dengan port degas seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 3. Pengkondisian sampel
C. Proses Analisa Setelah sampel selesai didegas, maka dapat langsung dianalisa. Sebelum analisa tentunya perlu ditimbang berat sampel setelah degas. Supaya benar – benar diketahui berat sampel sebenarnya setelah dibersihkan dari gas – gas yang terjerap. Kemudian yang perlu dilakukan sebelum nenjalankan analisa biasanya adalah mengisi kontainer pendingin dengan gas cair. Kemudian mengeset kondisi alalisa. Waktu analisa bisa berkisar antara 1 jam sampai lebih dari 3 hari untuk satu sampel. Jika hanya ingin mengetahui luas permukaan maka kita hanya membutuhkan 3 – 5 titik isotherm sehingga proses analisa menjadi singkat. Namun jika kita ingin mengetahui distribusi pori khususnya material yang mengandung pori ukuran mikro (< 20A) maka memerlukan 2 – 3 hari untuk satu kali analisa dengan menggunakan gas nitrogen sebagai adsorbennya. Sebenarnya waktu analisa bisa dipersingkat jika kita menggunakan jenis gas lain misalnya CO2. Sebenarnya alat ini sangat mudah dioperasikan karena bersifat ototmatis. Untuk memulai analisa setelah mengisi data – data mengenai berat sampel dan berapa titik amalisa
31
yang diinginkan dilakukan dengan memencet tombol pada software di komputer pengendali. Proses analisa selesai secara otomatis akan kembali ke posisi semula.
D. Contoh Hasil Analisa Hasil analisa disajikan dalam grafik ataupun tabulasi. Alat ini dilengkapi dengan perangkat lunak yang dapat menghitung hampir semua data yang diperlukan seperti: luas permukaan, volume pori, distribusi pori dengan berbagai metode perhitungan.dibawah ini contoh tampilan isotherm dari karbon aktif dengan perhitungan PSD nya ditampilkan dalam grafik.
Gambar 4. Hasil analisa Alat ini harganya relatif mahal lebih dari 800 juta rupiah untuk dapat memilikinya. Kemudian biaya operasionalnya cukup mahal juga karena membutuhkan gas dalam fase cair. Namun sepengetahuan penulis di Indonesia sudah ada beberapa institusi penelitian yang memilikinya meski masih seri lama dari alat ini. (http://materialcerdas.wordpress.com/alat-karakterisasi/surface-area-analyzer/)
32
PENGUKURAN A. LUAS PERMUKAAN Luas permukaan merupakan luasan yang ditempati satu molekul adsorbat/zat terlarut yang merupakan fungsi langsung dari luas permukaan sample. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa luas permukaan merupakan jumlah pori disetiap satuan luas dari sample dan luas permukaan spesifiknya merupakan luas permukaan per gram. Luas permukaan dperngaruhi oleh ukuran partikel/pori, bentuk pori dan susunan pori dalam partikel (Martin dkk, 1993). Pengukuran luas permukaan zat padat dengan alat Surface Area Analyser merupakan metode adsorpsi gas. Adsorpsi yang terjadi termasuk jenis adsorpsi fisik dan merupakan jenis adsorpsi system gas padat. Adsorpsi gas dengan zat padat berlangsung pada temperatur nitrogen cair (-196 oC) (Nurwijayadi, 1998). Zat yang menyerap disebut adsorben dan zat yang terserap disebut adsorbat. Proses adsorpsi dipengaruhi oleh lima faktor yaitu (Jankwoska dkk, 1991) : -
karakteristik fisik dan kimiawi adsorben (luas permukaan dan ukuran pori)
-
karakteristik fisik dan kimiawi adsorbat (ukuran molekul dan polaritas molekul)
-
konsentrasi adsorbat dalam larutan
-
karakteristik larutan (pH dan temperatur)
-
lama adsorpsi
Porositas dalam suatu material, dapat diklasifikasikan dalam dua jenis yatu porositas terbuka merupakan pori yang terhubung antara satu permukaan dengan permukaan yang lain dan porositas tertutup merupakan pori yang terisolasi dari bagian luar. Macam-macam Porositas Geologi 33
1. Porositas primer : sistem porositas utama atau porositas asli dalam sebuah batuan atau tanah endapan. 2. Porositas sekunder :sistem porositas terpisah dalam sebuah batuan dan seringkali meningkatkan keseluruhan porositas batuan. 3. Porositas pecahan: porositas ini dihubungkan jaringan yang pecah. Pecahan ini dapat menciptakan porositas sekunder dalam batuan. 4. Porositas Vuggy : porositas sekunder yang dihasilkan oleh makrofosil yang telah menjadi batuan karbonat yang memiliki lubang-lubang yang besar. 5. Porositas Efektif : juga disebut porositas terbuka adalah perbandingan antara volume total dimana fluida yang mengalir menempati (terjebak dalam) volume ini secara efektif. Porositas ini sangat penting untuk aliran air bawah tanah (groundwater) dan minyak. 6. Porositas ganda : terjadi karena adanya dua reservoir yang saling tumpang tindih dan berinteraksi satu sama lain. Contohnya pada lapisan batu yang terpecah. 7. Makropori : pori yang memiliki diameter lebih dari 50 nm. Aliran yang melalui makropori dinamakan difusi bulk. 8. Mesopori : pori dengan diameter lebih dari 2 nm dan kurang dari 50 nm. Aliran melalui mesopori disebut difusi Knudsen. 9. Mikropori : pori dengan diameter kurang dari 2 nm. Aliran melalui mikropori disebut difusi aktif Pengukuran Porositas. Sifat-sifat yang perlu diamati dari suatu material berpori antara lain : 1. Massa jenis Massa jenis didefenisikan sebagai ukuran dari massa tiap satuan volume. Semakin besar massa jenis suatu objek, maka semakin besar pula massa tiap satuan volumenya. 2. Porositas Porositas merupakan perbandingan antara volume pori total dengan volume total sampel. Volume pori dapat diketahui dengan metode saturasi air. Pada metode ini 34
sampel ditimbang terlebih dahulu. Berat ini disebut berat kering (Wd). Sampel kemudian direndam di dalam air hingga seluruh pori dalam sampel terisi air. Sampel kemudian ditimbang kembali. Berat sampel pada saat basah ini disebut berat basah (Ww). Porositas dapat dihitung dengan persamaan berikut: Porositas= (Ww-Wd)/Vsampel x 100% (1) Distribusi ukuran pori (pore size distribution) juga merupakan parameter penting di dalam kajian karakterisasi katalis. Sifat-sifat pori dalam katalis pada kenyataannya sangat mengendalikan fenomena perpindahan dan berhubungan sekali dengan selektifitas di dalam reaksi katalitik. Sifat-sifat pori seperti volume pori dan distribusi ukuran pori selanjutnya menjadi parameter penting terutama untuk katalis yang bersifat selektif terhadap bentuk dan ukuran pori (shape selective catalysis). Metode penyerapan gas biasanya digunakan untuk mengkarakterisasi material berpori yang berukuran mesopori (diameter 2-50 nm) dan mikropori (diameter <2 nm). Persoalan mengenai tahanan difusi pori, dan deaktifasi katalis dapat dipelajari dari bentuk dan ukuran porinya. (http://maisiregar.blogspot.com/2010/05/material-berpori.html)
B. METODE BET (BRUNAEUR-EMMET-TELLER) Metode ini menganggap bahwa molekul padatan yang paling atas berada pada kesetimbangan dinamis. Ini berarti jika permukaan hanya dilapisi oleh satu molekul saja, maka molekul-molekul gas ini berada dalam kesetimbangan dalam fase uap padatan. Jika terdapat dua atau lebih lapisan, maka lapisan teratas berada pada kesetimbangan dalam fase uap padatan. Bentuk isoterm tergantung pada macam gas adsorbat,, sifat adsorben dan sturktur pori. Gejala yang diamati pada adsorpsi isoterm berupa adsorpsi lapisan molekul tunggal, adsorpsi lapisan molekul ganda dan kondensasi dalam kapiler. Persamaan BET dapat ditulis sebagai berikut : 1 W (( p0 / p ))
Dengan :
1 W m c
(c 1) p W m c p0
p/p0
= tekanan ralatif
W
= berat gas yang diserap (adsorben) pada tekanan relative 35
(2)
Wm
= berat gas adsorbat yang membentuk lapisan monolayer
C
= tetapan/konstanta BET
Konstanta c berhubungan berhubungan dengan energi (tenaga) adsorpsi permukaan adsorben yang pertama kali dan harga itu menunjukkan besarnya interaksi antara adsorbat (Gregg dan Sing, 1982). Jika diplot grafik garis lurus, maka kemiringan garis grafik tersebut dapat diperoleh dengan persamaan s l
(c 1)
W m c
(3)
Dan intersep i
1
W m c
(4)
Dengan menggabungkan menggabungkan persamaan kemiringan dan intersep diperoleh hubungan W m
1
s
i
(5)
Dengan menggunakan menggunakan adsorben gas nitrogen (N 2) pada temperatur 77 K naka luas tampang lintang a cs = 16,2 x 10-20 m2 atau 16,2 Å2. dengan demikian diperoleh luas l uas permukaan : At
Dengan
W m L acs
M
At
= luas permukaan total dari sampel (m2/g)
Wm
= berat adsorbat pada lapisan monolayer (g)
L
= bilangan Avogadro (6,23 x 1023 mol-1)
M
= berat adsorbat yang diberikan (g/mol)
acs
= luas penampang penampang lintang (16,2 x 10-20 m2)
(6)
Luas permukaan spesifik diperoleh dari luas permukaan per gram sampel/adsorben A s
At b s
36
(7)
Dengan bs merupakan berat sampel. Sedangkan luas permukaan spesifik dengan persamaan gas idel diperoleh (Nurwijayadi, 1998): W m
PVM
(1 ( p / p0 ))
(8)
(1 ( p / p0 ))
(10)
RT
Dan luas permukaan A s
PVNacs RT RT
C. JARI-JARI DAN VOLUME PORI Persamaan mengenai jari-jari diturunkan oleh Kelvin sebagai berikut (Vooys, 1983): r m
2 V L
R g T ln
Dengan
:
p
(11)
p 0
r m = radius meniscus dari adsorben yang terkondensasi terkondensasi dalam pori
(Å) VL = volume molar adsorbat dalam keadaan cair (34,68 cm 3/mol)
= tegangan permukaan kondensat (8,88 x 10 -3 N/m
Rg = tetapan gas (8,314 J/mol K = 0,082 atm.ltr/mol K) T = temperatur absolute (K) Jari-jari pori (r p) diperoleh dari penjumlahan antara jari-jari teras (r k) dan tebal film (t) yang dapat ditulis r p = r k + t
(12)
Hubungan tebal film degan berat adsorbat diungkapkan oleh Hesley melalui persamaan berikut : t
W W m
37
(13)
Dengan σ = tebal film pada lapisan molekul tunggan (3,54 Å untuk N 2).
Sedangkan hubungan hubungan jari-jari pori terhadap volume pori adalah: p
Dengan
Q
Q ( V i
f )
(14)
= factor konversi volume teras ke dalam volume pori yang merupakan fungsi dari bentuk dan tebal pori Q
r i r i
V i
p
p
t i
(15)
= total jumlah adsorbat dilihat dari isotherm yang merupakan jumlah adsorbat (N2)
f
= volume film yang dinyatakan sebagai (Gregg dan Sing, 1982) : f
Dimana,
Aw
ti
2 (l ) ti ti
(16)
Aw
= luas daerah dinding pori (m2)
l
= panjang dinding pori (m)
ti
= tebal film (m)
D. APLIKASI PENGUKURAN Skripsi yang dutulis oleh Desak Putu Alit Yastuti (F1B103004) dengan judul “PENGARUH TEMPERATUR AKTIVASI TERHADAP KARAKTERISTIK ARANG AMPAS SAGU TERAKTIVASI TiO 2 DAN RESPONNYA TERHADAP KELEMBABAN” Hasil pengukurannya yaitu No.
T aktivasi (oC)
Luas Permukaan (m2)
Luas Spesifik (m2/g)
Jari-Jari Pori (Å)
Volume cc/g
1.
400
2,763
49,664
21,796
54,124
2.
450
2,659
39,109
20,349
39,792
38
3.
500
3,079
44,109
16,793
37,035
4.
550
4,286
77,926
18,831
73,370
5.
600
4,779
55,570
16,907
46,978
Degassing dengan tekana 10 -6 mmHg Adsorban dengan N 2 dan inert He Adsorpsi dengan temperatur 77K
DAFTAR PUSTAKA Gregg, S.J. and Sing, K.S.W., 1982. Adsorpsi, Surface and Porosity, 2 ed, Academic Press, London. Jankwoska, H., Swiatkowski, A., and Choma, J., 1991. Activated Carbon, Ellis Howood Limited, England. Martin. A. Swarbrik, J., dab Cammarata, A, 1993. Farmasi Fisik Dasar-Dasar Farmasi Fisik dalam Ilmu Farmasi, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta.
Nurwijayadi, 1998. Petunjuk Praktikum Metalurgi Bahan Bakar Nuklir Pengukuran Luas Muka, Pusat Pendidikan dan Latihan Badan Tenaga Atom Nasional, Yogyakarta. Vooys, F.de, 1983. The Pore Zise Distribution of Activated Carbon In Activated Carbon a Fascinating Material, Norit N. V,
Netherland.
SPEKTROMETER FTIR ( Fourier Transform Infa Red)
39
Spektroskopi inframerah merupakan salah satu alat yang banyak dipakai untuk mengidentifikasi senyawa, baik alami maupun buatan. Dalam bidang fisika bahan, seperti bahan-bahan polimer, inframerah juga dipakai untuk mengkarakterisasi sampel. Suatu kendala yang menyulitkan dalam mengidentifikasi senyawa dengan inframerah adalah tidak adanya aturan yang baku untuk melakukan interpretasi spektrum. Karena kompleksnya interaksi dalam vibrasi molekul dalam suatu senyawa dan efek-efek eksternal yang sulit dikontrol seringkali prediksi teoretik tidak lagi sesuai. Pengetahuan dalam hal ini sebagian besar diperoleh secara empiris dan pengalaman. FTIR merupakan salah satu sat Spektrofotometer infa merah yang digunakan untuk mengidentifikasi jenis ikatan kimia ( gugus fungsional) suatu sample. Pada dasarnya Spektrofotometer fourier infa red ( di singkat FTIR) adalah sama dengan Spektrofotometer Infa Red Dispersi, yang membedakannya adalah pengembangan pada sistim optiknya sebelum berkas sinar infa merah melewati contoh. Dasar pemikiran dari spekttrofotometer Fourier Transform Infa Red adalah persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Jean Transform Joseph Fourier (1768-1830) seorang ahli matematika dari perancis. . Skema prinsip kerja FTIR dapat ditunjukan pada gambar dibawah ini
40
Gamabar 1 skema Spektrofotometer FTIR Spectrum FTIR berada pada kisaran bilangan darin10-13.000 cm1(noerdin, 1986). Penggunaan spektrofotometer FTIR yang ditunjukan untuk identivokasi suatu senyawa.spektrum ii ditimbulkan oleh adanya interaksi antara vibrasi molekul dengan radiasi elektromagnetik. Deteksi dan analisis inti denga FTIR memanfaatkan interferometer Michelson yang mengandung adanya frekwensi dalam sinyal gangguan.Interferometer Michelson mengubah komponen tertentu dalam sinyal menjadi berbagai intesitas radiasi yang mencapai detector. Sinyal atas radiasi yang menjangkau sejumlah bilangan gelombang yang luas dan intesitas yang berisolasi seperti ditunjukan pada gambar di bawah ini. Keuntungan prosedur ini adalah kepekaannya lebih besar karena detector monitor seluruh spectrum secara bersamaan, bukan hanya sau frekwensi setiap saat,
41
Gambar 2 interferometer Michelson
Interferometer Michelson terdiri dari sebuah pemecah berkas (beam splitter) yang datang dari sumber serta dua buah cermin,yang satu dapat digerakan (mowable mirror) dan satu tetap ( fixed mirror ) cahaya yang datang dari sumber terbagi oleh beam splitter ke cermin tetap dan cermin yang dapat bergerak. Berkas caaya darikedua cermin dengan selisih lintasan p digabungkan kembali oleh beam splitter.sinyal yang didetksi oleh detector berosilasi saat kedua komponen bergantian masuk dan saat keluar dan keluar fase p berubah. Jika radiasi mempunyai bilangan gelombang (k) maka sinyal terdeteksi bervariasi terhadap p adalah:
42
I(p)= Ik cos 2 Π(v)p………………………………………..(1) Jadi interferometer mengubah komponen tertentu dalam sinyal menjadi berbagai nilai inesitas radiasi yang menujuu sampel. Inesitas tersebut kemudian dideteksi oleh detector. Sinyal yang seebnarnya terdiri atas radiasi yang menjangkau sejumlah bilangan gelombang yang luas. Inetsitas total yang terbaca oleh detector merupakan jumlah semua intesitas yng berosilasi adalah:
I ( p) I (v) cos 2 k p dῡ [v] cos 2∏
kρ ∂k ………………………………..(2)
0
Variasi itensif I(v) dengan bilangan gelombang :
I (k )
I (v) cos 2 kρ ∂k ……………………………………………………………(3) 0
Dimana
v
1
, dengan λ adalah panjang gelombangn
Detektor meneruskan informasinya ke perekam yang menghasilkan spektrum. Data diproses ditransfer menggunakan software menggunakan software tertentu. Hasil FTIR berupa spectrum infra merah yang menunjukkan hubungan antara transmitansi (T) dan bilangan gelombang, dimana spektrum transmisi ditentukan melalui (Atkins,1999): % T = I/Io …………………………………………………..(4) Bila suatu zat pada sampel menyerap foton-foton radiasi, maka banyaknya foton yang berhasil sampel akan lebih rendah daripada jumlah foton mula-mula. Serapan atau absorbsi ini akan diamati sebagai penurunan itensitas atau kuantitas radiasi yang ditunjukkan dalam melewati % T dan nampak sebagai sumur ( deep), yang disebut puncak serapan (absorbtion peak). CARA KERJA ALAT SPEKTROFOTOMETER
43
•
Cara kerja alat spektrofotometer FTIR yang dilengkapi dengan cermin yang bergerak tegak lurus dan cermin yang diam.
•
Dengan demikian radiasi demikian radiasi infa merah akan menimbulkan perbedaan jarak yang yang ditempuh menuju yang bergerak dan jarak cermin yang ditempuh menuju cermin yang bergerak dan jarak cermin yang diam disebut sebagai retardasi dan hubungan antara intesitas radiasi IR yang diterima detector terhadap retardasi di sebut interferogram.
•
Pada sistim optic FTIR di gunakan LASER (Light Amplilifaction by Stimulated Emmission of radiation) yang berfunsi sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi infa red agar sinyal radiasi infa merah yang diterima oleh detector secara utuh dan lebih baik.
•
Detektor yang digunakan dalam Spektrofotometer FTIR adala TGS ( Tetra Glycerine Sulphate ) atau MCT ( Mercuri Cadmium Telluride). Detektor MCT lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan dibandingan detector TGS,yaitu ynag memberikan respon yang lebih baik pada frekwnsi modulasi tinggi, lebih sensitive,lebih cepat, tidak dipengaruhi oleh temperature,sangat selektif terhadap energy vibarasi yang diterima dari infa merah. KEUNTUNGAN ALAT SPEKTROFOTOMETER Secara keseluruhan,analisis menggunakan spektrofotometer FTIR memiliki dua kelebihan utama dibandingkan metoda konvensional lainnya, yaitu:
Light
Amplilifaction by Stimulated Emmission of radiation). Yang sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi infra merah agar sinyal radiasi infa merah yang diterima oleh detector secara utuh dan lebih baik. 1. Dapat di gunakan pada semua frekwensi dari sumber cahaya secara simultan sehingga analisis dapat dilakuakan lebih cepat daripada menggunakan cara sekunsial atau scanning. 44
2. Sensitifitas dari metoda Spektrofotmeter FTIR lebih besar daripada cara disperse, sebab radiasi yang masuk ke sistim detector lebih banyak karena tanpa harus melalui celah ( stiles).( Giwangka S,2006).
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Alat Ukur Four-point probe (Probe empat titik disingkat FPP) adalah salah satu jenis alat yang biasa digunakan untuk mengukur nilai suatu lapisan bahan elektronika yaitu bahan semikonduktor seperti silicon, germanium,Galium arsinede
45
juga bahan logam dalam bentuk Thin film lapisan tipis) yang dipergunakan dalam pembuatan piranti elektronika. Thin Film adalah suatu lapisan yang sangat tipis dari suatu bahan (Organik, inorganic, logam maupun campuran logam-inorganik) yang memiliki sifat-sifat konduktor, semikonduktor, superkonduktor maupun insulator dengan ketebalan dari orde Angstrom hingga mikrometr (1 A = 10 -10). Seperti namanya, alat ukur ini didasarkan pada 4 probe dengan 2 probe yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dan 2 probe yang lain untuk mengukur tegangan listrik ketika probe-probe tersebut dikenakan pada bahan (sampel). Untuk menentukan serta mengkaji sifat-sifat dari suatu bahan dapat dilakukan dengan menentukan nilai resistivitas untuk suatu luasan dan ketebalan tertentu. Beberapa parameter lain yang dapat diperoleh dari pengukuran bahan dengan menggunakan peralatan ini antara lain adalah mengetahui jenis doping suatu bahan semikonduktor (positif dan negative), mobilitas elektron dari suatu bahan dan lain-lain. Meskipun berbagai merek alat FPP dapat dibeli di pasaran untuk kategori peralatan saintifik seperti misalnya merek Jandel Engineering dengan harga yang relatif tinggi, namun bagi keperluan pengukuran yang sederhana dimungkinan untuk men-desain sendiri alat tersebut dengan biaya pembuatan yang relatif murah dan tingkat akurasi yang komparatif. Sehingga keuntungan dari alat ini adalah selain kita dapat menedesain sendiri, biaya yang relative murah karena menggunakan alat dan bahan yang sederhana, alat ini juga dapat menentukan sifat dari suatu bahan (thin film). Oleh karena itu, pada makalah ini akan membahas skema pembuatan dari FPP dan prinsip kerja dari FPP itu sendiri serta penggunaannya dalam berbagai pengukuran.
B. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas, maka rumusan masalah pada makalah ini adalah: 1. Bagaimanakah skema dan prinsip kerja dari Four Point Probe (FPP)? 46
2. Apakah kegunaan dari FPP dan aplikasinya dalam berbagai pengukuran?
C. Tujuan Adapun tujuan yang hendak dicapai pada makalah ini adalah: 1. Dapat mengetahui skema dan prinsip kerja dari Four Point Probe (FPP) 2. Dapat mengetahui kegunaan dan aplikasinya dalam berbagai pengukuran
BAB II
47
PEMBAHASAN A. Skema dan Prinsip Kerja Alat Ukur Four-point probe (Probe empat titik disingkat FPP) adalah salah satu jenis alat yang biasa digunakan untuk mengukur nilai suatu lapisan bahan elektronika yaitu bahan semikonduktor seperti silicon, germanium, galium arsinede juga bahan logam dalam bentuk Thin film (lapisan tipis) yang dipergunakan dalam pembuatan piranti elektronika. Konfigurasi utama alat ukur FPP dapat diskemakan seperti pada Gambar 1 dimana keempat probe yang didesain dapat digerakkan naik dan turun. Gerakan turun dilakukan untuk meletakkan kesemua probe agar bersentuhan dengan permukaan sampel, sedangkan gerakan naik untuk melepaskan sentuhan probe dengan permukaan sampel.
Gambar 1. Skema Four Point Probe Mekanik gerakan probe (naik dan turun) tersebut biasanya ditopang oleh pegas (spring) untuk menghindari kerusakan permukaan sampel akibat tekanan yang terlalu kuat dari probe. Posisi ujung keempat-empat probe harus segaris, yaitu sewaktu diturunkan semua probe harus menyentuh permukaan sampel. Prinsip kerja dari alat ini adalah sebelum arus dialirkan melalui probe, keempat probe diturunkan sehingga menyentuh permukaan sampel. Setelah itu arus I dialirkan melalui probe 1 dan probe 4. Dengan cara seperti ini arus akan 48
didistribusikan secara laminer malalui sampel dari probe satu menuju probe yang lainnya. Pada daerah dimana probe dua dan tiga bersentuhan dengan sampel, tegangan “drop” diukur dengan Voltmeter. Dari variasi perubahan arus diberikan, akan diperoeh perubahan tegangan yang diukur. Aliran arus pada probe 2 dan 3 sangat kecil dan dapat diabaikan sebab tegangan yang diukur dengan menggunakan Voltmeter tegangan tinggi. Bila kita ingin mengukur resistivitas dari sebuah titik dari
bahan
semikonduktor kita dapat menggunakan metode empat tititk ini. Jika didalam bahan semikonduktor diberi medan listrik yaitu dengan memberikan beda potensial antara kedua ujungnya, maka elektron bebas yang ada dalam bahan tersebut akan bergerak menjadi aliran arus listrik. Suatu jajaran 4-probe diletakan semikonduktor yang akan diukur ρ nya. Sumber tegangan dipasang pada dua probe terluar untuk menghasilkan I. Sebuah Voltmetr dihubungkan pada kedua probe yang tengah yang masing-masing berjarak s untuk mengukur tegangan jatuh V, s dengan biasanya berjarak 0,5 mm atau 1,0 mm, bersesuaian dengan diameter dan ketebalan sampel. Demgan susunan tersebut, maka resistivitasnya dapat dihitung sebagai beriikut: = 4. (1) Persamaan (1) dapat berlaku secara tepat bila luas permukaan semikonduktor dimana probe dipasang adalah cukup besar dan bahan semikonduktor cukup tebal. Menurut Schroder bardasarkan untuk tegangan V pada jarak r dari sebuah elektroda yang membawa arus I dalam material resistivitas diberikan oleh persamaan:
(2) Untuk medium yang tak hingga diatas dimana arus masuk melelui probe 1 dan keluar melelui probe 4 maka tegangan menjadi: 1 1 V= 2 ( − ) (3) Dimana r 1 dan r 4 dalah jarak dari probe 1 sampai probe 4.
49
Untuk spasi probe s1, s2 dan s3, kita dapat menghitung tegangan pada masing-masing probe yaitu probe 2 dan probe 3 sehingga kita peroleh tegangan total dari probe 4 tersebut. Untuk tegangan pada probe 2 diperoleh: (4) Untuk tegangan pada probe 3 diperoleh:
(5) Sehingga diperoleh tegangan totalnya adalah :
(6) Maka resistivitasnya adalah:
(7)
B. Kegunaan dan Beberapa aplikasi Four Point Probe dalam Berbagai Pengukuran Four Point Probe mempunyai banyak
kegunaan, seperti yang telah
disampaikan diatas. Diantaranya adalah dengan alat ini kita dapat mengetahui nilai resistivitas dari suatu sampel yang diamati. Sehingga dari nilai resistivitasnya tersebut , kita dapat mengetahui nilai konduktivitasnya yang merupakan kebalikan dari resistivitas. Setelah konduktivitasnya kita ketahui maka sifat dari bahan atau sampel yang kita amati, juga dapat diketahui. Sifat bahan yang dimaksud adalah konduktor, isolator, semikonduktor bahkan superkonduktor.
50
Menurut Van Vlack bahwa suatu materi dapat dikelompokan berdasarkan nilai konduktivitasnya dan tahanannya. Berdasarkan nilai konduktivitasnya maka suatu bahan dapat diketegorikan sebagai berikut: Konduktor, dengan (σ ≥10 5) Ω-1 m-1 Semikonduktor, dengan σ antara (10 -5< σ<105) Ω-1 m-1 Isulator dengan σ ≤10 -5 Ω-1 m-1 Superkonduktor dengan σ→∞ Selain itu dengan alat ini kita dapat mengetahui jenis doping dari suatu bahan bahkan mobilitas elekron dari suatu bahan. Dalam beberapa konstanta semikonduktor, sangat perlu menyebut tipe konduksi, baik itu tipe-p ataupun tipe-n. Pada keadaan seperti ini metode probe 4 sebenarnya bisa digunakan namun untuk penentuan tipe konduksi sangat rumit. Maka ada alat yang disebut metode 2 titik dengan menggunakan 2 probe. Dapat dilihat pada gambar: Dua jarum ditempatkan pada semikonduktor tipe p. Pada jarum A dialirkan kawat wolfram untuk pemanasan, sehingga A disebut probe panas. JKarum B ditempatkan pada temperature kamar. Dari kedua jarum dihubungkan dengan amperemeter. Bila bahan semikonduktor tipe p, maka jarum B meneunjukan tegangan negative dan arus ditunjukan seperti pada gambar. Arah arus tersebut akan berlawanan jika yang diukur adalah semikonduktor tipe n. Maka tipe konduksi dapat ditentukan dengan mengetahui arah arus. Beberapa aplikasi pengukuran dengan menggunakan Four Point Probe, diantaranya adalah “Pembuatan Bahan Elastis Trnasparan Koduktib berbasis bahan polianin. Metode karakterisasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan metode Four Point-Probe (FPP). Penentuan nilai resistivitas dapat 51
dilakukan dengan dua cara yaitu ( Direct Curent ) dan AC ( Alternative Curent ). Penelitian ini menggunakan arus AC pada Four Point-Probe. Bahan yang telah dibentuk menjadi pelet, pada permukaannya dilapisi dengan pasta perak sebanyak empat titik yang dihubungkan dengan kawat elektroda. Kawat elektroda yang berjumlah empat buah yang terdiri dari dua elektroda untuk mengukur tegangan dan dua elektroda untuk mengukur arus. Jarak titik pasta perak satu dengan lainnya adalah sama. Selain itu aplikasi dari FPP ini adalah “Menentukan Konduktivitas Dari suatu Bahan a:Si-H dan karbon aktif dengan berbagai jenis bahan pembuatnya. Pada aplikasi ini, mengalami sedikit ketidak cocokan dengan data yang telah ada, karena hampir semua bahan memiliki nilai arus yang sama. Hal ini dikarenakan oleh ketidak telitian jarak antara probe sehingga arus tidak akan terdistribusi secara laminar ke probe 1 sampai ke probe yang lainnya. Aplikasi yang lainnya dalam penggunaan four point probe telah banyak banyak dilakukan, khususnya mahasiswa di Fakultas MIPA Jurusan Fisika sebagai tugas akhir, antara lain berjudul: 1. Analisis Struktur Pori dan Pengukuran Konduktivitas Listrik Khitin (Zuzia Risdawati) 2. Karakterisasi Sifat Listrik Silikon Berpori pada Substrat Si(111) Tipe p (La Kanci) 3. Analisis Gugus Fungsional dan Resistifitas Permukaan Silikon Berpori 4. Karakteristik Sifat Listri Karbon Aktif Paduan Paper Towel dan FeCl 2.4H2O Penelitian-penelitian tersebut diatas, mengarah kepada pengukuran sifat listik dari sampel dengan mengamati nilai dari konduktifitasnya. Selain itu juga telah dilakukan dalam Lomba Kreativitas Mahasiswa yang berjudul “Penerapan Polimerisasi Secara Kimia Dalam Sintesis Senyawa Polianilin (Pani) Dan Serbuk Tembaga (Cu Powder)
Untuk Meningkatkan Konduktivitasnya”. Pada makalah tersebut
mengkarakterisasi serbuk tembaga. 52
Dalam karakterisasi konduktivitas listrik salah satu metode yang digunakan adalah dengan metode Four Point Probe ( 4 titik-probe). Pengukuran konduktivitas sampel akan lebih tepat dengan metode Four Point Probe ( 4 titikprobe) karena metode ini bebas dari gangguan arus atau tegangan dari alat ukur
yang
bersangkutan. Pada bahan ini Karakterisasi metode 4 titik Probe telah dimodifikasi dengan sumber arus tetap. Cara pengukuran konduktivitas dengan metoda four-point probe dijelaskan pada gambar 3. konduktivitas diperoleh dengan menggunakan rumus:
Dengan: σ : konduktivitas listrik I : besar arus vang diberikan, V : beda tegangan s : jarak antar point probe
53
BAB III PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan pembahasan tersebut diatas, maka kita dapat menarik kesimpulan: 1. Skema dan prinsip kerja dari Four Point Probe sangat sederhana, dimana terdapat empat probe yang masing-masing probe 1 dan 4 akan dialiri arus
54
sehingga arus dapat terdistribusi keseluruh probe. Sedangkan Probe 2 dan 3 dapa diabaikan karena tegangan yang diukur menggunakan tegangan tinggi. 2. Dengan alat ini kta dapat menetukan nilai resistivitas suatu bahan, sehingga konduktivitasnya juga dapat diketahui dan kita juga dapat menentukan tipe konduksi dari bahan semikonduktor serta sifat-sifat bahan berdasarkan nilaikonduktivitas. B. Saran Diharapkan pada penulis selanjutnya untuk lebih banyak mencari referensi mengenai FPP demi kesempurnaan makalah ini.
Tugas
KAPITA SELEKTA ELEKTRONIK
55
NAMA
: SUKMAWATI
STAMBUK
: F1B1 07 043
JURUSAN
: FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HALUOLEO KENDARI 2010
DAFTAR PUSTAKA http://jurnal.sttn-batan.ac.id/wp-content/uploads/2008/06/22-djuningran-229-239.pdf http://www.smknperkapalan.net/pustakamaya/produktif/lk/modul/Pengenalan%20alat%20ukur %20elektronika.pdf
56
LAMPIRAN
57
Four Point Probe (FPP)
Rangkaian Probe 4 dalam Pengukuran sampel
58
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Katalis yang telah dibuat perlu diuji apakah struktur katalis tersebut sudah sesuai dengan struktur yang diinginkan atau desain apa tidak. Struktur katalis ini secara saintifik didesain berdasarkan kinerja yang diharapkan pada saat penggunaan katalis. Jika sudah sesuai maka proses pembuatan katalis adalah berhasil, namun sebaliknya jika tidak sesuai maka katalis tersebut perlu penanganan lebih lanjut atau merubah teknik proses pembuatannya. Pengujian katalis ini biasa disebut karakterisasi ( characterization). Bagian yang paling penting dalam karakterisasi katalis adalah pemilihan metode karakterisasi katalis yang tepat. Metode yang biasa digunakan untuk karakterisasi katalis metode BET (Braunner Emmet Teller), FTIR( Fourier Transform Infra Red), SEM(Scan Electron Microscope), dan Penentuan Inti Dispersi Aktif . Keempat uji tersebut, baru bisa menjelaskan pengaruh penambahan aditif tergadap luas permukaan katalis, dispersi inti aktif, dan perubahan
59
struktur katalis. Tetapi belum mampu menjelaskan mengapa katalis yang diberi aditif dan kadar tertentu menjadi lebih aktif dan selektif. Karakteristik katalis yang berhubungan langsung dengan aktivitasnya adalah desorptivitas dan adsorptifitas (kemampuan desorpsi dan adsorpsi) katalis terhadap zatzat yang berpengaruh dalam reaksi. Untuk mengetahui karakter tersebut, dapat dilakukan dengan karakterisasi dengan Temperature Programmed desorption (TPD).
B. Rumusan Masalah Bagaimana teknik karakterisasi katalis dengan Temperature Programmed Desorption (TPD)
C. Tujuan Untuk mengetahui teknik karakterisasi katalis dengan menggunakan Temperature Programmed Desorption (TPD).
D. Manfaat Dapat mengetahui teknik karakterisasi katalis dengan menggunakan metode TPD.
60
BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Adsorbsi, Absorpsi, dan Desorpsi Adsorbsi merupakan peristiwa penyerapan lapisan pada lapisan permukaan atau antar fasa, dimana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan pengadsorbsi atau adsorben. Ditinjau dari bahan yang teradsorpsi dan bahan pengadsorben adalah dua fasa yang berbeda, oleh sebab itu, dalam peristiwa adsorbsi, materi teradsorpsi, akan terkumpul antar muka kedua fasa tersebut. Pada adsorbsi fisika terjadi proses secara cepat dan setimbang (reversibel) sedangkan adsorbsi kimia berlangsung lambat tetapi ireversibel. Perbedaan antara adsorbsi kimia dengan adsorbsi fisika kadang-kadang tidak jelas dan banyak prinsipprinsip adsorbsi fisika berlaku juga pada adsorbsi kimia.
61
Absorpsi adalah proses pemisahan bahan dari suatu campuran gas dengan cara pengikatan bahan tersebut.pada permukaan absorben cair yang diikuti dengan pelarutan. Kelarutan gas yang akan di serap dapat disebabkan hanya oleh gaya-gaya fisik (pada absorpsi fisik) atau selain gaya tersebut juga oleh ikatan (pada absorbs kimia). Komponen gas yang dapat mengadakan ikatan kimia dapat dilarutkan lebih dahulu dan juga dengan kecepatan yang lebih tinggi. Karena itu absorpsi kimia mengungguli absorpsi fisik. Adsorpsi atau penyerapan adalah suatu proses pemisahan dimana komponen dari suatu fase fluida berpindah ke komponen permukaan zat padat yang menyerap (adsorben). Biasanya partikel-partikel kecil zat penyerap dilepaskan pada adsorpsi kimia yang merupakan ikatan kuat antara penyerap dan zat yang diserap sehingga tidak mungkin terjadi proses yang bolak-balik. Dalam adsorpsi digunakan istilah adsorbat dan adsorban, dimana adsorbat adalah substansi yang terserap atau substansi yang akan dipisahkan dari pelarutnya, sedangkan adsorban adalah merupakan suatu media penyerap yang dalam hal ini berupa senyawa karbon. Desorpsi merupakan proses pelepasan kembali ion/molekul yan telah berikatan dengan gugus aktif pada adsorben. Berbagai larutan dapat digunakan untuk mendesorpsi logam dari adsorben diantaranya adalah HCl.
B. Temperature Programmed Desorption Spekstroskopi Desorpsi Termal (TDS), juga dikenal sebagai Temperature Programmed Desorption (TPD) adalah metode mengamati molekul bahan yang terserap dari permukaan ketika suhu permukaan meningkat. Ketika molekul datang dalam kontak dengan permukaan, mereka menyerap ke atasnya, meminimalkan energi mereka dengan membentuk ikatan kimia dengan permukaan. Energi ikat bervariasi dengan kombinasi adsorbat dan permukaan. Jika permukaan dipanaskan, pada satu titik, energi dipindahkan ke spesies yang teradsorpsi
62
akan menyebabkannya terserap. Suhu di mana hal ini terjadi dikenal sebagai suhu desorpsi. Jadi TDS menunjukkan informasi mengenai energi ikat. TDS juga memperoleh jumlah molekul teradsorpsi pada permukaan dari intensitas puncak spektrum TDS, dan jumlah total spesies teradsorpsi ditunjukkan oleh integral dari spektrum (http//:.id.wikipedia.org) Tehnik Temperature Programmed Desorption (TPD), merupakan metode yang penting untuk determinasi dari parameter termodinamika dan kinetika dari proses desorpsi dan dekomposisi reaksi. Sebuah sampel dipanaskan dengan suatu program suhu β (t) =dT/dt (dengan temperatur T selalu menjadi fungsi linear terhadap waktu t) dan tekanan parsial dari atom dan molekul berkembang dari sampel yang diukur seperti spectrometer massa.
Di dalam teknik TPD, kemampuan kemisorpsi untuk senyawa-senyawa probe dapat diuji untuk mendapatkan sifat-sifat katalis tertentu, seperti : kekuatan keasaman dan kebasaan katalis bahkan dapat juga digunakan untuk menentukan jumlah situs asam atau basa didalam katalis. Kemampuan desorpsi atau adsorpsi suatu katalis dapat diketahui dengan melakukan penghitungan pada puncak spektra TPD yang merupakan puncak desorpsi. Sedangkan untuk menentukan jumlah situs asam-basa, dapat ditentukan dari jumlah molekul yang teradsorpsi dalam situs asam.
63
BAB III PEMBAHASAN TPD merupakan suatu tehnik karakterisasi katalis yang digunakan untuk mengetahui kemampuan adsorpsi atau desorpsi suatu katalis. Selain itu, TPD juga dapat digunakan untuk tingkat keasaman atau kebasaan suatu katalis. Salah satu contoh katalis yang biasa digunakan adalah CuO.
64
Gambar spektrum TPD H2 dan CO pada suatu katalis Untuk menentukan kemampuan desorpsi atau adsorpsi suatu katalis dapat diketahui dengan melakukan penghitungan dari puncak desorpsi yang didapat dari spektra TPD. Salah satu contoh spektra TPD adalah pada gambar di atas. Pada gambar itu terlihat bahwa desorpsi H 2 dan CO menghasilkan dua buah puncak utama. Puncak pertama muncul pada suhu rendah (±100 0C) dan puncak yang kedua muncul pada suhu tinggi (±3000C). Pada gambar terlihat pula bahwa desorpsi H 2 menghasilkan puncak yang lebih besar dibandingkan desorpsi CO. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi antara katalis dengan H2 lebih kuat dibandingkan dengan CO sehingga H 2 relatif lebih banyak teradsorpsi dibandingkan CO.
65
BAB IV PENUTUP A. Simpulan Dengan menggunakan tehnik TPD dapat diketahui kemampuan adsorpsi atau desorpsi suatu katalis juga dapat diketahui tingkat keasaman atau kebasaan suatu katalis. Tehnik TPD itu sendiri adalah metode pengamatan sampel yang dilakukan pemanasan dengan suhu yang telah terprogram.
B. Saran Agar dalam melakukan karakterisasi katalis perlu dilakukan pemilihan tehnik karakterisasi yang tepat.
66
DAFTAR PUSTAKA http //: id.wikipedia.org. “Hidrogenasi CO2 Menjadi Metanol”, Laporan Penelitian RPFT, FTUI, 2001 A. Clark, The Theory of Adsorption and Catalysis, (Academic Press, London, 1970).
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang SEM adalah salah satu tipe dari mikroskop elektron (electron microscope) yang mampu menghasilkan gambar resolusi tinggi dari permukaan sampel (benda uji). Gambar SEM mempunyai suatu karakteristik tampilan tiga dimensional dan bermanfaat untuk menentukan struktur permukaan dari suatu sampel. Mikroskop elektron pertama didesain oleh Knoll dan Ruska di Jerman pada tahun 1932. Pada mikroskop ini, pancaran elektron digunakan untuk mengungkap objek yang lebih kecil dari 2000 amstrong, dimana objek sekecil ini tidak mungkin dilihat oleh mikroskop cahaya. Elektron yang dilepas dari filamen metal yang dipanaskan ditempatkan pada ruang hampa dikumpulkan dan difokuskan pada objek melalui lensa kondenser elektromagnetik. Setelah elektron dilewatkan pada objek, mereka dikumpulkan lagi oleh kumparan elektromagnet yang berfungsi sebagai lensa objektif. Lensa ini menghasilkan citra yang diperbesar dari objek yang diterima oleh lensa elektromagnetik ketiga yang kemudian, berlaku sebagai lensa okuler atau lensa proyeksi. Citra akhir kemudian dapat divisualisasi pada layar fluoresdent atau dapat direkam pada pelat fotografis. Dua tipe mikroskop elektron digunakan pada studi silogis : Mikroskop elektron transmisi dan mikroskop elektron. Adalah sebuah mikroskop yang mampu melakuakan peambesaran obyek sampai duajuta kali, yang 67
menggunakan elektro statik dan elektro maknetik untuk mengontrol pencahayaan dan tampilan gambar serta memiliki kemampuan p[embesaran objek serta resolusi yang jauh lebih bagus dari pada mikroskop cahaya. Mikroskop electron ini menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektro maknetikmyang lebih pendek dibandingkan mikroskop cahaya. Macam –macam mikroskop elektron: 1) Mikroskop transmisi elektron (TEM) 2) Mikroskop pemindai transmisi elektron (STEM) 3) Mikroskop pemindai elektron 4) Mikroskop pemindai lingkungan electron (ESEM) 5) Mikroskop refleksi elektron (REM) (Mikroskop wikipeda tujuan) adalah sebuah alat untuk melihat obyek yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang. berarti sangat kecil, tidak mudah terlihat oleh mata. B. Rumusan Masalah 1. Apa keunggulan dari SEM 2. Bagaimana proses kerja SEM (scnning microskop electron) 3. Apa Perbedaan SEM dengan alat lain C. Tujuan 1. Untuk mengetahui bagaimana proses kerja SEM 2. Untuk mengetahui apa perbedaan antara SEM dengan alat lain.
68
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
SEM mempunyai depth of field yang besar, yang dapat memfokus jumlah sampel yang lebih banyak pada satu waktu dan menghasilkan bayangan yang baik dari sampel tiga dimensi. SEM juga menghasilkan bayangan dengan resolusi tinggi, yang berarti mendekati bayangan yang dapat diuji dengan perbesaran tinggi. Kombinasinya adalah perbesaran yang lebih tinggi, dark field, resolusi yang lebih besar, dan komposisi serta informasi kristallografi. Sem terdiri dari electron optic columb dan electron console. sampel sem ditempatkan pada specimen chamber di dalam electron optic colomb dengan tingkat kevakuman yang tinggi yaitu sekitar 2 x 10-6 Trorr. Sinar electron yang dihasilkan dari electron gun akan dialirkan hingga mengenai sampel. Aliran sinar electron ini akan melewati optic columb yang berfungsi untuk memfokuskan sinar electron hingga mengenai sampel tersebut.
69
Untuk mengetahui morfologi senyawa padatatan dan komposisi unsure yang terdapat dalam suatu senyawa dapat digunakan alat scanning electron microscope (SEM). Scanning Electron Microscope adalah suatu tipe mikroskop electron yang menggambarkan permukaan sampel melalui proses scan dengan menggunakan pancaran energy yang tinggi dari electron dalam suatu pola scan raster. Electro berinteraksi dengan atom – atom yang membuat sampel menghasilkan sinyal yang memberikan informasi mengenai permukaan topografi sampel, komposisi dan sifat – sifat lainnya seperti konduktivitas listrik. Tipe sinyal yang dihasilkan oleh sem dapat meliputi electron secunder, sinar – X karakteristik dan cahaya (katoda luminisens). Sinyal terswebut dating dari hamburan electron dari permukaan unsure yang berintaraksi dengan sampel atau didekatkan permukaannya. Sem dapat menghasilkan gambar dengan resolusi yang tinggi dari suatu permukaan sampel, menangkap secara lengkap dengan ukuran sekitar 1 – 5 nm. Agar menghasilkan gambar yang diinginkan maka SEM mempunya sebuah lebar focus yang sangat besar (biasanya 25 – 250.000 kali pembesaran). SEm dapat menghasilkan karakteristik bentuk 3 dimensi yang berguna untuk memahami struktur permukaan dari suatu sampel. (Hasrin, 2010) Menurut Suriana bahwa data yang diperoleh dari hasil SEM – EDX dapat dianalisa baik secara kuantitatif maupun kualitatif, karena dari data yang diperoleh dapat diketahui enis atau unsure – unsure mineral yang terkandung dalam suatu sampel yang dianalisasi dan menginformasikan jumlah / proporsi dari tiap – tiap jenis mineral atau unsure yang diperoleh tersebut. Hasil dari SEM-EDX berupa gambar struktur permukaan dari sampel yang diperoleh dari analisis SEM dan grafik antara nilai energy dengan cacahan yang diperoleh dari analisis EDX.
70
BAB III PEMBAHASAN SEM dapat Mengamati struktur maupun bentuk permukaan yang berskalah lebih halus, Dilengkapi Dengan EDS (Electron Dispersive X ray Spectroscopy) dan Dapat mendeteksi unsur2 dalam material. Juga Permukaan yang diamati harus penghantar electron Pada pengambilan data dengan alat SEM-EDX, sampel bubuk yang telah diletakkan di atas specimen holder dimasukkan kedalam specimen chamber, kemudian dimasukkan dalam alat SEM-EDX dan alat siap untuk dioperasikan.
71
Dalam pengukuran SEM –EDX untuk setiap sampel dianalisis dengan menggunakan analisis area. Sinar electron yang di hasilkan dari area gun dialirkan hingga mengenai sampel. Aliran sinar electron ini selanjutnya di fokuskan menggunakan electron optic columb sebelum sinar electron tersebut membentuk atau mengenai sampel. Setelah sinar electron membentuk sampel, aka terjadi beberapa interaksi – interaksi pada sampel yang disinari. Interaksi – interaksi pada sampel yang disinari. Interaksi – interaksi yang terjadi tersebut selanjutnya akan dideteksi dan di ubah ke dalam sebuah gambar oleh analisis SEM dan juga dalam bentuk grafik oleh analisis EDX. Pada pengukuran SEM –EDX untuk setiap sampel dilakukan Pada kondisi yang sama yaitu dengan menggunakan alat SEM – EDX tipe JEOL JSM-6360LA yang memiliki beda tegangan sebesar 20 kv dan arus sebesar 30 mA. Pada pengukuran SEM-EDX setiap sampel digunakan dengan menggunakan analisis area. Sinar Electron yang dihasilkan dari electron gun dialirkan hingga mengenai specimen/ sampel aliran sinar electron ini selanjutnya difokuskan menggunakan electron optic colum, sebelum sinar electron membentur atau mengenai sampel. Setelah sinar electron membentur sampel maka akan terjadi interaksi pada sampel yang disinari. Interksi – interaksi yang terjadi tersebut slanjutnya akan dideteksi dan diubah kedalam sebuah gambar oleh analisis SEM dan juga dalam bentuk Grafik oleh Analisis EDX. Hasil analisa atau keluaran dari analisis SEM-EDX yaitu berupa gambar struktur permukaan dari setiap sampel yang diui dengan karakeristik gambar 3-D serta grafik hubungan antara energy( keV) pada sumbu horizontal dngan cecahan pada sumbu pertikal dari keluran ini dapat diketahui unsure – unsure atau mineral yang terkandung di dalam sampel tersebut, yang manakeberadaan unsure atau mineral tersebut dapat ditentukan atau diketahui berdasarkan nilai energy yang dihasilkan pada saat penembakan sinar electron primer pada sampel. 1. Keunggulan SEM 72
keunggulan SEM adalah sebagai berikut: a. Daya pisah tinggi Dapat Ditinjau dari jalannya berkas media, SEM dapat digolongkan dengan optik metalurgi yang menggunakan prinsip refleksi, yang diarti sebagai permukaan spesimen yang memantulkan berkas media. b. Menampilkan data permukaan spesimen Teknik SEM pada hakekatnya merupakan pemeriksaan dan analisis permukaan. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau lapisan yang tebalnya sekitar 20 mikro meter dari permukaan. Sinyal lain yang penting adalah back scattered elektron yang intensitasnya bergantung pada nomor atom, yang unsurnya menyatakn permukaan spesimen. Dengan cara ini diperoleh gambar yang menyatakan perbedaan unsur kimia yang lebih tinggi pada nomor atomnya. Kemampuannya yang beragam membuat SEM popular dan luas penggunaannya, tidak hanya dibidang material melainkn juga dibidang biologi, pertanian, kedokteran, elektronika, mikroelektronika dan lain-lain. c. Kemudahan penyiapan sampel Spesimen untuk SEM dapat berupa material yang cukup tebal, oleh karena itu penyiapannya sangat mudah. Untuk pemeriksaan permukaan patahan (fraktografi), permukaan diusahakan tetap seperti apa adanya, namun bersih dari kotoran, misalnya debu dan minyak. Permukaan spesimen harus bersifat konduktif. Oleh karena itu permukaan spesimen harus bersih dari kotoran dan tidak terkontaminasi oleh keringat. 2. Proses Kerja SEM Cara kerja SEM yaitu sebuah elektron diemisikan dari katoda tungsten dan diarahkan kesuatu anoda. Tungsten digunakan karena mempunyai titik lebur yang paling tinggi dan tekanan uap paling rendah dari semua jenis logam, sehingga dapat 73
dipanaskan untuk keperluan pemancaran elektron. Berkas elektron yang memiliki beberapa ratus eV dipusatkan oleh satu atau dua lensa kondeser kedalam suatu berkas cahaya dengan spot 1 nm sampai 5 nm. Berkas cahaya dipancarkan melalui sepasang coil scan pada lensa obyektif yang dapat membelokkan berkas cahaya secara horizontal dan vertikal sehingga membentuk daerah permukaan sampel persegi empat. Ketika berkas elektron utama saling berinteraksi dengan sampel, maka elektron kehilangan energi oleh penyebaran berulang dan penyerapan dengan setetes volume spesimen yang dikenal sebagai volume interaksi yang meluas kurang dari 100 nm sampai sekitar 5 nm pada permukaan. Ukuran dari volume interaksi tergantung pada berkas cahaya yang mempercepat tegangan, nomor atom spesimen dan kepadata spesimen. Energi berubah diantara berkas elektron dan hasil sampel hasil pada emisi elektron dan sampel hasil pada emisi elektron dan radiasi elektromagnet yang dapat dideteksi untuk menghasilkan suatu gambar, seperti gambar dibawah ini :
GAMBAR SCANNING ELECTRON MICROSCOPE 74
Untuk Persiapan material yang akan dianalisa cukup sederhana. Khususnya untuk bahan – bahan yang bersifat konduktor maka hanya perlu dilekatkan pada sample holder yang terbuat dari logam. Biasanya pemegang sampel ini dapat dipakai
untuk menempatkan 4 sampel berbeda sekaligus sehingga ketika menganalisa tidak perlu setiap akan ganti sampel membuka-tutup SEM. Berikut ini contoh logam untuk tempat sampel.
Biasanya sampel dilekatkan dengan bantuan selotip karbon. Contoh dari selotip karbon adalah seperti dibawah ini.
75
Untuk sampel berupa serbuk. Setelah ditempel selotip karbon maka serbuk ditebarkan pada permukaan selotip dan sisa serbuk yang tidak dapat menempel harus dibersihkan sehingga tidak menganggu alat vakum dalam SEM ketika analisa. Disamping ini adalah gambar dari sampel holder yang telah ditempel selotip dan diberi serbuk yang akan dianalisa.
Kemudian sampel beserta tempatnya dimasukkan kedalam alat SEM. Sehingga Alat SEM semakin mudah untuk dioperasikan, Kesulitan biasanya hanya pada proses pemfokusan gambar pada pembesaran yang tinggi yang dilakukan dengan memutar tombol pemfokus yang ada pada panel seperti pada gambar disamping ini.
76
3. Perbedaan SEM dengan alat yang lain Dari gambar dibawah ini kita dapat mengetahui Perbedaan SEM dengan alat lain, sebagai berikut :
77
SEM: resolusi/daya pisah lebih tinggi
MO : resolusi/daya pisah lebih
rendah Gambar ini terlihat bahwa SEM menghasilkan gambar yang sangat jelas dibandingkan dengan alat lain. Dan dari table dibawah ini dapat terlihat bagimana perbedaan SEM dengan OM. No
Nama
Perbesaran
Depth of Field
Resolusi
1.
SEM
10 x – 3000000 x
4 mm –0.4 mm
1-10 nm
2.
OM
4 x – 1000 x
15.5 mm
78
mm –0.19 ~0.2 mm
SEM mempunyai depth of field yang besar, yang dapat memfokus jumlah sampel yang lebih banyak pada satu waktu dan menghasilkan bayangan yang baik dari sampel tiga dimensi. SEM juga menghasilkan bayangan dengan resolusi tinggi, yang berarti mendekati bayangan yang dapat diuji dengan perbesaran tinggi. Kombinasi perbesaran yang lebih tinggi, darkfield, resolusi yang lebih besar, dan komposisi serta informasi kristallografi membuat SEM merupakan satu dari peralatan yang paling banyak digunakan dalam penelitian, R&D industry khususnya industry semikonductor.
BAB IV PENUTUP A. Kesimpulan 1. Keunggulan SEM a. Daya pisah tinggi b. Menampilkan data permukaan spesimen c. Kemudahan penyiapan sampel 2. Dalam pengukuran SEM –EDX untuk setiap sampel dianalisis dengan menggunakan analisis area. Sinar electron yang di hasilkan dari area gun dialirkan hingga mengenai sampel. Pada pengukuran SEM –EDX untuk setiap sampel dilakukan Pada kondisi yang sama yaitu dengan menggunakan alat SEM – EDX tipe JEOL JSM-6360LA yang memiliki beda tegangan sebesar 20 kv dan arus sebesar 30 mA. 3. Perbedaan SEM dengan alat dengan alat yang lain yakni pada SEM terlihat bahwa gambar yang dihasilkan pada SEM itu menghasilkan gambar yang lebih baik dibandingkan dengan alat yang lain.
B. Saran
79
apabila dalam melakukan pengambilan data harus benar – benar yang akurat yang diambil.
SPEKTROSKOPI UV-VIS A. Pendahuluan Dengan semakin kompleksisitas berbagai keperluan saat ini, analisis kimia dengan mempergunakan metoda fisik dalam hal identifikasi dari berbagai selektifitas fungsi polimer campuran, pemodifikasi dan aditif digunakan untuk plastik dan elastomer. Spektroskopi infra merah, metoda pengukuran fotometer UV, gas dan liquid kromatografi dan spektroskopi masa bersama sama dengan dari metoda pengukuran termoanalisis (DSC-TGA) merupakan alat yang teliti sebagai pilihan untuk analisis kwalitatif dan kwantitatif bahan. Analisis Spektroskopi didasarkan pada interaksi radiasi dengan spesies kimia. Berprinsip pada penggunaan cahaya/tenaga magnek atau listrik untuk mempengaruhi senyawa kimia sehingga menimbulkan tanggapan.Tanggapan tersebut dapat diukur untuk menetukan jumlah atau jenis senyawa. Cara interaksi dengan suatu sampel dapat dengan absorpsi, pemendaran (luminenscence) emisi, dan penghamburan (scattering) tergantung pada sifat materi.Teknik spektroskopi meliputi spektroskopi UV-Vis, spektroskopi serapan atom, spektroskopi infra merah, spektroskopi fluorensi, spektroskopi NMR, spektroskopi massa. Spektroskopi UV-Vis merupakan teknik spektroskopi pada daerah ultra violet dan sinar tampak. Dari spektrum absorpsi dapat diketahui panjang gelombang dengan absorbans maksimum dari suatu unsur atau senyawa. Contoh : Analisis protein, asam amino, kinetika enzim. Pada prinsipnya spektroskopi UV-Vis menggunakan cahaya sebagai tenaga yang mempengaruhi substansi senyawa kimia sehingga menimbulkan cahaya.Cahaya yang digunakan merupakan foton yang bergetar dan menjalar secara lurus dan merupakan tenaga listrik dan magnet yang keduanya saling tagak lurus. Tenaga foton bila mmepengaruhi senyawa kimia, maka akan menimbulkan tanggapan (respon), 80
sedangkan respon yang timbul untuk senyawa organik ini hanya respon fisika atau Physical event. Tetapi bila sampai menguraikan senyawa kimia maka dapat terjadi peruraian senyawa tersebut menjadi molekul yang lebih kecil atau hanya menjadi radikal yang dinamakan peristiwa kimia atau Chemical event.
B. Pengertian Spektrofotometer UV-sinar tampak (visible) adalah analisa kuantitatif dan kualitatif spesies kimia dengan pengukuran absorbansi atau transmittansi dalam spektroskopi. Spektrofotometri ini merupakan gabungan antara spektrofotometri UV dan Visible. Menggunakan dua buah sumber cahaya berbeda, sumber cahaya UV dan sumber cahaya visible. Meskipun untuk alat yang lebih canggih sudah menggunakan hanya satu sumber sinar sebagai sumber UV dan Vis, yaitu photodiode yang dilengkapi dengan monokromator. Untuk sistem spektrofotometri, UV-Vis paling banyak tersedia dan paling populer digunakan. Kemudahan metode ini adalah dapat digunakan baik untuk sample berwarna juga untuk sample tak berwarna.
Gambar 1. Spektrofotometer UV-VIS 81
Spektrofotometer UV-VIS merupakan alat dengan teknik spektrofotometer pada daerah ultra-violet dan sinar tampak. Alat ini digunakan guna mengukur serapan sinar ultra violet atau sinar tampak oleh suatu materi dalam bentuk larutan. Konsentrasi larutan yang dianalisis sebanding dengan jumlah sinar yang diserap oleh zat yang terdapat dalam larutan tersebut. Dalam hal ini, hukum Lamber-Beer dapat menyatakan hubungan antara serapan cahaya dengan konsentrasi zat dalam larutan. Di bawah ini adalah persamaan Lamber-Beer ; A
= - log T = εb c
Dengan; A = absorban, T = transmitan, ε = absortivitas molar (Lcm-1.mol-1), b = panjang sel (cm), dan c = konsentrasi zat (mol/L).
Spektrum absorpsi yang diperoleh dari hasil analisis dapat memberikan informasi panjang gelombang dengan absorban maksimum dari senyawa atau unsur. Panjang gelombang dan absorban yang dihasilkan selama proses analisis digunakan untuk membuat kurva standar. Konsentrasi suatu senyawa atau unsur dapat dihitung dari kurva standar yang diukur pada panjang gelombang dengan absorban maksimum. Dari kurva standar kalibrasi, diperoleh persamaan garis
Y
= ax + b
82
Dimana;
Y merupakan serapan dan x adalah konsentrasi unsur atau senyawa.
Berdasarkan sistem optiknya terdapat 2 jenis spektrofotometer.
Spektrofotometer single beam (berkas tunggal) Pada spektrofotometer ini hanya terdapat satu berkas sinar yang dilewatkan melalui cuvet. Blanko, larutan standar dan contoh diperiksa secara bergantian
Gambar 2. Spektrofotometer single beam (berkas tunggal)
Spektrofotometer double beam (berkas ganda) Pada alat ini sinar dari sumber cahaya dibagi menjadi 2 berkas oleh cermin yang berputar (chopper).
Berkas pertama melalui cuvet berisi blanko
Berkas kedua melalui cuvet berisi satndar atau contohnya blanko dan contoh diperiksa secara bersamaan seperti terlihat pada gambar. Blanko berguna untuk 83
menstabilkan absorbsi akibat perubahan voltase atau Io dari sumber cahaya. Dengan adanya blanko dalam alat kita tidak lagi mengontrol titik nolnya pada waktu-waktu tertentu, hal ini berbeda jika pada single beam.
Gambar 3. Spektrofotometer double beam (berkas ganda)
C. Instrumentasi UV-Vis Spektroskofi UV-VIS memiliki instrumentasi yang terdiri dari lima komponen utama, yaitu ;
Sumber radiasi sumber energy cahaya yang biasa untuk daerah tampak dari spectrum itu maupun daerah ultraviolet dekat dan inframerah dekat adalah sebuah lampu pijar dengan kawat ranbut terbuat dari wolfram. Pada kondisi operasi biasa, keluaran lampu wolfram ini memadai dari sekitar 235 atau 350 nm ke sekitar 3 µm. energy yang dipancarkan olah kawat yang dipanaskan itu beraneka ragam menurut panjang gelombangnya. Panas dari lampu wolfram dapat merepotkan; sringkali rumah lampu itu diselubungi air atau didinginkan dengan suatu penghembus angin untuk mencegah agar sampel ataupun komponen lain dari instrument itu menjadi hangat.
Wadah sampel kebanyakan spektrofotometri melibatkan larutan dan karenanyan kebanyakan wadah sampel adalah sel untuk menaruh cairan ke dalam berkas cahaya spektrofotometer. Sel itu haruslah meneruskan energy cahaya dalam daerah spektral
84
yang diminati: jadi sel kaca melayani daerah tampak, sel kuarsa atau kaca silica tinggi istimewa untuk daerah ultraviolet. Dalam instrument, tabung reaksi silindris kadangkadang diginakan sebagai wadah sampel. Penting bahwa tabung-tabung semacam itu diletakkan secara reprodusibel dengan membubuhkan tanda pada salah satu sisi tabunga dan tanda itu selalu tetaparahnya tiap kali ditaruh dalam instrument. Sel-sel lebih baik bila permukaan optisnya datar. Sel-sel harus diisi sedemikian rupa sehingga berkas cahaya menembus larutan, dengan meniscus terletak seluruhnya diatas berkas. Umumnya sel-sel ditahan pada posisinya dengan desain kinematik dari pemegangnya atau dengan jepitan berpegas yang memastikan bahwa posisi tabung dalam ruang sel (dari) instrument itu reprodusibel.
Monokromator Monokromator ini adalah piranti optis untuk memencilkan suatu berkas radiasi dari sumber berkesinambungan, berkas mana mempunyai kemurnian spectral yang tinggi dengan panjang gelombang yang diinginkan. Radiasi dari sumber difokuskan ke celah masuk, kemudian disejajarkan oleh sebuah lensa atau cermin sehingga suatu berkas sejajar jatuh ke unsure pendispersi, yang berupa prisma atau suatu kisi difraksi. Dengan memutar prisma atau kisi itu secara mekanis, aneka porsi spectrum yang dihasilkan oleh insur disperse dipusatkan pada celah keluar, dari situ, lewat jalan optis lebih jauh, porsi-porsi itu menjumpai sampel.
Detektor Detector dapat memberikan respons terhadap radiasi pada berbagai panjang gelombang Ada beberapa cara untuk mendeteksi substansi yang telah melewati kolom. Metode umum yang mudah dipakai untuk menjelaskan yaitu penggunaan serapan ultra-violet. Banyak senyawa-senyawa organik menyerap sinar UV dari beberapa panjang gelombang. Jika anda menyinarkan sinar UV pada larutan yang keluar melalui kolom dan sebuah detektor pada sisi yang berlawanan, anda akan mendapatkan pembacaan langsung berapa besar sinar yang diserap. Jumlah cahaya yang diserap akan bergantung pada jumlah senyawa tertentu yang melewati melalui
85
berkas pada waktu itu. Anda akan heran mengapa pelarut yang digunakan tidak mengabsorbsi sinar UV. Pelarut menyerapnya! Tetapi berbeda, senyawa-senyawa akan menyerap dengan sangat kuat bagian-bagian yang berbeda dari specktrum UV. Misalnya, metanol, menyerap pada panjang gelombang dibawah 205 nm dan air pada gelombang dibawah 190 nm. Jika anda menggunakan campuran metanol-air sebagai pelarut, anda sebaiknya menggunakan panjang gelombang yang lebih besar dari 205 nm untuk mencegah pembacaan yang salah dari pelarut.
Rekorder Dan di dalam rekorder signal tersebut direkam sebagai spektrum yang berbentuk puncak-puncak. Spektrum absorpsi merupakan plot antara absorbans sebagai ordinat dan panjang gelombang sebagai absis.
D. Prinsip Kerja UV-Vis Pada prinsipnya spektroskopi UV-Vis menggunakan cahaya sebagai tenaga yang mempengaruhi substansi senyawa kimia sehingga menimbulkan cahaya.Cahaya yang digunakan merupakan foton yang bergetar dan menjalar secara lurus dan merupakan tenaga listrik dan magnet yang keduanya saling tagak lurus. Tenaga foton bila mmepengaruhi senyawa kimia, maka akan menimbulkan tanggapan (respon), sedangkan respon yang timbul untuk senyawa organik ini hanya respon fisika atau Physical event. Tetapi bila sampai menguraikan senyawa kimia maka dapat terjadi peruraian senyawa tersebut menjadi molekul yang lebih kecil atau hanya menjadi radikal yang dinamakan peristiwa kimia atau Chemical event. Spektroskopi UV-Vis digunakan untuk cairan berwarna. Sehingga sampel yang akan diidentifikasi harus diubah dalam senyawa kompleks. Analisis unsur berasal dari jaringan tanaman, hewan, manusia harus diubah dalam bentuk larutan, misalnya destruksi campuran asam (H2SO4+ HNO3 + HClO4) pada suhu tinggi. Larutan sample diperoleh dilakukan preparasi tahap berikutnya dengan pereaksi tertentu untuk memisahkan unsur satu dengan lainya, misal analisis Pb dengan ekstraksi dithizon pada pH tertentu. Sampel 86
Pb direaksikan dengan amonium sitrat dan natriun fosfit, pH disesuaikan dengan penambahan amonium hidroksida kemudian ditambah KCN dan NH2OH.HCl dan ekstraksi dengan dithizon.
Gambar 4. Skema cara kerja UV-Vis
Cara kerja alat spektrofotometer UV-Vis yaitu sinar dari sumber radiasi diteruskan menuju monokromator, Cahaya dari monokromator diarahkan terpisah melalui sampel dengan sebuah cermin berotasi, Detektor menerima cahaya dari sampel secara bergantian secara berulang – ulang, Sinyal listrik dari detektor diproses, diubah ke digital dan dilihat hasilnya, perhitungan dilakukan dengan komputer yang sudah terprogram.
E. Aplikasi dari UV-Vis Studi Fotoelektrokimia Lapisan Tipis CdS Hasil Deposisi Metode CBD Lapisan tipis CdS dideposisi pada substrat gelas berlapis TCO dengan metode CBD (Chemical Bath Deposition) menggunakan bahan dasar CdCl2 sebagai sumber ion Cd2+ dan (NH2)2 SC (Thiourea) sebagai sumber ion S2-. Karakterisasi XRD lapisan tipis yang diperoleh memperlihatkan puncak-puncak karakteristik CdS 87
polikristal dengan struktur kubik (zincblende). Absorbansi dan transmitansi optik dengan spektroskopi UV-VIS memperlihatkan daerah absorbsi pada rentang cahaya tampak (300 nm - 500 nm) dengan maksimum pada sekitar 330 nm. Karakterisasi fotoelektrokimia dilakukan di dalam sel elektrokimia yang berisi elektrolit 1M NaOH dan elektrolit mengandung kompleks iodida. Respon arus foto (photocurrent) elektroda CdS di dalam sel fotoelektrokimia memperlihatkan kebergantungan pada panjang gelombang cahaya datang dan bersesuaian dengan absorbansi optik spektroskopi UV-VIS. Lebar celah pita energi (energy bandgap) ditentukan melalui kurva (Jphhv)2 vs hv (energi foton), diperoleh lebar pita energi sebesar 2.45 eV. Hubungan rapat arus foto terhadap energi foton cahaya (hv) juga diperlihatkan dari kurva Jph vs hv.
Meneliti Pengaruh Kelembaban Terhadap Absorbansi Optik Lapisan Gelatin Penelitian ini menyajikan studi tentang pengaruh kelembaban terhadap absorbansi optik lapisan gelatin. Cahaya yang melewati atau diserap film gelatin dideteksi menggunakan spektrometer dengan panjang gelombang antara 292 nm sampai 591 nm dalam rentang daerah ultraungu (UV) – cahaya tampak (visible). Absorbansi optik lapisan gelatin dipindai (di-scan) dengan perlakuan variasi kelembaban udara (kelembaban nisbi, RH). Film gelatin dideposisi menggunakan spin-coater pada kecepatan putar tertentu di atas substrat kaca. Absorbansi optik lapisan gelatin diamati menggunakan teknik spektroskopi dengan mengukur absorbansi dalam rentang UV-Vis. Absorbansi optik lapisan gelatin dipindai (scan) dari panjang gelombang 292 nm sampai dengan 591 nm yaitu dalam rentang cahaya ultraungu (UV) – cahaya tampak (visible). Hasil pengukuran nilai absorbansi untuk setiap panjang gelombang dalam rentang pengukuran. Dari spektrum absorbansi tersebut diketahui serapan optik lapisan gelatin berada pada daerah ultraungu (UV), antara 292 nm sampai 355 nm.
88
DAFTAR PUSTAKA
Anggraini et. al: Seminar Nasional I Opto Elektronika dan Aplikasi Laser Underwood,A.L.
1986.
Analisis
Kimia
Kuantitatif.
Jakarta:
Erlangga
http://www.jurnal.lipi.go.id
http://wahyuriyadi.blogspot.com/2009/07/macam-spektrofotometri-dan-perbedaannya html.
http://www.scribd.com/doc/25536927/Spektrofotometri-Spektrofotometer-UV-Vis
http://www.scribd.com/doc/37706799/Spektrofotometer-UV-Vis
BAB 1 PENDAHULUAN Terdapat beberapa macam alat untuk mengkarakterisasi material yang berukuran nanometer. Mikroskop cahaya tidak dapat digunakan untuk mengkarakterisasi material yang berukuran nanometer. Hal ini dikarenakan panjang gelombang cahaya tampak yang digunakan pada mikroskop cahaya memiliki panjang gelombang yang lebih besar daripada dimensi sistem yang diamati. Seperti yang diketahui bahwa panjang gelombang cahaya tampak sekitar 400-700 nm. Oleh karena itu, mikroskop cahaya tidak bisa mengamati sistem yang berukuran nanometer. http://blognyainsan.wordpress.com/
89
Mikroskop electron biasa menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektro maknetik yang lebih pendek dibandingkan mikroskop cahaya. Macam –macam mikroskop elektron: 1) Mikroskop transmisi elektron (TEM), Mikroskop pemindai transmisi elektron (STEM) 3) Mikroskop pemindai elektron 4) Mikroskop pemindai lingkungan electron (ESEM) 5) Mikroskop refleksi electron (REM) http://chy3e.wordpress.com/2009/04/18/pengertianmanfaatkegunaan-mikrosoft-elektron/. Karakterisasi dalam makalah ini adalah karakterisasi Mikroskop Transmisi Elektron (TEM).
BAB II PEMBAHASAN Transmisi elektron mikroskopi (TEM) adalah sebuah mikroskop teknik dimana seberkas elektron ditularkan melalui spesimen ultra tipis, setelah berinteraksi dengan spesimen saat melewati elektron. Dengan menghubungkan pemercepat ini dengan sumber tegangan tinggi (biasanya ~ 100-300 kV) pemercepat akan, diberikan cukup saat ini, mulai memancarkan elektron baik oleh termionik atau emisi medan electron ke vakum. . ekstraksi ini biasanya dibantu oleh penggunaan silinder Wehnelt Setelah diekstrak, lensa atas dari TEM
90
memungkinkan pembentukan probe elektron dengan ukuran yang diinginkan dan tempat untuk interaksi kemudian dengan sampel. Sebuah gambar dibentuk dari interaksi elektron ditularkan melalui spesimen, gambar diperbesar dan difokuskan ke perangkat gambar, seperti layar neon, pada lapisan film fotografi , atau dideteksi oleh sensor seperti CCD kamera TEM membentuk metode analisis utama dalam berbagai bidang ilmiah, baik ilmu fisika dan biologi. (Wikipedia, 2008) TEM dikembangkan pertama kali oleh Ernst Ruska dan Max Knoll, 2 peneliti dari Jerman pada tahun 1932. Saat itu, Ernst Ruska masih sebagai seorang mahasiswa doctor dan Max Knoll adalah dosen pembimbingnya. Karena hasil penemuan yang mengejutkan dunia tersebut, Ernst Ruska mendapat penghargaan Nobel Fisika pada tahun 1986. Sebagaimana namanya, TEM bekerja dengan prinsip menembakkan elektron ke lapisan tipis sampel, yang selanjutnya informasi tentang komposisi struktur dalam sample tersebut dapat terdeteksi dari analisis sifat tumbukan, pantulan maupun fase sinar elektron yang menembus lapisan tipis tersebut. Dari sifat pantulan sinar elektron tersebut juga bisa diketahui struktur kristal maupun arah dari struktur kristal tersebut. Bahkan dari analisa lebih detail, bisa diketahui deretan struktur atom dan ada tidaknya cacat (defect) pada struktur tersebut. Hanya perlu diketahui, untuk observasi TEM ini, sample perlu ditipiskan sampai ketebalan lebih tipis dari 100 nanometer. Dan ini bukanlah pekerjaan yang mudah, perlu keahlian dan alat secara khusus. Obyek yang tidak bisa ditipiskan sampai order tersebut sulit diproses oleh TEM ini. Dalam pembuatan divais elektronika, TEM sering digunakan untuk mengamati penampang/irisan divais, berikut sifat Kristal yang ada pada divais tersebut. Dalam kondisi lain, TEM juga digunakan untuk mengamati irisan permukaan dari sebuah divais. Salah satu partikel hasil pengamata dengan TEM dapat dilihat pada gambar 1 dan 2 berikut.
91
(Oktaviana ,2009). Pada perbesaran yang lebih kecil gambar TEM dapat terlihat karena penyerapan elektron dalam bahan, karena ketebalan dan komposisi bahan. Pada perbesaran yang lebih tinggi gelombang interaksi kompleks memodulasi/mengatur intensitas gambar, analisis pakar yang memerlukan gambar yang diamati. Penggunaan pengaturan memungkinkan TEM untuk mengamati pengaturan dalam identitas kimia, orientasi kristal, struktur elektronik dan sampel elektron akibat pergeseran fasa serta pencitraan penyerapan dasar gambar . TEM pertama dibangun oleh Max Knoll dan Ernst Ruska pada 1931, kelompok ini mengembangkan TEM pertama dengan daya lebih besar dari cahaya pada tahun 1933 dan TEM dipasarkan pertama pada tahun 1939.
Latar Belakang Mikroskop Elektron Transmisi (TEM) Secara teoritis, resolusi maksimum, d, yang satu dapat memperoleh dengan mikroskop cahaya telah dibatasi oleh panjang gelombang dari foton (λ) yang sedang digunakan untuk menyelidiki sampel, dan lubang numerik/angka dari sistem, NA. [13]
92
Ilmuwan abad kedua puluh Dini berteori cara mendapatkan sekitar keterbatasan dari panjang gelombang yang relatif besar dari cahaya tampak (panjang gelombang 400-700 nanometer ) dengan menggunakan elektron. Seperti semua materi, elektron memiliki keduanya gelombang dan sifat partikel (seperti berteori oleh Louis-Victor de Broglie ), dan gelombang-seperti sifat TEM berarti bahwa seberkas elektron dapat dibuat untuk berperilaku seperti sinar radiasi elektromagnetik. Panjang gelombang elektron ditemukan dengan menyamakan persamaan de Broglie dengan energi kinetik elektron. Koreksi tambahan harus dibuat untuk memperhitungkan efek relativistik, seperti dalam sebuah TEM elektron mendekati kecepatan sebuah kecepatan cahaya (c).
, m 0 adalah massa diam sebuah elektron dan E adalah energi elektron yang dipercepat. Elektron biasanya dihasilkan dalam sebuah mikroskop elektron oleh sebuah proses yang dikenal sebagai emisi termionik dari filamen, biasanya tungsten, dengan cara yang sama sebagai sebuah bola lampu , atau alternatif oleh emisi medan elektron . Elektron yang kemudian dipercepat oleh potensial listrik (diukur dalam volt ) dan difokuskan oleh lensa elektrostatik dan elektromagnetik ke sampel. Sinar ditransmisikan berisi informasi tentang elektron, kerapatan fasa dan periode cahaya ini digunakan untuk membentuk sebuah gambar.
93
A. Sumber pembentukan
Komponen Optik Dasar TEM Dari atas ke bawah, yang TEM terdiri dari sumber emisi, tungsten filamen, atau sumber hexaboride lantanum ( Lab 6 ). Untuk tungsten, ini akan menjadi bentuk gaya filamen jepit rambut, atau berbentuk filamen spike kecil. LaB 6 . sumber Lab
6
memanfaatkan kecil kristal tunggal. Dengan menghubungkan pemercepat ini dengan sumber tegangan tinggi (biasanya ~ 100-300 kV) pemercepat akan, diberikan cukup saat ini, mulai memancarkan elektron baik oleh termionik atau emisi medan elektron ke vakum. . ekstraksi ini biasanya dibantu oleh penggunaan silinder Wehnelt Setelah diekstrak, lensa atas dari TEM memungkinkan pembentukan probe elektron dengan ukuran yang diinginkan dan lokasi untuk interaksi kemudian dengan sampel.
94
Gambar a. Jepit rambut gaya tungsten filamen Gambar b. kristal tunggal LAB 6 filamen Manipulasi berkas elektron dilakukan dengan menggunakan dua efek fisik. Interaksi elektron dengan medan magnet akan menyebabkan elektron untuk bergerak sesuai dengan aturan tangan kanan , sehingga memungkinkan untuk elektromagnet untuk memanipulasi berkas elektron.
Penggunaan medan magnet memungkinkan untuk
pembentukan sebuah lensa magnetik variable daya fokus , bentuk lensa yang berasal karena distribusi fluks magnet. Selain itu, bidang elektrostatik dapat menyebabkan elektron dibelokkan melalui sudut yang konstan. Dua perangkai pembelokkan dalam menentang arah dengan celah antara kecil memungkinkan untuk pembentukan pergeseran di garis cahaya/sorotam , ini digunakan dalam TEM untuk bergesernya garis cahaya bergeser, kemudian ini sangat penting untuk STEM . Dari dua efek, serta penggunaan sistem pencitraan elektron, pengendalian yang memadai atas garis cahaya adalah mungkin untuk operasi TEM .. Konfigurasi optik TEM bisa cepat berubah, tidak seperti yang untuk mikroskop optik, seperti lensa di jalan balok bisa difungsikan, memiliki kekuatan mereka berubah, atau dinonaktifkan sepenuhnya hanya melalui switching listrik yang cepat, kecepatan yang dibatasi oleh efek seperti histeresis magnetik lensa.
1. Optik Lensa TEM memungkinkan berkumpulnya cahaya , dengan sudut konvergensi sebagai parameter variabel, memberikan kemampuan TEM untuk mengubah perbesaran
95
hanya dengan megubah jumlah arus yang mengalir melalui kumparan, quadrupole atau lensa hexapole . Lensa quadrupole adalah suatu pengaturan kumparan elektromagnetik yang tegak lurus memungkinkan generasi dari sebuah medan magnet lensa, konfigurasi hexapole hanya meningkatkan simetri lensa menggunakan enam, bukan empat gulungan. TEM terdiri dari tiga tahap lensa. Tiga tahapan itu adalah lensa kondensor, lensa objektif, dan lensa proyektor. Lensa kondensor bertanggung jawab untuk pembentukan cahaya primer, sedangkan fokus lensa objektif cahaya turun ke sampel. Lensa proyektor yang digunakan untuk memperluas cahaya/sinar ke layar fosfor atau perangkat pencitraan/gambar lain, seperti film. . Pembesaran TEM karena rasio dari jarak antara spesimen dan lensa citra/gambar bidang. Quad/tambahan atau lensa hexapole memungkinkan untuk perbaikan penyimpangan cahaya/sinar asimetris, yang dikenal sebagai astigmatisme . Perlu dicatat bahwa susunan optik TEM berbeda nyata dengan pelaksanaan, dengan hasil yang diperoleh apabila menggunakan susunan lensa biasa , seperti perbaiki instrument dalam penyimpangan bola, atau TEMS memanfaatkan energi penyimpangan untuk memperbaiki elektron krom
2. Tampilan Sistem pencitraan(gambar) dalam TEM terdiri dari layar fosfor, yang dibuat halus (10-100 pM) terutama pada sulfida seng , untuk pengamatan langsung oleh opertator, sistem merekam gambar seperti dasar film atau YAG digabungkan CCD layar.
[19]
Biasanya perangkat ini dapat dihapus atau dimasukkan ke dalam jalur cahaya oleh operator sesuai kebutuhan.
96
Sumber elektron dari TEM di bagian atas, dimana sistem lensa (4,7 dan 8) berfokus pada model sorotan dan kemudian proyek-proyek itu ke layar tampilan (10). Kontrol balok berada di sebelah kanan (13 dan 14) Sebuah TEM terdiri dari beberapa komponen, yang mencakup sistem vakum di mana elektron bergerak, sumber emisi elektron untuk pembangkit dari aliran elektron, serangkaian lensa elektromagnetik, serta piring elektrostatik.. Dua yang terakhir memungkinkan operator untuk mengendalikan dan memanipulasi berkas yang diperlukan. Juga dibutuhkan adalah sebuah perangkat untuk memungkinkan dimasukkan ke dalam, gerak dalam, dan pemindahan spesimen dari jalan sorotan . perangkat Imaging selanjutnya digunakan untuk membuat gambar dari elektron yang keluar sistem.
3. Sistem Vacuum Untuk meningkatkan jalan bebas rata-rata dari interaksi gas elektron, TEM standar dievakuasi ke tekanan rendah, biasanya di urutan 10 -4 Pa . Kebutuhan untuk ini ada dua: pertama penyisihan perbedaan tegangan antara katoda dan tanah tanpa menghasilkan bunga api, dan kedua untuk mengurangi frekuensi tumbukan elektron dengan atom gas untuk diabaikan karakteristik tingkat efek oleh jalan bebas rata-rata . TEM komponen seperti pemegang spesimen dan gulungan (isi) film harus dimasukkan atau diganti secara
97
rutin membutuhkan suatu sistem dengan kemampuan untuk kembali mengevakuasi secara teratur. Dengan demikian, TEMS dilengkapi dengan sistem pemompaan ganda dan udara tertutup dan tidak permanen vakum ditutup. Sistem vakum untuk mengevakuasi TEM untuk tingkat tekanan operasi terdiri dari beberapa tahap. Dasar pertama atau vakum yang dicapai pada tiap putaran pompa baling-baling atau pompa rongga membawa TEM ke tekanan rendah cukup untuk memungkinkan pengoperasian turbomolecular atau pompa difusi (penyebaran) yang membawa TEM ke level vakum tinggi yang diperlukan untuk operasi. Untuk memungkinkan untuk vakum rendah tidak memerlukan pompa untuk terus beroperasi, sambil terus mengoperasikan pompa turbomolecular, sisi vakum dari tekanan pompa rendah dapat dihubungkan ke ruang yang menampung gas buang dari pompa turbomolecular. Bagian dari TEM dapat diisolasi dengan menggunakan katup/klep gerbang/ pintu , untuk memungkinkan untuk tingkat kekosongan yang berbeda dalam bidang tertentu, seperti vakum lebih besar dari 10 -4 10 -7 Pa atau lebih tinggi dalam pistol elektron dalam resolusi tinggi atau emisi medan TEMS . Kekurangan vakum pada TEM dapat menyebabkan beberapa masalah, dari deposisi gas di dalam TEM ke spesimen seperti yang sedang dilihat melalui proses yang dikenal sebagai sinar elektron diinduksi pengendapan , atau dalam kasus kerusakan lebih parah pada katoda dari pelepasan elektrik. Masalah vakum karena spesimen sublimasi dibatasi oleh penggunaan perangkap dingin untuk menyerap gas disublimasikan di sekitar spesimen.
4. Tahap Spesimen
TEM sampel dukungan mesh "grid", dengan ultramicrotomy bagian
98
Desain spesimen tahap TEM termasuk
udara tertutup untuk memungkinkan
penyisipan pemegang spesimen ke dalam vakum dengan peningkatan minimal dalam tekanan di daerah lain dari mikroskop. Pemegang spesimen yang disesuaikan untuk mengadakan ukuran standar grid pada sampel yang ditempatkan atau ukuran standar menyangga spesimen. TEM standar ukuran grid adalah sebuah cincin diameter 3,05 mm, dengan ukuran ketebalan dan mesh mulai dari beberapa 100 pM. Sampel ditempatkan ke daerah yang berdiameter sekitar 2,5 mm. bahan grid biasa adalah tembaga, molibdenum, emas atau platinum. grid ini ditempatkan ke dalam pemegang sampel yang dipasangkan dengan tahap spesimen. Berbagai macam desain tahap dan pemegang ada, tergantung pada jenis percobaan yang dilakukan. Selain 3,05 mm grid, grid 2,3 mm jarang digunakan.. Grid ini secara khusus digunakan dalam ilmu mineral di mana tingkat besar kemiringan sangat dapat diperlukan dan di mana bahan spesimen mungkin sangat jarang. Elektron spesimen transparan memiliki ketebalan sekitar 100 nm, tetapi nilai ini tergantung pada tegangan percepatan. Setelah dimasukkan ke TEM, sampel sering harus dimanipulasi untuk menyajikan daerah yang diinginkan dengan berkas, seperti dalam satu butir difraksi, dalam orientasi tertentu. Untuk mengakomodasi ini, tahap TEM mencakup mekanisme untuk menerjemahkan sampel pada bidang XY sampel, untuk penyesuaian ketinggian Z dari pemegang sampel, dan biasanya untuk setidaknya satu derajat kebebasan rotasi untuk sampel. Jadi tahap TEM mungkin menyediakan empat derajat kebebasan untuk gerakan spesimen. Tahap TEM diperlukan untuk memiliki kemampuan untuk memiliki spesimen dan dimanipulasi untuk membawa daerah yang menjadi jalur berkas elektron. TEM dapat beroperasi lebih dari berbagai perbesaran, dengan secara bersamaan harus sangat tahan terhadap arus mekanis , dengan persyaratan rendah beberapa nm / menit ketika sedang mampu memindahkan beberapa um / menit, dengan ketelitian terletak pada orde nanometer. Sebelumnya desain TEM disempurnakan dengan satu set perangkat yang
99
kompleks mekanik, memungkinkan operator dengan halus mengendalikan tahap gerak dengan beberapa batang berputar perangkat modern dapat menggunakan desain listrik, menggunakan sekrup bersama-sama dengan motor stepper , menyediakan operator dengan berdasarkan tahap masukan-komputer, seperti tongkat atau trackball . Dua desain utama untuk tahap dalam TEM ada, sisi-entry dan versi entri atas. Setiap desain harus menampung pemegang cocok untuk memungkinkan penyisipan spesimen tanpa baik halus optik TEM merusak atau gas mengijinkan ke dalam sistem TEM kondisi vakum.
Sebuah diagram dari pemegang kemiringan sumbu sampel tunggal untuk dimasukkan ke dalam goniometer TEM. Sertifikasi dari pemegang dicapai dengan rotasi dari seluruh goniometer Yang paling umum adalah entri sisi pemegang, dimana spesimen diletakkan dekat ujung logam panjang (kuningan atau stainless steel) batang, dengan spesimen diletakkan flat di kecil membosankan. Seiring batang beberapa polimer cincin vakum untuk memungkinkan pembentukan seal vakum cukup berkualitas, saat dimasukkan ke dalam tahapannya .
Demikian dirancang untuk mengakomodasi/memberikan
ukuran ,
menempatkan sampel baik di antara atau di dekat lensa objektif, tergantung pada desain objektif. Ketika dimasukkan ke tahap/tingkat , pemegang entri sisi memiliki ujungnya yang terkandung dalam kekosongan TEM, dan basis ini disajikan untuk atmosfer, udara vakum dibentuk oleh cincin vakum.
100
Prosedur untuk TEM masuk pemegang sisi biasanya melibatkan rotasi sampel untuk memicu saklar mikro yang memulai evakuasi udara vakum sebelum sampel dimasukkan ke dalam kolom TEM. Desain kedua adalah entri-top pemegang terdiri dari gulungan(isi) yang beberapa cm panjang dengan lubang dibor bawah sumbu gulungan . Spesimen dimasukkan ke lubang, mungkin menggunakan sebuah cincin sekrup kecil untuk memegang sampel di tempat. Gulungan ini dimasukkan ke dalam udara yang tertutup dengan lubang tegak lurus dengan sumbu TEM optik. Ketika disegel, udara tertutup ini dimanipulasi untuk mendorong gulungan(isi) sehingga gulungan(isi) jatuh ke tempatnya, dimana lubang bor menjadi sejajar dengan sumbu balok, sehingga balok bergerak ke bawah gulungan(isi) terakhir dan ke spesimen. Desain tersebut biasanya tidak dapat dimiringkan tanpa menghalangi jalur cahaya atau mengganggu dengan lensa objektif.
5. Pistol Elektron
Diagram dari sebuah perakitan pemercepat elektron, menggambarkan ekstraksi elektron Pemercepat elektron terbentuk dari beberapa komponen: filamen, rangkaian bias, topi Wehnelt, dan anoda ekstraksi. Dengan menghubungkan filamen ke komponen power supply negatif, elektron dapat "dipompa" dari pemercepat elektron ke lempeng anoda, dan
101
kolom TEM, sehingga rangkaian lengkap. Pemercepat dirancang untuk membuat berkas elektron keluar dari kumpulan di beberapa sudut tertentu, yang dikenal sebagai perbedaan sudut pemercepat α. Dengan bentuk silinder Wehnelt sedemikian rupa sehingga memil iki muatan negatif lebih tinggi dari filamen itu sendiri, elektron yang keluar dari filamen dengan cara berbeda adalah, pada cara yang tepat, dipaksa menjadi susunan berkumpul sukuran minimum yang diameter persilangan pemercepat. Arus kepadatan emisi termionik, J, bisa berhubungan dengan fungsi kerja dari bahan memancarkan dan merupakan distribusi Boltzmann diberikan di bawah ini, dimana A adalah konstanta, Φ adalah fungsi kerja dan T adalah temperatur material.
Persamaan ini menunjukkan bahwa untuk mencapai kerapatan arus yang cukup perlu untuk memanaskan emitor, merawat tidak menimbulkan kerusakan oleh aplikasi panas berlebihan, untuk bahan alasan dengan baik titik lebur tinggi, seperti tungsten, atau mereka yang memiliki rendah fungsi kerja (Lab 6) diperlukan untuk filamen pistol. Selain baik hexaboride lantanum dan sumber termionik tungsten harus dipanaskan untuk mencapai emisi termionik, hal ini dapat dicapai dengan menggunakan strip resistif kecil. Untuk mencegah sengatan panas, sering ada penundaan diberlakukan dalam aplikasi arus ke ujung, untuk mencegah gradien termal dari merusak filamen, penundaan biasanya beberapa detik untuk Lab 6, dan secara signifikan lebih rendah untuk tungsten.
6. Lensa Elektron 102
Diagram dari lensa belahan lempengan elektroda desain TEM Lensa elektron dirancang untuk bertindak dengan cara meniru yang dari lensa optik, dengan memfokuskan sinar sejajar pada beberapa focal panjang konstan. Lensa dapat beroperasi elektrostatis atau magnetis. . Mayoritas lensa elektron untuk TEM menggunakan elektromagnetik kumparan untuk menghasilkan lensa cembung . Untuk lensa ini bidang yang dihasilkan untuk lensa harus radial simetris, sebagai penyimpangan dari simetri radial lensa magnetik penyebab penyimpangan seperti astigmatisme , dan memburuk bola dan penyimpangan warna . Lensa elektron dibuat dari besi, besi-kobalt kobalt nikel atau paduan, seperti permalloy . . Ini adalah dipilih untuk sifat magnetiknya seperti magnet saturasi , histeresis dan permeabilitas . Komponen termasuk kuk, kumparan magnet, kutub, dan sirkuit kontrol eksternal.Potongan kutub harus diproduksi dengan cara yang sangat simetris, karena hal ini memberikan kondisi batas untuk bidang magnet yang membentuk lensa. . Ketidaksempurnaan dalam pembuatan potongan kutub dapat menyebabkan distorsi parah dalam simetri medan magnet, yang menyebabkan distorsi yang pada akhirnya akan membatasi lensa 'kemampuan untuk mereproduksi bidang objek. Dimensi yang tepat dari kesenjangan, internal diameter sepotong tiang dan lancip, serta desain keseluruhan lensa sering dilakukan dengan analisis elemen hingga medan magnet, sementara mempertimbangkan kendala dan listrik termal desain.
103
Kumparan yang menghasilkan medan magnet yang terletak di dalam kuk lensa.. Kumparan dapat berisi variabel saat ini, tetapi biasanya menggunakan tegangan tinggi, dan karena itu memerlukan isolasi signifikan untuk mencegah hubungan arus pendek komponen lensa.. distributor suhu ditempatkan untuk memastikan ekstraksi panas yang dihasilkan oleh energi yang hilang untuk perlawanan dari gulungan coil.. Mungkin gulungan air didinginkan, menggunakan pasokan air dingin untuk memfasilitasi pemibersihan termal yang tinggi.
7. Lubang Lubang adalah pelat metalik melingkar, di mana elektron yang lebih jauh dari jarak yang tetap dari sumbu optik dapat di tiadakan. Ini terdiri dari sebuah cakram logam kecil yang cukup tebal untuk mencegah elektron dari melewati disk, ssementara memungkinkan elektron aksial. Ini izin dari elektron sentral dalam TEM menyebabkan dua efek simultan: pertama, lubang mengurangi intensitas berkas sebagai elektron disaring dari cahaya, yang mungkin diinginkan dalam kasus sampel cahaya sensitif. Kedua, penyaringan ini menghilangkan elektron yang tersebar sudut tinggi, yang mungkin disebabkan oleh proses-proses yang tidak diinginkan seperti bola atau penyimpangan warna, atau karena difraksi dari interaksi dalam sampel. Baik lubang tetap di dalam kolom, seperti pada lensa kondensor, atau lubang dapat digerakkan , yang dapat dimasukkan atau ditarik dari jalur cahaya , atau bergerak di bidang tegak lurus ke jalur cahaya. Kumpulan lubang adalah alat mekanis yang memungkinkan untuk pemilihan ukuran lubang yang berbeda, yang dapat digunakan oleh operator untuk pertukaran intensitas dan efek kumpulan lubang penyaringan . kumpulan lubang sering dilengkapi dengan mikrometer untuk memindahkan lubang , diperlukan selama kalibrasi optik.
104
B. Metode Pencitraan Metode Pencitraan dalam TEM
memanfaatkan informasi yang terkandung
dalam gelombang elektron keluar dari sampel untuk membentuk sebuah gambar.. Lensa proyektor memungkinkan untuk posisi yang benar dari distribusi gelombang elektron ke sistem tampilan. Intensitas yang diamati dari gambar, dengan asumsi kualitas ti nggi cukup perangkat pencitraan, dapat diperkirakan sebanding dengan waktu rata-rata amplitudo dari fungsi gelombang elektron, dimana gelombang yang membentuk cahaya keluar dilambangkan oleh Ψ.
Metode pencitraan yang berbeda sehingga upaya untuk memodifikasi gelombang elektron keluar dari sampel dalam bentuk yang berguna untuk memperoleh informasi berkaitan dengan sampel, atau sinar itu sendiri.. Dari persamaan sebelumnya, maka dapat disimpulkan bahwa citra yang diamati tidak hanya tergantung pada amplitudo cahaya , tetapi juga pada fase elektron, meskipun efek tahap mungkin sering diabaikan pada perbesaran yang lebih rendah. Psencitraan resolusi tinggi memerlukan sampel tipis dan energi yang lebih tinggi dari elektron insiden. Oleh karena sampel tidak bisa lagi dianggap menyerap elektron, melalui efek hukum Beer, agak sampel dapat dimodelkan sebagai obyek yang tidak mengubah amplitudo fungsi gelombang elektron yang masuk.. Sebaliknya sampel memodifikasi fase gelombang masuk; model ini dikenal sebagai objek fase murni , untuk spesimen fase tipis efek cukup mendominasi gambar, menyulitkan analisis intensitas diamati. Sebagai contoh, untuk meningkatkan kontras di gambar TEM dapat dioperasikan pada sedikit defocus untuk meningkatkan kontras, karena dililit oleh fungsi transfer kontras dari TEM , yang biasanya akan mengurangi kontras jika sampel bukan objek fase lemah.
1. Pembentukan Kontras
105
Pembentukan kontras di TEM sangat tergantung pada cara operasi.. teknik pencitraan kompleks, yang memanfaatkan kemampuan yang unik untuk mengubah lensa atau kekuatan untuk menonaktifkan sebuah lensa, memungkinkan banyak cara operasi. Cara ini dapat digunakan untuk memahami informasi yang menjadi kepentingan khusus peneliti.
2. Medan Terang Cara operasi yang paling umum untuk TEM adalah medan terang gambar( pencitraan). Dalam cara ini pembentukan kontras dianggap klasik, dibentuk langsung oleh keadaan dan penyerapan elektron dalam sampel. ". tebal daerah sampel, atau daerah dengan nomor atom lebih tinggi akan tampak gelap, sementara daerah tanpa sampel di jalur cahaya
akan muncul terang - maka istilah "Medan terang". Gambar akan
diasumsikan sebagai dimensi dua proyeksi sederhana dari sampel bawah sumbu optik, dan untuk pendekatan pertama dapat dimodelkan melalui 's hukum Beer , lebih analisis kompleks membutuhkan pemodelan sampel untuk memasukkan tahap informasi.
3. Difraksi kontras
Transmisi mikrograf elektron dengan pelepasannya, dalam kesalahan dalam struktur kisi kristal pada skala atom Sampel dapat menunjukkan kontras difraksi, dimana berkas elektron mengalami hamburan Bragg , yang dalam kasus sampel kristal, elektron menyebar ke lokasi yang berbeda dalam kekuatan bidang fokus. Dengan penempatan lubang di kekuatan fokus, 106
yaitu bidang fokus obyektif, refleksi Bragg yang diinginkan dapat dipilih (atau dikecualikan), sehingga hanya bagian dari sampel yang menyebabkan elektron untuk menyebarkan ke refleksi yang dipilih akan berakhir diproyeksikan ke alat pencitraan. Jika refleksi yang dipilih tidak termasuk cahaya unscattered (yang akan muncul sampai pada titik fokus lensa), maka gambar akan muncul gelap dimana sampel tidak hamburan ke puncak, seperti daerah tanpa spesimen akan muncul gelap. Ini dikenal sebagai gambar gelap-medan.
4. Tiga Dimensi Pencitraan
Gambar tiga dimensi TEM citra parapoxavirus Sebagai pemegang spesimen TEM biasanya memungkinkan untuk rotasi sampel dengan sudut yang diinginkan, beberapa tampilan dari spesimen yang sama dapat diperoleh dengan memutar sudut sampel sepanjang sumbu tegak lurus terhadap cahaya . Dengan mengambil beberapa gambar dari sampel TEM tunggal di sudut yang berbeda, khusunya dalam 1 tahap, perangkat gambar yang dikenal sebagai "rangkaian miring" dapat dikumpulkan. Metodologi ini diajukan pada tahun 1970 oleh Walter Hoppe. Sematamata di bawah kondisi penyerapan keadaan kontras , ini serangkaian gambar dapat digunakan untuk konsep gambaran tiga dimensi sampel. Rekonstruksi dilakukan dengan proses dua tahap, gambar pertama sejalan dengan memperhitungkan kesalahan pada posisi sampel, kesalahan tersebut dapat terjadi karena getaran atau mekanik drift. Menggunakan metode pendaftaran gambar 107
algoritma, seperti autokorelasi metode untuk memperbaiki kesalahan ini. ) . Kedua, menggunakan teknik yang dikenal sebagai kekuatan
proyeksi disaring , potongan
gambar sejajar dapat berubah dari satu set gambar dua dimensi, I j(x, y), untuk sebuah gambar tiga-dimensi tunggal, I j (x, y , z). Gambar tiga dimensi ini merupakan perhatian khusus ketika informasi morfologi dibutuhkan, studi lebih lanjut dapat dilakukan dengan menggunakan algoritma komputer, seperti isosurfaces dan data mengiris untuk menganalisis data. Sampel TEM tidak bisa biasanya dilihat pada 180 ° rotasi penuh, gambar diamati biasanya diperoleh dari sebuah "irisan yang hilang" data, yang bila menggunakan Fourier berdasarkan kekuatan proyeksi metode mengurangi rentang frekuensi berubah dalam rekontruksi dimensi tiga. Teknik -teknik, seperti-sumbu miring multi, serta teknik numerik yang ada untuk membatasi dampak dari data yang hilang pada morfologi spesimen yang diamati. Perbedaan metode ini, disebut sebagai analisis partikel tunggal , menggunakan gambar objek identik pada orientasi yang berbeda untuk menghasilkan data gambar yang diperlukan untuk rekonstruksi tiga dimensi.. Dengan asumsi bahwa objek tidak memiliki orientasi pilihan yang signifikan, metode ini tidak memperoleh dari data yang hilang, namun ia menganggap bahwa benda yang berbeda dicitrakan dapat diperlakukan seolaholah data yang dihasilkan dari satu objek.
C. Contoh Persiapan Persiapan Sampel dalam TEM bisa menjadi prosedur kompleks. TEM spesimen diharuskan untuk berada di ratusan nanometer sebagian besar tebal, tidak seperti neutron atau X-Ray radiasi berkas elektron mudah berinteraksi dengan sampel, efek yang meningkat sekitar dengan nomor atom kuadrat (z 2). Kualitas tinggi sampel akan memiliki ketebalan yang sebanding dengan jalan bebas rata-rata dari elektron yang berjalan melalui sampel, yang mungkin hanya beberapa puluh nanometer.. Persiapan spesimen TEM khusus untuk material di bawah analisis dan informasi yang dikehendaki untuk 108
mendapatkan dari spesimen. Dengan demikian, teknik generik telah banyak digunakan untuk penyusunan bagian tipis yang diperlukan. Bahan yang memiliki dimensi cukup kecil untuk elektron transparan, seperti serbuk atau nanotube, bisa cepat dipersiapkan oleh pengendapan sampel encer berisi spesimen ke grid dukungan atau film. Dalam ilmu biologi untuk menahan kekosongan instrumen dan memfasilitasi penanganan, spesimen biologi bisa terpaku baik menggunakan pewarnaan negatif bahan seperti asetat uranil atau dengan melekatkan plastik.. Bergantian sampel dapat diadakan nitrogen suhu cair setelah disimpan di es vitreous. Dalam ilmu material dan metalurgi spesimen cenderung alami tahan terhadap vakum, tetapi tetap harus disiapkan sebagai kertas tipis, atau etsa sehingga beberapa bagian dari spesimen cukup tipis untuk menembus cahaya. Kendala pada ketebalan material mungkin dibatasi oleh bagian silang hamburan dari material atom.
1. Bagian Jaringan Dengan melewatkan sampel melalui atau berlian tepi kaca, kecil, tipis bagian dapat segera diperoleh dengan menggunakan metode semi-otomatis. Metode ini digunakan untuk memperoleh tipis, minimal sampel cacat yang memungkinkan untuk pengamatan sampel jaringan.. Selain itu sampel anorganik telah dipelajari, seperti aluminium, meskipun penggunaan ini dibatasi karena kerusakan berat disebabkan dalam sampel kurang lembut. Untuk mencegah biaya membangun-up pada permukaan sampel, sampel jaringan harus dilapisi dengan lapisan tipis melakukan materi, seperti karbon, dimana ketebalan pelapisan beberapa nanometer. . Hal ini dapat dicapai melalui proses pengendapan bunga api listrik menggunakan perangkat percikan lapisan.
109
2. Contoh pewarnaan
Bagian dari sel Bacillus subtilis , diambil dengan TEM T-12 Tecnai. The scale bar is 200 nm. Bar skala adalah 200 nm. Rincian dalam sampel mikroskop cahaya dapat ditingkatkan dengan noda yang menyerap sinar; sama TEM sampel jaringan biologi dapat memanfaatkan noda nomor atom tinggi untuk meningkatkan kontras.. Noda menyerap elektron atau bagian menyebarkan dari berkas elektron yang dinyatakan diproyeksikan ke sistem pencitraan. Senyawa logam berat seperti osmium, , atau uranium dapat digunakan sebelum pengamatan TEM untuk selektif deposit padat atom elektron di dalam atau pada sampel di daerah selular atau protein yang diinginkan, memerlukan pemahaman tentang bagaimana mengikat logam berat ke jaringan biologis.
3. Teknik penggilingan Mekanikal lap pengosok dapat digunakan untuk mempersiapkan sampel. Lap penggosok perlu dilakukan untuk kualitas tinggi, untuk memastikan ketebalan sampel konstan di daerah bunga. Sebuah berlian, atau boron nitrida kubik senyawa poles dapat digunakan dalam tahap akhir digosok menghilangkan goresan yang dapat menyebabkan fluktuasi kontras karena berbagai ketebalan sampel. Bahkan setelah penggilingan mekanis hati-hati, metode denda tambahan seperti etsa ion mungkin diperlukan untuk melakukan tahap akhir menipis.
110
4. Kimia etsa Sampel ini menipis menggunakan ETSA kimia, seperti asam, untuk mempersiapkan sampel untuk observasi TEM.. Perangkat untuk mengontrol proses penipisan dapat memungkinkan operator untuk mengendalikan baik tegangan atau arus melewati spesimen, dan mungkin termasuk sistem untuk mendeteksi ketika sampel telah menipis ke tingkat yang memadai transparansi optik.
5. Ion etsa
Membran tipis ditampilkan di sini adalah cocok untuk pemeriksaan TEM, namun, pada ~ 300-nm tebal, itu tidak akan cocok untuk TEM resolusi tinggi tanpa pengolahan lebih lanjut. Ion etsa adalah proses sputtering yang dapat menghilangkan jumlah yang sangat halus bahan. Ini digunakan untuk melakukan memoles akhir spesimen dipoles dengan cara lain.. Ion etsa menggunakan gas inert melewati medan listrik untuk menghasilkan plasma aliran yang diarahkan ke permukaan sampel.. Percepatan energi untuk gas seperti argon biasanya beberapa kilovolt. Sampel dapat diputar untuk mempromosikan bahkan memoles permukaan sample.. Tingkat sputtering metode tersebut adalah pada urutan puluhan mikrometer per jam, membatasi metode untuk memoles hanya sangat halus. FIB adalah teknik yang relatif baru untuk mempersiapkan sampel untuk pemeriksaan TEM tipis dari spesimen yang lebih besar. Karena FIB dapat digunakan untuk sampel mikro-mesin yang sangat tepat, adalah mungkin untuk penggilingan membrane
111
sangat tipis dari area tertentu yang menarik dalam sampel, seperti semikonduktor atau logam. Tidak seperti gas inert ion sputtering, FIB memanfaatkan energik galium ion lebih nyata dan dapat mengubah komposisi atau struktur dari material melalui implantasi galium.
D. Perubahan TEM Kemampuan dari TEM dapat diperpanjang dengan tahap tambahan dan detektor, kadang-kadang dimasukkan pada mikroskop yang sama.. Sebuah cryomicroscope elektron (CryoTEM) adalah TEM dengan pemegang spesimen mampu menjaga spesimen
di nitrogen cair atau helium cair suhu. Hal ini memungkinkan spesimen pencitraan disusun es vitreous , teknik persiapan yang lebih disukai untuk individual molekul pencitraan atau rakitan makromolekul. Sebuah TEM dapat diubah menjadi mikroskop transmisi elektron scanning (STEM) dengan penambahan sistem yang raster cahaya di sampel untuk membentuk citra, dikombinasikan dengan detektor logam yang cocok. Kumparan Scanning digunakan untuk membelokkan sinar, seperti oleh pergeseran elektrostatik sinar, di mana sinar ini kemudian dikumpulkan menggunakan detektor arus seperti cangkir faraday , yang bertindak sebagai elektron langsung dihitung . Dengan menghubungkan jumlah elektron ke posisi sinar pemindaian (dikenal sebagai "probe"), komponen ditransmisikan sinar dapat diukur. Komponen non dapat diperoleh baik dengan memiringkan sinar atau dengan menggunakan annulus medan gelap detektor.
E. Keterbatasan TEM Ada sejumlah kelemahan dalam teknik TEM. Banyak materi memerlukan persiapan sampel yang luas untuk menghasilkan sebuah sampel cukup tipis elektron transparan, yang membuat analisis TEM suatu proses yang memakan waktu yang relatif dengan keseluruhan rendah sampel. Struktur sampel juga dapat berubah selama proses persiapan. Juga bidang pandang relatif kecil, meningkatkan kemungkinan bahwa daerah
112
dianalisis mungkin sampel tidak karakteristik secara keseluruhan.. Ada potensi bahwa sampel mungkin rusak oleh berkas elektron, terutama dalam kasus bahan biologiss. Sama seperti SEM, TEM juga digunakan untuk mengkarakterisasi suatu material, biasanya untuk material berukuran nanometer. Namun TEM memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada SEM. Batas resolusi diperoleh dalam TEM dapat digambarkan dalam beberapa cara, dan biasanya disebut sebagai batas informasi mikroskop.. Salah satu nilai yang umum digunakan adalah nilai cut-off dari fungsi transfer kontras , fungsi yang biasanya dikutip dalam domain frekuensi untuk menentukan reproduksi frekuensi spasial objek pada bidang objek oleh optik mikroskop. Sebuah frekuensi cut-off, didekati dengan persamaan berikut, di mana C λ adalah panjang gelombang elektron:
adalah adanya
max q,
untuk fungsi transfer
penyimpangan bola koefisien
Untuk 200 kV mikroskop, dengan bola penyimpangan dikoreksi sebagian ("ke urutan ketiga") dan C nilai dari 1 pMs. Mikroskop yang sama tanpa korektor akan memiliki s C = 0,5 mm dan dengan demikian 200-pm cut-off.
[42]
Secara praktis, penyimpangan bola ditekan
dalam terbaik, " kelainan-koreksi "mikroskop. Namun resolusi mereka dibatasi oleh geometri sumber elektron dan kecerahan dan penyimpangan chromatic dalam sistem lensa objektif. Menariknya, domain frekuensi representasi dari fungsi transfer kontras mungkin sering memiliki sifat berosilasi
[44]
, yang dapat disetel dengan menyesuaikan nilai fokus
lensa objektif.. Sifat berosilasi menyiratkan bahwa beberapa frekuensi spasial yang setia dicitrakan oleh mikroskop, sedangkan yang lain ditekan. Dengan menggabungkan beberapa gambar dengan frekuensi spasial yang berbeda, penggunaan teknik seperti seri focal rekonstruksi dapat digunakan untuk meningkatkan resolusi TEM secara terbatas.
113
Fungsi transfer kontras dapat, sampai batas tertentu, menjadi eksperimen didekati melalui teknik seperti Fourier mengubah gambar bahan amorf, seperti karbon amorf .
JURNAL TRANSMISSI ELEKTRON MIKROSCOPY 1. PENGARUH
PRA-PERLAKUAN
PANAS
DAN
REGANGAN
TERHADAP
MORFOLOGI PRESIPITAT YANG TERBENTUK PADA PROSES REGANG-ANIL INGOT ZRY-4 (Futichah, Budi Briyatmoko, 2003, Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang – Badan Tenaga Nuklir Nasional)
PENGARUH PRAPERLAKUAN PANAS DAN REGANGAN TERHADAP MORFOLOGI PRESIPITAT YANG TERBENTUK PADA PROSES REGANG-ANIL INGOT Zry-4. Pada plat ingot Zry-4 yang telah mengalami perlakuan panas (A:Anil; B:β- quench-Anil; C:β-quench) bila dirol dingin secara bertahap dengan derajat deformasi antara ε = 0,1 sampai dengan ε = 1,61 kemudian dipanaskan pada suhu 750 oC selama 2 jam selanjutnya diamati mikrostrukturnya dengan TEM, diperoleh morfologi presipitat yang berbeda-beda pada setiap tahapan proses deformasi. Seiring dengan meningkatnya derajat deformasi, bentuk presipitat semakin tidak beraturan dan cenderung lonjong atau silindris serta ukurannya semakin kecil. Korelasi antara derajat deformasi dan ukuran presipitat dapat didekati dengan persamaan φ = 0,023e0,01/ε untuk spesimen A ; φ = 0,022e 0,057/ε untuk spesimen B ; dan φ = 0,014e0,037/ε untuk spesimen C. Proses regang-anil pada cuplikan A, B dan C dengan deraja t deformasi ε = 0,1 – 1,61 serta perlakuan panas anil pada suhu 750 oC selama 2 jam, menghasilkan presipitat dengan struktur kristal yang sama yaitu FCC dengan parameter kisi rata-rata a = 7,24 Å. Jadi pengaruh derajat deformasi terhadap morfologi presipitat yang terbentuk pada proses reganganil ingot Zry-4 yang telah mengalami berbagai perlakuan panas (A, B dan C), hanya mengubah bentuk, distribusi dan ukuran presipitat, tetapi tidak mengubah struktur kristal presipitat.
DAFTAR PUSTAKA
114
