Spektrofotometer Inframerah
[Infra Red Spectrophotometer]
Disusun oleh :
Agung Dwi Saputro (062109006)
Intana Pamela K. (062109017)
Riana Septianingrum (062109008)
Septini (062109013)
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PAKUAN
2012
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi identifikasi
suatu senyawa organik dapat dilakukan secara instrumental. Salah satu
caranya adalah dengan tekhnik spektroskopi. Tekhnik spektroskopi adalah
salah satu tekhnik analisis fisika-kimia yang mengamati interaksi atom
suatu molekul dengan radiasi elektromagnetik (REM). Pada prinsipnya
interaksi REM dengan molekul menghasilkan satu atau dua macam dari tiga
kejadian yang mungkin terjadi. Ketiga macam kejadian yang mungkin
terjadi sebagai akibat interaksi atom molekul dengan REM adalah hamburan
(scaterring), absorbsi (absorbtion), dan emisi (emision). Hamburan REM
oleh atom suatu molekul melahirkan spektrofotometri Raman, absorbansi
melahirkan spektrofotometri UV-Vis dan inframerah sedangkan absrbansi
yang disertai emisi melahirkan fotolumensi yang kemudian lebih dikenal
sebagai fluoresensi dan fosforesensi. Dari bermacam-macam metode
spektrofotometri tersebut di atas, antara satu dengan yang lain memiliki
kegunaan dan keunggulan yang berbeda dalam bidang analisis analisis
instrumental.
Teknik analisis spektroskopi termasuk salah satu tenik analisis
instrumental disamping teknik kromatografi dan elektroanalisis kimia.
Teknik tersebut memanfaatkan fenomena interaksi materi dengan gelombang
elektromagnetik seperti sinar-x, ultraviolet, cahaya tampak dan
inframerah. Fenomena interaksi bersifat spesifik baik absorpsi maupun
emisi. Interaksi tersebut menghasilkan signal-signal yang disadap
sebagai alat analisis kualitatif dan kuantitatif. Contoh teknik
spektroskopi absorpsi adalah UV/VIS, Inframerah (FT-IR) dan Absorpsi
Atom (AAS). Sedang contoh spektroskopi emisi adalah spektroskopi nyala
dan Inductively Coupled Plasma (ICP), yang merupakan alat ampuh dalam
analisis logam. Masih banyak teknik lain yang didasarkan pada hamburan
atau difraksi cahaya seperti turbidimetri dan sinar-x. Investasi besar
dalam peralatan-peralatan di atas amat penting dalam menunjang misi
laboratorium. Tetapi pemanfaatannya amat bergantung pada kemampuan
sumber daya manusia.
B. Dasar Teori
Al Hasan pada tahun 400 SM adalah orang yang pertama kali telah
memikirkn masalah sinar yang dikenal sebagai "An Noor". Menurut Al Hasan
benda tampak oleh panca indera mata karena benda tersebut memantulkan
cahaya. Selanjutnya Max Planck berpendapat bahwa cahaya merupakan suatu
paket energi yang diskrit yang disebut "foton". Energi yang timbul juga
berbanding lurus dengan frekwesi dan digambarkan dengan persamaan Max
Plank :
sehingga :
dimana :
E = Energi, Joule
h = Tetapan Plank ; 6,6262 x 10-34 J.s
c = Kecepatan cahaya ; 3,0 x 1010 cm/detik
n = indeks bias (dalam keadaan vakum harga n = 1)
λ = panjang gelombang ; cm
v = frekwensi ; Hertz
Christian Huygens selanjutnya beranggapan bahwa cahaya seperti
hanya bunyi yang merambat ke seleruh penjuru sebagai pancaran gelombang
dengan kecepatan tinggi. Sampai saait ini para ilmuwan belum dapat
memutuskan secara absolut apakah cahaya itu sebagai partikel atau
gelombang. Rumus tersebut di atas hanyalah merelasikan cahaya sebagai
gelombang yang mempunyai energi yang diskrit (foton). Teori radiasi
elektromagnetik (REM) yang di konsep pertama kali oleh James Clark
Maxwell menyatakan bahwa cahaya secara fisis merupakan gelombang
elektromagnetik, artinya mempunyai vektor listrik dan vektor magnetik
yang keduanya saling tegak lurus dengan arah rambatan.
Radiasi elektromagnetik panjang gelombang 380 nm – 780 nm merupakan
radiasi yang dapat diteima oleh panca indera mata manusia sehingga
dikenal sebagai cahaya tampak (visible). Diluar rentang panjang
gelombang cahaya tampak, EM sudah tidak dapat ditangkap oleh panca
indera mata manusia.
BAB II
PEMBAHASAN
A. Sejarah
Radiasi inframerah pertama kali diselidiki oleh Sir William Herckel
tahun 1800. Ia mendeviasikan sinar matahari pada sebuah prisma yang
kemudian diserap oleh beberapa sampel. Ternyata pada daerah sesudah
sinar inframerah menunjukan adanya kenaikan temperatur tertinggi yang
berarti pada daerah panjang gelombang radiasi tersebut terdapat banyak
kalori (energi tinggi). Daerah spektrum tersebut selanjutnya disebut
infrared (infra merah), diseberang atau diluar merah. Ia mendapat
kesulitan dalam mencari hubungan antara penyerapan radiasi dengan
struktur molekul.
Pada tahun 1903, William W. Voblenzt melaporkan hasil percobaannya
tentang penyerapan radiasi inframerah oleh sampel-sampel murni.
Akhirnya, didapatkan korelasi antara absorbsi sinar inframerah dengan
struktur molekul.
Pada era modern ini radiasi inframerah masih digolongkan lagi
atas empat daerah, yang penggolongannya tampak pada tabel.
B. Radiasi Inframerah dengan molekul
Telah dikatakan bahwa radiasi IR yang dipakai untuk analisis
instrumental adalah radiasi IR yang rentang bilangan gelombangnya antara
4.000 – 670 cm-1.
Radiasi IR terbagi lagi atas dua daerah yaitu:
1) Daerah radiasi gugus fungsi pada rentang 4.000 – 1.600 cm-1
2) Daerah sidik jari pada rentang 1.600 – 670 cm-1
Radiasi IR yang dipakai tersebut harus berada pada rentang
frekuansi yang sesuai dengan getaran alamiah (natural vibration) dari
molekul agar memperoleh informasi gugus-gugus molekul dari zat yang
dianalisis. Bentuk struktur molekul juga menjadi penentu terjadinya
interaksi radiasi IR dengan molekul.
Molekul yang simetris dalam arti kata kedua gugus molekul atau atom
mempunyai keelektronegatifan yang sama, tidak memberikan perubahan netto
momen dwikutub sehingga tidak terjadi perbedaan muatan listrik pada kedua
kutub. Dengan demikian medan listrik IR tidak berinteraksi dengan molekul
dan lebih jauh molekul tersebut tidak akan mengalami perubahan-perubahan
vibrasi karena tidak menyerap radiasi IR. Contoh nyata yang negatif tidak
menyerap terhadap radiasi IR adalah molekul metana (CH4).
Sebaliknya untuk molekul yang tidak simetris akan memberikan
perubahan netto momen dwikutub sehingga terjadi perbedaaan muatan listrik
pada kedua kutubnya. Molekul tersebut tiap-tiap gugus akan mempunyai
vibrasi alamiah yang besarnya berbeda-beda. Apabila vibrasi alamiah gugus
molekul cocok dengan frekuensi radiasi IR maka akan terjadi interaksi
medan listrik yang menyebabkan perubahan-perubahan vibrasi yang
menandakan terjadinya absorbsi radiasi IR oleh gugus molekul.
Daerah sidik jari adalah daerah antara bilangan gelombang 1.600
sampai dengan 670 cm-1. Pada daerah ini suatu senyawa memberikan pola
serapan yang khas yang tidak dipunyai oleh senyawa lainnya, sehingga
dengan melihat pola serapan di daerah tersebut dapat disimpulkan struktur
kimianya. Pada daerah ini pula suatu isomer dapat dibedakan satu dengan
yang lain.
Spektro infra merah mengandung banyak serapan yang dihubungkan
dengan sistem vibrasi yang berinteraksi dalam molekul dan karena
mempunyai karakteristik yang unik untuk setiap molekul maka dalam
spectrum memberikan pita-pita serapan yang karakteristik juga.
Bentuk pita ini dikenal sebagai "finger print" dari molekul. Daerah
yang mengandung sejumlah vibrasi tertentu yang tak dapat ditelaah yang
berkisar dari 900-1400 cm-1 sering disebut daerah finger print. Untuk
mengidentifikasi senyawa yang tak dikenal, seseorang hanya perlu
membandingkan spekrum infra merah dengan sederet spektrum standar yang
dibuat pada kondisi yang sama. Senyawa-senyawa yang memberikan spektrum
infra merah yang sama adalah identik.
C. Instrumentasi Spektrofotometer IR
Bagian pokok dari spektrofotometer inframerah adalah sumber cahaya
merah, monokromator dan detektor. Cahaya dari sumber dilewatkan melalui
cuplikan, dipecah menjadi frekuensi-frekuensi individunya dalam
monokromator dan intensitas relatif dari frekuensi individu diukur oleh
detektor.(Sastrohamidjojo,2001).
Secara garis besar komponen spektrofotometer infra merah yaitu:
Sumber Radiasi
Ada tiga macam sumber radiasi IR yang telah umum dipakai pada
spekrofotometer IR, yaitu:
1) Nikhrom.
Kawat nikrom yang dipijarkan dengan aliran listrik sampai
temperatur 1100 °C akan memancarkan radiasi IR. Akan tetapi
pancaran radiasi IR dari pijaran kawat nikrom ini memberikan
bilangan gelombang lebih dari 5000 cm-1 dengan intensitas yang
lemah.
2) Globar.
Sumber radiasi IR globar saat ini merupakan sumber radiasi IR yang
banyak dipakai. Globar merupakan suatu senyawa silikon karbida yang
mempunyai kehandalan dapat dipijarkan langsung sampai temperatur
1300 °C. Sumber glower (globar) juga digunakan dalam beberapa
instrumen dengan absorbsi 5200 cm-1.
3) Nernst Glower
Sebagai hasil pemijaran Zirkonium oksida yang dijepit kedua
ujungnya dengan keramik. Temperatur sumber radiasi ini perlu tinggi
agar berfungsi sebgai penghantar listrik yang baik. Sumber radiasi
ini dibuat dari oksida-oksida zirkonium dan ytrium, berupa batang
berongga dengan diameter 2 mm dan panjang 30 mm. Batang ini
dipanaskan sampai 1500-2000 °C dan akan memberikan radiasi di atas
7000 cm-1.
Sampel
Berbagai sampel dalam bentuk padatan, cair dan gas dapat
dianalisis dengan infra merah. Sampel harus dalam keadaan murni,
misalnya hasil rekristalisasi, pemisahan kromatografi atau destilasi.
Biasanya sampel dipreparasi dulu dalam bentuk film tipis menggunakan
KBr atau NaCl. Sampel dalam bentuk awal berupa film tipis dapat
langsung dianalisis dengan teknik ATR ( Attenuated Total Reflectence),
sedangkan untuk gas diperlukan tabung khusus.
Monokromator
Ada dua jenis elemen pendispersi, yaitu:
1) Prisma
Prisma dapat memisahkan radiasi dengan cara yang sama
seperti prisma gelas atau air hujan yang memisahkan cahaya putih
menjadi cahaya berwarna pelangi. Prisma gelas memisahkan cahaya
tampak berdasarkan panjang gelombangnya. Sistem yang sama juga
berlaku untuk radiasi infra merah. Prisma digunakan untuk berbagai
bentuk radiasi termasuk cahaya tampak, infra merah dan ultraviolet.
Monokromator prisma yang terbuat dari garam an organik berfungsi
sebagai pengurai dan pengarah radiasi infra merah menuju detektor.
2) Grating
Salah satu keuntungan dari grating adalah dibuat dengan materi
yang tahan, stabil dalam keadaan atmosfer dan tidak rusak dengan
adanya kelembaban, seperti aluminium.
Monokromator pada umumnya dipakai untuk spekrofotometer IR saat
ini adalah kisi difraksi (grating). Kisi difraksi terbuat dari kaca
atau bahan plastik yang tertoreh dengan halus permukaannya dan
terlapisi oleh kondensasi uap aluminium. Jenis monokromator kisi
difraksi ini sudah banyak dipakai pada spekrofotometer IR yang modern.
Keunggulannya, memberikan resolusi yang jauh lebih bagus dengan
dispersi yang lurus, disamping itu tetap menjaga keutuhan radiasi IR
menuju detektor.
Detektor
Berfungsi mengubah sinyal radiasi IR menjadi sinyal listrik.
Detektor spekrofotometer yang bersifat menggandakan elektron tidak
dapat dipakai pada spekrofotometer IR sebab radiasi IR sangat lemah
dan tidak dapat melepaskan elekron dari katoda yang ada pada sistem
detektor.
Ada dua macam tipe detektor, yaitu:
1) Detektor tipe fotokonduktor
Detektor ini bersifat semi konduktor yang umumnya dibuat
dari campuran PbS dengan logam germanium. Detector tipe ini
kurang memberikan informasi pada daerah vibrasi gugus fungsi
dan sidik jari.
2) Detektor tipe hantar bahang
Cara kerja detector ini atas dasar efek bahang dari
radiasi IR. Dikenal tiga jenis yaitu termokopel, bolometer, dan
yang terkenal dan banyak dipakai adalah detektor Golay
Pneumatic. Detektor Golay Pneumatic bekerja atas dasar
perubahan bahan radiasi IR yang akan menaikkan tekanan gas
didalamnya.
Detektor yang banyak digunakan adalah detektor termal, yaitu
termokopel. Bolometer memberikan sinyal listrik sebagai hasil
perubahan dalam tahanan konduktor metal dengan temperatur.
Penguat dan Pencatat (Rekorder)
Penguat dalam sistem optik spektrofotometer IR sangat diperlukan
mengingat sinyal radiasi IR yang sangat kecil (lemah). Penguat
berhubungan erat dengan derau instrumen serta celah monokromator, jadi
keduanya harus diselaraskan dengan tujuan mendapatkan resolusi puncak
spektrum yang baik dengan derau yang minimal. Sedangkan pencatat harus
mampu mengamati spektrum IR secara keseluruhan pada setiap frekuensi.
D. SPEKTROFOTOMETER FTIR
Pada dasarnya Spektrofotometer FTIR (Fourier Trasform Infra Red)
adalah sama dengan Spektrofotometer IR dispersi, yang membedakannya
adalah pengembangan pada sistim optiknya sebelum berkas sinar infra
merah melewati contoh. Dasar pemikiran dari Spektrofotometer FTIR
adalah dari persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Jean Baptiste
Joseph Fourier (1768-1830) seorang ahli matematika dari Perancis.
Fourier mengemukakan deret persamaan gelombang elektronik sebagai :
dimana :
- a dan b merupakan suatu tetapan
- t adalah waktu
- ω adalah frekwensi sudut (radian per detik)
( ω = 2 Π f dan f adalah frekwensi dalam Hertz)
Dari deret Fourier tersebut intensitas gelombang dapat
digambarkan sebagai daerah waktu atau daerah frekwensi. Perubahan
gambaran intensitas gelobang radiasi elektromagnetik dari daerah waktu
ke daerah frekwensi atau sebaliknya disebut Transformasi Fourier
(Fourier Transform).
Selanjutnya pada sistim optik peralatan instrumen FTIR dipakai
dasar daerah waktu yang non dispersif. Sebagai contoh aplikasi
pemakaian gelombang radiasi elektromagnetik yang berdasarkan daerah
waktu adalah interferometer yang dikemukakan oleh Albert Abraham
Michelson (Jerman, 1831). Perbedaan sistim optik Spektrofotometer IR
dispersif (Hadamard Transform) dan Interferometer Michelson pada
Spektrofotometer FTIR (Fourier Transform) tampak pada gambar berikut :
Cara Kerja Alat Spektrofotometer FTIR
Sistim optik Spektrofotometer FTIR seperti pada gambar dibawah
ini dilengkapi dengan cermin yang bergerak tegak lurus dan cermin yang
diam. Dengan demikian radiasi infra merah akan menimbulkan perbedaan
jarak yang ditempuh menuju cermin yang bergerak ( M ) dan jarak cermin
yang diam ( F ). Perbedaan jarak tempuh radiasi tersebut adalah 2
yang selanjutnya disebut sebagai retardasi ( δ ). Hubungan antara
intensitas radiasi IR yang diterima detektor terhadap retardasi
disebut sebagai interferogram. Sedangkan sistim optik dari
Spektrofotometer IR yang didasarkan atas bekerjanya interferometer
disebut sebagai sistim optik Fourier Transform Infra Red.
Pada sistim optik FTIR digunakan radiasi LASER (Light
Amplification by Stimulated Emmission of Radiation) yang berfungsi
sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi infra merah agar
sinyal radiasi infra merah yang diterima oleh detektor secara utuh dan
lebih baik.
Detektor yang digunakan dalam Spektrofotometer FTIR adalah TGS
(Tetra Glycerine Sulphate) atau MCT (Mercury Cadmium Telluride).
Detektor MCT lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan
dibandingkan detektor TGS, yaitu memberikan respon yang lebih baik
pada frekwensi modulasi tinggi, lebih sensitif, lebih cepat, tidak
dipengaruhi oleh temperatur, sangat selektif terhadap energi vibrasi
yang diterima dari radiasi infra merah.
Keunggulan Spektrofotometer FTIR
Secara keseluruhan, analisis menggunakan Spektrofotometer FTIR
memiliki dua kelebihan utama dibandingkan metoda konvensional lainnya,
yaitu :
1. Dapat digunakan pada semua frekwensi dari sumber cahaya secara
simultan sehingga analisis dapat dilakukan lebih cepat daripada
menggunakan cara sekuensial atau scanning.
2. Sensitifitas dari metoda Spektrofotometri FTIR lebih besar
daripada cara dispersi, sebab radiasi yang masuk ke sistim
detektor lebih banyak karena tanpa harus melalui celah
(slitless)
BAB III
PENUTUP
A. KESIMPULAN
Spektrofotometri infra merah merupakan salah satu teknik analisis
untuk mengidentifikasi senyawa-senyawa organik murni maupun senyawa
anorganik. Absorbsi radiasi infra merah sesuai dengan tingkat energi
vibrasi dan rotasi pada ikatan kovalen yang mengalami perubahan momen
dipol dalam suatu molekul. Hal ini berarti hampir seluruh molekul yang
berikatan kovalen dapat mengabsorpsi radiasi infra merah kecuali molekul
diatomik, misal: O2, N2 dan lain-lain.
Bilangan gelombang dari absorpsi oleh suatu tipe ikatan tertentu,
bergantung pada macam getaran dari ikatan tertentu. Banyaknya energi yang
diserap juga beranekaragam.
Frekuensi serapan sinar infra merah pada suatu gugus fungsional
dapat ditentukan berdasarkan masa atom gugus bersangkutan dan konstanta
ikatan kimia diantara senyawa-senyawanya yang seringkali dinyatakan dalam
bentuk bilangan gelombang, dimana rentangan bilangan gelombang yang
dipergunakan adalah antara 4000 cm-1 sampai dengan 400 cm-1.
Dasar Spektrofotometer FTIR (Fourier Trasform Infra Red) sama
dengan Spektrofotometer IR dispersi, yang membedakannya adalah
pengembangan pada sistim optiknya sebelum berkas sinar infra merah
melewati contoh. Perubahan gambaran intensitas gelobang radiasi
elektromagnetik dari daerah waktu ke daerah frekwensi atau sebaliknya
disebut Transformasi Fourier (Fourier Transform).
-----------------------
Sumber
Sampel
Monokromator
Detektor
Rekorder
