Teori kromatografi

PENGANTAR METODA KROMATOGRAFI (Teori dan Besaran Dasar Kromatografi)

Prof. Dr. Muhamad Bachri Amran, DEA Kelompok Keilmuan Kimia Analitik Institut Teknologi Bandung 2015

PENGANTAR METODA KROMATOGRAFI Kromatografi adalah suatu metoda pemisahan yang penting di dalam analisis kimia disamping cara-cara lainya seperti teknik ekstraksi dan elektrophoresis. Pemisahan berbagai komponen dalam campurannya dengan metoda kromatografi dapat dilakukan dengan berbagai teknik dan mampu memberikan resolusi pemisahan yang tinggi.

DARI EKSTRAKSI KE KROMATOGRAFI Bila ditinjau kembali pemisahan dengan metoda ekstraksi, maka diperlukan dua fasa yaitu dua cairan yang tidak saling campur dan merupakan fasa bawah dan fasa atas. Hal ini ada kesamaannya dengan metoda kromatografi di mana juga terdapat dua fasa yakni fasa diam dan fasa gerak. Dalam sistem dua fasa (bifasa) seperti ini, maka suatu komponen akan terdistribusi/terpartisi ke dalam kedua fasa dengan jumlah yang berbeda (dikenal sebagai Hukum Distribusi Nernst ). Perbandingan konsentrasi komponen tersebut dalam kedua fasa dikenal sebagai koefisien distribusi, K D yang secara matematis dapat dituliskan sebagai : K D =

[A]2 [A]1

, di mana

[A]1 adalah konsentrasi komponen dalam fasa 1 [A]2 adalah konsentrasi komponen dalam fasa 2 Dari hukum Nernst dapat diramalkan partisi suatu komponen dalam suatu proses ekstraksi semi kontinu seperti proses ekstraksi countercurrent menurut Craig. pelarut baru

2 1

Proses Ekstraksi Countercurrent menurut Craig

Pengantar Metoda Kromatografi.

1.©amran

Jika K D dari komponen A dalam sistem dua fasa di atas adalah 1, maka : pada tabung pertama : [A]1 adalah 0.5 dan [A]2 adalah 0.5 setelah pemindahan yang pertama, pada tabung pertama : [A]1 adalah 0.25 dan [A]2 adalah 0.25 pada tabung kedua : [A] 1 adalah 0.25 dan [A]2 adalah 0.25 setelah pemindahan yang kedua, pada tabung pertama : [A]1 adalah 0.125 dan [A]2 adalah 0.125 pada tabung kedua : [A] 1 adalah 0.25 dan [A]2 adalah 0.25 pada tabung ketiga : [A] 1 adalah 0.125 dan [A]2 adalah 0.125 setelah pemindahan yang keempat, pada tabung pertama : [A]1 adalah 0.0625 dan [A]2 adalah 0.0625 pada tabung kedua : [A] 1 adalah 0.1875 dan [A]2 adalah 0.1875 pada tabung ketiga : [A] 1 adalah 0.1875 dan [A]2 adalah 0.1875 pada tabung keempat : [A]1 adalah 0.0625 dan [A]2 adalah 0.0625 Jika digambarkan dalam bentuk histogram dari konsentrasi A dalam fasa 2 terhadap nomor tabung maka akan diperoleh : 0.3 3 x pemindahan 4 x pemindahan A 0.2 i s a r t n e s n o k 0.1

0 1

2

3

4

nomor tabung

Konsentrasi A dalam fasa 2 setelah dilakukan beberapa kali pemindahan pelarut. Jika diamati secara seksama, histogram di atas ada kemiripannya dengan kromatogram yang diperoleh dari suatu proses pemisahan dengan metoda kromatografi. Hal ini menjelaskan pula bahwa dua komponen dengan nilai koefisien partisi yang berbeda akan dapat dipisahkan. Untuk kromatografi diperlukan pula dua fasa yang tidak saling campur yakni suatu fasa diam dan suatu fasa gerak. Fasa diam disini dapat berupa zat padat yang ditempatkan di dalam suatu kolom atau dapat juga berupa cairan yang terserap (teradsorpsi) sebagai lapisan tipis pada permukaan butiran halus zat padat pendukung (solid support material). Fasa


2.©amran

geraknya dapat berupa gas atau cairan. Campuran yang akan dipisahkan dimasukkan pada salah satu ujung kolom sehingga akan dibawa bergerak (dielusi) melalui fasa diam di dalam kolom. Perbedaan antaraksi atau afinitas antara komponenkomponen campuran tersebut dengan kedua fasa akan menyebabkan komponenkomponen bergerak dengan kecepatan yang berbeda-beda melalui kolom. Dan seperti halnya pada ekstraksi countercurrent, perbedaan kecepatan migrasi (differential

migration)

dari

molekul-molekul

komponen

akhirnya

akan

menyebabkan komponen-komponen terpisah satu sama lainnya.

PENGGOLONGAN METODA KROMATOGRAFI Jika didasarkan pada jenis fasa gerak dan fasa diam yang digunakan maka metoda kromatografi dapat dibagi menjadi beberapa jenis metoda kromatografi seperti berikut ini

Fasa Diam

Jenis Kromatogr afi

Mekanisme distribusi/partisi

Cairan (L)

Padat (S)

Krom. CP (LSC)

Adsorpsi pada permukaan zat padat

Cairan (L)

Padat (S)

Krom. CP (LSC)

Reaksi penukaran ion (kromatografi penukaran ion)

Cairan (L)

Cairan (L)

Krom. CC (LLC)

Distribusi akibat perbedaan kelarutan komponen di dalam kedua fasa cair

Gas (G)

Padat (S)

Krom. GP (GSC)

Adsorpsi pada permukaan zat padat

Krom. GL (GLC)

Partisi (distribusi) yang ditentukan oleh tekanan uap parsial komponen dalam fasa diam yang cair.

Fasa Gerak

Gas (G)

Cairan (L)

Catatan

: Kadang terdapat dua atau lebih mekanisme yang terjadi secara bersama-sama pada suatu proses kromatografi. Ikhtisar :

(1). Kromatografi Cair-Padat (LSC) atau kromatografi adsorpsi ditemukan oleh Tswett dan dilanjutkan penelitiannya oleh Kuhn dan Lederer (1931). (2). Kromatografi Cair-Cair (LLC) merupakan kemajuan terhadap kromatografi cair-padat. Penemunya Martin dan Synge (1941).


3.©amran

(3). Kromatografi Gas Padat (GSC) dahulunya hanya digunakan untuk pemurnian

gas-gas.

Namun

penemuan

fasa

diam

yang

baru

memungkinkan perkembangan lebih lanjut. (4). Kromatografi Gas-Cair (GLC). (5). Kromatografi Cairan Kinerja Tinggi (HPLC). (6). Kromatografi penukar ion, penting untk pemisahan ion-ion logam. (7). Gel Filtrasi. Semua cara ini didasarkan atas teknik elusi. Partisi/distribusi komponen diantara fasa gerak (gas/cairan) dan fasa diam (padat/cairan) di dalam kolom, secara sederhana dapat diilustrasikan sebagai berikut:

X

CAIRAN A

KROMATOGRAFI CAIR-CAIR Xterlarut dalam A

X

X terlarut dalam B

CAIRAN B

KROMATOGRAFI GAS-CAIR

penguapan GAS B CAIRAN A pelarutan

Xterlarut dalam A

Xgas

kecenderungan X melarut dalam A

kecenderungan X untuk menguap (tekanan uap parsial dari X)

KROMATOGRAFI GAS-PADAT

penguapan GAS B PADATAN A adsorpsi


Xteradsorpsi pada A

Xterdesorpsi

kecenderungan X teradsorpsi pada A

kecenderungan X untuk menguap (tekanan uap parsial dari X)

4.©amran

TEORI DAN BESARAN BESARAN DASAR PROSES KROMATOGRAFI Sukses tidaknya suatu analisa dengan metoda kromatografi banyak ditentukan oleh pemilihan yang tepat dari berbagai parameter operasional seperti komposisi fasa gerak, jenis fasa diam, tekanan dalam kolom, temperatur, teknik elusi, jenis detektor, dan parameter lainnya. Dalam hal ini, pemahaman yang baik mengenai teori kromatografi akan sangat membantu dalam pengembangan dan penggunaan suatu metoda kromatografi.

BESARAN-BESARAN RETENSI

Waktu Retensi (waktu tambat, tr) waktu yang dibutuhkan oleh analit untuk bermigrasi mulai dari saat penyuntikan hingga diperolehnya maksimum dari puncak kromatogram analit bersangkutan

tR injeksi

t0

waktu Profil kromatogram suatu analit Volume Retensi (V r) Jika  adalah kecepatan alir dari fasa gerak maka volume retensi, V r adalah : V r = tr . 


5.©amran

Faktor Kapasitas (k’) Untuk mengkarakterisasi retensi analit, dengan memperhitungkan parameter geometrik dari kolom, didefinisikan besaran faktor kapasitas yang merupakan perbandingan kuantitas analit dalam fasa diam dan fasa gerak. k' =

Cs Vs

= K

Cm V m

Vs

=

(t r - t o

Vm

to

Cs : konsentrasi analit dalam fasa diam Cm : konsentrasi analit dalam fasa gerak V s : volume fasa diam Vm

: volume fasa gerak

Selektifitas suatu kolom ( ) Merupakan ukuran daya pisah dari suatu kolom. Digunakan untuk mengkarakterisasi jarak yang memisahkan dua puncak berdekatan.

 = k 2’ / k 1’

TEORI DASAR PROSES KROMATOGRAFI Terdapat dua teori yang telah dikemukakan mengenai proses kromatografi elusi yang bertujuan untuk lebih memahami apa yang terjadi pada proses tersebut, sehingga dapat diramalkan kondisi-kondisi bagaimana yang harus dipenuhi agar pemisahan dua atau lebih komponen dapat berlangsung dengan baik. Kedua teori tersebut adalah TEORI PELAT (Plate Theory) dan TEORI KECEPATAN (Rate Theory). Kedua teori ini saling melengkapi dan sangat penting artinya dalam perkembangan pengetahuan mengenai kromatografi.

Teori Pelat atau Teori Lempeng (Plate Theory). Teori ini didasarkan pada model ekstraksi countercurrent menurut Craig. Walaupun ada analogi antara proses ekstraksi Craig dengan proses kromatografi elusi, sebenarnya terdapat perbedaan pokok antara keduanya. Pada ekstraksi Craig terjadi kontak bertahap pada setiap kali penyetimbangan, sedang pada kromatografi elusi, kontak antara fasa diam dengan fasa gerak terjadi secara kontinu. Akibatnya pada ekstraksi Craig terjadi kesetimbangan sejati (true equilibrium) pada setiap tahapnya, sedang pada kromatografi elusi prosesnya merupakan suatu proses bukan kesetimbangan (non-equilibrium process).


6.©amran

Martin dan Synge, memasukkan pengertian pelat teori (theoritical plate) yang telah lama digunakan dalam teori tentang destilasi. Pelat teori adalah pelat imajiner dalam kolom, yang tebalnya sedemikian rupa, sehingga komponen dalam fasa gerak yang keluar daripadanya mempunyai komposisi yang sama dengan andaikata benar-benar telah terjadi kesetimbangan partisi antara fasa gerak dengan fasa diam ditengahtengah lapisan tersebut. Dengan demikian, maka pelat teori dapat dianggap analog dengan satu tabung dari alat ekstraksi countercurrent Craig. Tebal dari pelat imajiner tersebut dikenal sebagai Height Equivalent of Theoritical Plate (HETP) atau Tinggi Ekuivalen Pelat Teoritis. Besaran HETP ini mencerminkan efisiensi dari kolom. HETP = L/N L : Panjang kolom, N : Jumlah pelat teoritis

 t    t   N = 16  r  = 5.54  r         = lebar puncak pada dasarnya,  = lebar pada setengah tinggi puncak. Karena N mencerminkan jumlah kesetimbangan yang dapat terjadi didalam suatu proses kromatografi maka HETP merupakan ukuran kemampuan kolom untuk memisahkan komponen-komponen dari campurannya. Semakin kecil nilai HETP maka semakin besar efisiensi dari kolom. Suatu besaran kromatografi lain yang juga digunakan untuk mencerminkan daya pisah dari suatu kolom adalah tingkat pemisahan atau resolusi . Resolusi, R s didefinisikan sebagai : R s = 2 tR / ( A + B)

tR : jarak antara maksimum dua puncak berdekatan  A : lebar alas dari puncak yang pertama B : lebar alas dari puncak yang kedua Resolusi bergantung dari berbagai faktor, diantaranya selektifitas ( ) dan jumlah pelat teoritis (N). Ketergantungan R s dari berbagai faktor ini dapat dinyatakan dengan rumus : R s = 1/4 (( -1)/) N (k’/(1+k’) Walaupun teori ini telah mampu menjelaskan proses yang terjadi pada kromatografi, namun salah satu kekurangan mendasar dari teori ini adalah bahwa teori pelat tidak dapat

memberikan

petunjuk

secara

bagaimana

kondisi-kondisi

percobaan

kromatografi harus diatur supaya diperoleh nilai HETP yang kecil agar didapatkan efisiensi kolom yang optimal.


7.©amran

Teori kecepatan (Rate Theory) Suatu pendekatan teoritis lain, telah dikembangkan untuk memberikan pengertian yang lebih baik mengenai faktor-faktor percobaan yang mempengaruhi kerja dan efisiensi kolom. Pendekatan ini yang dikenal dengan teori kecepatan (rate theory) yang dipelopori oleh van Deemter dan kawan-kawan. Oleh sebab itu pendekatan teoritis ini lebih dikenal dengan teori van Deemter. Perbedaan pokok antara pendekatan yang dilakukan oleh van Deemter dengan pendekatan menurut teori pelat adalah bahwa teori ini memandang proses-proses yang terjadi di dalam kolom tidak atas dasar kesetimbangan, melainkan atas dasar aspek-aspek kinetika yang menyangkut partisi komponen di dalam kolom. Yakni kondisi-kondisi yang sesuai dengan kenyataan, di mana fasa gerak mengalir terus menerus atau kontinu. Teori kecepatan ini khususnya mempelajari faktor -faktor yang menyebabkan pelebaran pita (band broadening) bila sejumlah kecil komponen dielusi di dalam kolom. Pelebaran pita ini akan menghasilkan kromatogram yang lebar pula. Kromatogram/puncak yang lebar bermakna bahwa  besar yang berarti N kecil. Bila N kecil berarti HETP akan besar. Jadi dengan perkataan lain, teori kecepatan mempelajari faktor-faktor yang mempengaruhi HETP suatu kolom dibawah kondisi-kondisi yang berlaku. Sebagai kesimpulannya telah disusun sutu persamaan (persamaan van Deemter) yang menghubungkan HETP dengan tiga faktor utama yang mempengaruhinya. Persamaan van Deemter yang disederhanakan diberikan berikut ini, HETP = A + B/ + C

di mana  = kecepatan linier fasa gerak

Suku A atau suku difusi Eddy mencerminkan neka-alur dari isi kolom. Fasa gerak dan komponen dapat bergerak melalui banyak jalur diantara butiran-butiran isi kolom. Beberapa jalur lebih panjang dibanding jalur lainnya, sehingga sejumlah molekul komponen bergeraknya lebih lambat di dalam kolom dibanding molekul lain dari komponen yang sama. Hal ini akan menyebabkan pelabaran puncak kromatogram yang berarti pula HETP menjadi lebih besar. Pengaruh difusi Eddy dapat dikurangi dengan menggunakan isi kolom dengan butiran yang berbentuk sama, berukuran kecil dan disusun rapat serta rata di dalam kolom. Suku B/ atau difusi longitudinal merupakan gaya-gaya difusi molekul yang menyebabkan molekul-molekul bergerak atau berdifusi dari bagian tengah pita ke


8.©amran

kedua tepi pita. Dari persamaan van Deemter terlihat bahwa semakin besar kecepatan linier fasa gerak semakin kecil pengaruh difusi longitudinal. Jadi dari sudut pengaruh difusi longitudinal,  yang besar adalah baik untuk efisiensi kolom. Suku C atau suku pemindahan massa merupakan cerminan dari partisi komponen antara fasa diam dan fasa gerak. Bila kecepatan linier fasa gerak membesar maka tak cukup ada waktu untuk mencapai kesetimbangan partisi. Hal ini menyebabkan efisiensi optimal dari kolom tak tercapai, sehingga HETP akan membesar. Agar faktor ini dapat diperkecil maka harus diusahakan agar kesetimbangan partisi lebih cepat tercapai. Pada kromatografi gas ini dapat dilakukan dengan menggunakan fasa diam yang lebih tipis, suhu lebih tinggi dan kekentalan fasa diam yang lebih kecil. Hubungan antara HETP dengan kecepatan linier fasa diam (sesuai persamaan van Deemter) dapat digambarkan seperti berikut ini, P T E H

C

B/ 

A Kecepatan Linier Fasa Gerak

Dari kurva di atas dapat ditemukan kondisi kromatografi yang diharapkan memberikan HETP yang kecil. Nilai A biasanya kecil jika kolom dipak dengan baik. Bila  besar suku B/ semakin kecil tetapi suku C semakin besar. Pada suatu nilai  optimum pengaruh ketiga suku setimbang satu dengan lainnya dan nilai HETP adalah minimum.


9.©amran

IKHTISAR BESARAN-BESARAN DASAR KROMATOGRAFI Besaran

Notasi

L

Kecepatan linier analit



υ



Kecepatan linier fasa mobil



μ



Faktor kapasitas

k’

k 

Koefisien partisi

K

'

Resolusi

R S

t R L t0

α

R S 



cm/s

cm/s

t R  t 0

k  '

t0

K 



Selektifitas

Hubungan dengan besaran lainnya

Persamaan

CS

K 

CM

( t R ) B  t 0

 t0

( t R ) A

2{(t R ) B  ( t R ) A } ωA

 ωB

Jumlah pelat

N

 t  N  16 x  R   ω 

Tinggi pelat

H

H 

α

R S 



KVS VM k 'V M VS

K B K A



'

k B '

k A

' ' N k B  k A x 4 1  k 'B

2

L N

Besaran Percobaan Besaran

Notasi

Sumber

Waktu mati

T0

kromatogram

Waktu retensi

tR

kromatogram

(tR )’

(tR -t0)

Lebar alas puncak



kromatogram

Panjang kolom

L

pengukuran

Laju alir

F

pengukuran

Volume fasa diam

V S

Konsentrasi

C

Waktu retensi tereduksi


10.©amran

Teori kromatografi

Recommend Documents