Pengertian Kromatografi Penukar Ion
Kromatografi menyangkut metode pemisahan kimia yang didasarkan atas distribusi deferensial komponen sampel diantara dua fasa, yaitu fasa diam (stationary phase) dan fasa gerak (mobil phase). Fasa diam dapat berupa padatan atau cairan yang terikat pada permukaan padatan (kertas atau suatu adsorben), sedangkan fasa gerak dapat berupa cairan disebut eluen atau pelarut, atau gas pembawa yang inert. Gerakan fasa gerak ini mengakibatkan terjadinya migrasi diferensial komponen-komponen dalam sampel. (Alimin dan Irfan, 2010)
Kromatografi pertukaran ion adalah proses pemisahan senyawa yang didasarkan pada pertukaran (penjerapan) ion antara fase gerak dengan ion pada fasa diam. Prinsip dasar pemisahan dengan kromatografi kolom penukar ion adalah perbedaan kecepatan migrasi ion-ion di dalam kolom penukar ion. Proses pertukaran ion dikerjakan dengan cara pembebanan ion-ion pada kolom penukar ion. Kemudian ion-ion yang terikat dalam resin dialiri eluen yang mampu memberi kondisi keseimbangan yang berbeda. Keseimbangan yang berbeda ini mengakibatkan kecepatan migrasi ion dalam kolom resin tidak sama (Biyantoro, 2006)
Fasa diam dalam kromatografi pertukaran ion merupakan suatu matriks yang kuat (rigid) dan pada permukaannya mempunyai muatan yang dapat berupa muatan positif maupun negatif. Bila matriks padat tersebut mempunyai gugus fungsional yang bermuatan negatif seperti gugus sulfonat (-SO3-), maka akan dapat berfungsi sebagai penukar kation. Sebaliknya, bila bermuatan positif, misalnya mempunyai gugus amin kuaterner (-N(CH)3+), maka akan dapat berfungsi sebagai penukar anion. Kromatografi ini sangat bermanfaat untuk memisahkan molekul – molekul bermuatan terutama ion – ion baik anion maupun kation. Secara umum, teradapat dua jenis kromatografi pertukaran ion, yaitu:
Kromatografi pertukaran kation, bila molekul spesifik yang diinginkan bermuatan positif dan kolom kromatografi yang digunakan bermuatan negatif. Kolom yang digunakan biasanya berupa matriks dekstran yang mengandung gugus karboksil (-CH2-CH2-CH2SO3- dan -O-CH2COO-). Larutan penyangga (buffer) yang digunakan dalam sistem ini adalah asam sitrat, asam laktat, asam asetat, asam malonat, buffer MES dan fosfat.
Kromatografi pertukaran anion, bila molekul spesifik yang diinginkan bermuatan negatif dan kolom kromatografi yang digunakan bermuatan positif. Kolom yang digunakan biasanya berupa matriks dekstran yang mengandung gugus -N+(CH3)3, -N+(C2H5)2H, dan –N+(CH3)3. Larutan penyangga (buffer) yang digunakan dalam sistem ini adalah N-metil piperazin, bis-Tris, Tris, dan etanolamin.
Metode ini banyak digunakan dalam memisahkan molekul protein (terutama enzim). Molekul lain yang umumnya dapat dimurnikan dengan menggunakan kromatografi pertukaran ion ini antara lain senyawa alkohol, alkaloid, asam amino, dan nikotin.
Proses Pertukaran Ion
Kromatografi penukar ion dilakukan dengan fasa diam yang mempunyai gugus fungsi bermuatan ion tetap. Selain itu terdapat ion lawan yang dapat ditukar didekatnya , agar muatan netral. Ion cuplikan dapat bertukar dengan ion lawan dan menjadi pasangan dari muatan ion tetap. Jika ion cuplikan berpasangan dengan ion muatan tetap, ion tersebut tidak keluar dari kolom. Karena afinitas berbagai senyawa terhadap ion muatan-tetap berbeda, kita dapat memisahkan campuran senyawa ion. (Johnson dan Stevenson, 1991)
Proses pertukaran ion dapat dilakukan dalam pelarut berair maupun tidak berair. Fase gerak biasanya mengandung ion lawan yang bermuatan berlawanan dengan muatan gugus ion permukaan. Ion lawan tersebut berkesetimbangan dengan resin dalam bentuk pasangan ion. Adanya ion terlarut yang muatannya sama dengan muatan ion lawan menimbulkan kesetimbangan. Pada proses pertukaran kation, ion lawan ialah Na+ dan pada pertukaran anion, ion lawannya Cl-. (Johnson dan Stevenson, 1991)
Penukaran ion ini bersifat kompleks dan sesungguhnya adalah polimerik. Polimer ini membawa satu muatan listrik yang tepat dinetralkan oleh muatan-muatan pada ion-ion lawannya (ion-aktif). Ion-ion aktif ini berupa kation dalam suatu penukar kation dan berupa anion dalam suatu penukar anion. Jadi sutu penukar kation terdiri dari suatu anion polimerik dan kation-kation aktif, sementara penukar anion adalah suatu polimerik kation dengan anion-anion aktif. (Basset, 1994)
Beraneka ragam bahan organik dan anorganik memperagakan perilaku pertukaran ion, tetapi pada penelitian di laboratorium di mana keseragaman sangat penting, pertukaran ion yang sangat disukai biasanya adalah bahan-bahan sintesis yang dikenal sebagai resin penukar ion. Resin ini dibuat dengan cara memasukkan gugus yang dapat diionisasi ke dalam matriks polimer organik yang paling umum adalah polistirena terhubung silang yang telah dijelaskan di atas sebagai adsorben. (Day dan Underwood, 2002)
Resin adalah senyawa hidrokarbon terpolimerisasi smpai tingkat yang tinggi yang mengandung ikatan-ikatan hubungan silang (cross-linking) serta gugusan yang mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan. Berdasarkan gugusan fungsionalnya, resin penukar ion dibagi menjadi dua yaitu resin penukar kation dan resin penukar anion. Resin penukar kation mengandung kation yang dapat dipertukarkan. Sedangkan resin penukar anion, mengandung anion yang dapat dipertukarkan. (Diyah dan Setyo, 2007)
Menurut Basset (1994), syarat-syarat dasar bagi suatu resin yang berguna adalah:
Resin itu harus cukup terangkai silang, sehingga kelarutannya yang dapat diabaikan.
Resin itu harus cukup hidrofilik untuk memungkinkan difusi ion-ion melalui strukturnya dengan laju yang terukur (finite) dan berguna.
Resin harus menggunakan cukup banyak gugus penukar ion yang dapat dicapai dan harus stabil kimiawi.
Resin yang sedang mengembang harus lebih besar rapatannya daripada air.
Berdasarkan pada keberadaan gugusan labilnya; resin penukar ion dapat secara luas diklasifikasikan dalam empat golongan, yakni :
Resin penukar kation bersifat asam kuat (mengandung gugusan HSO3).
Resin penukar kation bersifat asam lemah (mengandung gugusan –COOH).
Resin penukar anion bersifat basa kuat (mengandung gugusan amina tersier atau kuartener)
Resin penukar anion bersifat basa lemah (mengandung OH sebagai gugusan labil)
Resin penukar kation
Resin penukar kation asam kuat mengandung gugus fungsi asam teradisi pada cincin aromatik dari resin. Penukar kation asam kuat mempunyai gugus asam sulfonat (-SO3H), yang bersifat asam kuat seperti asam sulfat. Penukar kation asam lemah mempunyai gugus fungsi karboksilat yang hanya terionisasi sebagian. Proton dari kedua jenis penukar kation dapat ditukar dengan kation-kation lain dengan persamaan reaksi berikut:
nRzSO3- - H+ + Mn+ (RzSO3)nM + nH+
dan nRzCO2- - H+ + Mn+ (RzCO2)nM + nH+
dimana Rz adalah simbol dari resin. Kesetimbangan ini dapat diubah ke kiri atau ke kanan oleh penaikan [H+] atau [Mn+], atau penurunan salah atu diantaranya dengan memperhatikan banyaknya resin yang ada. (Soebagio, 2005)
Resin penukar kation biasanya tersedia dalam bentuk ion hidrogen, tetapi bentuk ini dapat diubah ke dalam bentuk ion natrium, oleh perlakuan dengan garam dapur. Ion natrium ini kemudian mengalami pertukaran dengan kation lainnya. Pada prinsipnya resin penukar kation dalm bentuk H+ dikocok dengan larutan NaCl. Pengocokan beberapa lama hingga tercapai kesetimbangan, menurut reaksi:
Rz-H+ + Na+ Rz-Na+ + H+
agar reaksi berlangsung ke kanan, maka harus ditambah resin berlebih.
Penggunaan resin penukar kation asam lemah dibatasi dalam rentang pH, yaitu pada pH 5 s/d 14. Sebaliknya resin penukar kation asam kuat dapat digunakan pada pH 1 s/d 14. Pada harga pH rendah, penukar kation asam lemah akan terikat kuat pada proton untuk terjadinya pertukaran. Demikian juga penukar kation asam lemah tidak akan dapat sempurna melepaskan kation dari basa sangat lemah. Hal ini sebaliknya akan terjadi untuk resin penukar kation asam kuat. Hal ini sejalan dengan ketidak sempurnaan reaksi asam lemah-basa lemah. Resin asam lemah umumnya digunakan untuk pemisahan basa kuat atau zat ionik multifungsi seperti protein atau peptida. Zat tersebut tertahan kuat pada penukar kation asam kuat, sementara resin asam kuat lebih disukai terutama untuk campuran yang kompleks. (Soebagio, 2005)
Resin penukar anion
Prinsip dasar resin jenis ini ialah dapat ditukarnya anion hidroksil oleh anion lain yang terjadi pada resin penukar ion. Ada dua jenis resin penukar anion, yaitu resin yang memiliki gugus basa kuat (gugus ammonium kuartener) dan resin yang memiliki gugus basa lemah (gugus anion). Reaksi pertukaran dapat dituliskan sebagai berikut:
nRzNR3+ OH- + An- (RzNR3)nA + nOH-
nRzNH3+ OH- + An- (RzNH3)nA + nOH-
dimana R merupakan gugus organic, biasanya metil.
Penukar basa kuat dapat digunakan di atas rentangan pH 0 s/d 12, sedangkan resin penukar basa lemah hanya di atas rentangan pH 0 s/d 9. Golongan penukar basa lemah tidak akan melepaskan asam yang sangat lemah, tetapi akan lebih disukai untuk asam kuat yang mungkin tertahan oleh resin basa kuat seperti sulfonat. (Soebagio, 2005)
Kesetimbangan reaksi pertukaran ion
Secara sederhana reaksi kesetimbangan penukaran ion bisa dituliskan:
RzH + Na+ RzNa + H+
RzCl + OH- RzOH + Cl-
Ada dua cara untuk melaksanakan penukaran ion, yaitu cara "unggun" (bath exchange) dan cara penukaran dalam kolom. Cara pertama jarang digunakan, oleh karena itu pembicaraan difokuskan pada cara kedua, yaitu penukaran di dalam kolom.
Ada persesuaian antara proses penukaran ion di dalam kolom –enukar ion dengan proses kromatografi partisi cair-cair. Seperti halnya pada kolom kromatografi akan terjadi juga banyak sekali proses kesetimbangan secara bersamaan. Untuk memahami proses yang terjadi, maka dibayangkan bahwa di dalam kolom tersebut terdapat lapisan-lapisan imajiner (pelat-pelat teori) tempat terjadinya proses kesetimbangan. Oleh karena itu konsep pelat teori yang dikembangkan oleh Martin dan Synge pada kromatografi partisi dapat diaplikasikan secara langsung dalam kromatografi penukaran ion dengan beberapa perubahan terminologi.
Secara kuantitatif afinitas resin penukar ion terhadap ion-ion yang ditukar dinyatakan dengan besaran angka banding distribusi (D) sebagai berikut:
D= Kuantitas sampel dalam resin pada pelat tertentuKuantitas sampel dalam larutan pada pelat yang sama
dalam praktek sehari-hari sering juga didefinisikan sebagai
D= Jumlah ion yang terikat pada resin/gram resin keringJumlah ion yang tertinggal dalam larutan / mL larutan
dalam kromatografi penukar ion, persamaan fundamental yang umum digunakan adalah
VR = VM + K.VS, dengan;
VR = Volume retensi komponen X
VM = Volume fasa gerak dalam kolom
K = Koefisien distribusi komponen X antara fasa gerak dan fasa diam
VS = Volume fasa diam dalam kolom
Bila tR adalah waktu retensi, dan F adalah laju alir fasa gerak dalam kolom, maka VR = tR × F. Selain itu VS dapat pula dinyatakan dalam bentuk lain yaitu VR = VM (1 + k'), dimana k' = factor kapasitas. (Soebagio, 2005)
Kelemahan dan kelebihan
Kromatografi pasangan ion digunakan untuk mengatasi masalah ionisasi dimana spesi ion tersebut sangat polar, ionisasi ganda, dan basa kuat. Manfaat utama dari kromatografi ini adalah adanya fase kebalikan dari kromatografi cair yang bertahap atau pertukaran-ion HPLC yang dapat memfasilitasi analisis dari sampel yang mengandung ion sekaligus molekul. Tidak seperti pertukaran ion yang konvensional, kromatografi pasangan ion dapat memisahkan senyawa ionik dan nonionik dalam sampel yang sama.
Kelebihan dari metode kromatografi penukar ion:
Waktu pengerjaan relatif singkat
Memberikan hasil yang reproducible
Menghasilkan bentuk peak yang tajam
Dapat langsung memperoleh hasil pemisahan analit terionisasi dan tidak terionisasi
Pemilihan zat tambahan (berupa reagen tau larutan buffer) lebih beragam untuk meningkatkan proses pemisahan. Kemurnian zat tambahan pada eluen mempengaruhi reprodusibilitas dan keakuratan hasil percobaan.
Jika dibandingkan dengan kromatograti cair, teknik ini mempunyai kelebihan untuk medukung pemisahan spesies ion dan molekul
Dapat memisahkan senyawa ionik dan non ionik dalam sampel yang sama
Kekurangan metode kromatografi penukar ion:
Larutan ionik seringkali bersifat korosif dan mengakibatkan kolom tidak bertahan lama
Beberapa larutan ionik mengabsorbsi pada panjang gelombang UV tetapi membatasi detektor UV
Bahan berdasar silika terbatas pada pH di bawah 7,5
Fase gerak tidak boleh dibiarkan semalaman tetapi diganti dengan air
Penggunaan KPI
Menurut Soebagio (2005), kromatografi penukar ion dapat digunakan antara lain untuk pemurnian, pemekatan dan pemisahan analitik.
Pemurnian
Salah satu pemakaian terpenting penggunaan kromatografi penukar ion adalah untuk membebaskan ion-ion yang berasal dari garam-garam yang terdapat di dalam air (air bebas ion = deionized eater = pemurnian air). Pembuatan air sering disebut juga aqua demineralization memberikan keuntungan besar bagi para analis kimia untuk menganalisis zat-zat kimia yang konsentrasinya berada dalam ukuran mikro atau ultra mikro (konsentrasi analitnya berada pada satuan konsentrasi ppm atau ppb).
Pemekatan
Bahan-bahan ionic yang berada dalam konsentrasi sangat rendah (konstituen renik = trace) seringkali dapat dipekatkan dengan kolom penukar ion dan kemudian mengelusinya dengan pengelusi yang cocok. Pemekatan unsure-unsur renik dari air laut dilakukan dengan cara ini.
Pemisahan analitik
Penggunaan terpenting kromatografi penukar ion adalah untuk pemisahan analitik. Di samping untuk pemisahan asam-asam amino dan ion-ion logam, kromatografi penukar ion yang digunakan untuk memisahkan anion-anion dan ion-ion logam alkali dan alkakli tanah.
Analisis kuantitatif penukar ion dari ion-ion pada tingkatan konsentrasi ppm, dapat dilakukan menggunakan teknik otomatis kromatografi ion yaitu Kromatografi Cair Kinerja Tinggi (KCKT).
DAFTAR PUSTAKA
Alimin, Muh. Yunus dan Irfan Idris. 2010. Kimia Analitik. Makassar: Alauddin Press.
Basset, J., dkk. 1994. Buku Ajar Vogel Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik. Jakarta: EGC.
Biyantoro, dkk. 2006. Pemisahan Ce dan Nd Menggunakan Resin Dowex 50W-X8 Melalui Proses Pertukaran Ion, Jurnal Batan, Vol 9, No 1, Hal 29 – 35.
Christian, G.D. 2004. Analytical Chemistry 6th edition. Washington: John Wiley and Sons Inc.
Day, R. A dan A.L Underwood. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif. Jakarta: Erlangga.
Johnson, Edward. L dan Robert Stevenson. 1991. Dasar Kromatografi Cair (Penerjemah: Kosasih Padmawinata). Bandung: ITB Press.
Lestari, Diyah Erlina dan Setyo Budi Utomo. Karateristik Kinerja Resin Penukar Ion Pada Sistem Air Bebas Mineral (GCA 01) RSG-GAS (Seminar Nasional III SDM Teknologi Nuklir, Yogyakarta 21-22 November 2007).
Soebagio, dkk. 2005. Kimia Analitik II. Malang: UM Press.
