Analisis Fisiko Kimia Spektrofotometer Serapan Atom (SSA/ AAS) Oleh. Dr. Harmita
Pendahuluan
Teknik analisa dari spektrofotometer serapan atom (atomic absorption spectrophotometry, AAS) pertama kali diperkenalkan oleh Welsh (Australia) pada tahun 1955 Merupakan metoda yang populer untuk analisa logam karena di samping relatif sederhana ia juga selektif dan sangat sensitif.
Teknik analisis SSA berdasarkan pada penguraian molekul menjadi atom (atomisasi) dengan energi dari api atau arus listrik Sebagian besar atom akan berada pada ground state, dan sebagian kecil (tergantung suhu) yang tereksitasi akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang khas untuk atom tersebut ketika kembali ke ground state
Beberapa metode yang sejenis seperti spektrometri emisi nyala (flame emission spectrometry, FES) telah dikenal lebih dahulu, sedangkan spektrometri fluoresensi atom (atomic fluorescence spectrometry, AFS) adalah teknik yang baru dan masih dalam pengembangan .
FES
Nyala dari gas menyebabkan atomatom dan molekul-molekul tereksitasi (excited state) melalui proses kolisi termal dengan komponen dari gas-gas yang terbakar tersebut. Pada waktu mereka kembali ke level energi yang lebih rendah (lower or ground electronic state), atom-atom dan molekul-molekul tersebut memancarkan radiasi yang karakteristik utnuk unsur yang bersangkutan. Intensitas dari emisi cahaya ini sebanding dengan konsentrasi larutan zat yang diperiksa.
AAS
Radiasi dari sumber cahaya (hollow cathode lamp) dengan energi yang sesuai dengan energi yang dibutuhkan oleh atom-atom dari unsur yang diperiksa untuk melakukan transisi elektronik, dipancarkan melalui nyala. Pada nyala tersebut, atom-atom dari zat yang diperiksa akan meresap radiasi tadi sesuai dengan konsentrasi zat tersebut yaitu sesuai dengan populasi atom-atom pada level energi terendah (ground state).
AFS
Radiasi dari sumber cahaya yang cocok dipancarkan pada sudut 90° terhadap aksis optik dari spektrometer ke dalam nyala di mana terdapat uap atom dari unsur zat yang diperiksa. Sebagian dari energi cahaya yang cocok akan diserap dan segera setelah itu akan dipancarkan kembali sebagai fluorosensi yang intensitasnya sebanding dengan konsentrasi zat yang diperiksa.
TEORI
Emisi dan Absorbsi pada Nyala Pada FES, radiasi dipancarkan oleh atom yang tereksitasi (excited state), sedangkan pada AAS atom-atom yang meresap energi ada dalam keadaan pada level energi terendah (ground state). Pada kondisi ekuilibrium termal, perbandingan jumlah atom pada level energi yang lebih tinggi (excited state), Nj, dengan jumlah atom pada level energi yang terendah (ground state) No, dinyatakan dengan persamaan Boltzmann sebagai berikut: Nj/No = (gj/go) exp (-E /kT)
di mana gj dan go masing-masing adalah “statistical weight” dari excited state dan ground state, k adalah tetapan Boltzmann, T adalah temperatur mutlak dan ∆E adalah energi eksitasi. Populasi atom pada excited state ditentukan oleh energi dari level energi tersebut dan oleh temperatur
Tabel berikut memuat perbandingan dari Nj/No dari beberapa unsur Resonance line
gj/go
∆E, eV
Nj/No
2000°K
3000°K
Na 589.0 nm
2
2.10
9.86x10-6
5.88x10-4
Ca 422.7 nm
3
2.93
1.21x10-7
3.69x105
Cu 324.8 nm
2
3.82
4.82x10-10
6.65x10-7
Zn 213.9 nm
3
5.80
7.45x10-15
5.50x10-10
Dari tabel di atas terlihat bahwa populasi atom yang tereksitasi jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan populasi atom pada level energi terendah. Pada level energi yang lebih tinggi populasi atom jauh lebih kecil lagi karena bukan saja energi yang dibutuhkan lebih besar tetapi terutama disebabkan oleh kemungkinan transisi yang kecil.
Pengukuran pada FES dan AAS biasanya dilakukan pada suhu di bawah 3000°C sehingga sebian besar dari atom ada pada level energi terendah. Oleh karena itu dinyatakan bahwa AAS tidak tergantung dari suhu, sedangkan pada FES di mana jumlah atom yang tereksitasi yang menentukan intensitas emisi berubah-ubah secara eksponensial sesuai dengan temperatur. Akan tetapi proses pembentukan atom melalui disosiasi molekul tergantung dari suhu. Oleh karena itu jumlah atom pada level energi terendah yang menentukan besarnya resapan juga akan berubah sesuai dengan temperatur meskipun perubahan ini tidak seperti pada emisi.
Pada dasarnya alat yang sama dapat digunkan baik untuk pengukuran emisi maupun absorbsi, meskipun untuk yang kedua diperlukan tambahan sumber cahaya seperti terlihat pada gambar di atas. Di samping itu juga terdapat perbedaan pada bentuk (design) dari pembakar (burner) dan pada AAS radiasi lampu ditahan-diteruskan berganti-ganti menggunakan “chopper” untuk membedakannya dengan radiasi yang dipancarkan oleh nyala api
Instrumentasi
Nebulizer + sistem pembakaran (graphite furnace) Spektrofotometer (monokrometer, detektor, rekorder) Sumber cahaya (setiap logam memerlukan Hollow cathode lamp masing-masing).
Skema alat spektrofotometer serapan atom
Lampu hollow katode (HC Lamp)
Proses produksi atom bebas dalam nyala selama pengukuran dengan AAS
Skema atomisasi pada molekul
Atomisasi dan Ionisasi
Pada nyala, atom-atom logam dapat membentuk molekul dengan atom O dari komponen gas atau dengan komponen larutan seperti klor yang berasal dari HCl. Pada temperatur tertentu bagian dari atom logam yang membentuk molekul tergantung dari kuatnya ikatan kimia dan konsentrasi.
Senyawa metal dalam nyala biasanya berupa molekul diatomik, misalnya CaO, atau molekul triatomik CaOH. Unsur-unsur seperti Na, Cu, Tl, Ag, dan Zn dalam nyala praktis hanya dalam bentuk atom. Metal oksida adalah senyawa yang umum dijumpai pada nyala yang menggunakan udara, oksigen atau dinitrogen monoksida sebagai oksidan. Logam alkali praktis tidak membentuk oksida, sedangkan logam alkali tanah mudah membentuk monoksida kecuali bila digunakan nyala yang fuel rich. Logam-logam tertentu seperti La, Al, dan Ti membentuk oksida yang sangat stabil sehingga konsentrasi atom-atom bebas menjadi sangat kecil, kecuali bila digunkan nyala panas dari asetilen-dinitrogen monoksida yang fuel rich. Pembentukan molekul akan mengakibatkan adanya latar belakang berupa radiasi kontinyu sehingga menurunkan sensitivitas.
Problem utama pada AAS dan teknik yang sejenis, adalah pada proses atomisasi yang menentukan sensitivitas dan stabilitas dari teknik tersebut. Untuk mendisosiasikan molekul sampel menjadi atom, di samping nyala digunakan juga proses atomisasi elektro-termal misalnya menggunakan batang karbon (graphite furnace) terutama bila jumlah sampel terbatas (mikrosampel).
Proses atomisasi dapat diterangkan sebagai berikut. Bila larutan zat yang diperiksa disemprotkan ke dalam nyala sebagai aerosol, maka mula-mula terjadi proses penguapan pelarut, meninggalkan partikel garam tersuspensi pada nyala. Partikel-partikel ini lalu menguap dan sebagian atau seluruh uap partikel tersebut akan terdisosiasi menjadi atom-atom. Proses ini sebagian mungkin disebabkan oleh panas dari nyala dan sebagian oleh reduksi dari spesies yang ada pada nyala.
Proses lain yang juga dapat terjadi pada nyala yaitu terionisasinya atom-atom sehingga mengakibatkan menurunnya sensitivitas. Logam-logam alkali mempunyai potensial ionisasi yang rendah (4-5 eV) sehingga pada nyala dengan suhu T 2500° K, mudah terionisasi. Oleh karena spektra dari ion berbeda dengan spektra dari atom, maka perlu dijaga agar derajat ionisasi ini pada level yang konstan atau bila mungkin ditiadakan. Ini dapat dilakukan dengan menurunkan suhu dari nyala atau dengan menambahkan metal yang mudah terionisasi (deionizer/radiation buffer), misalnya logam alkali. Penambahan deionizer akan mempertinggi konsentrasi elektron pada M nyala M+ + e sehingga akan menggeser keseimbangan berikut ke kiri
Nyala
Pemilihan pasangan fuel-oksidan sangat tergantung dari temperatur nyala yang diperlukan untuk proses atomisasi, meskipun faktor-faktor yang mereduksi pembentukan oksida logam juga penting. Juga diusahakan agar latar belakang emisi dari nyala tidak mengganggu analisa. Pada buku penuntun dari alat yang dipergunakan biasanya kondisi standar dari percobaan untuk suatu logam tertentu sudah dicantumkan.
Temperatur dari berbagai nyala dan kecepatan terbakarnya dapat dilihat pada tabel berikut Bahan bakar (fuel)
Oksidan Udara
Asetilen
2450 (160)
Dinitrogen monoksida 3200 (220)
Propana
2200 (45)
2900 (250)
Hidrogen
2300 (320)
2900 (380)
Tabel Temperatur maksimum (dan Kecepatan Pembakaran) dari Berbagai Nyala, °K (cm/detik)
Fungsi dari nyala yaitu: mengubah zat yang diperiksa dari larutan atau bentuk padat menjadi bentuk gas penguapan. mengubah molekul dalam bentuk uap menjadi atom atomisasi pada FES untuk mengeksitasi uap atom/molekul sehingga menghasilkan radiasi emisi.
Komponen-komponen dari gas-gas pembentuk nyala membatasi daerah analisa pada panjang gelombang di luar daerah resapan atmosfer, yaitu pada panjang gelombang di atas 210 nm.
Perbandingan dari bahan bakar dan oksidan juga menentukan suhu dan komposisi nyala gas yang terjadi. Bila jumlah oksidan lebih banyak dari bahan bakan maka nyala yang terjadi disebut oxidising flame dan bila sebaliknya disebut reducing flame. Nyala jenis mana yang dipakai tergantung dari sifat unsur yang diperiksa. Misalnya unsur-unsur yang cenderung utnuk membentuk oksida yang stabil (Al, Si, Ti, dan Lantanida) diperlukan nyala dengan suhu tinggi dengan lingkungan yang dapat mereduksi, misalnya nyala asetilendinitrogen monoksida.
Jenis-jenis gangguan pada analisa AAS gangguan spektra gangguan fisika gangguan kimia • bentuk uap • bentuk padat (condensed phase)
Gangguan spektra
Gangguan spektra terjadi bila panjang gelombang (atomic line) dari unur yang diperiksa berimpit dengan panjang gelombang dari atom atau molekul lain yang terdapat dalam larutan yang diperiksa. Gangguan karena berimpitnya panjang gelombang atom (atomic line overlap) umum dijumpai pada FES, sedangkan pada AAS gangguan ini hampir tidak ada karena digunakan sumber cahaya yang spesifik untuk unsur yang bersangkutan.
Efek dari emisi nyala pada AAS dapat dicegah dengan memodulasi sumber cahaya. Akan tetapi resapan molekuler oleh spesies tertentu seperti SrO dan Ca(OH)2 dapat mengganggu panjang gelombang yang lebih pendek dan ini dapat dikurangi dengan menggunakan nyala yang suhunya lebih tinggi. Koreksi terhadap resapan molekuler ini dapat dilakukan pada panjang gelombang di mana tidak terjadi peresapan atom yaitu yang dekat dengan resonance line. Cara yang lebih disukai pada daerah 190 sampai 320 nm yaitu dengan menggunakan sumber cahaya kontinyu (lampu hidrogen atau deuterium). Dengan lampu ini yang diukur adalah resapan molekuler dan resapan atom dari unsur tersebut. Selisih dari kedua pengukuran ini adalah resapan atom.
Gangguan Fisika
Sifat-sifat fisika dari larutan yang diperiksa akan menentukan intensitas dari resapan atau emisi dari larutan zat yang diperiksa. Kekentalan mempengaruhi laju penyemprotan ke dalam nyala dan ketegangan muka, bobot jenis, kekentalan serta kecepatan gas menentukan besar butir tetesan. Oleh karena itu sifat-sifat fisika dari zat yang diperiksa dan larutan pembanding harus sama. Efek ini dapat diperbaiki dengan menggunakan pelarut organik di mana sensitivitas dapat dinaikkan sampai 3 atau 5 kali bila dibandingkan dengan pelarut air. Ini disebabkan karena pelarut organik mempercepat penyemprotan (kekentalannya rendah), cepat menguap, mengurangi penurunan suhu nyala, menaikkan kondisi, mereduksi nyala.
Gangguan Kimia Bentuk uap
Gangguan kimia biasanya memperkecil populasi atom pada level energi terendah. Telah disebutkan bahwa dalam nyala, atom dalam bentuk uap dapat berkurang karena terbentuknya senyawa seperti oksida atau klorida, atau karena terbentuknya ion. Dengan menggunakan nyala yang cocok atau dengan menambahkan unsur yang lebih mudah terionisasi dalam jumlah berlebih, gangguan ini biasanya dapat dikurangi. Sebagai deionizer biasanya digunakan logam alkali, misalnya kalium dengan konsentrasi 2000 ppm.
Bentuk padat
Gangguan ini disebabkan karena terbentuknya senyawa yang sukar menguap atau sukar terdisosiasi dalam nyala. Hal ini terjadi pada nyala ketika pelarut menguap meninggalkan partikelpartikel padat. Misalnya, gangguan dari fosfor pada penetapan kalsium karena terbentuknya kalsium fosfat.
Efek dari gangguan ini dapat ditetapkan dengan mengukur emisi atau resapan dari satu seri larutan sampel dengan zat pengganggu dengan konsentrasi yang berbeda-beda. Dalam hal tertentu gangguan ini dapat diatasi dengan mengubah kondisi nyala, misalnya dengan menambah aliran bahan bakar untuk memperoleh nyala reduksi sehingga memperkecil pembentukan oksida yang stabil. Adakalanya perlu digunakan nyala dengan suhu yang lebih tinggi misalnya nyala C2H2 – N2O. Cara lain untuk mengatasi gangguan ini yaitu dengan memisahkannya melalui penyarian selektif atau dengan menambahkan releasing agent (misalnya La atau Sr pada penetapan Ca untuk mencegah pembentukan kalsium fosfat).
Con’d
Hal yang serupa dapat pula dilakukan dengan mengikat unsur yang diperiksa dengan membentuk kelat seperti EDTA. Kompleks yang terjadi di samping melindungi unsur tersebut dari reaksi yang tidak dikehendaki, ia juga harus mudah terurai dalam nyala dan melepaskan unsur tersebut sebagai atom.
Kepekaan dan Batas Deteksi
Kepekaan (sensitivity) Pada AAS adalah konsentrasi zat yang diperiksa dengan absorban sebesar 0,0044 (resapan 1%). Ini biasanya dinyatakan dengan µg/ml/1% abs (atau µg/g/1% abs). Batas deteksi (detection limit) Adalah konsentrasi dari suatu unsur (biasanya µg/ml) yang menunjukkan absorban sebesar dua kali noise level (S/N = 2).
Analisa kuantitatif Penyiapan Sampel
Penyiapan sampel sebelum pengukuran tergantung dari jenis unsur yang ditetapkan, jenis substrat dari sampel dan cara atomisasi. Pada kebanyakan sampel hal ini biasanya tidak dilakukan bila atomisasi dilakukan menggunakan batang grafit secara elektrotermal karena pembawa (matriks) dari sampel dihilangkan melalui proses pengarangan (ashing) sebelum atomisasi. Pada atomisasi dengan nyala, kebanyakan sampel cair dapat disemprotkan langsung ke dalam nyala setelah diencerkan dengan pelarut yang cocok. Sampel padat biasanya dilarutkan dalam asam tetapi adakalanya didahului dengan peleburan alkali.
Con’d
Asam klorida, asam nitrat, dan asam sulfat biasanya digunakan untuk melarutkan logamlogam atau logam campur. Asam nitrat biasanya membentuk senyawa yang mudah terurai tetapi sukar menguap sehingga ia lebih disukai daripada asam klorida untuk pengarangan. Campuran asam nitrat, asam sulfat, dan asam perklorat (3:1:1) sangat berguna untuk oksidasi basah terhadap senyawa-senyawa organik. Perlu diingat bahwa asam-asam pereaksi mungkin mengandung pengotoran-pengotoran logam seperti Cr pada asma nitrat, Pb pada asam klorida dan Cd pada asam sulfat.
Con’d
Pelarut organik dapat digunakan untuk menyari logam-logam secara selektif setelah pembentukan kompleks dalam larutan air, lalu sari tersebut dapat langsung disemprotkan ke dalam nyala. Pelarut organik yang biasa digunakan adalah metil isobutil keton (MIBK) dan etil asetat.
Standar
Larutan sampel dan standar sedapat mungkin harus sama. Pereaksi yang digunakan harus bebas dari unsur yang ditetapkan. Standar dan sampel harus disimpan dalam botol plastik polietilen karena beberapa logam terserap pada permukaan gelas. Standar dengan konsentrasi rendah (kurang dari 1 ppm), harus dibuat baru dari larutan persediaan yang lebih pekat untuk menghindari kesalahan karena adsorbsi.
Metode analisa 1. Teknik Kalibrasi Penggunaan teknik ini tergantung dari jumlah sampel, linieritas dari kurva kalibrasi dan adanya gangguan dari komponen lain dalam sampel tersebut. -Kurva kalibrasi Jika jumlah sampel yang diperiksa banyak, maka prosedur yang paling sederhana adalah dengan membuat satu seri larutan standar yang meliputi daerah konsentrasi tertentu dan dari sini dibuat kurva kalibrasi.
2. Internal standar
Variasi aliran bahan bakar-oksidan dan nebulasi, diimbangi dengan menambahkan sejumlah tertentu internal standard ke dalam setiap sampel. Kurva kalibrasi selanjutnya adalah merupakan hubungan dari perbandingan intensitas emisi absorban dari unsur yang ditetapkan dengan internal standard terhadap konsetrasi unsur yang diperiksa. Sampel yang diperiksa harus bebas dari standar yang ditambahkan dan standar yang dipilih harus mempunyai spectral line yang dekat dengan unsur yang diperiksa dan merupakan transisi yang serupa. Potensial ionisasinya juga tidak boleh jauh berbeda dengan unsur yang diperiksa
Con’d 3. Metode adisi
Bila gangguan dari unsur lain pada matrix tidak dapat dihindarkan, maka metode standard –addition dapat dipakai asalkan kurva kalibrasi merupakan garis lurus melalui pusat. Apabila resapan dari larutan dengan konsentrasi x adalah Ax dan resapan dari larutan tersebut setelah ditambahkan standar dengan konsentrasi a adalah Ay, maka konsentrasi x dapat dihitung sebagai berikut: x = Ax x+a Ay Signal latar belakang harus dikoreksi dan dianjurkan untuk mencek hasil yang diperoleh dengan penambahan standar kedua.
Dengan metode ini konsentrasi dari unsur yang diperiksa juga dapat ditetapkan dengan menggunakan grafik sebagai berikut:
Konsentrasi standard yang ditambahkan (ppm)
Con’d
Skala konsentrasi adalah jumlah standar yang ditambahkan dan konsentrasi dari unsur yang diperiksa adalah perpotongan dari ekstrapolasi garis dengan aksis konsentrasi seperti terlihat pada grafik di atas. Penambahan standar biasanya sekitar setengah sampai dua kali dari konsentrasi unsur yang diperiksa dan semua larutan diencerkan hingga diperoleh volume yang sama.
Penggunaan
Spektrofotometer Serapan Atom (AAS) telah digunakan untuk penetapan sebanyak lebih kurang 70 unsur. Penggunaannya meliputi sampel biologi dan klinik, forensic materials, makanan dan minuman, air termasuk air buangan, tanah, tanaman, pupuk, besi, baja, logam campur, mineral, hasil-hasil minyak bumi, farmasi, dan kosmetik.
Data Panjang gelombang analisis logamlogam
Data Panjang gelombang analisis logamlogam (lanjutan)
