DESAIN DAN KOMPONEN INSTRUMEN OPTIK Divisi Kimia Analitik Departemen Kimia FMIPA IPB
Klasifikasi Teknik Analisis
Teknik Analisis Total: Sinyal proporsional terhadap jumlah total dari analat (mass, volume) Teknik Klasik
Teknik Konsentrasi Sinya proporsional terhadap jumlah relativ dari analat (Absorbans dll) Teknik Instrumental
Instrumen Analitik
Respons
Stimulus Sumber energi
Sistem yang dipelajari
Informasi analitik
Komponen Instrumen Spektrometri Optik
Sinyal analitik
Sumber sinar
Pemilih λ
Wadah cuplikan
Sinyal masukan (listrik/mekanik)
Transduser masukan/ detektor
Meter atau Skala Sinyal Pengolah keluaran
perekam
sinyal
12.301 Unit digital
Komponen Instrumen Spektrometri Optik Orientasi diantara komponen-komponen tersebut bervariasi bergantung pada tipe teknik yang dipakai (serapan/absorpsi, pemancaran/emisi, dll) 1. Sumber energi sinaran (radiasi) yang stabil 2. Wadah sampel yang transparan 3. Peranti yang mengisolasi daerah terestriksi dari suatu spektrum yang digunakan untuk pengukuran (pemilih panjang gelombang) 4. Detektor radiasi yang mengubah energi sinaran menjadi sinyal yang berguna (umumnya sifat listrik) 5. Pengolah sinyal dan pembaca (untuk instrumen modern telah berada dalam komputer)
Komponen Instrumen Spektrometri Optik
Spektrometer absorpsi Pemilih λ
Sumber
cuplikan
detektor
Pemrosesan Sinyal & Pembaca
Spektrometer fluoresens (pendarfluor) dan atau hamburan cuplikan
Pemilih λ
0-90o
Pemilih λ
Sumber
detektor
Pemrosesan Sinyal & Pembaca
Komponen Instrumen Spektrometri Optik Spektrometer serapan atom (nyala/flame) Pemilih λ
Sumber
detektor
Pemrosesan Sinyal & Pembaca
Cuplikan
Fotometer emisi (nyala/flame) Sumber
Pemilih λ
Cuplikan
detektor
Pemrosesan Sinyal & Pembaca
Latihan
Tuliskan persamaan dan perbedaan komponen instrumentasi spektrometri optik Spektrometer serapan atom dengan fotometer emisi Spektrometer absorpsi dan fluoresensi Spektrometer serapan atom dan absorpsi Spektrometer serapan dan fluoresensi Spektrometer fotometer emisi dan absorpsi Spektrometer fotometer emisi dan fluoresensi
Fotometer jinjing
Fotometer jinjing
Termasuk jenis spektrometer apakah alat ini?
Sumber Radiasi
Must generate a beam of radiation with sufficient power of energy to detect and measure. Stable output for reasonable period. Should not vary with potential of electrical supply Two types of sources are used
Sumber Garis
Sumber Kontinu
Sumber Radiasi Jenis Sumber Kontinu 1. Radiasi Termal (pijaran) padatan yang dipanaskan memancarkan radiasi dekat seperti radiasi badan hitam teoretis → pancaran dan penyerapan yang sempurna Radiasi Badan Hitam (Black Body) setiap benda yang memiliki permukaan, dapat memancarkan panas dan atau menerima panas dari luar, jika benda tersebut dapat menyerap semua radiasi yang masuk tanpa memperhatikan frekuensi dan arahnya, benda ini dinamakan badan hitam. Bola berongga dengan lubang kecil dapat dianggap sebagai badan hitam karena setiap radiasi yang masuk ke dalam bola berongga hanya dapat memantul di dalamnya sehingga diserap total. Distribusi spektrum mengikuti hukum radiasi Planck
Sumber Radiasi
Distribusi spektrum radiasi badan hitam
Sumber Radiasi
Fitur utama dari spektrum emisi benda hitam
Total energi yang dikeluarkan dihitung dari :
Eo = σAT4 , A = luas area m2, T (K), σ (tetapan stefan, 5.67x10-8 Wm2K-4) Panjang gelombang yang memberikan emisi maksimum:
λmax = b/T, b (tetapan Wien, 2.898 x 10-3 m K) Emisi pada panjang gelombang tertentu: Eλ = ελ x Eoλ
Suhu mana yang paling baik digunakan untuk suatu sumber yang sesuai bagi radiasi IR pada 1000 cm-1
300 K 1300 K 3000 K
Sumber Radiasi Sumber Kontinu Menghasilkan spektrum dengan kisaran yang luas
Sumber Radiasi Sumber radiasi daerah sinar tampak: a) Filamen Tungsten Tertutup Kaca Normalnya dioperasikan pada suhu ~30000K dengan atmosfer lembam untuk menghindari oksidasi. Daerah kerja: 350-2000 nm, < 350 nm sungkup kaca menyerap/mengemisi lemah
Sumber Radiasi b) Lampu Tungsten-Halogen dapat dioperasikan > 35000K, lebih kuat (fluks tinggi) Fungsi halogen → membentuk tungstenhalida volatil yang akan redeposit W pada filamen, menghindari filamen terbakar. memerlukan sungkup kuarsa untuk menahan suhu tinggi (yang menyebabkan turun ke panjang gelombang yang lebih rendah) Sumber radiasi termal IR (Black Body): a) Nernst Glower – leburan campuran ZrO2, Y2O3, dan ThO2, dioperasikan pada suhu 1900oC → baik untuk IR dekat b) Globar – silikon karbida, dioperasikan diantara suhu 1200 s/d 1400oC → baik untuk IR jauh c) Kawat pijar – contoh: kawat nikrom → paling murah
Sumber Radiasi 2. Lampu pelucutan gas (Gas Discharge Lamps) Dua elektrode dengan arus diantara keduanya di dalam tabung isi gas. Eksitasi dihasilkan dari elektron yang bergerak melewati gas. Elektron membentur (collide) dengan gas → eksitasi → emisi Pada tekanan tinggi → “smearing” tingkat energi → spektrum mendekati kontinu
Sumber Radiasi Lampu hidrogen Sumber radiasi yang umum untuk pengukuran absorpsi pada daerah UV Emisi H2 dari 180-370 nm, terbatas oleh “jacket” Spektrum garis dari 100 Watt lampu hidrogen pada tekanan rendah
Sumber Radiasi Lampu deuterium Distribusi λ sama seperti lampu hidrogen tetapi dengan intensitas yang lebih besar (3-5 kali) D2 lebih berat dibanding H2 dan bergerak lebih lambat sehingga kehilangan energi akibat benturan lebih sedikit
Sumber Radiasi
Lampu busur xenon (10-20 atm), untuk intensitas yang lebih besar → 250-600 nm Tekanan tinggi diperlukan untuk mendapat benturan yang cukup banyak untuk pelebarannya menjadi kontinu Relatif berumur pendek
Sumber Radiasi Lampu merkuri tekanan tinggi Tidak dapat mengeliminasi pita yang berasosiasi dengan transisi elektronik khusus walaupun pada tekanan yang tinggi (100 atm)
LASER (light amplification by stimulated emission of radiation)
Sumber Radiasi Untuk spektrofotometri absopsi UV-Vis umumnya menggunakan lampu hidrogen/deuterium (UV) dan tungsten (Vis) (pengalihan payar) Untuk spektrofotometer fluoresensi menggunakan lampu busur xenon (instrumen yang dilengkapi proses payar) Dapat menggunakan He di bawah 200 nm Hg pada tekanan rendah digunakan untuk panjang gelombang yang tetap (non payar) fluorometer Dapat pula menggunakan Hg dan Xe
Sumber Radiasi
Sumber radiasi garis 1) Lampu pelucutan gas (Uap) pada tekanan rendah (hanya beberapa torr) – meminimalkan interaksi benturan sehingga diperoleh spektrum garis - paling umum Hg dan Na - kadang digunakan untuk kalibrasi λ - dapat digunakan dalam detektor UV untuk KCKT 2) Lampu Katode Rongga (Hollow Cathode Lamps, HCL) → SSA 3) Electrodeless Discharge Lamps (EDL) → SSA
Sumber Radiasi
Pemilih Panjang Gelombang 1. Filter Optik → blok radiasi yang tak diinginkan 2. Monokromator → mendispersi radiasi dan memilih pita yang diinginkan 3. Interferometer → modulasi λ pada frekuensi berbeda
Pemilih Panjang Gelombang Untuk pengukuran hanya diperlukan satu nilai panjang gelombang → dilakukan pemayaran (scanning) absorbans pada tiap panjang gelombang agar diperoleh λmaks Fungsi dari pemilih panjang gelombang adalah untuk melewatkan λ spesifik untuk pengukuran absorbans Keluaran yang ideal:
Pemilih Panjang Gelombang Filter
tipe yang sederhana sebagai pemilih panjang gelombang memilih satu panjang gelombang (kisaran yang sempit) untuk diteruskan ke wadah sampel
Macamnya: Filter absorpsi: murah dan tahan banting, terbatas hanya pada daerah sinar tampak, lebar pita efektif 30 ~ 250 nm, mempersempit pita, menurunkan transmitans Filter interferens: transmitans tinggi, pita sempit, umum pada spektroskopi absorpsi
Pemilih Panjang Gelombang
Lebar pita untuk filter interfrens dan absorpsi
Pemilih Panjang Gelombang Filter Interferens
nλ = 2d sin θ saat θ = 900 , sin θ = 1 nλ = 2d panjang gelombang pada kaca λ udara = λ kaca η maka λ yang melewati kaca adalah 2dη λ= n
Pemilih Panjang Gelombang Filter relatif tidak terlalu mahal dan efektif dalam menghasilkan lebar pita tunggal akan tetapi berbeda-beda untuk setiap kisaran panjang gelombang yang akan digunakan Pembuatan spektrum absorpsi menjadi sulit, alternatifnya monokromator Monokromator
mendapatkan dan melewatkan sinar monokromatis ke zat yang akan diukur
Pemilih Panjang Gelombang Bagian-bagian monokromator yaitu: 1. Celah masuk, berfungsi mempersempit radiasi yang akan masuk dari sumber radiasi ke zat 2. Lensa kolimator, berfungsi untuk mengubah sinar menjadi berkas sinar sejajar 3. Media pendispersi (prisma, kisi), berfungsi mendispersi radiasi menjadi komponen panjang gelombangnya 4. Lensa fokus, berfungsi memfokuskan panjang gelombang yang diisolasi menuju suatu permukaan planar (focal plane) 5. Celah keluar yang akan mengisolasi sinar yang diinginkan dengan cara menghalangi sinar lain dan membiarkan sinar yang diinginkan lewat mencapai zat
Pemilih Panjang Gelombang Bagian pendispersi sinar prisma pembiasan sinar kisi pemantulan sinar Prisma
didasarkan pada fakta bahwa sinar dengan panjang gelombang tertentu akan mengalami pembiasan pada sudut yang berbeda
Sinar tampak UV IR
: kuarsa : N/A : NaCl, KCl
Tidak terlalu umum digunakan pada alat yang modern saat ini Keuntungan: Kekurangan:
-
tidak terlalu mahal dapat menyeleksi λ pada kisaran yang sempit terjadi dispersi kecil pada λ yang tinggi sinar dapat terabsorpsi oleh prisma
Pemilih Panjang Gelombang Prisma
Pemilih Panjang Gelombang Kisi
mengandung banyak alur (lekukan) sejajar pada permukaan yang sangat licin misalnya alumunium. Jumlah alur per mm ialah 300-2000 untuk daerah UV-Vis (umum: 1200-1400/mm), dan 10-200 untuk daerah inframerah
Alur
sebagai pusat penghamburan (scattering center) bagi sinar yang mengenai kisi tersebut Hasilnya ialah dispersi yang sama untuk semua panjang gelombang
Pemilih Panjang Gelombang
Diagram monokromator Czerny-Turner
Pemilih Panjang Gelombang
Pemilih Panjang Gelombang Kisi Echellette – “alur”, long used faces, short unused faces
Pemilih Panjang Gelombang Contoh soal Suatu kisi Echellette yang mengandung alur sebesar 1450/mm diberi radiasi sinar polikromatik dengan sudut datang 48o dari kisi normal. Hitunglah panjang gelombang radiasi yang akan muncul pada sudut pantul +20, +10, dan 0o! Jawaban
Pemilih Panjang Gelombang
Dispersi radiasi sepanjang focal plane AB dari prisma (a) dan kisi Echellette (b).
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi Kemurnian spektrum
sinar yang keluar dari monokromator umumnya akan terkontaminasi oleh sejumlah kecil radiasi sesatan yang mempunyai λ berbeda jauh dari λ yang diatur pada alat
Sumber radiasi sesatan 1. Difraksi sinar dalam kisi difraksi pada sudut yang tak diinginkan dari tepi celah 2. Penghamburan sinar dari permukaan bagian dalam komponen optik yang terdapat pada alat seperti lensa akibat adanya partikel debu 3. Pemantulan sinar akibat adanya ketidaksempurnaan saat proses pembuatannya
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi
Galat absorbans yang terjadi oleh tingkatan sinar sesatan yang berbeda. Sinar sesatan diekspresikan sebagai persentase irradiance incident pada sampel
Beberapa cara dalam mereduksi sinar sesatan: 1) Interior dalam dicat hitam 2) Menggunakan baffle (aling/sekat) untuk menghalangi radiasi sesatan 3) Menggunakan komponen dengan kualitas tinggi 4) Jaga dari debu dan asap 5) Dapat pula dengan menggunakan dua monokromator
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi Dispersi
kemampuan monokromator dalam memisahkan panjang gelombang yang berbeda kecil nilainya Dispersi linear atau dispersi timbal-balik (reciprocal) linear → variasi dalam λ yang melewati bidang fokus (focal plane)
(F adalah panjang bidang fokus), D-1 = nm/mm Kekuatan pengumpulan sinar kemampuan dalam mengumpulkan sinar (efisiensi) → meningkatkan rasio sinyal terhadap derau, pengumpulan yang baik jika F kecil dan d besar
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi Lebar pita spektrum
kisaran panjang gelombang yang keluar dari monokromator berhubungan dengan dispersi dan lebar celah
Lebar pita
rentang pengaturan monokromator (nm/cm-1) untuk mengerakkan citra celah masuk melewati celah keluar
Lebar pita efektif
kisaran panjang gelombang yang keluar dari monokromator untuk λ yang diinginkan
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi
Resolusi lengkap
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi
Lebar Celah Monokromator Parameter instrumen yang dapat diatur Mengontrol input sinar Resolusi spektra bergantung pada lebar celah yang digunakan - λ yang dipilih perlu dipertimbangkan - Celah yang lebar akan menurunkan resolusi tetapi mungkin akan menghasilkan sinyal yang cukup baik
Karakteristik Kinerja Monokromator Kisi
Pengaturan celah monokromator → efek terhadap resolusi spektrum Lebar celah yang kecil → resolusi spektrum lebih besar, kekuatan radiasi rendah
Wadah Sampel Sampel ditempatkan ke dalam sel yang dinamakan kuvet dengan panjang yang paling umum 1 cm Material: harus transparan Ultraviolet: kuarsa, sinar tampak: kuarsa, kaca, IR: NaCl, AgCl,KBr
Transmittance range for various cell construction materials.
Transduser Radiasi
Transduser merupakan tipe detektor yang mengkonversi kuan titas sifat kimia dan fisik menjadi sinyal listrik seperti muatan, a rus, atau voltase Idealnya: • sensitivitas tinggi • derau yang rendah • respon panjang gelombang yang besar • keluaran linear (S = k x I) • arus gelap rendah (arus kecil saat I = 0) (S = k·I + kd)
Transduser Radiasi
Transduser Radiasi Transduser foton: Radiasi → arus – Sel fotovoltaik: sinar tampak, Se, tidak kuat, hv menimbulkan arus listrik – Tabung foto (Phototube): UV-Vis, K, tumbukan hv → e– Tabung foto pengganda (Photomultiplier tube, PMT): lebih sensitif, UV-Vis, tumbukan hv → e- cascade – Tranduser fotokonduktivitas: IR, PbS, absorpsi hv → meningkatkan resistans – Fotodiode silikon: bias balik sambungan pn, UV-Vis, tekanan rendah, hv mengubah konduktans diode – Transduser alih muatan (Charge-transfer transducers: CTD) Tranduser foton multi-salur – Larik fotodiode/photodiode arrays (PDAs): 1D – Peranti alih muatan/Charge-transfer devices (CTDs): 2D, perantik injeksi muatan/charge-injection devices (CIDs) dan peranti gandengan muatan/charge-coupled devices (CCDs)
Transduser Radiasi
Tabung foto: Efek fotoelektrik Katode: logam alkali/oksida logam tersalut, memancarkan fotoelektron (fotoemisif) E > 90 V, semua elektron dikumpulkan, I (1 – 10 μA) dapat dikuatkan karena tahanan relatif besar Jumlah elektron (arus) ~ daya sinaran (foton) Terjadi arus gelap kecil → efek termal
Transduser Radiasi Tabung foto pengganda Lebih sensitif → kekuatan deteksi rendah, dimungkinkan untuk mendeteksi foton tunggal (photon counting) Amplifikasi sinyal dengan dinode: E > 90 V Amplifikasi: 106-107, bergantung kepada jumlah dinode dan voltase Batas arus gelap: derau termal (< -30°C)
Diagram skematik PMT dengan 9 dinode
Transduser Radiasi
Transduser Radiasi Transduser termal: Digunakan untuk IR ketika energi tidak cukup untuk mengeksitasi elektron Radiasi (10-7 to 10-9 W) → absorpsi → meningkatkan suhu material (beberapa ribu K) Optimum: – Material: kapasitas panas rendah, lapis tipis, ukuran kecil – Lingkungan: vakum (reduksi derau termal), terlindungi dari radiasi termal lainnya – Instrument: membelah radiasi untuk memisahkannya dari derau ekstra
Pengolah Sinyal & Peranti pembaca
Pengolah sinyal- menguatkan sinyal elektrik dari tranduser, dapat pula konversi ac/dc, mengubah fase, membedakan , integrasi, konversi ke skala log (photon counting)
Peranti pembaca/Readout devices – meter d’Arsonval, meter digital, potentiometer, perekam, tabung sinar katode, peranti digital (komputer)
PR 1. Cari spesifikasi spektrometer absorpsi yang ada di pasaran (UV-Vis/IR)! 2. Suatu monokromator kisi dengan dispersi linier resiprokal sebesar 1,2 nm/mm digunakan untuk memisahkan garis Na pada 589 dan 589,6 nm. Secara teori berapa lebar celah yang diperlukan?
