Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) Dr. WIDAYAT ST MT
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2011
MATERI AAS
• OVERVIEW • INSTRUMENTASI • APLIKASI AAS • INTERFERENSI DALAM AAS
Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) adalah suatu teknik analisis untuk menetapkan konsentrasi suatu unsur (logam) dalam suatu sampel.
Historis 1800’s 1800 s
: - Wallason mengobservasi pita hitam dalam spektrum matahari. - Fraunhofer merancang instrumen utk yg merekam k ±500 00 garis i absorpsi dalam spekturm sinar matahari 1860,, 1861 :Kirchoff dan Bunsen membuat spectrochemical analysis. Kirchoff menerangkan pokok yang mendasari hubungan antara emisi dan absorpsi.
¾ 1950’s 1950 s : AAS pertama kali dikembangkanoleh Sir Alan Walsh ¾ 1960’s : AAS pertama kali dikomersialkan oleh Ferkin-Elmer; Beckman; Jarrel-Ash ¾ 1970’s : pengembangan & perbaikan graphite furnace AAS ¾ late 1970’s : Dikembangkan ICP Emission spectroscopy
OVERVIEW
Absorpsi Spektrometri Serapan Atom (AAS) Teori
Spektrometri Serapan Atom (AAS = Absorption spectrophotometry), merupakan salah satu cara analisa y yang g dapat p digunakan g untuk menentukan unsur-unsur dalam suatu bahan misalnya : batubatuan, tanah, tanaman, farmasi dan sebagainya dengan hasil analisa yang peka dan sensitif. Cara analisa ini berdasarkan pada proses penyerapan energi radiasi dari sumber cahaya, oleh atom-atom bebas dalam media p pada tingkat g tenaga dasar (ground state).
OVERVIEW
Absorpsi Spektrometri Serapan Atom (AAS) Teori
Pengurangan intensitas radiasi yang diberikan sebanding dengan jumlah atom pada tingkat tenaga g dasar y yang g menyerap y p energi g radiasi tersebut. Dengan mengukur intensitas radiasi yang diteruskan (transmitancy) atau mengukur intensitas radiasi yang diserap (absorbancy), maka k konsentrasi ko e t i unsur dalam d l larutan l t sampel el dapat ditentukan. Perkembangan g terakhir cara analisa spektrometri p serapan atom ini, selama atomisasi dengan nyala dapat pula dilakukan atomisasi tanpa nyala (Flamless Atomizer), yaitu dengan menggunakan energi listrik pada batang karbon (CRA = Carbon Rod Atomizer), atau bahkan hanya dengan uapnya saja misalnya pada analisis mercury (Hg).
OVERVIEW
Proses dalam AAS melibatkan 2 langkah, yaitu: 1 Atomisasi sampel 1. 2. Absorpsi radiasi dari sumber sinar oleh atom bebas bebas. • Sampel, biasanya berupa cairan atau padatan, terlebih dahulu diubah menjadi atom, oleh perangkat atomisasi (berupa nyala atau tungku grafit). • Selama proses absorpsi sinar UV-Vis, atom bebas akan mengalami transisi elektronik dari ground state ke exited stated. • Banyaknya atom yang mengalami transisi elektronik bergantung pada temperatur, dirumuskan dengan Persamaan Boltzmann
OVERVIEW
OVERVIEW
Elements detectable by atomic absorption are highlighted in pink in this periodic
OVERVIEW - ABSORPSI
vs EMISI
Keuntungan AAS : Specific S ifi Sensitivity Low Cost Analysis Low Capital Cost (?) Can Analyze Many Samples in Short Time for screening g of a Single g Analyte y Metal.
Kerugian AAS : Single Element at a Time. Requires more Set-up time between Elements. Not the preferred method for screening samples for numerous elemental content
OVERVIEW - ABSORPSI
vs EMISI
Pengukuran spektroskopik secara umum dibedakan dalam 2 golongan : absorpsi dan emisi Transisi i i elektronik l k ik terjadi j di bila bil suatu elektron l k b berpindah i d h dari tingkat energi satu ke tingkat energi yang lain.
ABSORPSI Jika elektron menyerap (mengabsorpsi) foton sehingga elektron berpindah p dari orbital dengan g tingkat g energi g rendah ke tingkat energi tinggi.
OVERVIEW - ABSORPSI
vs EMISI
EMISI Jika elektron berpindah p dari tingkat g energi g tinggi gg ke tingkat energi rendah sehingga foton dipancarkan sebanding dengan perbedaan tingkat energi tsb.
OVERVIEW - ABSORPSI
vs EMISI
Energy level diagram for Pb
OVERVIEW - ABSORPSI
vs EMISI
SPEKTRA EMISI ATOMIK
OVERVIEW
THE OPTICAL SPECTRUM OF SODIUM
Peralatan AAS secara struktur dasar terbagi atas 4 bagian : sumber cahaya (source), (source) atomiser, atomiser monokromator atau filter, detektor dan penampilan data (readout). Sumber cahaya adalah sebuah lampu katoda cekung ((Hollow Catode Lamp). p) Katoda lampu p ini terbuat dari bahan yang aman dengan unsur yang akan ditetapkan dalam analisis, unutk menghasilkan emisi, katoda lampu ini diuapkan secara listrik. Atomiser At i adalah d l h alat l t pengkabut k b t sampell dan d umumnya alat ini digabungkan dengan arus gas ke flame (burner). Monokhromator atau filter berfungsi untuk memilih panjang gelombang yang akan diukur intensitasnya oleh detektor. Panjang gelombang yang akan diukur ini bersifat khas untuk sampel yang ditetapkan. Detektor dan p penampilan p data : umumnya y bekerja j secara elektronis.
INSTRUMENTASI Detektor mengukur kekuatan sinar yang diteruskan dan penampilan data mungkin dalam bentuk absorbansi (cahaya yang diserap) atau transmittance (cahaya yang ditemukan). Mungkin juga langsung dalam bentuk konsentrasi (hanya pada alat-alat yang dilengkapi dengan sirkuit elektronis). Komponen-komponen ini dikontrol oleh piranti lunak komputer.
INSTRUMENTASI - Source
Electrodeless Discharge Lamp (EDL)
Hollow Cathode Lamp (HCL)
• Untuk memperbaiki penentuan absorpsi atom dengan menggunakan sumber yang lebih terang dan lebih stabil seperti EDL • Dibutuhkan assesori power untuk mengoperasikan EDL
INSTRUMENTASI - Source
Proses emisi pada Hollow Cathode Lamp Light Sources : • Hollow cathode lamps - HCL • Multi Multi--element lamps • Ultra Ult lamps l • Deuterium lamp - D2
INSTRUMENTASI - Source
Tungsten Anode Analyte Hollow Cathode
Glass shield
Ne or Ar At 1 -5 torr
Quartz or Pyrex window
INSTRUMENTASI – Sample compartment
INSTRUMENTASI – Sample compartment
Atomization
Flame Electrothermal Graphite p furnace Hydride As, Sb, Sn, Se, Bi, and Pb Cold vapor Cold-vapor Hg (ambient temperature vapor pressure)
• Elements to be analyzed needs to be in atomic state • Atomization is separation of particles into individual molecules and breaking molecules into atoms. This is done by exposing the analyte to high h h temperatures in a flame fl or graphite h furnace. f
INSTRUMENTASI – Sample compartment
Operation principle of an atomic absorption spectrometer
Flame yang berbeda dapat diperoleh campuran gas tergantung pada temperatur dan kecepatan pembakaran yang diinginkan. Beberapa p unsur hanya y dapat p dirubah menjadi j atom p pada T tinggi. gg Bahkan pada T tinggi jika terdapat ekses O2, beberapa logam membentuk oksida yang tidak terdissosiasi kembali menjati atom. Untuk menghambat g pembentukan oksida tersebut,, kondisi flame mungkin p g dimodifikasi untuk mencapai pengurangan non-oxidizing flame.
Tabel Karakteristik berbagai jenis nyala api.
INSTRUMENTASI – Sample compartment
In AAS flame function as : (i)
the sample holder
(ii) Desolvation D l ti source (iii) A volatization source
INSTRUMENTASI – Sample compartment FLAME ATOMIZATION N b li ti Nebulization :- C Conversion i off th the li liquid id sample to a fine spray.
Desolvation : -Solid atoms are mixed with the gaseous fuel. fuel Volatilization : Solid atoms are converted to a vapor in the flame. There are three types of particles tthat at exist e st in the t e flame: a e 1) Atoms 2) Ions 3) Molecules M l l
INSTRUMENTASI – Sample compartment
The Flame process : “M+” is a metal cation and “A-” is the associated anion
INSTRUMENTASI – Sample compartment FLAME ATOMIZATION
INSTRUMENTASI – Sample compartment FLAME ATOMIZATION Type Pneumatic Nebulizer : a. Concentric b. Cross-flow c Fritted-disk c. d. Barbington
Solvents yang umum digunakan g saat ini adalah : 4-methyl-pentan-2-one (MIBK), m-Xylene dan cyclohexanone
INSTRUMENTASI – Sample compartment FLAME ATOMIZATION
Nebulizer SAMPLE AEROSOL
Nebulizer : A device for converting the solution into fine spray or droplets
INSTRUMENTASI – Sample compartment FLAME ATOMIZATION Primary zone S Secondary d zone
Interzonal zone
= C2, CH and other radical emission = oxygen present so stable bl moleculer oxides are formed for metals = hot region, and widely used portion ti f anaysis for i
INSTRUMENTASI – Sample compartment FLAME ATOMIZATION Fuel / Oxidant Temperature acetylene / air 2100 °C C – 2400 °C C acetylene / N2O2600 °C – 2800 °C acetylene / O2 3050 °C – 3150 °C
(most common)
• Pemilihan jenis nyala bergantung pada temperatur penguapan p g p atom y yang g dianalisis. • Parameter penting lain selain p adalah kecepatan p temperatur pembakaran (cm/s, or residence time)
Pengaruh ketinggian burner thp absorbansi
INSTRUMENTASI – Sample compartment ELECTROTHERMAL ATOMIZATION (ETA)
Graphite Furnace • Sampel cair dialirkan pada tabung silindris grafit yang dilapisi bahan yang mencegah sampel terserap pada tabung. Step Drying Ashing Atomization
Temperature Time 50° - 150°C ~ 60 s 150° - 600°C ~ 60 s 2000° - 3000°C ~ 5 s
Graphite Tube Furnace • Atomisasi At i i lebih l bih efisien fi i • Volume sampel lebih kecil • Limits of detection lebih rendah
INSTRUMENTASI – Sample compartment
INSTRUMENTASI – Sample compartment PERBANDINGAN FLAME DAN FURNACE AAS
Flame lebih sederhana
Furnace lebih sensitif
Furnace memiliki lebih banyak interferensi Furnace lebih sedikit membutuhkan sampell Perangkat Furnace lebih mahal
INSTRUMENTASI – Sample compartment PERBANDINGAN FLAME DAN FURNACE AAS
Limit deteksi (ng/mL) Element
AAS Flame
AAS Electrothermal
Al
30
0.005
As
100
0.02
Ca
1
0.02
Cd
1
0.0001
Cr
3
0.01
Cu
2
0.002
Fe
5
0.005
Hg
500
0.1
Mg
0.1
0.00002
Mn
2
0.0002
Mo
30
0 005 0.005
Na
2
0.0002
Ni
5
0.02
Pb
10
0.002
Sn
20
0.1
V
20
0.1
Zn
2
0.00005
Accuracy :
– Relative error of flame AA is ~1–2% – Can be lowered with special precautions – Electrothermal atomization has 5–10 times higher error than flame AA
INSTRUMENTASI - Wavelength
INSTRUMENTASI - Wavelength
Dengan mengubah sudut grating akan menghasilkan fokus pada panjang gelombang yang berbeda.
Fast Sequential Lamp Selection
High Speed Monochromator p HC Lamps D2 Lamp
Reference Beam
Burner Motorised Mirror
INSTRUMENTASI - Wavelength Pemilihan panjang gelombang bergantung pada: - Unsur yang dianalisis - Sensitivitas - Limit deteksi
INSTRUMENTASI - Detector
Incident
INSTRUMENTASI - Detector
Photomultiplier tube (PMT)
INSTRUMENTASI - Readout
Comparison of Techniques Detection Limits Productivity LDR Precision Spectral interference Chemical interference Ionization Mass Effects Isotopes Dissolved solids No. of elements Sample usage Semi-quantitative Isotope analysis Routine operation Method development Running g costs Capital costs
ICP MS ICP-MS
ICP OES ICP-OES
FAAS
GFAAS
Excellent Excellent 108 1-3% few moderate
good very good 105 0.3-2% common few
good good 103 0.1-1% almost none many
Excellent low 102 1-5% very few many
minimal high on low mass yes 0 1-0 4% 0.1-0.4% 75 low yes yes easy skill req high g very high
minimal none none 2-25% 73 medium yes no easy skill req high g high
some none none 0 5-3% 0.5-3% 68 high no no easy easy low low
minimal none none up to 20% 50 very low no no easy skill req medium medium
INSTRUMENTASI
Atomic Absorption Spectrophotometer
PERKINS ELMER ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETER 4100ZL
Thermo 7 Plasma Atomic Absorption Spectrometer
Preparasi Sampel
CARA
CARA
Timbang ± 2,5 g sampel, masukkan ke dalam gelas beker. Tambahkan 25 mL HNO3 pekat, tutup dengan l arloji, l d d hk selama didihkan l 30 – 45 menit untukk BASAH gelas mengoksidasi senyawa organik. Dinginkan larutan secara perlahan, tambahkan 10 mL HClO4 70%. Didihkan kembali hingga larutan menjadi jernih. jernih
Timbang ± 2,5 g sampel, masukkan ke dalam porselin. Panaskan dalam oven hingga suhu 550oC selama 4 jam. jam KERING Dinginkan, tambahkan 10 mL HCl 3 N. Tutup dengan gelas arloji, didihkan selama 10 menit. Dinginkan, a g da dan masukkan a u a ke da dalam a labu abu takar a a 100 00 mL,, saring encerkan hingga batas dengan air bebas ion.
APLIKASI Metode Seri Standar (Standar eksternal) 1. Ukur absorbansi dari seri larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya. 2. Buat kurva hubungan antara absorbansi versus konsentrasi (Kurva Kalibrasi). 3. Dengan metode analisis regresi linier, turunkan persamaan regresi linier, linier y = mx + c
Hasil plotting ke persamaan regresi : Konsentrasi Cr = 3,45 ppm
APLIKASI Metode Adisi Standar 1. Siapkan dua buah larutan sampel yang identik. 2 Tambahkan sejumlah volume tertentu larutan 2. standar pada salah satu larutan sampel. 3. Ukur absorbansi masing-masing larutan. 4. Hitung konsentrasi analit dengan persamaan berikut.
APLIKASI
Kegunaan AAS :
1. Analisis Klinik
: Analisis logam dalam cairan biologis (darah, urine)
2. Analisis Lingkungan
: Monitoring lingkungan, memantau berbagai undur di sungai, perairan laut, air minum, udara, minyak, dan minuman (anggur/wine, bir, jus buah)
3. Farmasi
4 Industri 4. 5. Pertambangan
: Dalam proses industri sering digunakan katalis (biasanya (biasan a logam), logam) yang ang seringkali terikut dalam produk akhir. Dengan AAS, unsur tsb dapat ditetapkan. : Melakukan pengecekan apakah bahan baku mengandung logam berat yang bersifat toksik. : Menetapkan kandungan logam dalam batuan.
INTERFERENSI DALAM AAS • Ada 2 jenis interferensi yang terjadi dalam AAS : A) Spectral Interferences B) Chemical Interferences A. Spectral Interferences
garis emisi dari spesies lain overlap/sangat dekat dengan garis absorpsi analit, sehingga pemisahan dengan monokromator sulit dilakukan. dilakukan • Sources of Spectral Interference 1 Overlapping AA or AE lines 1.
• Jenis interferensi ini jarang terjadi. garis spektra p harus < 0.01 nm utk bisa • Selisih antar g menimbulkan interferensi ini. • Dapat diatasi dengan metode adisi standar.
INTERFERENSI DALAM AAS
2. Background interference
• Disebabkan oleh scattering sumber sinar atau adanya absorpsi molekular. • Background interference menghasilkan peningkatan sinyal output. • Background correction digunakan untuk mengeliminasi li i i interferensi i t f i jenis j i ini. i i
INTERFERENSI DALAM AAS B. Chemical interferences Hasil dari berbagai proses yang terjadi selama atomisasi yang mengubah karakteristik absorpsi analit. analit 1. Pembentukan senyawa dengan volatilitas rendah • Anion yg terdapat dalam flame atau furnace dapat membentuk senyawa dengan volatilitas rendah dengan kation analit. • metode yg biasa digunakan untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menambahkan release agents atau protective agents pada matriks sampel. Release Agent - bereaksi dengan zat yang menyebabkan interferensi dalam matriks sampel. Protective Agent - bereaksi dengan analit tetapi menghasilkan senyawa volatil.
INTERFERENSI DALAM AAS B. Chemical interferences 2. Kesetimbangan dissosiasi • melibatkan pembentukan dan dissosiasi senyawa oksida logam dari sampel. sampel • Contoh:
MO « M + O M(OH)2 « M + 2OH
• Pergeseran kesetimbangan ke arah oksida logam akan menghasilkan penurunan absorpsi radiasi oleh analit logam. • Proses ini sangat tergantung pada kondisi nyala (bahan bakar, temperatur nyala)
INTERFERENSI DALAM AAS C. Chemical interferences
3. Ionisasi • Pembentukan b k ion logam l (k (kation) ) dalam d l nyala. l • Ionisasi logam akan menyebabkan peningkatan temperatur. • dapat diminimalkan dengan penambahan ionization suppressant pada matriks sampel yg akan menghasilkan konsentrasi elektron tinggi dalam nyala yg dapat menekan pembentukan ion logam. logam
Mengendalikan interferences dalam GFAAS dengan : 1. Matrix modifiers a NH4NO3 (helps minimize NaCl), a. NaCl) Mg(NO3)2 b. Organic acids (e.g. ascorbic acid, oxalic acid): helps make crystals smaller and more uniform; may help reduce metal; other mysterious effects effects. c. H3PO4, MgPO4 d. PdNO3 2. Matrix matching: make sure standards have same major chemical composition as standards; compensate for slight variability in major chemical composition. 3 Method 3. M h d off standard d d additions: ddi i if you don't d ' know k what h the major element composition is and if it is highly variable, then you should always use this method.
Reference Beaty, R.D., Kerber, J.D., 2002, Concepts, Instrumentation and techniques in Atomic Absorption Spectrophotometry, PerkinElmer, Inc., Shelton, CT, USA. Haswell S.J., Haswell, S J 1991. 1991 Atomic Absorption Spectrometry; Theory, Theory Design and Applications. Elsevier, Amsterdam. Moffet, J.H., February 2000. Why Calibration graphs curve in atomic absorption spectrometry, Varian Australia Pty. Ltd., M l Mulgrave Vi t i Australia. Victoria, A t li Reynolds, R.J. et al., 1970. Atomic Absorption Spectroscopy. Barnes & Noble Inc., New York. Skoog Holler and Nieman Principles of Instrumental Analysis Skoog, Schrenk, W.G., 1975. Analytical Atomic Spectroscopy. Plenum Press, New York. Varma, A., 1985. Handbook of Atomic Absorption Analysis. Vol. I. CRC Press, P Boca B Raton. R t
Gamma rays X rays
1nm
UV
100nm
Radio waves Microwaves Infrared 1mm
1m
Visible Region
430
500
560 600
650
750nm
INSTRUMENTASI – Sample compartment
FLAME Flame AA hanya can only analyze solutions , where it uses a slot type burner to increase the path length, and therefore to increase the total absorbance. Sample solutions are usually introduced into a nebuliser by being sucked up a capillary tube. In the nebuliser the sample is dispersed into tiny droplets, which can be readily broken down in the flame. The flame temperature is important because it influences the distribution of atoms. It can b manipulated be i l d by b oxidant id and d ffuell ratio. i
A Single-beam AA Spectrometer
A Double-beam AA Spectrometer
A compesated single-beam single beam systems with source light directed through the sample path
A compesated double-beam systems with source light directed through the reference path
Lamp for Services of Flame Atomic Ab Absorption ti Spectrometer S t t (FAAS)
Single Lamp
Multiple Lamp
El Element t
Lamp Current L C t (mA)
El Element t
Lamp Current L C t (mA)
Cu
3.0
Pb
5.0
Ca
10.0
Mg
3.0
Fe
7.0
Mn
5.0
Cd
3.0
Se
10.0
Ti
18.0
Zn
5.0
Standard Analytical Data of The Elements Atomic Absorption Element
Atomic Wt.
Cu
Interference
Lamp Current (mA)
Flame Type
63.54
3.0
Air- C2H2 (oxidizing)
Few interferences
Ca
40.08
10.0
N2O-C2H2 (oxidizing)
Strontium or Lanthanum 2,000-5,000 μg/ml
Fe
55.847
7.0
Air- C2H2 (oxidizing)
H3PO4
Cd
112.40
3.0
Air- C2H2 (oxidizing)
No major interferences
Pb
207.19
5.0
Air- C2H2 (oxidizing)
283.3 nm
Mg
24.312
3.0
Air- C2H2 (oxidizing)
Strontium or Lanthanum 2,000-5,000 μg/ml
Mn
54.938
5.0
Air- C2H2 (Stoichiometric)
N2O-C2H2
Se
78.96
10.0
N2O-C2H2
Ti
47.90
18.0
N2O-C2H2 (reducing)
KNO3 1,000-2,000μg/ml
Z Zn
65 37 65.37
50 5.0
Ai C2H2 (oxidizing) Air( idi i )
213 9 nm 213.9
Hydride generation
Working Range and Sensitivity Element
Wavelength (nm)
Slit width
Working Range (μg/ml)
Sensitivity (μg/ml)
Cu
324.7 324 7 327.4 217.9 222.6 249.2 244.2
0.5 0 5 0.5 0.2 1.0 0.5 1.0
0.0 0 0–5 0.0– 10 0.1 – 30 0.7 – 180 3.0 – 730 7.0 – 1700
0.025 0 025 0.050 0.16 1.0 4.0 9.0
Ca
422.7 422 7 239.9
0.5 0 5 0.5
1.– 4.0 1 40 2.0 - 760
0.02 0 02 4.0
Fe
248.3 372 0 372.0 386.0 392.0
0.2 02 0.2 0.2 0.2
0.1 – 9.0 0 9 – 80.0 0.9 80 0 2.0 – 145.0 30 – 2700
0.05 0 45 0.45 0.80 15.0
Cd
228.8 228 8 326.1
0.5 0 5 0.5
0.0 0 0 – 1.8 18 3.0 – 800
0.009 0 009 4.0
TERIMA KASIH MATUR NUWUN
SELAMAT BERKREASI YANG KREATIF
