KONSEP DASAR SPEKTROFOTOMETRI 1.1 SpektrofotometriSpektrofotometer adalah alat untuk mengukur transmitan atau absorban suatu sampel sebagai fungsi panjang gelombang, metode ini sering disebut spektrofotometri. Teknik analisis spektrometri merupakan cara analisis yang paling penting dan paling khas penggunaannya. Semua teknik spektrometri berdasarkan atas emisi atau adsorbsi radiasi elektromagnetik yang merupakan sifat khas dari perubahan energi dalam suatu molekul atau atom tertentu. Perubahan energi ini berupa tingkatan energi terkuantisasi yang mencirikan jenis-jenis atom atau molekul, karena setiap atom atau molekul memiliki perbedaan satu dengan yang lainnya.Spektrofotometri dapat dianggap sebagai perluasan suatu pemeriksaan visual dengan studi yang lebih mendalam dari absorbsi radiasi. Absobrsi radiasi oleh suatu sampel diukur pada berbagai panjang gelombang dan dialirkan ke suatu perekam yuntuk menghasilkan spektrum yang khas untuk komponen yang berbeda.Analisis kimia dengan metode spektrofotometri didasarkan pada interaksi sinar (radiasi elektromagnetik) dengan materi. Interaksi meliputi proses adsobrsi, emisi, refleksi, dan transmisi oleh atom-atom atau molekul dalam suatu materi. Spektrofotometri merupakan suatu teknik analisis kimia untuk analisis kualitatif dan kuantitatif.

1.2 Radiasi ElektromagnetikSuatu berkas radiasi merupakan gelombang elektromagnetik atau foton yang bergerak dengan kecepatan cahaya. Foton mempunyai sifat partikel dengan energi tertentu dan pada saat yang sama juga mempunyai sifat gelombang.Gelombang pada dasarnya hanyalah suatu cara perpindahan energi satu tempat ke tempat lainnya, energi pada sinar berjalan melalui pergerakan lokal yang relarif kecil pada lingkungan sekitarnya. Pada gelombang terdapat puncak dan lembah, Jarak antara dua puncak dari gelombang dinamakan panjang gelombang. Jika banyaknya puncak dihitung setiap detiknya maka akan didapat frekuensi, frekuensi diukur dengan satuan putaran per detik disebut hertz. Misalnya sinar jingga mempunyai frekuensi 5 x 1014 Hz maka artinya sinar tersebut terdapat 5 x 10 14 puncak gelombang yang lewat tiap detiknya.Terdapat hubungan yang sederhana antara panjang gelombang dan frekuensi dengan kecepatan sinar dari suatu warna.c = λ . vc : kecepatan sinar (3 x 108 m/detik)λ : panjang gelombang v : frekuensiKita dapat mengolahnya untuk mendapatkan panjang gelombang jika diketahui frekuensinya dan sebaliknya. Jika frekuensi dinaikkan maka panjang gelombang akan berkurang dan juka panjang gelombang lebih panjang maka frekuensinya juga lebih rendah. Jadi dapat disimpulkan, semakin pendek anjang gelombang maka frekuensinya lebih tinggi.

Selain dari pada itu frekuensi sinar mempunyai hubungan yang khas pula dengan energi, berikut persamaan sederhanaya :E = h. vE : EnergiH : ketetapan plank ( 6,626 x 10-27 erg/detik)V : frekuensiDari persamaan diatas dapat dilihat jika frekuensi tinggi, maka energi sinar akan lebih tinggi.1.3 Cahaya dan Sifat-sifatnyaCahaya atau sinar adalah suatu bentuk energi dan merupakan radiasi elektromagnetik. Cahaya memiliki panjang gelombang, frekuensi , dan kecepatan. Pada tabel dibawah merupakan warna cahaya berdasarkan panjang gelombang.No. Panjang gelombang (nm) warna Warna komplementer1 <380 Ultra violet 2 380 – 435 Violet Hijau kekuningan 3 435 – 480 Biru Kuning 4 480 – 490 Biru kehijauan Jingga 5 490 – 500 Hijau kebiruan Merah 6 500 – 560 Hijau Ungu kemerahan 7 560 – 580 Hijau kekuningan Violet 8 580 – 595 Kuning Biru 9 595 – 650 Jingga Biru kehijauan 10 650 - 780 Merah Hijau kebiruan 11 >780 Inframerah dekat

Jangan membayangkan ada bataas yang jelas antara semua warna tersebut, pada kenyataannya warna saling bercampur satu sama lain, lebih rumit dari tabel diatas. Pada spektrum yang lebih lengkap, akan ditunjukkan ultra

1

unggu dan infra merah, tetapi dapat diperbesar lagi hingga sinar-X dan gelombang radio (diatas infra merah), diantara sinar yang lain. Penjelasan tentang sinar dijelaskan sebagai berikut :1.3.1 Sinar-X (x-ray)Sinar-X panjang gelombangnya terdapat dibawah ultra violet, sinar ini cukup untuk mempengaruhi elektron dalam. Sinar-X memiliki panjang gelombang yang pendek, tetapi berenergi tinggi.1.3.2 Sinar Ultra Ungu (ultra ungu)Sinar UV trdapat pada panjang gelombang < 380 nm diatas sinar-X , sinar UV cukup untuk mempengaruhi elektron valensi. Sinar UV diproduksi oleh lampu khusus yang mengandung uap merkuri atau gas deuterium. Sinar UV berenergi tinggi, suatu senyawa bisa menyerap sinar UV apabila dalam senyawa tersebut terdapat gugus fungsi yang disebut senyawa kromofor. Kromofor memiliki ikatan tak jenuh atau mengandung gugus fungsi dengan ikatan rangkap. 1.3.3 Sinar Tampak (visible) Sinar tampak dapat dilihat oleh mata secara langsung, karena terdapat pada panjang gelombang 380-780 nm, yang cukup mempengaruhi elektron valesi. Sinar tampak diproduksi oleh lampu biasa ( mis. Wolfram), sinar ini terdiri dari beberapa cahaya yang disebut cahaya polikromatis. 1.3.4 Sinar Infra Merah (infra red) Sinar infra merah terdapa pada panjang gelombang > 780, energi radiasi IR cukup untuk mempengaruhi vibrasi dan rotasi molekul. Sinar IR dihasilkan dari benda panas semacam kawat logam dalam bola lampu, sinar IR tidak terlihat oleh amta tetapi dapat dirasakan hangat pada kulit kita.1.4 Interaksi Cahya dengan MateriAnalisis kimia dengan metode spektrofotometri didasarkan pada interaksi sinar (radiasi elektromagnetik) dengan materi. Interaksi meliputi proses adsobrsi, emisi, refleksi, dan transmisi oleh atom-atom atau molekul dalam suatu materi. Selain dari itu ada yang disebut hamburan cahaya dan rotasi cahaya yang terpolarisasi.1.4.1 Absorpsi CahayaZat kimia dapat mengadsorpsi cahaya melalui berbagai cara, bila zat mikia mengadsorpsi cahaya, maka energi cahaya diubah menjadi bentuk energi lain.1.4.2 Emisi CahayaJika elektron pada keadaan tereksitasi kembali ke tingkat energi yang lebih rendah, maka energi akan diemisiskan dalam bentuk cahaya. Cahaya yang diemisikan memiliki panjang gelombang tertentu sesuai dengan perbedaan tingkat energi yang terlibat dalam proses emisi, Karena memiliki panjang gelombang tertentu maka cahaya yang diemisikan akan memiliki warna tertentu.1.4.3 Hamburan CahayaPartikel-partikel besar dalam suatu campuran dapat menghamburkan cahaya ke segala arah, oleh karena itu intensitas cahaya asal akan berkurang. Pengukuran hamburan cahaya dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu suspensi padatan sesuai ukuran partikelnya.1.4.4 Refleksi CahayaRefleksi cahaya atau pemantulan cahaya adalah perubahan arah rambat cahaya ke arah sisi (medium) asalnya, setelah menumbuk antar ,muka dua medium.1.3.5 Rotasi Cahaya Yang TerpolarisasiBila seberkas sinar melalui filter terpolarisasi khusus maka cahaya yang masuk dengan memiliki komponen listrik akan berosilasi pada satu arah yang dinamakan bidang terpolarisasi. Komponen listrik dari cahaya normal dapat berosilasi ke segala arah sudut tertentu terhadap arah gerak sinar.Senyawa kimia bersifat optis aktif yaitu dapat memutar bidang cahaya terpolarisasi, jumlah putaran berkas cahaya tersebut dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi senyaaw kimia yang optis aktif dalam suatu sampel.Pada umumnya senyawa optis aktif mengandung gugus karbon yang asimetris (C asimetris), yaitu atom karbon yang mengikat empat jenis atom atau gugus yang berbeda-beda.

a.    Teknik Spektroskopi

Spektroskopi merupakan metode analisis yang melibatkan pengukuran dan interpretasi radiasi elektromagnetik yang

diserap atau diemisikan ketika molekul, atau atom, atau ion bergerak dari satu tingkat energi tertentu ke tingkat

energi lainnya. Setiap atom, ion atau molekul berinteraksi secara khas dengan radiasi elektromagnetik. Spektroskopi

berkaitan dengan perubahan energi rotasi, energi vibrasi ataupun energi elektronik sebagai akibat penyerapan radiasi.

Ada pula spektroskopi yang berkaitan dengan perbedaan energi yang terjadi karena suatu contoh ditempatkan dalam

medium magnet atau listrik. Resonansi magnet inti (NMR) dan resonansi spin elektron (ESR) merupakan contohnya.

2

b.    Radiasi Elektromagnetik

Suatu berkas radiasi merupakan gelombang elektromagnetik atau foton yang bergerak dengan kecepatan cahaya.

Foton mempunyai sifat partikel dengan energi tertentu dan pada saat yang sama juga mempunyai sifat gelombang.

Sebuah foton yang berasal dari suatu titik tertentu dalam ruang bergerak dari titik tersebut dalam bentuk gelombang

yang dicirikan dengan vektor medan listrik yang secara berkala mempunyai titik maksimum pada arah tegak lurus

terhadap arah gelombang. Panjang gelombang (λ) suatu radiasi adalah jarak dari dua titik maksimum tersebut.

Besaran ini biasa dinyatakan dengan satuan Angstrom (1 Ǻ = 10 -8 cm) atau nanometer (1 nm = 10-7 cm). Radiasi juga

mempunyai frekuensi (v) yaitu jumlah gelombang yang melintasi satu titik tertentu selama waktu tertentu.

Sangat jelas bahwa jumlah gelombang semakin besar dengan semakin kecilnya panjang gelombang.

c.    Spektrum Elektromagnetik

Radiasi elektromagnetik mencakup kisaran panjang gelombang yang sangat besar. Sesuai dengan kisaran panjang

gelombangnya maka energi juga beragam sehingga bagian zat yang bisa dipengaruhi beragam pula.

d.    Eksitasi Elektron

Setiap atom atau molekul mempunyai harga energi dengan diskrit tertentu yang akan menyerap sejumlah energi

sesuai dengan energi yang ada pada atom atau molekul tersebut sehingga akan terjadi eksitasi dari tingkat energi

lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Energi atom atau molekul dinyatakan dengan energi translasi (E t),

energi rotasi (Er), energi getaran (Ev) dan energi elektronik (Ee).

Untuk energi translasi (Et) tidak memberikan informasi dalam spektroskopi, sedangkan energi elektronik (Ee) akan

banyak dibahas pada spekrofotometri UV-Vis dan energi getaran (Ev) serta energi rotasi (Er) akan banyak berperan

pada spektrofotometri infra merah.

Secara umum setiap molekul mempunyai jumlah elektron tertentu dan menempati berbagai orbital molekul dengan

berpasangan. Menurut asal Pauli, kedua elektron yang menempati orbital molekul dengan berpasangan harus

mempunyai spin yang arahnya berlawanan. Tingkat energi elektron dalam molekul yang berpasangan tadi disebut

tingkat nergi elektron singlet. Tingkat Energi singlet ini tidak terorientasi terhadap medan magnet sehingga bersifat

diamagnetik.

Tingkat energi elektron singlet yang berada dalam keadaan dasar (singlet ground state) apabila dikenakan radiasi

elektromagnetik akan mengalami eksitasi (singlet exited state) ke tingkat energi yang lebih tinggi.

3

Pada molekul tertentu setelah satu elektron tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi karena terjadi konversi

internal dan eksternal akan mengalami perubahan spin, tidak lagi berpasangan terhadap satu elektron pasangannya

yang masih berada dalam keadaan dasar.

Tingkat energi elektron dalam molekul yang spinnya sama (tidak berpasangan) disebut tingkat energi elektron triplet

(triplet exited state). Pada keadaan ini molekul akan terorientasi terhadap medan magnetik sehingga dikatakan

bersifat paramagnetik.

e.    Interaksi zat dengan radiasi

Ada berbagai cara interaksi antara zat dengan radiasi yang bersentuhan dengannya. Interaksi tersebut bisa dikaitkan

dengan sifat radiasi sebagai gelombang bisa pula sebagai partikel yang berenergi. Jenis interaksi yang berkaitan

dengan sifat gelombang diantaranya ialah difraksi, refraksi dan rotasi optis. Interaksi yang berkaitan dengan sifat

partikel berenergi ialah penyerapan (absorpsi) dan emisi.

Difraksi merupakan modifikasi gelombang yang berjalan melalui ujung benda padat, melalui celah atau lubang kecil

ataupun karena pemantulan oleh suatu permukaan. Fenomena difraksi digunakan dalam analisis yang berkaitan

dengan monokromator kisi untuk memisahkan radiasi polikromatis menjadi beberapa komponen radiasi. Difraksi

juga digunakan dalam spektroskopi sinar X.

Refraksi merupakan pembelokan atau perubahan arah berkas radiasi ketika melintasi batas medium satu pindah ke

medium lainnya yang tidak sama densitasnya. Perubahan arah terjadi karena sedikit perbedaan laju radiasi dalam

kedua media tersebut. Besarnya refraksi tergantung pada jenis media dan radiasinya. Refraksi dimanfaatkan dalam

analisis yang berkaitan dengan penggunaan monokromator prisma. Fenomena ini secara langsung digunakan untuk

analisis kualitatif zat yang menjadi media.

Rotasi optis merupakan fenomena terputarnya (terotasinya) bidang polarisasi sinar selama melalui media. Jenis dan

komposisi media menentukan apakah terjadi rotasi optis atau tidak, dan juga besarnya rotasi tersebut bila memang

terjadi.

Penyerapan dan pengemisian radiasi mungkin merupakan fenomena yang paling penting dilihat dari segi analisis

kimia. Penyerapan radiasi merupakan proses terserapnya radiasi oleh zat sedangkan pengemisian radiasi merupakan

proses pengemisian radiasi oleh zat yang menyerap energi atau radiasi. Bila suatu atom, partikel, molekul apa saja

menyerap foton maka partikel tersebut menjadi lebih energetik. Dua sifat tersebut menjadi dasar penerapan

penyerapan atau pengemisian untuk prosedur analisis.

f.     Serapan sinar dan warna zat

Bila suatu zat bertemu dengan radiasi maka akan terjadi interaksi. Sebagian spektrum radiasi tersebut diserap oleh

zat dan sebagian lagi diteruskan ke mata kita. Bagian radiasi yang sampai ke mata kita itulah yang memberikan

gambaran mengenai benda tersebut. Bila zat menyerap sebagian dari sinar tampak dan meneruskan sinar tampak

lainnya, maka akan terlihat warna sinar yang diteruskan tersebut. Jelasnya bila benda meneruskan sinar merah ke

mata kita maka kita akan mellihat benda tersebut berwarna merah. Bila benda menyampaikan sinar biru ke mata kita

maka benda tersebut akan tampak berwarna biru.  Ke mana perginya sinar lainnya? Sinar lainnya diserap walaupun

tentu saja tidak seluruhnya diserap. Sinar yang diserap merupakan komplemen dari sinar yang diteruskan ke mata

kita. Warna kedua sinar tersebut disebut warna komplementer. Bagaimana dengan air, yang tampak tidak berwarna

4

oleh mata kita? Tidakkah zat tersebut menyerap sinar? Mungkin saja air menyerap sinar, tetapi yang pasti air tidak

menyerap sinar tampak. Inilah yang menyebabkan air tidak berwarna.

g.    Prinsip Dasar Spektrofotometri

Ketika suatu berkas sinar masuk ke sistem penyerap, maka laju serapan foton akan berbanding lurus dengan

intensitas sinar tersebut yang biasa disimbolkan dengan I. 

Spektrofotometri merupakan satu cabang analisis instrumental yang membahas tentang interaksi atom atau molekul

dengan radiasi elektromagnetik (REM). Pada prinsipnya interaksi radiasi elektromagnetik dengan molekul

menghasilkan satu atau dua macam kejadian yang mungkin terjadi. Ketiga macam kejadian yang mungkin terjadi

sebagai akibat interaksi atom atau molekul dengan radiasi elektromagnetik adalah : hamburan (scattering), absorbs

(absorption), dan emisi (emission).

            Hamburan melahirkan spektrofotometri Raman, absorbs melahirkan spektrofotometri lembayung ultra (ultra

violet) dan tampak (visible) serta spektrofotometri infra merah (infra merah), sedangkan absorbsi yang disertai emisi

melahirkan fotolimunesensi yang kemudian dikenal sebagai fluoresensi dan fosforesensi.

            Dalam aspek kuantitatif, suatu berkas radiasi dikenakan pada cuplikan (larutan sampel) dan intensitas sinar

radiasi yang diteruskan diukur besarnya. Radiasi yang diserap oleh cuplikan ditentukan dengan membandingkan

intensitas sinar yang diteruskan intensitas sinar yang diserap jika tidak ada spesies penyerap lainnya.

            Suatu spektrofotometer tersusun dari sumber spektrum tampak yang kontinyu, monokromator, sel

pengabsorpsi untuk larutan sampel atau blanko dan suatu alat untuk mengukur perbedaan absorpsi antara sampel dan

blanko ataupun pembanding.  Sinar ultraviolet mempunyai panjang gelombang 200-400 nm, sementara sinar tampak

mempunyai panjang gelombang 400-700 nm.

Molekul akan bersifat sangat selektif (all or none) terhadap radiasi elektromagnetik sehingga eksitasi yang terjadi

pada panjang gelombang 200 – 2780 nm hanya akan diberikan oleh molekul-molekul yang mempunyai :

v  Ikatan rangkap terkonyugasi

v  Mempunyai gugus kromofor yang terikat dengan auksokrom

Spektrum ultralembayung adalah suatu gambaran antara panjang gelombang atau frekuensi radiasi terhadap

intensitas absorbsi (transmisi = T), absorbs (A), yang dapat digrafik dengan cermat pada system koordinat Cartesian.

Sedangkan cahaya tampak (visible) merupakan cahaya sinambung, artinya cahaya yang terdiri dari semua panjang

gelombang yang mungkin terdapat dalam suatu jarak tertentu, sebagai contoh bila kita melihat pelangi di langit.

5

Dalam hal ini dikenal warna komplementer, yaitu pandangan dua warna (spectrum) yang bila keduanya digabung

akan menghasilkan cahaya putih.

Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan (lihat juga tabel dan awalan SI):

Panjang gelombang dikalikan dengan frekuensi, hasilnya kecepatan cahaya: 300 Mm/s, yaitu 300 MmHz Energi dari foton adalah 4.1 feV per Hz, yaitu 4.1μeV/GHz Panjang gelombang dikalikan dengan energi per foton adalah 1.24 μeVm

Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan (lihat juga tabel dan awalan SI):

Panjang gelombang dikalikan dengan frekuensi, hasilnya kecepatan cahaya: 300 Mm/s, yaitu 300 MmHz Energi dari foton adalah 4.1 feV per Hz, yaitu 4.1μeV/GHz Panjang gelombang dikalikan dengan energi per foton adalah 1.24 μeVm Yang termasuk gelombang elektromagnetik

Gelombang Panjang gelombang λgelombang radio 1 mm-10.000 kminfra merah 0,001-1 mmcahaya tampak 400-720 nmultra violet 10-400nmsinar X 0,01-10 nmsinar gamma 0,0001-0,1 nmSpektrofotometri merupakan salah satu metode dalam kimia analisis yang digunakan untuk menentukan komposisi suatu sampel baik secara kuantitatif dan kualitatif yang didasarkan pada interaksi antara materi dengan cahaya. Peralatan yang digunakan dalam spektrofotometri disebut spektrofotometer. Cahaya yang dimaksud dapat berupa cahaya visibel, UV dan inframerah, sedangkan materi dapat berupa atom dan molekul namun yang lebih berperan adalah elektron valensi.

Sinar atau cahaya yang berasal dari sumber tertentu disebut juga sebagai radiasi elektromagnetik. Radiasi elektromagnetik yang dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah cahaya matahari.

Dalam interaksi materi dengan cahaya atau radiasi elektromagnetik, radiasi elektromagnetik kemungkinanan dihamburkan, diabsorbsi atau dihamburkan sehingga dikenal adanya spektroskopi hamburan, spektroskopi absorbsi ataupun spektroskopi emisi.Pengertian spektroskopi dan spektrofotometri pada dasarnya sama yaitu di dasarkan pada interaksi antara materi dengan radiasi elektromagnetik. Namun pengertian spektrofotometri lebih spesifik atau pengertiannya lebih sempit karena ditunjukan pada interaksi antara materi dengan cahaya (baik yang dilihat maupun tidak terlihat). Sedangkan pengertian spektroskopi lebih luas misalnya cahaya maupun medan magnet termasuk gelombang elektromagnetik.

Salah satu alat spektroskopi adalah UV-Vis. Spektrofotometri UV-Vis adalah anggota teknik analisis spektroskopik yang memakai sumber REM (radiasi elektromagnetik) ultraviolet dekat (190-380 nm) dan sinar tampak (380-780 nm) dengan memakai instrumen spektrofotometer. Spektrofotometri UV-Vis melibatkan energi elektronik yang cukup besar pada molekul yang dianalisis, sehingga spektrofotometri UV-Vis lebih banyak dipakai untuk analisis kuantitatif dibandingkan kualitatif.Absorbsi cahaya UV-Vis mengakibatkan transisi elektronik, yaitu promosi electron-electron dari orbital keadaan dasar yang berenergi rendah ke orbital keadaan tereksitasi berenergi lebih tinggi. Energi yang terserap kemudian terbuang sebagai cahaya atau tersalurkan dalam reaksi kimia. Absorbsi cahaya tampak dan radiasi ultraviolet meningkatkan energi elektronik sebuah molekul, artinya energi yang disumbangkan oleh foton-foton memungkinkan electron-electron itu mengatasi kekangan inti dan pindah ke luar ke orbital baru yag lebih tinggi energinya. Semua molekul dapat menyerap radiasi dalam daerah UV-tampak karena mereka mengandung electron, baik sekutu maupun menyendiri, yang dapat dieksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi.    

6