SPEKTROFOTOMETRI UV-VIS

SPEKTROMETER DAN SPEKTROFOTOMETER

Untuk pelaksanaan teknik analitisis spektroskopi dipakai instrumen

sebagai pengukuran dan perekam sinyal hasil interaksi molekul dengan radiasi

elektromagnetik. Ada dua macam instrumen pada teknik spektrometer dan

spektrofotometer. Instrumen yang memakai monokromator celah yang tetap pada

bidang yang di pakai disebut dengan spektrometer. Apabila spektrometer tersebut

dilengkapi dengan detektor yang bersifat fotoelektrik maka disebut dengan

spektrofotometer. Ada banyak instrumen yang bisa digunakan untuk penentuan

konsentrasi dari larutan berwarna, diantaranya yang sederhana dan mudah di pakai

adalah spektronik 20 dan 21 yang bisa disebut spec20 dan spec21.

SPEKTROFOTOMETRI UV-VIS

Adalah anggota teknik analisis spektroskopi yang memekai sumber radiasi

elektromagnetik ultraviolet dekat (190 – 380 nm) dan sinar tampak (380 – 780

nm) dengan memakai instrumen spektrofotometer. Radiasi ultraviolet jauh (100 –

190 nm) tidak dipakai sebab pada daerah radiasi tersebut diabsorbsi oleh udara.

Adakalanya spekrofotometer UV-Vis yang beredar diperdangangkan memberikan

rentangan pengukuran panjang gelombang 190 – 1100 nm. Hal ini pelu

diperhatikan lebih seksama sebab diatas panjang gelombang 780nm merupakan

daerah radiasi infra merah. Oleh sebab itu pengukuran diatas panjang gelombang

780 nm harus dipakai detektor dengan kualitas sensitif terhadap radiasi infra

merah. Spektrofotometri UV-Vis melihatkan energi elektronik yang cukup besar

BAB2

pada molekul yang di analisis, sehingga spektrofotometer UV-Vis lebih banyak

dipakai untuk analisis kuantitatif dibandingkan kualitatif.

1. Interaksi elektron π, σ dan n dengan radiasi elektromagnetik (REM)

Ada tiga macam distribusi elektron didalam suatu senyawa organik

secara umum, yang selanjutnya dikenal sebagi orbital elektron pi (π) ,

sigma (σ) dan elektron tidak berpasangan (n). Ketiga orbital elektron

tersebut ada pada senyawa formaldehid berikut :

Apabila pada molekul tersebut dikenakan radiasi elektromagnet

maka akan terjadi eksitasi elektron ke tingkat energi yng lebih tinggi yang

dikenal sebagai orbital elektron “anti bonding”.

Diagram tingkat energi elektronik :

Eksitasi elektron (σ – σ*) memberikan energi yang terbesar dan

terjadi pada daerah ultra violet jauh yang diberikan oleh ikatan tunggal

sebagi contoh pada alkana.

Sedangkan eksitasi elektron (π – π*) di berikan oleh ikatan rangkap dan

rangkap tiga (alkena & alkuna) terjadi pada daerah ultraviolet jauh.

●●

CX X O

HH ◦ ◦

Anti bonding

Anti bonding

Non bonding

Bonding

Bonding

σ*

π

*

n

π

σ

E

● orbital elektron σX orbital elektron πO orbital elektron n

Pada gugus karbonil (dimetil keton & asetetaldehid) akan terjadi eksitasi

elektron (π → σ*) yang terjadi pada daerah ultraviolet jauh. Disamping itu

gugus karbonil juga memberikan eksitasi elektron (σ → π*) yang terjadi

pada panjang gelombang 280 – 290 nm. Tapi eksitasinya terlarang karena

memberikan harga E maksimum 12 – 16 (>1000).

Semua gugus dan gugusan atom yang mengabsorbsi radiasi UV-

Vis disebut sebagai kromofor. Pada senyawa organik dikenal pula gugus

Ausokrom, yaitu gugus gugus fungsional yang mempunyai elektron bebas

seperti –OH, O-NH2 dan O-CH3 yang memberikan transisi (n – σ*).

2. Pemilihan pelarut

Spektrofotometri UV-Vis dapat melakukan penentuan terhadap

sampel yang berupa larutan, gas, atau uap. Untuk sampel yang berupa

larutan perlu diperhatikan beberpa persyaratan pelarut yang dipakai,

diantara lain :

Pelarut yang dipakai tidak boleh mengandung sistem ikatan

rangkap terkonyugasi pada struktur molekulnya dan tidak

berwarna.

Tidak terjadi interksi dengan molekul senyawa yang dianalisis.

Kemurninnya harus tinggi atau derajat untuk analisis.

Pada umumnya pelarut yang sering dipakai dalam analisis

spektrofotometri UV-vis adalah air, etanol, sikloheksana dan isopropanol.

Absorbsi pelarut yang dipakai pada daerah UV-vis (penagal UV =

UV cut OFF). Hal yang perlu diperhatikan adalah polaritas pelarut yag

dipakai. Karena akan sangat mempengaruhi terhadap pergeseran spektrum

molekul yang dianalisis.

Kaidah franks dan Cordon beranggapan bahwa selama elektron

dalam keadaan tereksitasi, molekut tersebut dalam keadaan diam hanya

terjadi pergeseran elektronnya saja. Selanjutnya elektron suatu molekul

yang tereksitasi maupun tidak akan berasosiasi dengan pelarut sehingga

terjadi penurunan tingkat energi ∆E untuk π1 - π 1* < π – π* dan n1 – π1* >

n – π* .

Pengaruh polaritas pelarut terhadap eksitasi elektron dalam

spektrofotometer UV-vis.

Dari kaidah Franks dan Cordon tersebut dapat ditarik kesimpulan sebagai

berikut :

Kenaikan polaritas pelarut untuk elektron yang bertransisi n1 – π1*

akan memberikan pergeseran biru (hipokromik). Hal ini

disebabkan ikatan hidrogen dengan keadaan dasar elektron n yang

lebih mantap dibandingkan dengan keadaan π* yang turun

energinya menjadi π1* (dalam keadaan polar).

Sebalinya untuk transisi elektron π1 - π 1* polaritas pelarut akan

menimbulkan pergeseran merah (hatokromik). Hal ini disebabkan

E

Tanpa pelarut Dengan pelarut etanol

π1

π1*

n1π

π*

n

pelarut yang polar akan lebih memantapkan keadaan π* sehingga

∆E untuk π1 - π 1* < π – π*.

Pelarut untuk UV-Vis dan batas minimum transparasi (cut off point)

Pelarut Cut off point

(nm)

Air 190

Metnol 210

Sikloheksana 210

Heksana 210

Dietil eter 220

p-dioksan 220

Etanol 220

Kloroform 250

CCl4 265

Benzena 280

Toluen 285

Piridina 305

Aseton 330

Karbon disulfida 380

3. Instrumen

Pada umumya konfigurassi dasar setiap spektrofotometer UV-Vis

berupa susunan optis yang terkonstruksi sebagai berikut :

Ket :

SR = sumber reduksi

SR D A VDSKM

M = monokromator

SK = sampel kopartemen

D = detektor

A = amplifier atau penguat

VD = visual display atau motor

Dilihat dari sistem optik spektrofotometer dapat digolongkan

dalam 3 macam :

1. Sistem optik radiasi berkas tunggal (single beam)

2. Sistem optik radiasi ganda (double beam)

3. Sistem radiasi berkas terpisah (splitter beam)

sumber

monokroma

tor

sampel

detektorpenggandaPiranti

baca

Bagian optis

Bagian listrik

MOTOR

SUMBER

MONOKROMATOR

SAMPEL

PEMBANDING

SERVOMOTOR

PENGUA

T

DETEKTOR

Hubungan pena

Memutar drum dengan kertas grafik

cermin

Cermin tanggung

cermin

pemenggal

Baji optis

SUMBER RADIASI

Beberapa macam sumber rasiasi yang dipakai pada spektrofotometer UV-

Vis adalah lampu deutorium, lampu tungstein dan lampu merkuri. Sumber radiasi

deutorium dapat dipakai pada daerah panjang gelombang 190 – 380 nm (daerah

ultra violet). Karena pada rentangan panjang gelombang tersebut sumber radiasi

deutorium memberikan spektrum energi radiasi yang lurus. Sedangkan pada

panjang gelombang 480 nm dan 651,1 nm memberikan dua spektra yang dapat

dipakai untuk mengecek ketepatan panjang gelombang pasda spektrofotometer

UV-Vis. Umur sumber radiasi Deutorium (D2) sekitar 500 jam pemakaian.

Sumber radiasi tungstein merupakan campuran dari filamen tungstein dan

gas iodin (halogen). Oleh sebab itu disebut sebagai sumber radiasi ‘tungstein-

iodin”. Sumber radiasi tungstein-iodin ini dipakai pada spektrofotometri UV-Vis

sebagai sumber radiasi pada daerah pengukuran sinar tampak dengan rentangan

panjang gelombang 380 – 900 nm, karen pada sumber radiasi tersebut radiasi

tungstein iodin memberikan energi radiasi sebagai garis lengkung. Umur tungstein

iodin sekitar 1000 jam pemakaian.

Sumber radiasi merkuri adalah sumber radiasi mengandung uap merkuri

bertekanan rendah dan biasanya sumber radiasi merkuri ini dipakai untuk

mengecek atau kalibrasi panjang gelombang pada spektrofotometer UV-Vis pada

daerah ultraviolet khususnya sekitar panjang gelombang 365 nm dan sekaligus

untuk mengecek resolusi dari monokromator

MONOKROMATOR

Berfungsi untuk mendapatkan radiasi monokromatis dari sumber radiasi

yang memancarkan radiasi polikromatis. Monokromatis pada spektrofotometer

UV-Vis biassanya terdiri dari susunan : celah (slit) masuk filter plasma – kisi

(grating) – celah luar.

CELAH (SLIT) monokromator adalah bagian yang pertama dan terakhir

di suatu sistem optik monokromator pada spektrofotometer UV-Vis. Celah dibuat

dari logam yang kedua ujungnya diasah dengan cermat sehingga sama. Lebar

celah masuk dan celah keluar harus sama yang dapat diatur dengan memutar

tombol mekanik atau diatur dengan sistem elektronik.

Hubungan intensitas radiasi (l) dengan panjang gelombang yang telah

diatur spektrofotometer dengan monokromator celah masuk dan celah keluar

identik. Hubungan antara interaksi radiasi (l) yang keluar dari celah terhadap

panjang gelombang merupakan grafik segitiga seperti tampak pada gambar.

- Panjang gelombang (puncak segitiga) adalah panjang gelombang

maksimum yang terbaca pada spektrofotometer dan disebut pula sebagai

panjang gelombang normal.

- Lebar pita efektif (effectif band width) atau lebar celah spektra ialah

rentangan panjang gelombang yanng dipancarkan dari celah keluar.

λ 1 λ 2

λ 3

MONOKROMATORSETTING

RADIAN POWER

EFFECTIVEBAND WITCH

BAND WITCHMONOKROMATOR

SETTING λ

- Rentang panjang gelombng (band width) yang dipancarkan dari intensitas

radiasi menuju celah keluar (lebarnya adalah dua kali lebar pita efektif

pada keadaan celah masuk dan celah keluar yang identik.

- Celah monokromator berperan penting dalam hal terbentuknya radiasi

monokromator dan resolusi panjang gelombang.

FILTER OPTIK. Cahaya tamapk yang merupakan radiasi elektromagnetik

denagan panjang gelombang 380 – 780 nm adalah cahaya putih yang merupakan

campuran cahaya dengan berbagai macam panjang gelombang. Filter optik

berfungsi untuk menyerap warna komplementer sehingga cahaya tampak yang

diteruskan sesuai dengan warna filter optik yang dipakai.

Filter optik yang sederhana dan banyak dipakai terdiri dari kaca yag

berwarna. Dengan adanya filter optik sehingga bagian dari monokromator akan

dihasilkan pita cahaya sangat sempit sehingga kepekaan analisis lebih tinggi. dan

lebih dari itu didapatkan cahaya yang lampu monokromatis sehingga akan

mengikuti hukum Beer pada analisis kuntitatif.

PRISMA dan KISI (GRATING) merupakan bagian monokromator yang

terpenting. Prisma dan kisi pada prinsipnya menispersi radiasi elektromagnetik

sebatas mungkin supaya didiapatkan resolusi yang baik dari radiasi polikromtis.

Prisma dibuat dari leburan silika dan pada sisi siku-siku dari plasma Littrow

dilapisi dengan kaca aluminium. Sedangakn prisma Cornu tidak ada pelapisan

dengan kaca aluminium. Prisma Littow lebih banyak dipakai pada

spektrofotometer karena bentuknya yang kompak, daya resolusi yang lebih baik

serta refleksi radiasi elektromagnetik yang datang memberikan keuntungan

menghilangkan pengaruh optis aktif.

Keuntungan monokromatis prisma :

- Prisma dapat dipakai sebagai monokromator pada daerah panjang

gelombang yang luar yaitu 185 nm (daerah UV) sampai 2500 nm (daerah

ir dekat).

- Tidak menimbulkan tingkat order difraksi.

- Monokromator prisma sangat efektiv untuk monokromator di daerah UV

dekat (185 – 300 nm).

Kekurangan monokromatis prisma :

Dispersi radiasi elektromagnetik untuk prisma tidak memberikan

skala panjang gelombang yang linier.

Resolusi radiasi elektromagnetik untuk prisma tidak memberikan

harga yang sama (uniform).

(+) (-)

300λ 1

λ 2λ 3

ɵ 1ɵ 2

(a)

300

Aluminizedsurface

IncidentRadiation

DispersedRadiation

(b)

Figure 10.5 Dispersionof polychromatik radation by (a) a Cornu prism and (b) a Littrow prism.

Dispersi dan resolusi radiiasi elektromagnetik pada daerah sinar

tampak dan daerah infra merah kurang baik.

Kisi (grating) dibuat dari lempengn kaca yang pada permukaannya dilapisi

oleh resin sintesis dengan garis-garis (1200 garis tiap cm). Kemudian pada

permukaannya dilapisi lagi dengan kaca aluminium. Bentuk yang konkaf (cekung)

lebih menguntungkan dibandingkan yang datar, karena bentuk kisi konkaf

memberikan resolusi yang lebih baik.

Kebaikan monokromator kisi :

Kisi memberikan dispersi radiasi yang besar, sehingga memberikn resolusi

radiasi yang baik pada daerah yang panjang gelombang sinar tampak dan

infra merah dekat dibandingkan dengan prisma.

Resolusi dan dispersi radiasi elektromgnetik oleh kisi boleh dikatakan

tidak dipengaruhi oleh perubahan tempertur.

Resolusi radiasi elektromagnetik oleh kisi memberikan harga yang konstan

pada lebar celah yang tetap.

Dispersi radiasi elektromagnetik oleh kisi akan memberikan skala panjang

gelombang yang linier.

SEL atau KUVET merupakan wadah sampel yang akan dianalisis.

Ditinjau dari pemakaiannya kuvet ada dua macam yaitu kuvet yang permanen

terbuat dari bahan gelas atau leburan silika dan kuvet dispossible untuk satu kali

pemakaian yang terbuat dari teflon atau plastik. Ditinjau dari bahan yang dipakai

membuat kuvet ada dua macam yaitu : kuvet dari leburan silika ( kuarsa) dan

kuvet dari gelas. Kuvet dari leburan silika dapat dipakai untuk analisa kuantitatif

dan kulitatif pada daerah pengukuran 380 – 1100 nm. Dan kuvet dari bahan gelas

dipakai pada daerah pngukuran 380 – 1100 nm karena bahan dari gelas

mengabsorbsi radiasi UV.

DETEKTOR merupakan bagian yang penting, oleh sebab itu kualitas

detektor akan menentukan kualitas spektrofotometer UV-Vis. Fungsi detektor

dalam spektrofotometer adalah mengubah sinyal radiasi yang diterima menjadi

sinyal elektronik. Beberapa macam detektor yang pernah dipakai dalam

spektrofotometer UV-Vis adalah :

- Detektor foto sel

- Detektor tabung foton hampa

- Detektor tabung penggandaan foton (photomultiplier tube)

- Detektor photo diode array

Beberapa persyaratan tentang kualitas dan fungsi detektor di dalam

spektrofotometer UV-Vis antara lain :

1. Detektor harus mempunyai kepekaan yang tinggi terhadap radiasi yang

diterima, tetapi harus memberikan derau (noise) yang sangat minimum.

2. Detektor harus mempunyi kemampuan untuk memberikan respon terhadap

reaksi pada daerah panjang gelombang yang lebar (UV-Vis).

3. Detektor harus memberikan respon terhadap radiasi dalam waktu yang

serempak.

4. Detektor harus meberikan jaminan terhadap respon kuantitatif dan sinyal

elektronik yang dikeluarkan harus berbanding lurus dengan sinyal yang

diterima.

5. Sinyal elektronik yang diteruskan detektor harus dapat diaplikasikan

untuk penguat (amplifer) ke rekorder (pencatat).

TABUNG FOTON

Detektor fotolistrik yang paling sederhana adalah tabung foton. Ini berupa

tabung hampa udara dengan jendela yang tembus cahaya yang berisi sepasang

elektroda, melintasi elektroda itu diberi selisih potensial. Permukaan elektroda

negatif bersifat peka cahaya, artinya elektron akan terpental dari dalam permukaan

ini bila permukaan disinari dengan foton-foton yang energinya cukup. Elektron

dipercepat ke arah elektroda positif, ketika melintasi selisih potensial itu dan

mengalirkn arus dalam rangkaian itu. Apakah elektroda akan dipancarkan atau

tidak bergantung pada sifat dasar permukaan elektroda dan frekuensi radiasi.

Banyaknya elektron yang dipancarkan persatuan waktu dan karenanya arus listrik

itu bergantug pada radiasi.

TABUNG PENGGANDA FOTON

Tabung pengganda foton lebih peka dari pada tabung foton biasa karena

penggandaan yang tinggi dicapai dengan tabung itu sendiri. Tabung semacam itu

mempunyai sederean elektroda- elektroda yang potensial positifnya relatif

terhadap katoda makin besar. Geometri tabung itu sedemikian rupa sehingga foto

elektron primer di fokuskan menjadi suatu berkas dan dipercepat ke arah elektroda

yang 50 – 90 V lebih positif dari katodanya.

Pembaruan elektroda ini (atau dinode, demikian namanya) membebaskan

elektron sekunder yang lebih banyak, yang dipercepat ke arah elektroda ketiga

yang lebih positif dan seterusnya, barangkali untuk 10 tahap. Dibutuhkan suplay

daya yang bervoltase tinggi yang diatur memberikan sekitar 500 – 900 V untuk

menjalankan tabung itu. Keluaran pengganda foton itu masih digandakan lebih

lanjut dengan suatu penguat (amplifier) elektronik luar. Kepekaan yang

ditingkatkan dari detektor ini memungkinkan celah dalam monokromator

disempitkan dan karena itu sruktur halus spectralnya dapat dipisahkan dengan

lebih baik.

DETEKTOR PHOTO DIADE-ARRAY

Merupakan detektor dengan teknologi yang terbaru pada spektrofotometri

UV-Vis. Terdiri atas satu tatanan yang teratur (array) dari foto diode aktif dalam

jumlah yang sangat banyak (330 buah). Dan tiap-tiap foto diode ktif dalam

tatanan tersebut memberikan respon yang spesifik terhadap radiasi dengan

panjang gelombang tertentu. Dengan demikian radiasi polikromatis dengan

rentang panjang gelombang yang luas (UV-Vis) akan dapat diterima dengan cepat

dan serempak oleh foto diode aktiv yang ada didalam tatanan tersebut, sehingga

akan memberikan kecepatan scaning yang sangat tinggi, karena tidak ada gerakan

mekanis untuk mengatur panjang gelombang dan tiap-tiap foto diode aktiv hanya

memberikan respon yang spesifik terhadap radiasi yang diterima, maka akibat

kedua hal tersebut waveleght reproducibility pada spektrofotometer dengan

detektor photo diade-array akan lebih terjamin ( ± 0,05 nm).

Beberapa perbedaan yang juga merupakan keunggulan photo diode-array

spektrofotometer UV-Vis dibandingakan spektrofotometer UV-Vis yang lain :

1. Memakai sumber radiasi tunggal yaitu lampu D2 ( deutorium)

2. Radiasi yang diukur adalah polikromatis, sehingga sampel kompartemen

berada dalam keadaan terbuka.

3. Waveleght reproducibility, karena tidak ada gerakan mekanis untuk

mengatur panjang gelombang.

4. Kecepatan scaning keseluruhan daerah pengukuran panjang gelombang

sangat tinggi.