SPEKTROFOTOMETER IR

DASAR TEORI

Berdasarkan namanya sudah bisa dimengerti bahwa spektrofotometer ini berdasar pada penyerapan panjang gelombang infra merah. Cahaya infra merah terbagi menjadi infra merah dekat, pertengahan dan jauh. Infra merah pada spektrofotometer adalah infra merah jauh dan pertengahan yang mempunyai panjang gelombang 2.5-1000μm. Pada spektrofotometer IR meskipun bisa digunakan untuk analisa kuantitatif, namun biasanya lebih kepada analisa kualitatif. Umumnya spektrofotometer IR digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsi pada suatu senyawa, terutama senyawa organik. Setiap serapan pada panjang gelombang tertentu menggambarkan adanya suatu gugus fungsi spesifik. Dasar Spektroskopi Infra Merah dikemukakan oleh Hooke dan didasarkan atas senyawa yang terdiri atas dua atom atau diatom yang digambarkan dengan dua buah bola yang saling terikat oleh pegas seperti tampak pada gambar disamping ini. Jika pegas direntangkan atau ditekan pada jarak keseimbangan tersebut maka energi potensial dari sistim tersebut akan naik. Setiap senyawa pada keadaan tertentu telah mempunyai tiga macam gerak, yaitu :

     - Gerak Translasi, yaitu perpindahan dari satu titik ke titik    lain.

     - Gerak Rotasi, yaitu berputar pada porosnya, dan

      - Gerak Vibrasi, yaitu bergetar pada tempatnya.

Bila ikatan bergetar, maka energi vibrasi secara terus menerus dan secara periodik berubah dari energi kinetik ke energi potensial dan sebaiknya. Jumlah energi total adalah sebanding dengan frekuensi vibrasi dan tetapan gaya ( k ) dari pegas dan massa ( m1) dan (m2 ) dari dua atom yang terikat. Energi yang dimiliki oleh sinar infra merah hanya cukup kuat untuk mengadakan perubahan vibrasi. Prinsip dari spektrofotometer IR adalah ketika suatu molekul dari suatu senyawa diberikan energi radiasi inframerah, maka molekul tersebut akan mengalami vibrasi dengan syarat energi yang diberikan terhadap molekul cukup untuk mengalami vibrasi. Macam macam vibrasi ada 2 yaitu ada vibrasi regangan atau sterching dan vibrasi bending. Vibrasi streching ada dua tipe yaitu streching asimetris dan stretching simetris. Perbedaannya, streching simetris merupakan perubahan panjang ikatan menjadi lebih panjang atau lebih pendek namun tidak menyebabkan perubahan momen dipol (momen dipol 0) sehingga tidak IR aktif.

Streching bending merupakan perubahan sudut ikatan yang pasti menyebabkan perubahan momen dipol sehingga IR aktif. Ada 4 tipe vibrasi bending yaitu vibrasi goyangan (rocking), vibrasi guntingan (scissoring), vibrasi pelintiran (twisting), dan vibrasi kibasan (wagging).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PARAMETER KUALITATIF

Sektrofotometer IR dapat digunakan untuk mengidentifikasi suatu senyawa. Yang menjadi parameter kualitatif pada spektrofotometer IR adalah bilangan gelombang dimana muncul akibat adanya serapan oleh gugus fungsi yang khas dari suatu senyawa. Namun jika hanya daerah gugus fungsi saja tidak dapat digunakan untuk menganalisis identitas senyawa. Pada umumnya identifikasi suatu senyawa didasarkan oleh vibrasi bengkokan, khususnya goyangan (rocking), yaitu yang berada di daerah bilangan gelombang 2000 – 400 cm-1. Karena di daerah antara 4000 – 2000 cm-1merupakan daerah yang khusus yang berguna untuk identifkasi gugus fungsional. Daerah ini menunjukkan absorbsi yang disebabkan oleh vibrasi regangan. Sedangkan daerah antara 2000 – 400 cm-1 seringkali sangat rumit, karena vibrasi regangan maupun bengkokan mengakibatkan absorbsi pada daerah tersebut. Dalam daerah 2000 – 400 cm-

1 tiap senyawa organik mempunyai absorbsi yang unik, sehingga daerah tersebut

sering juga disebut sebagai daerah sidik jari (fingerprint region). Daerah finger print ini untuk setiap senyawa tidak akan ada yang sama sehingga merupakan identias dari suatu senyawa. Berikut adalah contoh serapan yang khas dari beberapa gugus fungsi :

Gugus

Jenis Senyawa Daerah Serapan (cm-1)

C-H alkana 2850-2960, 1350-1470C-H alkena 3020-3080, 675-870C-H aromatik 3000-3100, 675-870C-H alkuna 3300C=C Alkena 1640-1680C=C aromatik (cincin) 1500-1600C-O alkohol, eter, asam karboksilat, ester 1080-1300C=O aldehida, keton, asam karboksilat,

ester1690-1760

O-H alkohol, fenol(monomer) 3610-3640O-H alkohol, fenol (ikatan H) 2000-3600 (lebar)O-H asam karboksilat 3000-3600 (lebar)N-H amina 3310-3500C-N Amina 1180-1360-NO2 Nitro 1515-1560, 1345-1385

 

PARAMETER KUANTITATIF

Spektrofotometer IR dapat digunakan dalam analisis secara kuantitatif jika dihubungkan atau dilanjutkan analisis dengan bantuan dari instrumentasi lain misalnya GC-MS, MS, dan sebagainya. Biasanya spektrosfotometer IR digunakan sebagai analisis kuantitatif yaitu dalam menentukan indeks kemurnian yaitu seberapa besarkah sampel yang dianalisis jika spektrum IR sampel dibandingkan dengan spektrum IR baku pembanding atau reference standard dari sampel yang dianalisis.

 

 

 

 

 

 

 

INSTRUMENTASI SPEKTROFOTOMETER

Ada dua tipe instrumentasi spektrofotometer infra merah yaitu

1)      Dispersive spektrofotometer.

Monokromator yang digunakan mirip dengan monokromator yang digunakan oleh spektrofotometer UV-Vis tipe berkas ganda atau double beam. Biasanya digunakan secara primer unruk menganalisis senyawa secara kualitatif. Detektor yang digunakan adalah tipe thermal transducer. Responnya lambat sehingga sinar harus dipotong-potong terlebih dahulu oleh chopper. Sistemnya double bead, karena ada beberapa hal yaitu :

      Untuk mengurangi radiasi atmosferik (CO2 dan H2O).

      -Mencegah ketidakstabilan radiasi sinar infra merah.

      -Mengurangi radiasi percikan oleh partikel pengotor dalam spektrofotometer. 

      -Memungkinkan pembacaan dan perekaman langsung.

 

 

Gambar1. Skema alat spektrofotometer dispersive

Mekanisme kerja spektrofotometer Dispersive :

Sinar radiasi IR sebelum menembus sampel dan refrence displit terlebih dahulu supaya pembacaan tidak lama. Setelah sinar IR displit, sinar terbagi menjadi dua arus, yaitu sinar yang menuju sampel dan sinar yang menuju larutan baku pembanding. Kemudian kedua berkas sinar tersebut masuk ke chopper sehingga keluar output sinar yang diteruskan ke monokromator. Sinar masuk melalui celah masuk atau entrance pada monokromator. Didalamnya terdapat gratting dan sinar difokuskan oleh gratting. Setelah itu sinar keluar melalui celah keluar atau extrance slit dan masuk ke alat scan frekuensi baru diteruskan ke detector. Oleh detector sinar diubah menjadi sinyal elektrik dan diperkuat oleh amplifier. Kemudian sinyal tersebut diinterpretasikan dalam bentuk spektrum infra merah dengan bantuan perangkat lunak dalam komputer.

FTIR

Spektrofotometer dispersive ada beberapa kelemahan yang telah disebutkan sebelumnya. Untuk mengatasi kelemahan tersebut perlu adanya pengembangan pada sistem optiknya. Perkembangan spektrofotometer dispersive yang paling modern adalah FTIR. Dasar pemikiran FT-IR adalah deret persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Jean Baptise Fourier yang membuat persamaan matematika gelombang elektronik :

a dan b merupakan suatu tetapan,

t adalah waktu,

ω adalah frekuensi sudut (radian per detik), ( ω = 2 Π f dan f adalah frekwensi dalam Hertz).

FT-IR ini menggunakan suatu monokromator yang berbeda dengan monokromator pada spektrofotometer dispersive. Monokromator yang digunakan adalah monokromator Michelson Interferometer. Pada sistem optik ini terdapat 2 cermin yaitu cermin yan g bergerak tegak lurus dan cermin diam. Skema sistem optik ini seperti pada gambar dibawah :

Gambar2. Sistim optik interferometer Michelson pada Spektrofotometer FTIR.

Mekanisme kerja alat spektrofotometer FTIR

Sistim optik Spektrofotometer FTIR seperti pada gambar diatas dilengkapi dengan cermin yang bergerak tegak lurus dan cermin yang diam. Dengan demikian radiasi infra merah akan menimbulkan perbedaan jarak yang ditempuh menuju cermin yang bergerak ( M ) dan jarak cermin yang diam ( F ). Perbedaan jarak tempuh radiasi tersebut adalah 2  yang selanjutnya disebut sebagai retardasi ( δ ). Hubungan antara intensitas radiasi IR yang diterima detektor terhadap retardasi disebut sebagai interferogram. Sedangkan sistim optik dari Spektrofotometer IR yang didasarkan atas bekerjanya interferometer disebut sebagai sistim optik Fourier Transform Infra Red.

Kelebihan dari FT-IR adalah :

      Respon cepat.

      Sinar mengalami perubahan dahulu baru masuk ke sampel.

      Lebih bagus dari spektrofotometer IR dispersive.

      Lebih sensitive.

  Sinar radiasi infra merah tidak mengganggu atau tidak terganggu.

      Menggunakan monokromator Pyroelectric transducer.

Instrumentasi spektrofotometer infra merah mirip dengan instrumentasi spektrofotometer UV-Vis. Perbedaannya adalah sampel berhadapan langsung dengan sumber radiasi. Secara berurutan, komponen utama dari spektrofotometer infra merah adalah sebagai berikut :

      Sumber radiasi

      Sampel kompartemen

      Monokromator

      Detector

      Amplifier atau penguat

      Recorder / read out

 

KOMPONEN ALAT SPEKTROFOTOMETER

Sumber radiasi.

Prinsipnya sumber radiasi IR dipancarkan oleh padatan lembam yang dipanaskan sampai pijar dengan aliran listrik. Ada 3 macam sumber radiasi yaitu :

      Globar source : tabung silica carbida dengan ukuran diameter 5mm dan panjang 5cm.

      Nernst Glower : senyawa-senyawa oksida.

      Tungsten Filament Lamp : untuk analisis dengan nir-IR.

      Incandescent Wire : merupakan lilitan kawat nikrom.

Pada sistim optik FTIR digunakan radiasi LASER (Light Amplification by Stimulated Emmission of Radiation) yang berfungsi sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi infra merah agar sinyal radiasi infra merah yang diterima oleh detektor secara utuh dan lebih baik.

Sampel kompartemen.

Cuplikan atau sampel yang dianalisis dapat berupa cairan, padatan atau pun gas. Karena energi vibrasi tidak terlalu besar sampel dapat diletakan langsung

berhadapan dengan sumber radiasi IR. Karena gelas kuarsa atau mortar yang terbuat dari porselene dapat memberikan kontaminasi yang menyerap radiasi IR, maka pemakaian alat tersebut harus dihindari. Preparasi cuplikan harus menggunakan mortar yang terbuat dari batu agate dan pengempaan dilakukan dengan menggunakan logam monel.

Monokromator.

Monokromator merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mendispersikan sinar dari sinar polikromatik menjadi sinar monokromatik. Ada dua macam tipe monokromator yaitu monokromator prisma dan monokromator gratting (kisi difraksi).

Gambar3. Monokromator Prisma

Gambar4. Monokromator gratting

Monokromator IR terbuat dari garam NaCl, KBr, CsBr, atau LiF. Oleh sebab itu spektrofotometer IR harus diletakkan di suatu tempat dengan kelembaban yang rendah untuk mencegah kerusakan pada peralatan optiknya. Monokromator celah berfungsi untuk lebih memurnikan radiasi IR yang drai cuplikan sehingga masuk ke dalam rentang bilangan gelombang yang dikehendaki. Monokromator prisma yang terbuat dari bahan garam anorganik berfungsi sebagai pengurai dan pengarah radiasi IR menuju detektor. Monokromator prisma terbuat dari hablur NaCl yang paling banyak digunakan sebab memberikan resolusi radiasi IR terbaik dibandingkan dengan yang lainnya. Prisma leburan garam-garam bromida pada umumnya dipakai sebagai resolusi radiasi IR jauh sedangkan garam fluorida untuk radiasi sinar IR dekat. Monokromator yang umum digunakan adalah monokromtor kisi difraksi atau gratting. Kisi difraksi terbuat dari bahan gelas atau palstik yang tertoreh dengan halus permukaannya dan terlapisi oleh kondensasi uap aluminium. Jenis monokrotaor kisi difraksi sudah banyak digunakan pada spektrofotometer IR yang modern. Keunggulannya memberikan resolusi yang lebih bagus dengan dispersi yang surambung lurus, disamping itu tetap menjaga keutuhan radiasi IR menuju detektor. Kelemahannya adalah timbulnya percikan radiasi IR pada monokromator kisi difraksi. Hal ini diusahakan dengan memakai monokromator ganda yang merupakan kombinasi dari monokromator prisma dan monokromator kisi difraksi.

Detektor

Berfungsi mengubah sinyal radiasi IR menjadi sinyal listrik. Selain itu detektor dapat mendeteksi adanya perubahan panas yang terjadi karena adanya pergerakan molekul. Detektor spelktrofotometer yang bersifat menggandakan elektron tidak dapat dipakai pada spektrofotometer IR sebab radiasi IR sanngat lemah dan tidak dapat melepaskan elektron dari katoda yang ada pada system detektor. Ada tiga tipe detektor yang dapat digunakan pada spektrofotometer IR, yaitu :

      Thermal transducer : terdiri dari dua logam bercabang dimana suhu tergantung pada potensialnya. Intrumen yang menggunakan detektor ini harus disimpan pada tempat yang ber-AC atau bersuhu konstan karena dapat dipengaruhi oleh suhu sehingga dapat terjadi kesalahan dalam mendeteksi suatu senyawa. Responnya lambat sehingga jarang digunakan.

      Pyroelectric transducer : berupa kristal cairan dari triglisin sulfat (TGS) dimana temperatur dipengaruhi oleh polaritas senyawa. Memiliki respon yang cepat dalam menganalisis suatu senyawa.

      Photoconducting transducer : terbuat dari bahan semikonduktor seperti timbal sulfida, eaksa telurida, dan cadmium telurida, indium antimonida. Harus menggunakan pendingin gas nitrogen sehingga responnya cepat.

Detektor yang digunakan dalam Spektrofotometer FTIR adalah TGS (Tetra Glycerine Sulphate) atau MCT (Mercury Cadmium Telluride). Detektor MCT lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan detektor TGS, yaitu memberikan respon yang lebih baik pada frekuensi modulasi tinggi, lebih sensitif, lebih cepat, tidak dipengaruhi oleh temperatur, sangat selektif terhadap energi vibrasi yang diterima dari radiasi infra merah.

 

Amplifier/penguat dan read out.

 

 Penguat dalam sistem optik spektrofotometer IR sangat diperlukan karena sinyal radiasi IR sangat kecil atau lemah. Penguat berhubungan erat dengan derau instrumen serta celah monokromator, jadi keduanya harus diselaraskan dengan tujuan mendapatkan resolusi puncak spektrum yang baik dengan derau maksimal. Sedangkan pencatat atau read out harus mampu mengamati spektrum IR secara keseluruhan pada setiap frekuensi dengan seimbang. Rentang bilangan gelombang 4000cm-1 sampai 650cm- 1 dalam keadaan normal harus dapat teramati dalam selang waktu 10 – 15 menit. Untuk maksud pengamatan pendahuluan selang waktu tersebut dapat dipersingkat ataupun diperlambat untuk mendapatkan hasil resolusi puncak spektrum IR yang baik.

 

TEKNIK ANALISIS

Dalam metode menganalisis suatu spektra yang tak diketahui, perhatian harus dipusatkan pada penentuan ada atau tidaknya beberapa gugus fungsional utama seperti C=O, O-H, N-NH, C-O, C=C, , dan NO2. Janganlah membuat analisis yang detail terhadap pita serapan CH dekat 3000 cm-1 (3,33 m). Hampir semua senyawa mempunyai pita serapan pada daerah tersebut. Tidak perlu risau terhadap adanya suatu lingkungan yang tepat dari gugus fungsional yang diperoleh. Berikut ini langkah umum untuk memeriksa pita-pita yang penting.

1. Apakah terdapat gugus karbonil ?

Gugus C=O terdapat pada daerah 1820 – 1600 cm-1 (5,6 – 6,1 m). Puncak ini biasanya yang terkuat dengan lebar mediun dalam spektrum. Serapan tersebut

sangat karakteristik.

 

a)      Bila gugus C=O ada, ujilah daftar berikut :

 

 

b)      Bila gugus C=O tidak ada.

 

Alkohol

:Ujilah untuk OH 

-Serapan melebar didekat 3600 – 3300 cm-1 (2,6 m - 3,0 m).

-Pembuktian selanjutnya yaitu adanya serapan didekat 1300 – 1000 cm-1 (7,7 -10 m)

Amida

:Ujilah

Asam : Apakah ada –OH? 

Serapan melebar didekat 3400-2400 cm-1 (biasanya tumpang tindih dengan C–H).

Amida : Apakah ada –NH? 

Serapan medium didekat 3500 cm-1 (2,85 m) kadang-kadang puncak rangkap, dengan perubahan yang sama.

Ester : Apakah ada C-OH atau C-OR? 

Serapan kuat didekat 1300 – 1000 cm-1 (7,7 – 10 m)

Anhidrida : Mempunyai dua serapan C=O didekat 1870 dan 1700 cm-1 (5,5 dan 5,7 m)

Aldehida : Apakah ada CH aldehida? 

Dua serapan lemah didekat 2850 dan 2750 cm-1 (3,50 m dan 3,65 m), yaitu disebelah kanan serapan CH.

Keton : Bila kelima kemungkinan diatas tidak ada

untuk NH 

Serapan medium didekat 3500 cm-1 (2,85 m).

Ester : Ujilah serapan C-O (serapan OH tidak ada) didekat 1300 – 1000 cm-1 (7,7 m - 10 m).

1. Ikatan rangkap dua dan/atau cincin aromatik.

C=C memiliki serapan lemah didekat 1650 cm-1 (6,1 m).Serapan medium tinggi kuat pada daerah 1650-1450 cm-1 (6,7 m), sering menunjukkan adanya cincin aromatik. Buktikanlah kemungkinan diatas dengan memperhatikan serapan didaerah CH. Aromatik dan vinil CH terdapat disebelah kiri 3000 cm-1 (3,3 m). Sedangkan CH alifatik terjadi disebelah kanan daerah tersebut.

1. Ikatan rangkap tiga

Ikatan rangkap tiga memiliki serapan medium dan tajam didekat 2250 cm-1 (4,5 m), serapan lemah tapi tajam didekat 2150 cm-1 (4,65 m). Ujilah CH asetilenik didekat 3300 cm-1 (3,30 m).

1. Gugus Nitro

Gugus nito memiliki dua serapan kuat pada 1600 – 1500 cm-1 (6,25 – 6,67) dan 1390 – 1300 cm-1 (7,2 m - 7,7 m).

1. Hidrokarbon

Serapan utama untuk CH didekat 3000 cm-1 (3,3 m). Spektrumnya sangat sederhana, hanya terdapat serapan lain-lain didekat 1450 cm-1 (6,90 m) dan 1375 cm-1 (7,27 m).

 

      Kebanyakan senyawa dapat dicatat pada serapan di atas 1400 cm-1 dan dibawah 900 cm-1. (Daerah finger print, 900-1400 cm-1, mengandung banyak serapan yang tidak dapat ditelaah).

      Gugus/kelompok fungsional jauh lebih berguna dari pada pita-pita tunggal. Dengan perkataan lain, gugus fungsional yang memberikan banyak serapan karakteristik biasanya dapat diidentifikasi lebih tepat dari pada gugus fungsional yang memberikan hanya satu serapan karakteristik. Jadi keton (C=O str) lebih

sukar/diidentifikasi dari pada ester (C=O str dan C–O str) ester lebih sukar diidentifikasi dari pada amida (C=O str, N – H str, N – H def, dan sebagainya).

      Kerangka karbon harus diperhatikan paling awal : lihat apakah alkana, alkena, alkuna atau aromatik. (Gunakan C–H str, C–H def dan berbagai frekuensi rentangan ikatan karbon-karbon). Kenyataan bahwa spektrum NMR sangat membantu. Lihat apakah ada C=O str, jika ada ia mungkin berhubungan dengan C–H str dalam aldehida, N–H str dalam amida, C-O str dalam ester dan sebagainya. Carilah O-H str atau N-H str demikian juga C=N str. Dalam senyawa belerang amati adanya S-H str, S=O str, dan –SO2 –str; dalam senyawa fosfor lihat adanya P–O str.