SPEKTROMETRI SERAPAN ATOM (SSA) A. TUJUAN 1. Memahami prinsip kerja Spektrometri Serapan Atom (SSA). 2. Menentukan konsentrasi unsur Fe di dalam suatu sampel. B. DASAR TEORI Spektrometri atomik adalah metode pengukuran spektrum yang berkaitan dengan serapan dan emisi atom. Bila suatu molekul mempunyai bentuk spektra pita, maka suatu atom mempunyai spektra garis. Atom-atom yang terlibat dalam metode pengukuran spektrometri atomik haruslah atom-atom bebas yang garis spektranya dapat diamati. Pengamatan garis spektra yang spesifik ini dapat digunakan untuk analisis unsur baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Absorbsi (serapan) atom adalah suatu proses penyerapan bagian sinar oleh atom-atom bebas pada panjang gelombang ( ) tertentu dari atom itu sendiri sehingga konsentrasi suatu logam dapat ditentukan. Karena absorbansi sebanding dengan konsentrasi suatu analit, maka metode ini dapat digunakan untuk sistem pengukuran atau analisis kuantitatif. Spektrometri Serapan Atom (SSA) dalam kimia analitik dapat diartikan sebagai suatu teknik untuk menentukan konsentrasi unsue logam tertentu dalam suatu cuplikan. Teknik pengukuran ini dapat digunakan untuk menganalisis konsentrasi lebih dari 62 jenis unsur logam. Teknik Spektrometri Serapan Atom (SSA) dikembangkan oleh suatu tim peneliti kimia Australia pada tahun 1950-an, yang dipimpin oleh Alan Walsh, di CSIRO (Commonwealth Science and Industry Research Organization) bagian kimia fisik di Melbourne, Australia. Unsur-unsur dalam cuplikan diidentifikasi dengan sensitivitas dan limit deteksi pada teknik pengukuran ini dapat mencapai 1 mg/l (1 ppm) bila menggunakan lampu nyala biasa dan dapat dicapai sampai 0,1 ppm dengan menggunakan prosedur SSA yang lebih canggih. 1 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Dalam spektroskopi atomik, faktor-faktor yang dapat menyebabkan pelebaran garis spektra merupakan suatu problem dalam sistem analisis metode ini. Dua hal yang paling sering menimbulkan problem ini adalah pelebaran efek Doppler (Doppler Boardening) dan pelebaran tekanan (Pressure Boardening). Pelebaran Efek Doppler (Doppler Boardening) Selama proses atomisasi atau ionisasi, suatu spesies yang sedang diukur dapat bergerak menjauhi atau melalui detektor. Hal ini dapat menimbulkan loncatan Doppler pada spektra garis yang dihasilkan, sehingga garis spektra yang seharusnya berkisar antara 1-15 nm menjadi kira-kira 100 kali lebih lebar. Tidak banyak hal yang dapat dilakukan untuk menghindari efek Doppler ini kecuali hanya mengenali mengapa hal tersebut terjadi. Pelebaran Tekanan (Pressure Boardening) Efek ini dapat timbul bila suatu analit bertabrakan dengan spesies lain karena perubahan energi. Efek ini semakin besar pengaruhnya sejalan dengan kenaikan suhu. Efek pelebaran tekanan ini dapat dilihat pada gambar 1. Gambar 1. Hubungan antara energi kinetik dengan jumlah atom yang terbentuk pada suhu yang berbeda Prinsip Dasar SSA : 1. Cuplikan atau larutan cuplikan dibakar dalam suatu nyala atau dipanaskan dalam suatu tabung khusus (misal tungku api). 2 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
2. Dalam setiap atom tersebut ada sejumlah tingkat energi diskrit yang ditempati oleh elektron. Tingkat energy biasanay dimulai dengan E 0 bila berada pada keadaan dasar (grouns state level) sampai E 1, E 2 sampai E. Gambar 2. Diagram Tingkat Energi Elektronik Gambar 3. Diagram Peristiwa Absorpsi Radiasi Atom yang tidak tereksitasi, berada dalam keadaan dasar (ground state). Untuk mengeksitasi atom, satu atau lebih elektron harus berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara penyerapan energi oleh atom itu. Energi dapat disuplai oleh foton atau dari peristiwa tabrakan yang disebabkan oleh panas. Dengan peristiwa itu, elektron terluar akan menjauhi inti paling tidak adalah ke tingkat energi pertama E 1. Energi yang dibutuhkan adalah setara dengan selisih dari energi tingkat satu dengan energi dasar. E = E 1 E 0 (1) 3 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Energi yang dibutuhkan untuk transisi elektron itu dapat dipenuhi oleh foton atau cahaya yang setara dengan : E = hv (2) Dengan h = tetapan Planck dan v = frekuensi Bila dikalikan dengan maka : (3) Dimana c = kecepatan cahaya pada keadaan vakum Untuk beberapa peristiwa eksitasi misalnya pada UV atau sinar-x spektrometri selisih energi (E 1 -E 0 ) sangat lebar, berkisar 100-900 nm. Dalam SSA, selisih energi (E 1 -E 0 ) kecil, hal ini disebabkan karena hanya bagian elektron terluar yang teresksitasi, disebabkan oleh pengendalian suhu yang cermat. Bila suhu terlampau tinggi sebagian atom akan terionisasi. (4) Atom-atom dalam kabut tersebut bergerak dengan kecepatan tinggi dan saling bertabrakan, serta menyerap dalam kisaran yang sangat sempit. Oleh karena energi gap E 1 -E 0 sempit ini, walaupun pada proses pembakaran terjadi kabut dari berbagai atom, tapi hanya atom tertentu yang dapat menyerap sumber enrergi atau foton. Hal ini merupakan sifat selektif yang spesifik dari SSA. Kespesifikan itu juga merupakan suatu kekurangan karena lebar pita penyerapan yang sempit dengan lebar berkisar 0,001 nm menjadi kendala dalam analisis. Tidak ada monokromator yang mampu menghasilkan pita radiasi yang sekecil puncak absorpsi atom (0,001 nm). Bila digunakan sumber radiasi kontinu, monokromator akan melakukan suatu pita yang lebarnya 3-10 nm jadi hanya sebagian kecil radiasi yang diabsorpsi yaitu 1 o / oo. Dalam keadaan demikian hukum Beer tidak berlaku karena perubahan relatif intensitas pita radiasi yang dilakukan sangat kecil dibandingkan dengan perubahan radiasi yang bersesuaian dengan puncak absorpsi. 4 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Untuk mengatasi hal ini, digunakan sumber radiasi yang mengemisi garis dengan yang sama dengan radiasi elemen yang akan dianalisis yang dihasilkan oleh Hollow Cathode Lamp (HCL) atau Electrodeless Discharge Lamp (EDL). Gambar 4. Diagram Peristiwa Absorpsi Cahaya Di dalam Hollow Cathode Lamp (HCL) atau Electrodeless Discharge Lamp (EDL), atom elemen yang dimaksud dalam keadaan gas dieksitasikan dengan pengawamuatan (discharge) listrik. Atom-atom yang tereksitasi mengemisikan radiasi khas bila kembali ke tingkat energi yang lebih rendah. Sebagian dari radiasi yang diemisi akan mempunyai persis sama dengan garis absorpsi resonansi. Dengan sumber radiasi yang dipilih dengan cermat, garisgaris emisi dapat mempunyai pita yang lebarnya lebih kecil dari pita absorpsi. Walaupun masalah pita radiasi sudah dapat dipecahkan, SSA ini maish mempunyai keterbatasan, yaitu untuk setiap analisis diperlukan adanya HCL yang sesuai dengan elemen yang dianalisis. Persyaratan lain untuk memperoleh sinyal penyerapan yang tinggi adalah sebagian besar atom dalam keadaaan energi dasar (ground state) dan sejumlah besar elektron harus dapat dieksitasi ke tingkat energi pertama (E 1 ) ketika foton dengan frekuensi yang tepat diserap. Pembentukan Atom-Atom Bebas Kemampuan menghasilkan atom bebas merupakan kunci sukses dalam AAS atau AES. Untuk menghasilkan atom-atom bebas digunakan atomizer yang dapat berupa nyala api, karbon atomizer, atau plasma atomizer (misal generator hidrid). Untuk memecah ikatan molekul yang mengubahnya menjadi atom bebas, suatu 5 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
atomizer harus dapat memberikan energi yang cukup. Energi ini mempengaruhi jumlah atom bebas yang terbentuk, tergatung pada jenis ikatan kimia molekul cuplikan. Sebagai contoh, untuk pembentukan atom bebas besi yang terdapat dalam larutan Fe Cl 3 jumlahnya akan berbeda bila dibandingkan dengan larutan kompleks Fe-EDTA, walaupun konsentrasi besinya sama. Fenomena ini menjadi dasar mengenai efek-efek ion-ion penggangu. Pembentukan Atom-Atom Bebas dengan Nyala Titik-titik air yang halus dihasilkan dari nebulizer yang menghisap larutan cuplikan yang kemudian disemburkan ke bagian tengah pembakar yang telah menyala. Pelarut cuplikan menguap lebih dulu meninggalkan partikel padat yang kecil-kecil. Partikel-partikel ini kemudian meleleh dan menguap membentuk campuran senyawa yang kemudian terurai menjadi atom-atom bebas. Atom-atom logam yang akan dianalisis menyerap energi dengan bertabrakan dan lalu tereksitasi. Sistem pengatoman dalam spektrofotometer serapan atom merupakan bagian yang sangat penting karena pada sistem ini ditempatkan senyawa yang akan dianalisis. Pada sistem pengatoman, unsur yang akan dianalisis diubah bentuknya dari ion dalam larutan menjadi atom netral dalam keadaan dasar pada nyala. Persamaan (5) dan (6) merupakan contoh reaksi terjadinya atom bebas dari Natrium. Atomisasi NaCl Na + Cl (5) Eksitasi Na + hv Na* (6) Bila suhu nyala terlalu tinggi akan terjadi peristiwa ionisasi sebagai berikut : Ionisasi Na Na* + e - (7) Bagian ini terdiri dari system pengabut (nebulizer) dan sistem pembakar (burner) sehingga sering disebut system pengabut pembakar. Untuk 6 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
menghasilkan nyala yang diperlukan dalam spektrofotometer serapan atom, dipakai bermacam-macam campuran gas sebagai gas pengoksidasi dan bahan bakar yang jenis serta komposisinya tergantung pada suhu nyala api yang dikehendaki. Tabel Campuran Gas Pembakar Oksidan Oksidan Gas Pembakar Temperatur Udara Udara Argon Nitrous Oksida Asetilen Hidrogen Hidrogen Asetilen 2300 0 C 2000 0 C 1000 0 C 2900 0 C Pada waktu spektrofotometer serapan atom digunakan, diperlukan tekanan dan aliran gas yang konstan. Hal ini diperlukan untuk menjaga agar suhu konstan. Pembentukan Atom-Atom Bebas Selain dengan Nyala Pada sistem pengatoman tanpa nyala biasanya memakai tungku grafit. Proses atomisasi dengan grafit ini berlangsung dalam ruang tertutup yang dialiri gas inert (biasanay argon). Sedangkan untuk system pengatoman dengan cara plasma atau pembentukan hidrid biasanya untuk menetapkan raksa (Hg), karena raksa pada suhu biasa mudah menguap, dan dalam keadaan atom bebas. Instrumentasi Suatu alat absorpsi atom terjadi dari komponen-komponen dasar yang sama seperti spetrofotometer biasa, jadi mengandung : sumber radiasi, monokromator, tempat cuplikan (dalam hal ini nyala), detector dan indicator penguatan (amplifier). Spektrofotometer absorpsi atom ada yang single-beam dan ada pula yang double-beam. 7 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Gambar 5. Bagan Spektrometer Serapan Atom Gambar 6. Skema Spektrometer Serapan Atom Keterangan : A. Sumber Radiasi B. Burner C. Monokromator D. Detektor E. Amplifier F. Display (Readout) 8 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
C. ALAT DAN BAHAN Alat yang digunakan : 1. Unit Spektrometri Serapan Atom 2. Neraca analitik 3. Labu takar 4. Pipet tetes 5. Bulbpet 6. Buret 7. Statif 8. Gelas beker 9. Kertas timbang 10. Sendok sungu 11. Botol semprot 12. Kipas angin 13. Beker Teflon 14. Kompor listrik 15. Gelas arloji 16. Batang pengaduk 17. Botol plastik 18. Tissue Bahan yang digunakan : 1. Aquadest 2. (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O 3. Serbuk bayam 4. HNO 3 pekat 5. H 2 SO 4 pekat 9 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
D. LANGKAH KERJA Preparasi Larutan Standar 1. Dibuat larutan standar Fe 1000 ppm sebanyak 100 ml dengan cara menimbang (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O sebanyak 0,7006 gram, kemudian dimasukkan ke dalam labu takar 100 ml dan dilarutkan dengan aquades serta ditandabataskan. 2. Larutan standar Fe 1000 ppm diencerkan menjadi 100 ppm sebanyak 250 ml. 3. Larutan standar Fe 100 ppm yang telah dibuat sebelumnya kemudian diencerkan kembali sehingga diperoleh 8 variasi konsentrasi larutan, yaitu 2 ppm, 4 ppm, 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, 50 ppm, dan 60 ppm. Masing-masing larutan dibuat sebanyak 50 ml. Larutan ini digunakan untuk membuat kurva kalibrasi. Preparasi Cuplikan 1. Sampel yang berupa serbuk bayam ditimbang sebanyak 0,5058 gram. 2. Serbuk bayam dimasukkan ke dalam beker Teflon, kemudian ditambahkan 1-2 ml H 2 SO 4 pekat dan HNO 3 pekat. Beker teflon ditutup dengan gelas arloji, kemudian dipanaskan dengan hati-hati di atas kompor listrik. 3. Setelah semua sampel bayam larut dan larutan berubah warna menjadi bening, beker Teflon kemudian diangkat dari kompor listrik dan didinginkan. 4. Larutan sampel kemudian diencerkan ke dalam labu takar 50 ml. Pengukuran Cuplikan 1. Unit AAS diaktifkan kemudian dilakukan pengukuran absorbansi blanko dengan 3 kali penyedotan. 10 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
2. Dilakukan pengukuran absorbansi untuk 8 variasi larutan standar. 3. Dilakukan pengukuran absorbansi larutan sampel. 4. Data yang diperoleh kemudian disimpan sesuai dengan nama kelompok. E. DATA PERCOBAAN Pembuatan Larutan Standar Fe Massa (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O = 0,7006 gram Konsentrasi larutan awal = 1000 ppm Volume awal = 250 ml Tabel 1. Pengenceran Larutan Standar 1000 ppm Konsentrasi Volume Konsentrasi Volume Akhir Awal (ppm) Awal (ml) Akhir (ppm) (ml) 1000 25 100 250 Tabel 2. Pengenceran Larutan Standar 100 ppm No. Konsentrasi Volume Konsentrasi Volume Awal (ppm) Awal (ml) Akhir (ppm) Akhir (ml) 1 100 1 2 50 2 100 2 4 50 3 100 5 10 50 4 100 10 20 50 5 100 15 30 50 6 100 20 40 50 7 100 25 50 50 8 100 30 60 50 Spectrometer Parameters Element = Fe Wave length = 248,3 11 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Bandpass = 0,2 Lamp Current = 75% Number of resamples = 3 Background correction = D 2 Measurements time = 4 secs Flame Parameters Flame Type = Air C 2 H 2 Fuel Flow = 0,9 L/min Burner Height = 3 mm Tabel 3. Pengukuran Absorbansi Blanko Konsentrasi Larutan Absorbansi (A) Ā (ppm) 1 2 3 0 0-0.001-0.002-0.001 Tabel 4. Pengukuran Absorbansi Larutan Standar No. Konsentrasi Larutan Absorbansi (A) (ppm) 1 2 3 Ā 1 2 0.022 0.022 0.022 0.022 2 4 0.041 0.041 0.04 0.041 3 10 0.104 0.104 0.103 0.103 4 20 0.221 0.22 0.222 0.221 5 30 0.307 0.307 0.305 0.307 6 40 0.397 0.398 0.396 0.397 7 50 0.475 0.477 0.475 0.476 8 60 0.544 0.543 0.544 0.544 Tabel 5. Pengukuran Absorbansi Larutan Sampel Sampel Absorbansi (A) 1 2 3 Ā 0,5058 gram / 50 ml 0,02 0,02 0,02 0,02 Keterangan : Massa sampel = 0,5058 gram 12 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Volume awal = 50 ml F. PERHITUNGAN 1. Pembuatan Larutan Standar Volume Larutan = 100 ml = 0,1 L Konsentrasi larutan = 1000 ppm = 1000 mg/l = Massa (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O = = = = 700,25 mg = 0,70025 gram Untuk membuat larutan standar Fe 1000 ppm sebanyak 200 ml dibutuhkan (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O sebanyak 0,70025 gram, kemudian dilarutkan dan ditandabataskan hingga 100 ml. 2. Penentuan Kurva Kalibrasi Tabel 6. Penentuan Kurva Kalibrasi No. Konsentrasi Larutan Fe (ppm) Ā 1 0-0.001 2 2 0.022 3 4 0.041 4 10 0.103 5 20 0.221 6 30 0.307 7 40 0.397 8 50 0.476 13 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
9 60 0.544 Grafik Hubungan Antara Konsentrasi (ppm) dengan Absorbansi (A) Dari grafik tersebut diperoleh persamaan garisnya adalah : y = 0,009x + 0,011 dengan R 2 = 0,994 atau R = 0,997 dimana : x : konsentrasi larutan (ppm) y : absorbansi (A) 3. Penentuan Konsentrasi Fe dalam Sampel Bayam Dari data pada Tabel 5. Pengukuran Absorbansi Larutan Sampel diperoleh bahwa : Absorbansi Rerata ( = 0,02 Kemudian disubstitusikan ke persamaan garis pada kurva : y = 0,009x + 0,011 Maka konsentrasinya (C S ) adalah : 14 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Jadi, konsentrasi Fe dalam sampel bayam adalah 1 ppm Untuk menentukan pada hasil C S, maka terlebih dahulu ditentukan nilai C S untuk setiap absorbansi pada cuplikan dengan mensubstitusikannya ke dalam persamaan garis berikut : Tabel 7. Penentuan C S pada Sampel y = 0,009x + 0,011 ; sehingga diperoleh hasil sebagai No. Absorbansi (A) Ā A - Ā (A - Ā) 2 1 0,02 0 0 2 0,02 0,02 0 0 3 0,02 0 0 JUMLAH Jadi, Konsentrasi Fe dalam sampel bayam (0,5058 gram / 50 ml) adalah sebesar 1 ppm. G. PEMBAHASAN 15 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Tujuan dari praktikum ini adalah untuk memahami prinsip kerja Spektrometri Serapan Atom (SSA) serta menentukan konsentrasi unsur di dalam suatu sampel. Dalam pelaksanaannya, digunakan Spektrometri Serapan Atom di laboratorium Instrumentasi Kimia dan unsur yang dianalisis adalah unsur Fe yang ada pada sampel bayam. Sampel yang dapat dianalisis dalam instrumen SSA harus berwujud cair, oleh karena itu sampel bayam sebelumnya harus didestruksi terlebih dahulu dengan menggunakan H 2 SO 4 pekat dan HNO 3 pekat sambil dipanaskan. Proses destruksi ini bertujuan untuk mempersiapkan sampel bayam agar dapat dianalisis (berwujud cair). Tujuan penggunaan H 2 SO 4 dan HNO 3 pekat ini adalah untuk melarutkan serbuk bayam serta untuk menghilangkan senyawa organik yang ada pada bayam sehingga benar-benar diperoleh kandungan Fe yang terukur dalam sampel bayam. Selain itu, dalam proses destruksi ini juga dilakukan dengan pemanasan menggunakan penangas pasir. Pemanasan berfungsi untuk mempercepat dan menyempurnakan proses destruksi. Digunakan penangas pasir dalam proses pemanasan karena panas yang diterima lebih merata. Setelah semua serbuk bayam larut dan diperoleh larutan yang bening, kemudian larutan tersebut diencerkan hingga 50 ml. Sampel yang telah didestruksi tersebut kemudian diukur dengan alat SSA. Prinsip kerja SSA adalah sampel cair yang memasuki alat pertama kali dikabutkan di nebulizer. Titik-titik air yang halus dihasilkan dari nebulizer yang menghisap larutan cuplikan yang kemudian disemburkan ke bagian tengah pembakar (burner) yang telah menyala dan mengalami deatomisasi. Lalu direaksikan dengan sumber energi eksterna yang berupa HCL maka atom pada keadaan dasar membutuhkan energi yang besar dan untuk mendapatkan energi tersebut, atom akan menyerap energi dari sumber cahaya yang ada pada SSA. Sebelum melakukan pengukuran absorbansi larutan sampel, terlebih dahulu melakukan pengukuran absorbansi larutan standar Fe. Setelah diketahui absorbansi dari larutan standar, kemudian dibuat kurva kalibrasinya. Dari hasil 16 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
percobaan diperoleh kurva kalibrasi dengan persamaan garis : y = 0,009x + 0,011 denga R = 0,997. Nilai R ini menunjukkan linieritas suatu hasil pengukuran. Bila nilai R semakin mendekati 1 maka hasil pengukuran tersebut semakin linier. Dari persamaan garis pada kurva kalibrasi ini dapat digunakan untuk menghitung besarnya konsentrasi Fe dalam sampel dengan mensubstitusikan nilai y dengan absorbansi rerata dari sampel dimana nilai x adalah konsentrasinya. Dari hasil perhitungan diperoleh besarnya konsentrasi Fe dalam sampel bayam (0,5058 gr / 50 ml) adalah sebesar 1 ppm. H. KESIMPULAN 1. Prinsip kerja analisa menggunakan alat SSA yaitu suatu sampel dibuat dalam bentuk larutan kemudian dikabutkan, lalu disemburkan ke bagian burner dan mengalami deatomisasi. Kemudian direaksikan dengan sumber energi (radiasi) maka atom pada keadaan dasar membutuhkan energi yang besar dan untuk mendapatkannya atom tersebut menyerap energi dari sumber cahaya (foton) yang ada pada alat SSA. 2. Konsentrasi Fe dalam larutan sampel bayam (0,5058 gr / 50 ml) adalah sebesar 1 ppm. I. DAFTAR PUSTAKA Christina P, Maria.2006. Instrumentasi Kimia I. Yogyakarta : STTN-BATAN. Christina P, Maria.2006. Petunjuk Praktikum Instrumentasi Kimia Analisis Kesalahan Dalam Spektrometri Serapan Atom. Yogyakarta : STTN- BATAN. J, Basset et all.1939.buku Ajar VOGEL, Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik. London : Woolwich Polytechnic. 17 Spektrometri Serapan Atom (SSA)
Asisten, Yogyakarta, 14 Januari 2009 Praktikan, Maria Christina P, S.ST Dyah Kumala Sari 18 Spektrometri Serapan Atom (SSA)