Kromatografi Imam santosa, MT
Pendahuluan Kromatografi pertama kali digunakan oleh Ramsey pada tahun 1905 untuk memisahkan campuran gas dan campuran uap. Sejumlah percobaan pertama ini menggunakan penyerapan (adsorpsi) selektif oleh penyerap padat seperti arang aktif. Tahun berikutnya Tswett memperoleh sejumlah pita berwarna yang terpisah-pisah pada kolom kromatografi saat dia memisahkan pigmenpigmen daun. Oleh karena itu dia menggunakan istilah kromatografi untuk hal tersebut, yang berasal dari kata chroma (=wama) dan graphem (=penulisan). Jadi secara harafiah kromatografi berarti penulisan wama. Namun tak lama kemudian penggunaan kromatografi sudah meluas pada senyawa-senyawa yang tak berwama, bahkan pada saat ini penggunaan kromatografi sangat banyak untuk senyawasenyawa yang tak berwama. Dilaporkan bahwa sampai permulaan tahun 1992 saja, sudah tercatat 200.000 kromatograf gas yang terpakai pada laboratorium kimia analisis di seluruh dunia.
Istilah-istilah dalam Kromatografi Fase diam (stationary phase} adalah padatan atau cairan yang dilapiskan dengan tipis pada pendukung padat (supporting solid} atau dilapiskan langsung pada dinding dalam dari kolom. Fase diam ini diisikan dengan rapat pada kolom atau dilapiskan pada dinding dalam dari kolom. Fase gerak (mobile phase) adalah cairan atau gas yang digunakan untuk membawa cuplikan (sample} melalui sistem. Fase gerak ini akan bergerak relatif terhadap fase diam, hingga terjadi suatu sistem kesetimbangan yang dinamis. Gas pembawa adalah gas bertekanan tinggi yang digunakan untuk membawa cuplikan (sample} melalui sistem. Elusi adalah proses perjalanan/pemisahan komponen-komponen sampel di dalam/melalui kolom pada suatu kromatograf. Waktu tinggal/waktu tambat (retention time) adalah lamanya waktu yang diperlukan oleh suatu substansi/analit mulai pada saat disuntikkan sampai keluar kolom kromatografi, yang diukur pada puncak kromatogram. Kromatogram adalah gambaran hasil kromatografi yang berbentuk kurva. Pelat teoretikal (theoretical plate} adalah tempat-tempat di mana terjadi kesetimbangan antara penyerapan dan pelepasan zat oleh fase diam. Makin banyak pelat teoretikal makin baik daya pisah (resolution) dari suatu kolom.
Teori Kromatografi Kromatografi adalah metode pemisahan suatu campuran menjadi komponen-komponennya yang didasarkan pada distribusi komponenkomponen tersebut di antara dua fase, yaitu fase diam (stationary phase) dan fase gerak (mobile phase). Terjadinya pemisahan komponen-komponen dalam sampel disebabkan karena perbedaan afinitasnya terhadap fase diam dan fase gerak yang berada pada sistem kesetimbangan yang dinamis. Karena fase gerak dapat berupa zat cair atau gas, maka terdapat empat macam system kromatografi, yaitu: 1. Fase gerak zat cair ; fase diam zat padat meliputi: kromatografi lapisan tipis, kromatografi penukar ion 2. Fase gerak gas ; fase diam zat padat meliputi: kromatografi gas-padat 3. Fase gerak zat cair ; fase diam zat cair meliputi: kromatografi kertas 4. Fase gerak gas ; fase diam zat cair meliputi: kromatografi gas-cair
Kromatografi gas Pada kromatografi gas, sebagai fase gerak digunakan gas dan sebagai fase diam dapat digunakan padatan atau cairan. Kromatografi gas dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok utama, yaitu 1. kromatografi gas-padat (gas solid chromatography), di mana digunakan padatan sebagai fase diam 2. kromatografi gas-cair (gas liquid chromatography), di mana digunakan cairan yang dilapiskan dengan tipis pada pendukung padat (supporting solid) yang inert atau dilapiskan langsung pada dinding dalam dari kolom sebagai fase diam. Fase diam ini diletakkan di dalam suatu kolom. Fase gerak gas pada kromatografi gas lebih dikenal dengan sebutan gas pembawa. Pemisahan campuran menjadi komponen-komponennya pada kromatografi gas-padat terjadi karena perbedaan adsorpsi relatif masing-masing komponen pada fase diam padatan, sedangkan pada kromatografi gas-cair pemisahan terjadi karena perbedaan kelarutan (partisi) relatif masing-masing komponen pada fase diam cairan. Di dalam praktek, kromatografi gas dapat digunakan baik untuk analisis kualitatif maupun untuk analisis kuantitatif. 1. Analisis kualitatif dilakukan dengan cara membandingkan waktu tinggal/waktu tambat {retention time) dari substansi yang dianalisis dengan retention time dari suatu reference (zat pembanding); 2. Analisis kuantitatif dilakukan dengan membandingkan tinggi atau luas puncak kromatogram dari substansi yang dianalisis dengan tinggi atau luas puncak kromatogram dari reference.
Pemodelan proses kromatografi waktu Pemisahan senyawa-senyawa
Kromatograf gas sebagai instrumen untuk keperluan analisis sangat penting dan banyak dipakai, karena: 1. Aliran fase gerak gas dengan kecepatan atau tekanan terkontrol dapat dikendalikan. 2. Pencampuran uap sampel ke dalam aliran fase gerak gas dapat dengan mudah terjadi. 3. Kolom (yang merupakan tempat terjadinya pemisahan fisik) banyak jenisnya serta panjang dan suhunya dapat diatur. Kolom pada kromatografi gas ini dapat diganti dengan mudah dan cepat. 4. Macam detektor yang dapat dipakai cukup banyak. 5. Dapat digabungkan dengan instrumen lain sehingga merupakan teknik yang terpadu, contoh: GC/FTIR/MS (gas chromatographfourier trunsform-infrared spectrophotometer/mass spectrometer).
Kromatografi gas-padat Semula yang pertama kali dikenal adalah kromatografi gas-padat, di mana mekanisme pemisahan komponen-komponen sampel adalah karena perbedaan fisik adsorpsi oleh fase diam, tetapi kemudian timbul beberapa keberatan pada kromatografi gas-padat tersebut, yaitu: 1. Distribusi komponen yang dianalisis di antara fase diam dan fase gerak tidak memberikan sistem keseimbangan yang ideal. 2. Adsorpsi fase diam terhadap komponen sampel yang dianalisis bersifat semi permanen terutama terhadap molekul yang aktifatau molekul yang polar. 3. Waktu tinggal/waktu tambat yang lama dan sering terjadi pengekoran kromatogram. 4. Efektifitas pemisahan komponen dipengaruhi oleh massa molekul relatif (mr); oleh karena itu kromatografi gas-padat lebih efektif untuk pemisahan komponen-komponen dengan massa molekul relatif yang rendah.
Kromatografi gas-cair Kromatografi gas-cair dikemukakan oleh Martin dan Synge (1941), di mana mekanisme pemisahan komponen-komponen sampel adalah karena partisi relatif komponen-komponen sampel tersebut di antara fase gerak gas dan fase diam cairan. Mekanisme ini menutup semua kelemahan kromatografi gaspadat, sehingga pada saat ini kromatografi gas-cair lebih luas pemakaiannya dan jauh lebih sering digunakan dibandingkan dengan kromatografi gas-padat. Pembahasan pada tulisan ini lebih diarahkan pada kromatografi gas-cair, karena keunggulankeunggulan yang diberikannya, terutama karena banyaknya macam zat cair yang dapat digunakan sebagai fase diam.
Bagan dari suatu kromatograf gas-cair adalah sebagai berikut:
A SILINDER GAS (GAS CYLINDER) Silinder gas digunakan sebagai wadah dari gas pembawa yang bertekanan tinggi.gas pembawa yang digunakan meliputi helium, nitrogen, hidrogen, atau argon. Pemilihan dari gas pembawa didasarkan pada: Ketersediaannya (availability) Kemumiannya (purity) Kelembamannya (inertness) Kekeringannya (dryness), serta Tipe detektor yang digunakan.
B PENGATUR TEKANAN (PRESSURE REGULATOR) DAN PENGATUR ALIRAN (FLOWMETER) Pengatur tekanan digunakan untuk mengatur tekanan gas pembawa dan untuk menjaga agar tekanan gas pembawa tersebut konstan, sedangkan pengatur aliran digunakan untuk menjaga agar aliran gas pembawa konstan. Aliran gas pembawa yang konstan sangat diperlukan pada kromatografi gas agar didapatkan hasil analisis yang memuaskan.
C TEMPAT INJEKSI (INJECTION PORT) Tempat injeksi digunakan sebagai tempat untuk menyuntikkan sejumlah volume tertentu dari cuplikan (sampel). Tempat injeksi ini dipanaskan hingga suhu tertentu agar cuplikan diubah menjadi uap/gas yang nantinya bersama-sama dengan gas pembawa masuk ke kolom. Suhu dari tempat injeksi ini harus sedemikian rupa agar cuplikan dapat diuapkan dengan tanpa mengalami peruraian. Suatu kebiasaan yang umum dilakukan adalah mengatur suhu tempat injeksi pada titik didih dari komponen yang paling sukar menguap. Untuk menyuntikkan sejumlah volume tertentu cuplikan diperlukan suatu alat, yaitu semprit (syringe). Alat ini ditusukkan pada sekat yang terdapat pada tempat injeksi dan cuplikan disuntikkan dengan halus ke dalamnya. Manipulasi semprit dianggap sebagai suatu seni yang perlu dikembangkan dalam praktek dengan tujuan untuk memasukkan cuplikan secara dapat diulang (reproducible).
Semprit (syringe)
D KOLOM GAS KROMATOGRAFI (GC COLUM) Kolom gas kromatografi merupakan jantung dari proses pemisahan pada kromatografi gas, karena pemisahan fisik yang sesungguhnya dari kromatografi gas terjadi di dalam kolom. Sampai saat ini telah dikenal banyak sekali macam kolom. Pemilihan kolom yang sesuai didasarkan pada: Sasaran dan tujuan analisis yang hendak dicapai Penyamaan dengan pemakaian serta kondisi kolom dengan zat yang mirip yang telah dipublikasikan Informasi dari para kolega Pengalaman dan coba-coba dengan kolom yang dimiliki
D. Tipe kolom 1. 2.
D.I. Kolom yang terpaking (packed column) Kolom analitik konvensional umumnya dibuat dari kolom gelas yang mempunyai diameter dalam 2-6 mm atau kolom logam yang mempunyai diameter luar 3-10 mm. Kolom gelas harus digunakan jika ada komponen cuplikan yang terurai apabila kontak dengan logam. Pendukung padat inert yang dipilih sebagai bahan kolom harus mempunyai ukuran granular yang seragam dan mempunyai sifat penanganan (handling characteristic) yang baik, yaitu cukup kuat sehingga tidak pecah waktu penanganan, dan bisa dipadatkan menjadi bentukan yang seragam di dalam kolom. Pada kromatografi gas-cair, luas permukaan dari bahan pendukung padat yang digunakan harus cukup besar sehingga dapat menghasilkan distribusi tase cair dalam bentuk film/lapisan tipis dan mendapatkan tercapainya kesetimbangan yang cepat antara fase diam dan fase gerak.
D.Il. Kolom tabling terbuka (open tubular column) atau kolom kapiler Penggunaan kolom kapiler (diameter dalam kurang dari 1 mm) pada kromatografi gascair meningkat dengan pesat pada akhir-akhir ini karena keunggulan daya pisahnya untuk campuran yang kompleks. Hal ini disebabkan karena sangat banyaknya jumlah plat teoretikal (theoretical plate) yang dapat diperoleh dengan kolom yang panjang dari tipe ini dengan penurunan tekanan yang relatif kecil. Pada kolom kapiler ini, fase diamnya dilapiskan pada dinding dalam tabung. Ada dua tipe kolom kapiler yang tersedia, yaitu: 1. Wall-coated open tubular (WCOT): fase diam cairan dilapiskan secara langsung pada dinding dalam tabung. 2. Support-coated open tubular (SCOT): fase diam cairan dilapiskan pada bahan pendukung padat yang sangat halus yang melapisi dinding dalam tabung. Kolom SCOT ini tidak seefisien kolom WCOT, tetapi mempunyai kapasitas cuplikan yang lebih besar dibandingkan kolom WCOT, sehingga dapat digunakan tanpa pemecah aliran (stream splitter). Kolom kapiler dapat dibuat dari tabung stainless-steel, dari gelas, atau dari silikon yang mempunyai kemumian tinggi. Kolom khusus yang berbentuk kumparan dapat mempunyai diameter dalam 0,2-0,5 mm dan panjang 25-200 m.
Pemilihan fase diam cair Secara garis besar fase cair dapat dikelompokkan menjadi: 1. Fase cair kelompok hidrokarbon non polar, contoh: minyak parafin (nujol), squalane, apiezon L grease, dan silicone-gum rubber. 2. Fase cair dengan kepolaran sedang (senyawa ini mempunyai gugus polar atau gugus terpolarisasi yang terikat pada kerangka non polar yang besar), contoh : ester dari alkohol yang mempunyai berat molekul besar seperti dinonil ftalat. 3. Fase cair polar (senyawa ini mempunyai bagian gugus polar yang relatif besar), contoh: carbowaxes (polyglycols) 4. Fase cair yang mempunyai ikatan hidrogen, contoh: glikol, gliserol, asam hidroksi. Komponen yang bersifat non polar akan mempunyai kelarutan yang besar pada fase diam cair yang bersifat non polar dan sebaliknya komponen yang bersifat polar akan mempunyai kelarutan yang besar pada fase diam cair yang ber&ifat polar, sehingga dengan demikian komponen-komponen yang terdapat di dalam suatu campuran akan terelusi dengan kecepatan yang berbeda-beda sesuai dengan derajat kepolaran/kelarutannya pada fase diam cair.
E. DETEKTOR (DETECTOR) Detektor berfungsi untuk mendeteksi dan mengukur jumlah komponen yang telah terpisah yang terdapat dalam aliran gas pembawa yang meninggalkan kolom. Detektor ini merupakan sensor elektronik yang dapat mengubah sinyal dari komponen yang keluar dari kolom menjadi signal elektronik. Pemilihan detektor tergantung pada sifat-sifat dan konsentrasi komponen-komponen yang telah terpisah.
Macam-macam detektor yang digunakan pada kromatografi gas adalah: 1. Detektor konduktivitas panas (Thermal conductivity detector) Prinsip kerjanya: suhu filamen meningkat dengan adanya analit pada gas pembawa yang melaluinya. Hal ini akan menyebabkan kenaikan resistansi. 2. Detektor ionisasi nyala (Flame ionisation detector) Prinsip kerjanya: komponen yang dibakar pada suatu nyala akan menghasilkan ion. Ion-ion ini dikumpulkan dan diubah menjadi arus listrik. 3. Detektor penangkap elektron (Electron capture detector) Prinsip kerjanya: pada waktu spesies-spesies yang bersifat elektronegatif melewati detektor, spesies-spesies tersebut menangkap elektron-elektron termal yang mempunyai energi rendah. Hal ini akan menyebabkan penurunan arus sel.
Macam-macam detektor yang digunakan pada kromatografi gas adalah: 4. Detektor nitrogen fosfor (Nitrogen phosphorus detector) Prinsip kerjanya: senyawa-senyawa nitrogen dan fosfor akan menyebabkan peningkatan arus pada nyala yang diperkaya dengan uap garam logam alkali. 5. Detektor fotometri nyala (Flame photometric detector) Prinsip kerjanya: senyawa-senyawa nitrogen dan fosfor yang dibakar dalam suatu nyala akan menghasilkan spesies kemiluminesen (chemiluminescent species) yang dapat dimonitor pada panjang gelombang-panjang gelombang selektif. 6. Detektor konduktivitas elektrolitik (Electrolytic conductivity detector) Prinsip kerjanya: senyawa-senyawa halogen, belerang, atau nitrogen dicampur dengan suatu gas pereaksi di dalam tabung reaksi. Produk yang dihasilkan dicampur dengan suatu cairan yang sesuai sehingga menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan arus listrik.
Macam-macam detektor yang digunakan pada kromatografi gas adalah: 7. Detektor fotoionisasi {Photownization detector) Prinsip kerjanya: molekul-molekul diionisasikan dengan eksitasi menggu-nakan foton dan lampu ultraviolet. Partikel-partikel yang bermuatan tersebut kemudian dikumpulkan, dan akan menghasilkan arus. 8. Detektor selektifmassa {Mass selective detector} Prinsip kerjanya: molekul-molekul yang dibombardir dengan elektron akan menghasilkan fragmen-fragmen ion. Fragmen-fragmen ion ini akan melalui filter massa spektrometer, dan akan difiltrasi berdasarkan rasio massa / muatan. 9. Detektor inframerah {Infrared detector) Prinsip kerjanya: molekul-molekul akan mengabsorpsi energi infra merah, dimana frekuensinya merupakan karakteristik dari ikatan-ikatan di dalam molekul tersebut. 10. Detektor emisi atomik {Atomic emission detector) Prinsip kerjanya: molekul-molekul diberi energi dengan sumber plasma dan dipisahkan menjadi atom-atom yang tereksitasi. Pada waktu elektron kembali ke keadaannya yang stabil, elektron-elektron tersebut akan memancarkan cahaya, di mana cahaya ini spesifik untuk masing-masing unsur.
F. PEREKAM (CHART RECORDER) Perekam yang dihubungkan dengan bagian luar detektor berfungsi untuk menghasilkan gambaran yang disebut dengan kromatogram. Kromatogram ini dapat digunakan untuk analisis, baik analisis kualitatif maupun kuantitatif. Saat ini untuk penggunaan komputer sudah amat luas untuk menampilkan gambaran hasil (kromatogram), di mana kromatogram itu dapat dilihat pada layar monitor dan dapat juga dicetak melalui printer.
DAFTAR PUSTAKA 1. DR. Hardjono Sastrohamidjojo, Kromatografi, edisi kedua, 1991, Liberty Yogyakarta. 2. H.M. McNair dan E.J. Bonelli, Dasar Kromatografi Gas, edisi kelima, 1988, Penerbit ITB Bandung. 3. DR. H. Muhammad Mulja dan DRS. H. Sugijanto, MS., Perkembangan Instrumentasi Kromatograf Gas, 1994, Airlangga University Press. 4. Vogel, A., I., Buku Teks Analisis Anorganik Kuantitatif, edisi kelima, 1985, Kalman Media Pustaka, Jakarta