Alat analisis

1. Scanning Electron Microscopy (SEM)

 

 

 

 

 

 

 

 

Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Dibawah ini diberikan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.

 

 

Disamping itu dengan menggunakan elektron kita juga bisa mendapatkan beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi. Jika elektron mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis seperti pada gambar dibawah ini.

 

Peralatan utama

Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa peralatan utama antara lain:
1. Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah melepas elektron misal tungsten.
2. Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan negatif dapat dibelokkan oleh medan magnet.
3. Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara menjadi sangat penting.

Prinsip kerja

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:
1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.
2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.
3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai.
4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).
Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:
(sumber:iastate.edu)

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis didapatkan sinyal elektron sekunder dan karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan elastis didapatkan sinyal backscattered electron. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada gambar dibawah ini.

 

Perbedaan gambar dari sinyal elektron sekunder dengan backscattered adalah sebagai berikut: elektron sekunder menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. Sedangkan backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul rendah. Contoh perbandingan gambar dari kedua sinyal ini disajikan pada gambar dibawah ini.

 

Mekanisme kontras dari elektron sekunder dijelaskan dengan gambar dibawah ini. Permukaan yang tinggi akan lebih banyak melepaskan elektron dan menghasilkan gambar yang lebih cerah dibandingkan permukaan yang rendah atau datar.

 

Sedangkan mekasime kontras dari backscattered elektron dijelaskan dengan gambar dibawah ini yang secara prinsip atom – atom dengan densitas atau berat molekul lebih besar akan memantulkan lebih banyak elektron sehingga tampak lebih cerah dari atom berdensitas rendah. Maka teknik ini sangat berguna untuk membedakan jenis atom.

 

Namun untuk mengenali jenis atom dipermukaan yang mengandung multi atom para peneliti lebih banyak mengunakan teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Sebagian besar alat SEM dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM punya fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS kita juga bisa membuat elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kunatitatif dari persentase masing – masing elemen. Contoh dari aplikasi EDS digambarkan pada diagram dibawah ini.
(sumber: umich.edu)

 

Aplikasi dari teknik SEM

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut:
1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas dsb)
2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel
3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif dan kualitatif.

Kelemahan dari teknik SEM

Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain:
1. Memerlukan kondisi vakum
2. Hanya menganalisa permukaan
3. Resolusi lebih rendah dari TEM
4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam seperti emas.

 

2. Spektrofotometer FTIR

 

 

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830)

Pada dasarnya Spektrofotometer FTIR (Fourier Trasform Infra Red) adalah sama dengan Spektrofotometer IR dispersi, yang membedakannya adalah pengembangan pada sistim optiknya sebelum berkas sinar infra merah melewati contoh. Dasar pemikiran dari Spektrofotometer FTIR adalah dari persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) seorang ahli matematika dari Perancis. Fourier mengemukakan deret persamaan gelombang elektronik sebagai :

 

dimana :

a dan b merupakan suatu tetapan
t adalah waktu
ω adalah frekwensi sudut (radian per detik)
( ω = 2 Π f dan f adalah frekwensi dalam Hertz)

Dari deret Fourier tersebut intensitas gelombang dapat digambarkan sebagai daerah waktu atau daerah frekwensi. Perubahan gambaran intensitas gelobang radiasi elektromagnetik dari daerah waktu ke daerah frekwensi atau sebaliknya disebut Transformasi Fourier (Fourier Transform).

 

Spektrofotometer FTIR

Selanjutnya pada sistim optik peralatan instrumen FTIR dipakai dasar daerah waktu yang non dispersif. Sebagai contoh aplikasi pemakaian gelombang radiasi elektromagnetik yang berdasarkan daerah waktu adalah interferometer yang dikemukakan oleh Albert Abraham Michelson (Jerman, 1831). Perbedaan sistim optik Spektrofotometer IR dispersif (Hadamard Transform) dan Interferometer Michelson pada Spektrofotometer FTIR (Fourier Transform) tampak pada gambar berikut :

 

Perbedaan sistim optik IR dispersi dan FTIR

Cara Kerja Alat Spektrofotometer FTIR

Sistim optik Spektrofotometer FTIR seperti pada gambar dibawah ini 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.

 

Sistim optik interferometer Michelson pada Spektrofotometer FTIR.

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.

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 frekwensi modulasi tinggi, lebih sensitif, lebih cepat, tidak dipengaruhi oleh temperatur, sangat selektif terhadap energi vibrasi yang diterima dari radiasi infra merah.

Keunggulan Spektrofotometer FTIR

Secara keseluruhan, analisis menggunakan Spektrofotometer FTIR memiliki dua kelebihan utama dibandingkan metoda konvensional lainnya, yaitu :

  1. Dapat digunakan pada semua frekwensi dari sumber cahaya secara simultan sehingga analisis dapat dilakukan lebih cepat daripada menggunakan cara sekuensial atau scanning.
  2. Sensitifitas dari metoda Spektrofotometri FTIR lebih besar daripada cara dispersi, sebab radiasi yang masuk ke sistim detektor lebih banyak karena tanpa harus melalui celah (slitless).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Analisa Termal Differential Scanning Calorimetry (DSC)

 

 

Analisa termal merupakan suatu analisa dengan memberikan input kalor untuk mengetahui karakterisasi dari sampel. Suatu analisa termal memiliki keuntungan yaitu jumlah material yang dibutuhkan hanya sedikit. Hal ini memastikan keseragaman distribusi suhu dan resolusi yang tinggi.

DSC adalah suatu teknik analisa termal yang mengukur energi yang diserap atau diemisikan oleh sampel sebagai fungsi waktu atau suhu. Ketika transisi termal terjadi pada sampel, DSC memberikan pengukuran kalorimetri dari energi transisi dari temperatur tertentu.

DSC merupakan suatu teknik analisa yang digunakan untuk mengukur energi yang diperlukan untuk mengukur energi yang diperlukan untuk membuat perbedaan temperatur antara sampel dan pembanding mendekati nol, yang dianalisa pada daerah suhu yang sama, dalam lingkungan panas atau dingin dengan kecepatan yang teratur. Terdapat dua tipe sistem DSC yang umum digunakan, yaitu :

  • Power – Compensation DSC
  • Heat – flux DSC

 

Power – Compensation DSC

Pada Power – Compensation DSC, suhu sampel dan pembanding diatur secara manual dengan menggunakan tungku pembakaran yang sama dan terpisah. Suhu sampel dan pembanding dibuat sama dengan mengubah daya masukan dari kedua tungku pembakaran. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan hal tersebut merupakan ukuran dari perubahan entalpi atau perubahan panas dari sampel terhadap pembanding.

Heat – Flux DSC

Pada Heat – Flux DSC, sampel dan pembanding dihubungkan dengan suatu lempengan logam. Sampel dan pembanding tersebut ditempatkan dalam satu tungku pembakaran. Perubahan entalpi atau kapasitas panas dari sampel menimbulkan perbedaan temperatur sampel terhadap pembanding, laju panas yang dihasilkan nilainya lebih kecil dibandingkan dengan Differential Thermal Analysis (DTA). Hal ini dikarenakan sampel dan pembanding dalam hubungan termal yang baik. Perbedaan temperatur dicatat dan dihubungkan dengan perubahan entalpi dari sampel menggunakan percobaan kalibrasi.

Sistem Heat – Flux DSC merupakan sedikit modifikasi dari DTA, hanya berbeda pada wadah untuk sampel dan pembanding dihubungkan dengan lajur laju panas yang baik. Sampel dan pembanding ditempatkan didalam tungku pembakaran yang sama.perbedaan energi yang diperlukan untuk mempertahankannya pada suhu yang mendekati sama dipenuhi dengan perubahan panas dari sampel. Adanya energi yan berlebih disalurkan antara sampel dan pembanding melalui penghubung lempengan ogam, merupakan suatu hal yang tidak dimiliki oleh DTA.

Rangkaian utama sel DSC ditempatkan pada pemanas silinder yang menghamburkan panas ke sampel dan pembanding melalui lempengan yang dihubungkan pada balok perak. Lempengan memiliki dua plat yang ditempatkan diatas wadah sampel dan pembanding.

 

4. Spektrofotometri UV-Vis

 

 

Gambar Spektrofotometer UV-VIS

 

Sesuai dengan namanya spektrofotometer UV-Vis merupakan gabungan antara spektrofotometer UV dan Visible. Pada spektrofotometer UV-Vis menggunakan dua buah sumber cahaya berbeda yakni sumber cahaya UV dan sumber cahaya visible.

Spektrofotometer UV-Vis merupakan spektrofotometer berkas ganda sedangkan pada spektrofotometer VIS ataupun UV termasuk spektrofotometer berkas tunggal. Pada spektrofotometer berkas ganda blanko dan sampel dimasukan atau disinari secara bersamaan, sedangkan spektrofotometer berkas tunggal blanko dimasukan atau disinari secara terpisah.

Spektrofotometer UV-VIS seperti yang tertera pada gambar.

 

 

Kini spektrofotometer yang digunakan hanya menggunakan satu lampu sebagai sumber cahaya. Lampu yang digunakan sebagai sumber cahaya yaitu photodiode yang telah dilengkapi monokromator. Monokromator disini berfungsi untuk mengubah cahaya yang berasal dari sumber cahaya sehingga diperoleh cahaya hanya dengan satu jenis panjang gelombang.

Zat yang dapat dianalisis dengan spektrofotometri UV-Vis yaitu zat dalam bentuk larutan dan zat yang tampak berwarna maupun berwarna. Jenis spektroskopi UV-Vis terutama berguna untuk analisis kuantitatif langsung misalnya kromofor, nitrat, nitrit dan kromat sedangkan secara tak langsung misalnya ion logam transisi.

Langkah-langkah utama dalam analisa dengan sinar UV/Vis

  • Pembentukan molekul yang dapat menyerap sinar UV/Vis
  • Harus dilakukan jika senyawa yang dianalisa tidak melakukan penyerapan didaerah UV/Vis
  • Senyawa harus diubah menjadi bentuk lain yang dapat melakukan penyerapan pada daerah yang dimaksud. Misalnya mengubah menjadi berwarna atau tidak berwarna.
  • Pemilihan panjang gelombang agar diperoleh panjang gelombang maksimum.
  • Pembuatan kurva kalibrasi. Untuk keperluan ini dibuat sejumlah larutan standar dengan berbagai konsentrasi.
  • Absorbans larutan standart ini diukur kemudian dibuat grafik A versus C.
  • Hukum Lambert Beer terpenuhi, jika grafik berbentuk garis lurus yang melalui titik nol.
  • Pengukuran sampel dilakukan pada kondisi yang sama seperti pada larutan standart.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. SPEKTROSKOPI H-NMR

 

Sesuai dengan namanya, NMR (Nuclear Magnetic Resonance), spektroskopi NMRberhubungan dengan sifat magnet dari inti atom.

Fenomena NMR pertama kali diperkenalkan pada tahun 1946 oleh dua kelompok fisikawanyang bekerja secara terpisah, yaitu Edward Purcell dari Harvard University dan Felix Blochdari Standford University.

Penggunaan NMR berkembang  dengan cepat, pada tahun 1960 teknik ini sudah merupakanmetode yang penting untuk elusidasi struktur.

Spektrometri NMR pada dasarnya merupakan spektrometri absorbsi

, sebagaimanaspektrometri infra merah maupun ultraviolet. Pada kondisi yang sesuai, suatu sampel dapamengabsorpsi radiasi elektromagnetik daerah frekuensi radio, pada frekuensi yang tergantungdari sifat-sifat sampel.

Suatu plot dari frekuensi puncak-puncak absorbsi versus intensitas puncak memberikan suatuspektrum NMR.

FENOMENA NMR : Absorbsi energi

Fenomena NMR terjadi apabila inti yang searah dengan medan magnet eksternal dibuat mengabsorbsi energi (radiasi elektromagnetik), sehingga berubah orientasi spinnya, yaitu menjadi berlawanan dengan medan magnet eksternal.

 

Besarnya energi yang diabsorbsi harus persis sama dengan ∆E antara dua tingkatan spin yang terlibat dalam proses tersebut, yaitu:

 

∆E = h υ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

APPARATUS SPEKTROMETER NMR

 

 

 

 

Gambar : Diagram skematik dari spektrometer NMR

Komponen-komponennya :

1. Magnet

2. Generator “sweep”

3. Transmiter RF

4. Kumparan transmitter

5. Kumparan penerima

6. Kumparan “sweep”

7. Deterktor & penerima RF

8. Rekorder

9. Sampel

 

 

CARA MEMPEROLEH SPEKTRUM NMR :

 

Ada 2 teknik untuk memperoleh spektrum NMR yaitu:

1. Continous Wave (CW)

2. Pulse Fourier Transform (PFT atau FT)

 

Pada teknik “Continous Wave”:

• Medan magnet eksternal, Bo divariasi, sedang frekuensi radionya tetap (field-sweep);

atau

• Frekuensi radio divariasi, sedang medan magnet eksternalnya tetap (frequency-sweep)

 

Pada teknik FT semua frekuensi diberikan sekaligus sehingga semua inti mengalami

resonansi, intensitas sinyal hampir sama dengan noise, lalu dirunning berulang-ulang

sehingga diperoleh intensitas sinyal yang lebih besar dari pada noise, sehingga peak pada FT

akan terlihat lebih jelas.

 

Kelebihan teknik FT dibanding CW adalah:

- lebih cepat

- lebih sensitif (karena ‘ratio sinyal to noise’ ditingkatkan)

 

Kemudian sinyal-sinyal tersebut dipilah-pilah sehingga inti tertentu yang beresonansi pada υ

tertentu muncul sebagai peak yang berbeda.

 

H-NMR (Proton Magnetic Resonance)

H-NMR memberikan informasi mengenai:

1. Banyaknya jenis lingkungan hidrogen yang berbeda dalam satu molekul

2. Banyaknya atom hidrogen yang ada pada masing-masing lingkungan hidrogen tersebut

3. Banyaknya atom hidrogen pada atom karbon

 

Dari spektrum di atas dapat diperhatikan beberapa hal sbb:

1. Dari berbagai proton dalam suatu molekul dihasilkan beberapa sinyal resonansi, ini disebabkan karena proton-proton tersebut berada dalam lingkungan kimia yang berlainan. Sinyal-sinyal tersebut dipisahkan letaknya oleh apa yang disebut dengan geseran kimia (chemical shift).

2. Luas daerah di bawah masing-masing sinyal resonansi berbanding lurus dengan jumlah proton yang menghasilkan sinyal resonansi tersebut. Luas daerah di bawah sinyal resonansi ini dapat diukur secara integral.

Dalam spektrum NMR, luas daerah di bawah peak proporsional dengan jumlah hydrogen yang menimbulkan/menghasilkan peak tersebut. Integrasi peak biasanya ditunjukkan sebagai suatu garis integrasi (integration line). Tinggi garis integrasi tidak menunjukkan jumlah absolut dari proton, tetapi meberikan jumlah relatif dari masing-masing tipe hidrogen.

3. Tidak semua sinyal itu sederhana, misalnya berupa garis tunggal (singlet). Beberapa sinyal sinyal mengikuti pola ‘splitting’ yang karakteristik , misalnya berupa doblet, triplet, kuartet, dsb. Adanya splitting ini sebagai hasil dari penjodohan spin (spin-spin coupling), yaitu suatu interaksi magnetik dari suatu inti dengan inti yang lain.

 

Jadi, dengan menggunakan beberapa parameter spektrum, struktur kimia dari suatu sample yang diuji akan dapat ditentukan.

• Dengan geseran kimia (chemical shift) dapat diketahui macam lingkungan kimia dari proton.

• Dengan integrasi dapat diketahui jumlah relatif proton-proton yang ada.

• Dengan ‘spin-sin coupling’ dapat diketahui hubungan posisi antara inti-inti yang saling berinteraksi. Besarnya interaksi dinyatakan dengan apa yang disebut ‘coupling constant’ (J), yang tergantung pada jumlah serta jenis ikatan yang memisahkan inti-inti tersebut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

REFERENSI

  1. Giwangkara S, EG., 2006, “Aplikasi Logika Syaraf Fuzzy Pada Analisis Sidik Jari Minyak Bumi Menggunakan Spetrofotometer Infra Merah - Transformasi Fourier (FT-IR)”, Sekolah Tinggi Energi dan Mineral, Cepu – Jawa Tengah.
  2. Foto Jean Baptiste Joseph Fourier : http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier

http://www.jeolusa.com/sem/docs/sem_guide/tbcontd.html
http://mse.iastate.edu/microscopy/college.html
http://www.microscopy.ethz.ch/sem.htm

http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/scanning-electron-microscopy/

http://blog.givangkara.com/2007/05/28/spektrofotometer-infra-merah-transformasi-fourier/

http://wanibesak.wordpress.com/2011/07/05/spektrofotometri-uv-vis/