Bab III AAS (Atomic Absorption Spectrophotometer) Dr. Budi Hastuti, M.Si Prodi Pend. Kimia Universitas Sebelas Maret

Pendahuluan Spektrofotometri emisi nyala, serapan atom dan fluoresensi adalah teknik yang paling umum digunakan untuk analisis unsur. Teknik-teknik ini didasarkan pada emisi, absorpsi dan fluoresensi radiasi dari uap atom dari sampel. Beberapa sistem telah dipakai untuk menghasilkan uap atom, diantaranya nyala, atomisasi elektrotermal, mikrowave plasma, radio frekuensi plasma dan laser. Adapun yang paling banyak digunakan adalah nyala dan atomisasi elektrotermal.

Sistem Secara ideal fungsi dari sistem (source) adalah untuk :  Mengubah sembarang jenis sampel menjadi uap atom fasa gas dengan sedikit atau tanpa perlakuan.  Melakukan seperti pada (1) untuk semua eluen (unsur) pada semua konsentrasi.  Agar diperoleh kondisi operasi yang identik untuk semua elemen dan sampel  Mendapatkan sinyal analitik sebagai fungsi sederhana dari konsentrasi tiap-tiap elemen yaitu agar tidak ada interferensi dan pengaruh matriks.  Memberikan analisis yang teliti (precise) dan tepat (akurat)  Mendapatkan harga beli yang murah dan perawatan pengoperasian yang murah  Memudahkan operasi.

Instrumentasi Diagram blok Emisi Nyala (Flame Emission Spektrometer) ITIT IoIo Sistem Introduksi sampel Monokro mator Detektor Pembacaan NYALA Log I T = Log I o –abc

Instrumentasi Diagram blok AAS ITIT IoIo Sumber Sinar (Hollow Cathode Lamp) Sistem Introduksi sampel Monokro mator Detektor Pembacaan NYALA Power Supply Log I T = Log I o –abc

Diagram blok Spektrofotometer Fluoresensi Atom ITIT IoIo Tungku Nyala Sistem Introduksi sampel Monokro mator Detektor Pembacaan NYALA Log I T = Log I o –abc Sumber Radiasi

Nyala sebagai Sumber Uap Atom Setiap alat spektrometri atom akan mengandung dua komponen utama yaitu : sistem Introduksi sampel dan sumber (source). Untuk kebanyakan instrumen, sumber (source) biasanya berupa nyala dan sampel harus dalam bentuk larutan. Sampel masuk ke nyala dalam bentuk aerosol. Aerosol biasanya dihasilkan oleh nebulizer yang dihubungkan ke nyala dengan ruang spray (spray chamber)

Sistem Nebulizer-spray Chamber-burner

Jenis Nyala Ada banyak variasi nyala yang telah dipakai bertahun-tahun untuk spektrometri atom, namun demikian yang saat ini menonjol dan dipakai secara luas untuk pengukuran analitik adalah : Udara-asetilen dan nitrous oksida-asetilen Dengan dua jenis nyala ini, kondisi analisis yang sesuai untuk kebanyakan analit dapat ditentukan dengan ketiga metode : emisi, absorpsi, dan fluoresensi.

Jenis Nyala Udara-Asetilen  Biasanya menjadi pilihan untuk AAS  Temperatur nyalanya yang lebih rendah mendorong terbentuknya atom netral dan dengan nyala yang kaya bahan bakar pembentukan oksida dari banyak elemen dapat diminimalkan. Nitrous Oksida-Asetilen  Dianjurkan dipakai untuk penentuan unsur-unsur yang mudah membentuk oksida yang sulit terurai karena suhu nyala-nya yang relatif tinggi.  Unsur-unsur tersebut adalah : Al, B, No, Si, Sn, Ti, V dan W.

Jenis Nyala yang dipakai dalam spektrometri Emisi, Absorpsi, dan Fluoresensi Atom OksidanBahan Bakar Suhu Maks (  ) UdaraAsetilen2250 Nitrous oxidaAsetilen2955 UdaraGas Batubara1825 UdaraPropana1725 UdaraHidrogen2045 Udara/ArgonHidrogen1577 OksigenGas Alam2740 OksigenHidrogen2677 OksigenAsetilen3060 Oksigen/HeliumAsetilen2813 OksigenCyanogen4500

Spektrometri Emisi Nyala Untuk pengukuran pada emisi nyala, temperatur yang tinggi dari nyala menjadi pilihan karena dengan demikian, atom yang tereksitasi menjadi lebih banyak dan dengan demikian emisi yang diperoleh akibat turunnya kembali atom ke ground state menjadi lebih besar. Dengan kata lain, metode lebih selektif. Namun demikian, pada kenyataannya sangat sedikit atom dapat tereksitasi dibanding dengan atom yang tak tereksitasi meskipun temperatur nyala telah dibuat sangat tinggi.

Sebagai contoh, untuk atom Na, perbandingan atom yang tereksitasi dan tidak tereksitasi pada berbagai suhu adalah sbb : Oleh sebab itu, Spektrometri Emisi Nyala kurang populer dibanding Serapan Atom (AAS). Hanya untuk unsur-unsur Ca, K, Na, dan Rb metode Emisi Nyala cukup disukai karena sensitivitasnya tinggi. Atom Jml eksitasi (Nu)/Jml ground state (No) 2000 K3000 K4000 K Na : 589,09,86  ,88  ,44  Ca : 422,71,21  ,69  ,04  10 -4

Proses Atomisasi Adalah proses pengubahan sampel dalam bentuk larutan menjadi spesies atom dalam nyala. Proses atomisasi ini akan sangat berpengaruh terhadap hubungan antara konsentrasi atom analit dalam larutan dan sinyal yang diperoleh pada detektor. Dengan demikian, sangat berpengaruh terhadap sensitivitas analisis. Step-step proses atomisasi melibatkan hal-hal kunci sbb :  Transportasi larutan  Nebulisasi (pembentukan butiran-butiran)  Transportasi aerosol  Desolvasi (konversi aerosol menjadi partikel-partikel)  Penguapan (vaporisasi)  Keseimbangan spesies yang teruapkan  Pengukuran Emisi, Absorpsi, dan Fluoresesensi atom

Spektroskopi Serapan Atom (AAS) Larutan sampel diaspirasikan ke suatu nyala dan unsur-unsur sampel diubah menjadi uap atom. Dengan demikian, nyala mengandung unsur-unsur yang dianalisis. Beberapa diantara atom akan tereksitasi secara termal oleh nyala, tetapi kebanyakan atom tetap tinggal sebagai atom bebas dalam keadaan dasar (ground state). Atom-atom ground state ini kemudian menyerap radiasi yang diberikan oleh sumber radiasi yang dibuat dari unsur-unsur yang bersangkutan. Panjang gelombang yang dihasilkan oleh sumber radiasi adalah sama dengan panjang gelombang yang diabsorbsi oleh atom dalam nyala. Absorbsi ini mengikuti Hukum Beer, yakni absorbansi berbanding langsung dengan panjang nyala yang dilalui sinar dan konsentrasi uap atom dalam nyala. Kedua variabel ini sulit untuk ditentukan tetapi panjang nyala dapat dibuat konstan sehingga absorbansi hanya berbanding langsung dengan konsentrasi analit dalam larutan sampel. Teknik-teknik analisisnya sama dengan spektrofotometri UV-Vis, yaitu : standar tunggal, kurva kalibrasi, dan adisi standar.

Instrumentasi AAS Karena komponen lain dalam instrumentasi AAS, telah diterangkan sebelumnya, kecuali Hollow Cathode Lamp (HCL), maka disini hanya akan diterangkan komponen tersebut yang merupakan kunci berkembang pesatnya AAS dan sekaligus menjadi alasan mengapa metode AAS merupakan metode analisis yang sangat selektif.

Hollow Cathode Lamp (HCL) = Lampu katoda berongga Lampu ini merupakan sumber radiasi dengan spektra yang tajam dan mengemisikan gelombang monokromatis. Lampu ini terdiri dari katoda berongga silindris yang terbuat dari unsur yang akan ditentukan atau logam campurannya (alloy) dan anoda yang terbuat dari tungsten. Elektroda-elektroda ini berada dalam tabung gelas dengan jendela quartz karena panjang gelombang sinar emisi sering berada pada daerah ultra violet. Tabung dikurangi tekanannya dan diisi dengan gas inert Ar atau Ne. Beda voltase yang tinggi dikenakan pada elektroda-elektroda, sehingga atom gas pada anion terionisasi. Ion positif ini dipercepat kearah katoda dan ketika menabrak katoda menyebabkan beberapa logam pada katoda terpental dan berubah menjadi uap.

Skema Hollow Cathode Lamp (HCL)

Lanjutan : Atom yang teruapkan ini karena tabrakan dengan ion gas yang berenergi tinggi, tereksitasi ke tingkat elektron yang lebih tinggi. Ketika kembali ke keadaan ground state, mereka memancarkan sinar dengan panjang gelombang yang karakteristik untuk unsur tersebut. Sinar yang diemisikan bergerak melalui nyala dan salah satu ( tertentu), dipilih dengan monokromator, akan diserap oleh uap atom yang ada dalam nyala yang berasal dari sampel. Sinar yang diabsorpsi paling kuat biasanya (tidak selalu) adalah sinar yang berasal dari transisi elektron ke tingkat eksitasi terendah. Sinar ini disebut Garis Resonansi. Sumber radiasi lain yang biasa digunakan disebut “electrodless discharge lamp”. Lampu mempunyai prinsip kerja yang mirip dengan HCL, tetapi memiliki output radiasi yang lebih tinggi, dan biasanya digunakan untuk unsur- unsur As dan Se, karena lampu HCL untuk unsur-unsur ini mempunyai sinar yang lemah dan tidak stabil.

Gangguan-Gangguan (Interferensi) Ada 3 gangguan utama dalam AAS dan FES :  Ganguan ionisasi  Gangguan akibat pembentukan senyawa refractory (tahan panas)  Gangguan fisik

Gangguan ionisasi Biasa terjadi pada unsur-unsur alkali dan alkali tanah dan beberapa unsur yang lain karena unsur- unsur tersebut mudah terionisasi dalam nyala. Karena dalam analisis yang diukur adalah serapan atau emisi atom yang tak terionisasi, maka sinyal yang diperoleh pada detektor akan turun. Namun demikian, gangguan ini bukan gangguan yang serius karena hanya sensitivitas dan linearitasnya saja yang dipengaruhi. Gangguan ini dapat diatasi dengan menambahkan unsur-unsur yang mudah terionisasi kedalam sampel sehingga akan menahan proses ionisasi dari unsur yang dianalisis.

Pembentukan senyawa refractory (tahan panas) Gangguan ini diakibatkan oleh interaksi antara analit dengan senyawa kimia, biasanya anion, yang ada dalam larutan sampel sehingga terbentuk senyawa yang tahan panas (refractory). Sebagai contoh adalah fosfat yang akan bereaksi dengan ion kalsium dalam nyala menghasilkan kalsium pirofosfat (Ca2P2O7). Hal ini menyebabkan absorpsi atau emisi atom Ca dalam nyala menjadi berkurang. Gangguan ini dapat diatasi dengan menambahkan stronsium klorida atau lantanum nitrat kedalam larutan. Kedua logam ini lebih mudah bereaksi dengan fosfat sehingga reaksi kalsium dengan fosfat dapat dicegah. Gangguan diatas juga dapat diatasi dengan menambahkan EDTA berlebihan. EDTA akan membentuk kompleks dengan ion kalsium, sehingga dapat dihindarkan pembentukan senyawa refractory dengan fosfat. Selanjutnya kompleks Ca-EDTA akan mudah terdisosiasi dalam nyala menjadi atom Ca yang menyerap sinar. Gangguan yang lebih serius terjadi apabila unsur-unsur seperti : Al, Ti, Mo, V, dll. Bereaksi dengan O dan OH dalam nyala menghasilkan logam oksida dan hidroksida yang tahan panas. Gangguan ini hanya dapat diatasi dengan menaikkan temperatur nyala, sehingga nyala yang biasa digunakan adalah nitrous oksid-asetilen.

Gangguan Fisik Yang dianggap sebagai gangguan fisik adalah semua parameter yang dapat mempengaruhi kecepatan sampel sampai ke nyala dan sempurnanya atomisasi. Parameter-parameter tersebut adalah : kecepatan alir gas, berubahnya viskositas sampel akibat temperatur atau solven, kandungan padatan yang tinggi, perubahan temperatur nyala, dll. Ganguan ini biasanya dikompensasi dengan lebih sering membuat kalibrasi (standardisasi)

Contoh Aplikasi AAS Sampel darah + TCA (Trichloroacetic Acid)  Endapan protein  Sentrifugasi  Fliltrat, + APDC (Ammonium pirolidin dithiokarbonat) (3 : 1 ml)  Kompleks kelat Pb(APDC)2  Ekstraksi dengan MIBK (Metil isobutil keton) Batas deteksi : 0,1 ppm Pb Kandungan normal dalam darah : 0,3-0,4 ppm