Makalah MS [PDF]

Citation preview

SPEKTROSKOPI MASSA (MS) MAKALAH Untuk memenuhi tugas matakuliah Analisis Instrumen yang dibina oleh Bapak Anugerah Ricky Wijaya



Oleh: Kelompok IV Offering H Ila Rofatilah



110332421027



Kurnia Ayu Syafitri



110332421040



Khalimatussa’diya



110332421042



UNIVERSITAS NEGERI MALANG (UM) FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN KIMIA PROGRAM STUDI S1 KIMIA APRIL 2014



BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Dahulu, berat molekul suatu senyawa ditentukan dengan cara mengukur kerapatan uap atau penurunan titik beku senyawa tersebut, sementara rumus molekulnya ditentukan dengan cara analisis unsur. Selain lama dan merepotkan, teknik ini juga memerlukan jumlah sampel yang banyak dengan kemurnian yang tinggi. Sekarang berat molekul dan rumus molekul bisa ditentukan dengan cepat dan jumlah sampel sedikit menggunakan spektrofotometer massa (MS). Identifikasi struktur kimia suatu molekul, merupakan salah satu fungsi spektroskopi massa. Penentuan struktur molekul baik molekul organik maupun anorganik didasarkan pada pola fragmentasi dari ion-ion yang terbentuk ketika suatu molekul diionkan. Pola fragmentasi suatu molekul sangat berbeda dengan molekul yang lain dan hasil analisisnya dapat berulang (reproducible).



2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Gambar 1.1. Skema alat Spektroskopi Massa



Secara umum spektroskopi massa terdiri dari tiga bagian penting, yaitu tempat pengionan sampel, pemisahan ion, dan deteksi ion yang terbentuk. Pada gambar 1.1. digambarkan suatu spektroskopi massa dengan tehnik tumbukan elektron (EI). Sampel dimasukan kedalam chamber, diuapkan dengan menaikkan temperatur chamber, ditembak dengan elektron berenergi tinggi, ion fragmen yang terbentuk dipercepat dan dipisahkan dalam medan magnet, kemudian dideteksi dengan detektor. Spektroskopi massa memberikan informasi berdasarkan perbandingan massa permuatan (m/z). senyawa kimia akan diubah fasanya menjadi gas dan dipecah – pecah menjadi ion – ion dengan massa relatif lebih rendah. Ion – ion ini akan bergerak dalam medan listrik dengan kecepatan sesuai dengan massanya sebelum mencapai detector. Spectrum massa merupakan keluaran dari spectrometer massa. Dari pola – pola pecahan senyawa serta ion – ion ini struktur senyawa sampel dapat diprediksi. Seiring dengan berkembangnya teknologi, masing-masing bagian telah mengalami perubahan untuk meningkatkan kemudahan dalam penggunaan dan kemampuan alat dalam menganalisa. Saat ini, spektroskopi massa biasanya digunakan secara mandiri dalam analisa sampel atau digunakan bersama-sama dengan alat lain, seperti dengan Kromatografi Cair Kinerja Tinggi (HPLC), Kromatografi Gas (GC), Electroforesis Kapiler (CE) sehingga dikenal istilah HPLC-MS, GC-MS, dan CE-MS. HPLC, GC, atau CE berperan untuk memisahkan campuran sampel, yang selanjutkan setiap komponen yang sudah terpisah akan dianalisa satu persatu dalam MS. 1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Apa saja komponen spektrometer massa dan fungsinya masing – masing? 2. Bagaimana teknik penanganan dan ionisasi dampel pada spektrometer massa? 3. Bagaimana pola fragmentasi dan cara menginterpretasi spektra pada spektroskopi massa? 1.3 TUJUAN 1. Mengetahui komponen spektrometer massa dan fungsinya masing – masing. 2. Mengetahui dan memahami teknik penanganan dan ionisasi dampel pada spektrometer massa. 3. Memahami dan mengenali pola fragmentasi dan cara menginterpretasi spektra pada spektroskopi massa.



BAB II PEMBAHASAN 2.1 KOMPONEN SPEKTROMETER MASSA DAN FUNGSINYA 1. Sistem Inlet Sampel System inlet membantu aplikasi sampel ke dalam sumber ion. Biasanya spectrometer massa yang baik dilengkapi dengan paling sedikit tiga tipe system inlet yang bisa membantu memasukkan sampel ke dalam penghasil ion. Yang harus ada adalah inlet “batch” yang memasukkan sampel dengan cara biasa, inlet langsung (drect probe inlet) dan yang paling modern adalah inlet kromatografi. Metode memasukkan sampel dipilih berdasarkan sifat kimia dan fisika dari sampel dan juga bergantung pada metode ionisasi yang dipilih. Ada juga system inlet dingin dan panas yang harus sesuai dengan temperature yang dibutuhkan sampel. Biasanya tiap system inlet juga menggunakan pengatur tekanan. Dalam system inlet batch sampel dipanaskan diluar kemudian dialirkan masuk ke area ionisasi. System ini dapat dijalankan sampai temperatur ratusan derajat celcius untuk sampel – sampel cair. System vakum juga digunakan untuk mencapai tekanan sampel sampai rentangan 10-4 – 10-5 torr sebelum dimasukkan ke area ionisasi melalui sebuah sekat logam atau kaca yang mempunyai beberapa lubang kecil. Dalam spectrometer modern, kromatografi kinerja tinggi (biasanya GC atau HPLC) digunakan sebagai inlet. Penggabungan ini sangat menguntungkan karena pemisahan dan penentuan sampel telah dilakukan sebelum analisis dengan spektroskopi massa. Dengan demikian campuran yang kompleks dapat diketahui dan hasil spectrum massa lebih jelas. Walaupun demikian untuk menggabungkan system kromatografi dengan spektroskopi massa memerlukan beberapa peralatan khusus yang menjembatani kedua instrumentasi. Kolom kapiler dari kromatografi dapat dimasukkan langsung ke kamar ionisasi dari spektrometer massa, namun gas pembawa harus dipompa keluar dahulu dan molekul analit dibiarkan masuk. Inlet langsung (direct prbe inlet) digunakan untuk memasukkan sampel padatan atau sampel yang tidak mudah menguap seperti karbohidrat, steroid, senyawa – senyawa organologam, juga bahan – bahan polimerik yang berberat molekul rendah. Sampel



dibawa masuk ke area ionisasi dengan sebuah holder yang dapat dimasukkan ke kamar ionisasi melewati daerah vakum. System vakum dirancang juga untuk membatasi masuknya udara yang tersedot ke dalam pada saat alat dimasukkan. 2. Sistem Produksi Ion Ada dua golongan penghasil ion yakni penghasil ion berfasa gas dan penghasil ion desorpsi. Pada penghasil ion berfasa gas sampel akan diuapkan di dalam system inlet namun diluar kamar ionisasi (ionization chamber) atau di dalam kamar ionisasi secara internal dalam sebuah pemanas. Baru kemudian sampel berfasa gas ini diionkan dengan berbagai cara. Pada pengahasil ion desorpsi dibutuhkan sebuah pemegang sampel (probe) yang akan membawa sampel ke kamar pengionan. Disini energi akan dikenakan pada sampel yang bisa berupa padatan maupun cairan sampai terjadi ionisasi dan perpindahan ion secara langsung (direct transfer of ions) dari fasa terkondensasi menjadi fasa gas dari ion yang bersangkutan. Metode ini menguntungkan untuk sampel – sampel yang tidak mudah menguap atau sampel – sampel yang tidak tahan panas, seperti sampel – sampel biokimia yang bermassa besar. Penghasil ion juga dapat digolongkan pada penghasil ion keras dan lunak. Penghasil ion keras adalah penghasil ion dengan hantaman elektron (electron impact, EI) yang melibatkan energy besar untuk membuat ion, dan ion yang dihasilkan juga dalam keadaan tereksitasi secara vibrasi dan rotasi. Metode ionisasi semacam ini memerlukan ketangguhan senyawa sampel karena harus diuapkan dahulu sebelum diionisasi.dalam metode ini fragmentasi terjadi menjadi partikel kecil – kecil dan akibatnya spectrum massa yang dihasilkan juga rumit. Penghasil ion lunak menghasilkan sedikit ion tereksitasi dan spectrum yang dihasilkan relatif lebih sederhana. Ionisasi kimia (chemical ionization, CI) dan penghasil ion desorpsi termasuk dalam kategori penghasil ion lunak. Kedua tipe ini sangat penting untuk operasi instrumentasi spektroskopi massa. Masing – masing metode ionisasi ini mempunyai keuntungan dan kekurangan masing – masing. Pemilihan metode akan dilakukan berdasarkan informais apa yang ingin didapat dan ketersediaan instrumentasi serta sifat fisika dan sifat kimia dari sampel yang diuji.



3. Sistem Pemisah Ion (Analis Massa) Analis massa (mass analyzer) adalah bagian dari spectrometer massa yang bertugas memisahkan ion – ion dengan rasio massa per muatan (m/z) yang berbeda – beda dengan sangat teliti. Walaupun demikian ketelitian tidak terlalu penting karena informasi yang didapat dari instrumen dengan resolusi rendah biasanya sudah cukup untuk mengelusidasi struktur senyawa sampel. Instrumen dengan resolusi tinggi dapat memisahkan molekul dengan massa molekul sedikit berbeda, misalnya C16H22O2 dengan massa molekul 246,1620 dapat dibedakan dari C17H26O yang mempunyai massa molekul 246,1984. Di lain pihak instrumen pemisah ion yang baik harus mempunyai kecepatan transmisi ion tinggi. Mengatur resolusi yang tinggi dan kecepatan ion tinggi secara bersamaan bukanlah pekerjaan mudah. Analis massa disebut juga dengan pemisah ion (ion separator) dalam terminology spektroskopi massa. Alat ini harus sangat sensitif dan sanggup untuk membedakan massa yang berbeda sangat kecil. Lebih jauh lagi analis massa harus dilewati ion dalam jumlah cukup untuk dapat dideteksi oleh detector. Analis massa ini analog dengan monokromator optik pada spektroskopi optik. Beberapa tipe analis massa: a. Defleksi magnetic fokus tunggal (single – focusing magnetic deflection) Sektor magnet terdiri dari magnet permanen atau electromagnet yang bentuknya bisa membuat berkas ion melakukan perjalanan dengan lintasan melingkar 180, 90, atau 60 derajat. b. Defleksi magnetic focus ganda (double – focusing magnetic deflection) Desain baru dari spectrometer yang mengurangi ketidakhomogenan medan magnet ini telah dibuat dengan memberikan deflector magnet focus ganda. Instrumentasi focus ganda ini digunakan jika dibutuhkan resolusi tinggi, misalnya dalam penentuan massa molekul relatif dan akurat. Dengan demikian arah dan energy yang menyimpang dari populasi ion dapat dikurangi. Fokus ganda didapat darikombinasi yang benar antara medan magnet dan medan listrik. c. Defleksi magnetic focus melingkar (cycloidal – focusing megnetik deflection) Mirip dengan yang telah dibuat untuk pemisah io fokus ganda, dalam fokus melingkar ion – ion dilewatkan medan magnet dan medan listrik dengan alur hampir



melingkar. Jari – jari lingkaran yang kecil dan medan magnet kecil yang digunakan tidak mengurangi resolusi tinggo yang dapat dicapai dengan desain semacam ini. d. Pemisah ion waktu terbang (time of flight, TOF mass analyzer) Dalam analis massa atau pemisah ion tipe TOF ini, modifikasi telah dilakukan sejak ion – ion berada dalam kamar ionisasi. Ion – ion positif akan dihasilkan secara periodik dari bombardir sampel menggunakan pulsa – pulsa electron atau ion sekunder, atau foton foton yang dihasilkan dari laser.ion – ion yang dihasilkan ini kemudian diakselerasi oleh denyutan (pulse) medan listrik yang sama frekuensinya dengan pulsa ionisasi. Partikel – partikel yang terakselerasi ini kemudian dilewatkan tabung laying (drift tube) yang bebas medan. Tabung ini lumayan panjang untuk member kesempatan ion – ion dengan massa berbeda – beda terbang menempuh jarak yang berbeda – beda. Hal itu disebabkan karena semua ion yang memasuki tabung mempunyai energy kinetik yang sama, maka lama kelamaan kecepatan masing – masing ion yang massanya berbeda akan berbeda pula. Partikel yang lebih ringan akan memiliki kecepatan besar dan mencapai detector terlebih dahulu daripada partikel yang bermassa besar. e. Filter massa kuadropolar (quadropolar mass – filter) Analis massa kuadropolar adalah yang paling popular digunakan untuk spectrometer massa dewasa ini. Waktu operasinya cepat karena pemindaian dilakukan dengan cepat sehingga waktu untuk percobaan menjadi singkat dan kerja menjadi efektif. Selain itu, instrument ini lebih rendah harganya. Sector magnet dalam instrument ini mempunyai fungsi seperti prisma atau kisi yang memisahkan panjang gelombang dalam spektroskopi optik. Sector magnetic akan mendispersikan ion – ion berdasarkan perbandingan m/z. namun sebuah kuadropolar secara selektof akan menghilangkan ion – ion, maka kuadropolar juga sering disebut sebagai filter massa (mass filter). f. Analis massa jebakan ion (ion trap analyzer) Medan magnet atau medan listrik di dalam alat ini menjebak ion – ion gas untuk beberapa saat. Peralatan ini terdiri dari sebuah cincin elektroda berbentuk seperti donat dan sepasang elektroda yang dilengkapi penutupnya. Tegangan radiofrekuensi yang berubah – ubah diberikan kepada elektroda cincin ini sementara kedua elektroda



dibumikan. Ion – ion dari kamar ionisasi dengan bermacam – macam harga m/z akan bersirkulasi daam orbit yang stabil dalam rongga cincin tadi. Jika tegangan radio frekuensi dinaikkan, maka orbit dari ion yang lebih berat akan menjadi stabil sementara orbit ion yang lebih ringan menjadi tidak stabil. Dengan demikian akan terjadi tumbukan dengan dinding dari cincin elektroda.



4. Detektor Dalam spektroskopi massa, detector disebut juga kolektor ion atau pengumpul io, yang mengumpulkan ion – ion selepas proses dalam pemisah ion. Ada beberapa jenis detector tersedia dalam spektrometer massa. Ada dua jenis pengumpul ion yang selalu digunakan dalam instrumentasi modern, yaitu jenis elektronis yang bergantung pada sinyal yang berasal dari eksperimen dan diubah serta diolah lebih lanjut, dan jenis fotografis yang mengandalkan plat foto yang peka terhadap sinyal yang dihasilkan. Dalm pengumpul ion elektronik, ion – ion dikumpulkan oleh electron multiplier, dimana sinyal diamplifikasi dahulu sebelum dicatat oleh macam – macam pencatat seperti plat foto atau komputer kecil. Di lain pihak pada pengumpul ion fotografis, plat foto berisi lapisan film yang peka, kemudian dibiarkan dalam kontak dengan berkas ion dalam interval yang telah ditentukan,. Rapatan endapan perak yang dihasilkan pada pelat foto ini menunjukkan jumlah ion yang sampai pada plat. Adapun perhitungan dengan menggunakan konversi menjadi profil intensitas puncak atau luas area dibawah puncak digunakan dengan bantuan densitometer untuk mengkalibrasi kadar kehitaman pada pelat foto. Hasil akhir dari spectrum massa berupa rangkaian puncak. Puncak pada ratio m/z yang sesuai untuk masing – masing ion. Pengumpul ion piala Faraday (Faraday cup) seringkali menjadi pilihan karena harganya tidak mahal. Tipe lain dari detector adalah pengumpul fotografis, dimana berkas ion diarahkan pada plat foto dan akan tercetak di sana. Detektor macam ini digunakan pada spectrometer kuno. 2.2 TEKNIK PENANGANAN DAN IONISASI SAMPEL Sampel yang akan dianalisis dimasukkan pada tempat pengionan dalam alat spektroskopi massa. Sampel dapat berupa gas, padatan, dan larutan sesuai dengan wujud sampel dan



teknik ionisasi yang dipilih. Beberapa teknik ionisasi yang lazim dilakukan akan dibahas berikut ini. a. Tumbukan Elektron (Electron Impact / EI) Dalam ruang pengionan, uap sampel ditumbuk dengan elektron berenergi tinggi (70 ev). Energi yang diserap molekul sampel akan mendorong pelepasan/ pengionan elektron dari orbital ikatan dan orbital anti-ikatan. Energi ditransfer kearah pembentukan ion melalui proses tumbukan seperti terlihat pada persamaan reaksi berikut : A-B-C +



e-



→



A-B-C+



+ 2 e-



Metode ini banyak digunakan untuk sampel yang volatil dan stabil pada temperatur tinggi. Sacara umum, spektroskopi massa dengan metode tumbukan elektron yang menghasilkan ion positif (kation) lebih disukai dibandingkan yang menghasilkan ion negatif (anion). Selain itu, literatur dengan pola-pola fragmentasi ion positif sebagai referensi telah banyak dipublikasikan. b. Ionisasi Kimia (Chemical Ionization / CI) Ion yang akan dianalisa diproduksi melalui transfer suatu partikel (H+, H-, dan lebih berat) hasil pengionan suatu reaktan berupa gas yang lebih berat ke dalam sampel. Umumnya reaktan yang digunakan adalah gas metana pada tekanan 0,2-2,0 torr (27-270 pascal). Mula-mula metana (CH4) diionkan melalui proses tumbukan elektron menghasilkan ion CH4+ . Selanjutnya ion tersebut bereaksi dengan molekul netral metana yang lain menghasilkan asam Bronsted yang kuat untuk bereaksi dengan molekul sampel melalui transfer proton. e-



→



CH4+



+



2 e-



CH4+ +



CH4



→



CH5+



+



CH3



CH3+ +



CH4



→



C2H5+



+



H2



CH5+ +



A-B-C →



HABC+



+



CH4



C2H5+ +



A-B-C →



HABC+



+



C2H4



CH4



+



Gas lain yang juga sering digunakan adalah hidrogen (H2), uap air (H2O), ammonia (NH3), dan isobutana (C4H10). Dalam gas-gas ini, ion yang reaktif adalah H3+, H2O+, NH3+ dan C4H10+. Energi yang ditransfer pada proses ionisasi dengan metode ini berkisar 10-50 kkal/mol atau 40-200 kJ/mol, jumlah energi yang cukup kuat untuk proses fragmentasi, namun fragmentasi yang terjadi lebih sedikit dari metode tumbukan elektron. c. Ionisasi Elektrospray (Electrospray Ionisation / ESI) Suatu larutan disemprotkan melalui pipa berdiameter sangat kecil kedalam ruang vakum dengan medan listrik bergradient beberapa ratus hingga ribuan volt per centimeter, menghasilkan ion gas dari solut. ESI merupakan tehnik MS yang mampu menghasilkan fraksi besar dari fragmen-fragmen molekul organik atau analit biologis. Karena MS mengukur rasio massa terhadap muatan ion, metode ini memberikan keuntungan dalam menganalisa massa yang sangat tinggi tanpa perlu instrument analisis massa yang khusus. Sebagai contoh, suatu ion dengan massa 120.000 dalton membawa 60 muatan positif muncul pada 2000 massa per muatan. Metode ini telah digunakan untuk mengukur massa ion dari molekul hingga 200.000 dalton, seperti protein.



d. Pengeboman Atom Cepat (Fast Atom Bombardment / FAB) FAB merupakan suatu tehnik ionisasi yang popular untuk molekul non-volatil dan atau labil terhadap temperatur tinggi. Baik digunakan untuk molekul polar dan molekul dengan berat molekul tinggi. Umumnya FAB menggunakan uap atom netral berkecepatan tinggi seperti Argon dan Xenon pada 8 kV. Sampel yang dianalisa dapat berupa padatan atau sampel yang dilarutkan dalam pelarut kental seperti gliserol. Biasanya ion pseudo molekuler [M+H]+ terbentuk bersama sedikit ion fragmen dengan massa yang lebih rendah.



e. Desorpsi Medan (Field Desorption / FD) Untuk material yang kurang volatil, ionisasi biasanya dilakukan dekat permukaan elektroda melalui gradient medan listrik yang sangat tinggi (beberapa volt per angstrom). Awan elektron dalam molekul didistorsi dan bagian molekul yang mengandung kelebihan elektron berperan sebagai anoda. Ion yang terbentuk akan ditolak oleh anoda. Lifetime



dari ion ini sangat singkat dibandingkan dengan ion hasil tumbukan electron. Karena sedikit energi yang ditransfer berupa energi dalam dan ion bergerak sangat cepat, dan fragmentasinya sangat sedikit, maka berat molekul sangat mudah dideteksi.



f. Ionisasi Matriks yang Didukung Desorpsi Laser (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization / MALDI) Metode ini baik digunakan untuk sampel dengan berat molekul lebih besar dari 700.000, dan tehnik ini telah digunakan untuk menentukan berat molekul dari molekul biologi besar yang bersifat polar, seperti enzim, analisa interaksi antibodi. Sampel berupa matriks organik atau dibuat dalam matrik organic (asam sinapinat biasanya untuk sampel protein), dioleskan pada permukaan suatu lempeng, selanjutnya diradiasi dengan sinar laser (N2  337 nm) . MALDI adalah metode ionisasi yang lemah dan fragmentasi ion sampel jarang terjadi. Ion yang dihasilkan biasanya berupa ion molekuler sehingga spektra yang dihasilkan sangat sederhana.



g. Ionisasi Kimia pada Tekanan Atmosfer (Atmospheric Pressure Chemical Ionzation, APCI) Teknik ini pada dasarnya mirip bahkan boleh disebut sama dengan CI, namun prosesnya berlangsung pada tekanan rendah (tekanan atmosfer). Karena sangat mirip dengan CI, pereaksi gas menjadi terprotonasi dan dapat bertindak sebagai asam terhadap analit, yang selanjutnya menghasilkan penambahan suatu proton. Pada teknik ini juga dibentuk spesies moda ion positif, yakni [M+H]+. Dalam kasus moda ion negatif, gas pereaksi bertindak sebagai basa terhadap analit, terjadi deprotonasi dan menghasilkan spesies [M-H]-. Ion – ion ini terbentuk, selanjutnya disalurkan menuju ruang penganalisis (mass analyzer pada instrumen MS) dengan menggunakan potensial listrik. APCI juga dimanfaatkan pada sistem LC-MS.



h. Ionisasi Medan (Field Ionization / FI) Metode ini memerlukan kepekaan sampel dalam fasa gas yang cukup memadai. Dengan teknik ini molekul sampel yang berwujud gas menghampiri suatu logam dengan permukaan meruncing yang memiliki potensial sangat tinggi (108 V/cm) sehingga menyebabkan terjdinya “terowongan / saluran“ dari molekul sampel ke permukaan logam. Proses ini terjadi tanpa adanya eksitasi molekul – molekul sampel dan karena ion molekul segera dipercepat, maka rentang waktu untuk analisis jauh lebih pendek dibandingkan dengan teknik EI maupun CI. Oleh karenanya, fragmentasi lebih sedikit dan puncak ion molekul menjadi lebih kuat. 2.3 POLA FRAGMENTASI DAN CARA MENGINTERPRETASI SPEKTRA PADA SPEKTROSKOPI MASSA 1.



Spektrum Massa Spectrum massa yang sering didapat dari spectrometer massa biasanya berupa diagram garis, dimana semua puncak dinormalkan terhadap puncak tertinggi, yakni puncak dasar (base peak) yang mempunyai intensitas 100% atau 1. Ada beberapa pedoman yang digunakan untuk menyatakan spectrum, yakni dengan pedoman puncak terbesar atau puncak yang berasal dari molekul induk, atau puncak fragmen – fragmen. Semuanya ini tergantung pada metode ionisasi yang digunakan dan dengan demikian juga spectrum yang dihasilkan. Spectrum massa adalah hasil akhir dari proses spektroskopi massa dalam bentuk grafik intensitas melawan m/z. Dalam spektroskopi massa tinggi puncak proporsional terhadap jumlah ion yang terekam detektor. a. Ion molekul / puncak induk molecular ion / parent peak) Didapat dari proses ionisasi dengan bombardier electron 9 – 15 cV. Pada dasarnya ion molekul dihasilkan dari molekul yang kehilangan satu electron (M+.). Spectrum yang dihasilkan sangat sederhana yang biasanya terdiri dari satu puncak dominan yakni puncak induk (parent peak). Kadang – kadang spectrum juga menunjukkan puncak – punncak kecil lain dari isotop atom yang dimiliki molekul sample (M+1)+. bahkan (M+2)+.. Ion molekul menempati posisi paling kanan pada spektrumnya. Intensitas puncak ion molekul tergantung pada kestabilan ion molekulnya.



b. Puncak dasar (base peak) Dihasilkan dengan bombardir electron 70 eV dimana molekul awal akan terpecah menjadi bebrapa fragmen. Biasanya puncak dari fragmen – fragmen ini kecil – kecil, namun yang tertinggi disebut base peak dan puncak – puncak lain dihitung tingginya berdasarkan puncak dasar ini. c. Puncak fragmentasi (fragmentasi peaks) Merupakan puncak – puncak jenis yang berbeda dengan yang diterangkan sebelumnya. Dalam keadaan biasa, ion molekul biasanya tertinggal dengan kelebihan energy. Energy dan muatan akan mengalami delokalisasi dalam cleavages dengan atau tanpa rearrangement. Salah satu dari fragmen – fragmen ini akan mempertahankan muatannya dan yang lain dapat menjadi molekul atau bahkan radikal. d. Ion metastabil Merupakan ion – ion yang terjadi di dalam kamar ionisasi sebelum memasuki tube pemisah ion. Ion – ion yang terjadi setelah akselerasi tidak mempunyai energi kinetik yang sama dengan ion molekul atau ion hasil fragmentasi asalnya. Ion metastabil ini tampak dalam spectrum sebagai ion yang mempunyai nomor massa non – integral (bilangan pecahan).



2. Interpretasi Spektrum Massa Untuk tujuan penentuan struktur, berbagai macam puncak dapat dikesampingkan, terutama yang diduga bukan sebagai ion molekul. Dalam hal yang demikian, aturan berikut dapat digunakan sebagai alat bantu. a. Aturan nitrogen Dalam identifikasi suatu rumus molekul maka aturan nitrogen sangat banyak memberikan bantuan. Aturan nitrogen menyatakan bahwa suatu molekul yang berat molekulnya genap, tidak mungkin mengandung nitrogen, kalaupun mengandung nitrogen maka jumlah nitrogennya harus genap. Dari sini dapat kita simpulkan bahwa, pecahan kolekul-molekul biasanya bermasa ganjil kecuali kalau terjadi rearrangement (penataan ulang).



b. Aturan elektron genap Aturan elektron genap menyatakan bahwa species-species elektron genap biasanya tidak akan pecah menjadi dua species yang mengandung elektron ganjil, ia tidak akan pecah menjadi radikal dan ion radikal, karena tenaga total dari campuran ini akan sangat tinggi. c. Jumlah ketidakjenuhan Jumlah ketidakjenuhan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : Jumlah ketidakjenuhan = Karbon + (hidrogen /2) - (halogen /2) + (nitrogen trivalent /2).



3. Pola Fragmentasi Setiap Golongan Senyawa Organik a. Alkana Puncak ion molekuler alkana rantai terbuka selalu muncul tetapi intensitasnya semakin rendah seiring dngan bertambahnya panjang rantai.



Pola fragmentasinya ditandai



dengan puncak-puncak dengan slisih massa 14 (CH2) yaitu m/z 29, 43, 57, 71, 84, ... seterusnya. Setiap puncak umumnya memiliki /z = 14n + 1, dimana fragmen yang paling tinggi pada C3 dan C4, serta puncak seterusnyaakan terus berkurang secara bertahap.



Pola fragmentasi alkana bercabang memiliki kemiripan dengan alkana terbuka, hanya saja pola perbahan puncak dengan selisih m/z 14 hilang karena adanya fragmentasi yang dominan padapercabangan.



Gambar 3.3 Spektra massa 2,3-dimetilbutana



+ CH3



CH



CH



CH3



CH3



CH3



-e



CH3



CH



CH



CH3



CH3



[M]



CH3



CH + CH3



m/z 43



.



CH3



+



CH3



CH



CH +



CH3



CH3



m/z 71



Intensitas puncak ion molekuler alkana dengan rantai bercabang cenderung lebih rendah dibandingan alkana tak bercabang. Hal ini mengindikasikan tingginya tingkat kestabilan karbokation yang dihailkan dari fragmentasi pada percabangan rantai, sehingga mendukung proses fragmentasidari ion molekuler. Sementara alkana siklik cenderung memiliki puncak ion molekuler yang tinggi. Seperti terlihat pada spektra n-heksana, 2metilpentana dan sikloheksana berikut.



Gamabar 3.4 Spektra massa n-heksana



Gambar 3.5 Spektra massa 2-metil-pentana



Gambar 3.6 Spektra massa sikloheksana



Pola fragmentasi alkana siklik mirip dengan alkana pada umumnya dengan pengurangan massa sesuai dengan deret homolog alkana. Puncak dasar fragmentasi sikloalkana adalah hasil pelepasan etena (C2H4) atau m/z [M-28]+ seperti puncak pada m/z 56 dari sikloheksana. Bila alkana siklik memiliki cabang atau rantai samping, pemutusan cabang merupakan pola fragmentasi yang paling favorit.



b. Alkena Puncak ion molekuler alkena khususnya polialkena selalu muncul. Alkena rantai terbuka memiliki ciri mirip dengan alkana, dimana puncak-puncak dengan selisih massa 14 akan muncul. Puncak dengan massa CnH2n-1 dan CnH2n akan lebih tampak dibandingkan puncak CnH2n+1 . Fragmentasi allilik dan vinilik akan terlihat nyata. Puncak-puncak yang lazim terlihat adalah m/z 27, 41, 55, 69, 83, ....dan seterusnya. Pada spektra massa 2pentena terlihat puncak pada m/z 41 dan 55 hasil dari fragmentasi pelepasan etil dan metil.



CH



CH



R



-e



CH3



CH2



CH



.



CH2



+



CH



R



[ M ]+



- .CH3



- .CH2CH3 + CH



+



CH3



CH



R



CH2



[ M - 29 ]+



Gambar 3.7 Spektra massa 2-pentena



CH



CH



[ M -15 ]+



R



Ciri khas fragmentasi sikloalkena merupakan kebalikan reaksi Diels-Alder, yaitu pemcahan cincin menghasilkan suatu diena dan dienofil. Hal ini dibuktikan dengan munculnya puncak m/z 68 pada spektra massa limonen.



+



.



+



. +



+



.



+



. +



m/z 68 limonen



c. Alkuna Spektra massa alkuna mirip dengan alkena. Intensitas puncak ion molekuler cukup tinggi dan pola fragmentasinya mirip dengan alkena. Pemutusan ikatan C – C dari karbon yang terikat langsung ke C ≡ C dan pelepasan H dari alkuna terminal sangat lazim dijumpai.



H



C



C



CH 2



R



.H



+



. .R



+ H



C



C



CH 2



CH 2



R



+ C



C



+ H



C



C



CH 2



Spektra massa 2-pentuna menunjukkan puncak ion molekuler pada m/z 68 dengan intesitas yang cukup tinggi. Pelepasan radikal hidrogen dari C-1 menghasilkan puncak pada m/z 67. Dengan pola yang sama, pelepasan radikal metil akan menghasilkan puncak pada m/z 53.



Gambar 3.8 Spektra massa 2-pentuna d. Alkohol Puncak ion molekuler alkohol primer dan sekunder muncul dengan intensitas yang sangat rendah, bahkan tidak muncul untuk alkohol tersier. Pemutusan ikatan C – C dekat atom oksigen pada alkohol primer akan menghasilkan puncak dengan m/z 31 (CH2=OH)+ . Alkohol sekunder dengan pola fragmentasi yang sama akan menghasilkan puncak dengan m/z 45, 59, 73, ... seterusnya tergantung panjang rantai karbon, sementara alkohol tersier menghasilkan puncak mulai m/z 59, 73, ... seterusnya. R" CH 2 R



C



.+ OH



.



R



C



+ OH



- CH2R" R'



R'



Alkohol primer R dan R' = H m/z = 31 Alkohol sekunder R/R' salah satu = H m/z = 45, 59, 73,.... Alkohol tersier R/R' bukan = H m/z = 59, 73,....



Alkohol rantai panjang biasanya menghasilkan puncak M-18 akibat pelepasan H2O dan puncak [M-(H2O + alkena)]+.



.



H



- H2O H2C



CH2 C H2



- CH2=CH2



.



CHR



+



OH



+



RHC



CH2 [M - (18+ALKENA)]+



Spektra 2-pentanol menunjukkan puncak-puncak pada m/z 45 dan 74 hasil dari pelepasan C3H9 dan CH3. Sementara puncak ion molekuler muncul dengan intensitas yang sangat rendah.



Gambar 3.9 Spektra massa 2-pentanol Alkohol siklik seperti sikloheksanol akan mengalami fragmentasi sekurang-kurangnya dengan tiga skema yang berbeda, yaitu :



H



OH



OH



.H



(1)



m/z 99



H



OH



OH



OH H



(2)



OH H CH 2



H



.



H



H



H CH 3



m/z 57



H CH 3



H



(3)



OH H2O



+



m/z 82



Gambar 3.10 Spektra massa sikloheksanol



e. Eter Eter alifatik memiliki intensitas puncak ion molekuler yang lebih rendah dibandingkan alkohol dengan berat molekul yang sama. Pola fragmentasi eter hampir mirip dengan alkohol seperti pemutusan ikatan C - C dan penataan ulang dengan pemutusan ikatan C - H. Pola fragmentasi eter menghasilkan m/z mulai 31, 45, 59, 73, dan seterusnya tergantung panjangnya rantai alkil.



R



CH 2



O



R



.R



CH 2



O



R



R



CH



H R



CH



O



CH 2



CH



R



OH



+



CH 2



CH



R



Spektra massa dietileter menunjukkan puncak ion molekuler pada m/z 74. Hasil fragmentasi pelepasan CH3 pada m/z 69. sementara puncak 45 dan 31 merupakan hasil fragmentasi lanjutan dari puncak [M-15] melalui pelepasan CH2=CH2 diikuti dengan :CH2 .



Gambar 3.11 Spektra massa dietileter



f. Aldehid Puncak ion molekuler aldehid biasanya mucul walaupun intensitasnya lemah. Pemutusan ikatan C – C dan C – H dari C karbonil atau yang lazim disebut pemutusan  (-cleavage) lazim terjadi menghasilkan puncak fragmen dengan m/z [M-H]+ dan [M-R]+ atau [CHO]+. Selain, itu pemutusan  juga merupakan model fragmentasi yang penting menghasilkan fragmen R+ atau senilai [M-43]+.



O



O



.H



(1) R



C



R



H



C [M-1]+ O



O



.R



(2) R



C



C



H



H



m/z 29



O



(3) R



CH 2



O



C



R



H



+



[M-43]



+



CH 2



C



H



+



Aldehid rantai panjang dapat mengalami fragmentasi yang disebut dengan penataan ulang McLafferty. Aldehid tidak bercabang akan menghasilkan puncak pada m/z 44. Puncak hasil penataan ulang ini biasanya menjadi puncak dasar.



H



R



H



O



R



O



+ C H



CH 2 C H2



C H



CH 2 CH 2



m/z 44



Selain aldehid, penataan ulang McLafferty dapat terjadi pada semua senyawa karbonil seperi keton, asam karboksilat, ester, dan amida yang memiliki panjang rantai minimum 4 atom karbon dan atom C ke-4 harus mengikat atom H.



Gambar 3.12 Spektra massa pentanaldehid Spektra massa pentanaldehid diatas menunjukkan puncak pada m/z 29 dan 44 yang merupakan hasil fragmentasi C dengan C karbonil, serta hasil penataan ulang McLafferty. g. Keton Puncak ion molekuler dari keton biasanya umumnya muncul walaupun intensitasnya tidak begitu tinggi. Pola fragmentasi keton asiklik hampir mirip dengan aldehid, yaitu pemutusan ikatan C dengan C karbonil. Bila ukuran kedua gugus alkil yang mengapit C karbonil tidak sama, maka lepasnya gugus alkil yang lebih besar akan lebih disukai sehingga intensitas puncaknya umumnya lebih tinggi. Bila rantai karbon keton memiliki jumlah atom C4, maka puncak hasil penataan ulang McLafferty akan teramati.



Gambar 3.13 Spektra massa 2-pentanon Puncak ion molekuler 2-pentanon terlihat cukup tinggi intensitasnya pada m/z 86. Sementara puncak pada m/z 43 dan 71 merupakan hasil pemecahan C dengan C karbonil, dimana intensitas puncak hasil pelepasan rantai propil lebih tinggi dibandingkan pelepasan rantai metil. Puncak pada m/z 58 merupakan hasil penataan ulang McLafferty. Keton siklik mengalami variasi fragmentasi dan penataan ulang. Sebagai contoh adalah spektra massa sikloheksanon dibawah ini.



Gambar 3.14 Spektra massa sikloheksanon Munculnya puncak-puncak pada m/z 98, 83,70, 55, dan 42 dapat dijelaskan melalui beberapa variasi fragmentasi dan penataan ulang.



O



O



O CH 2



m/z 98



m/z 98



CO



CH 2



CH 2



CH 2



m/z 70



m/z 42



O



O



O



C2H4



H H



H



CH 3



CH 2



m/z 55



m/z 98



m/z 98



C3H7



O



O



H CH 3 CH 3



m/z 98



m/z 83



h. Asam Karboksilat Puncak ion molekuler asam karboksilat biasanya muncul, walaupun pada senyawa tertentu intensitasnya rendah atau bahkan tidak teramati. Pemecahan  (ikatan C dengan C=O) yang lazim dijumpai pada senyawa karbonil juga akan teramati pada senyawa ini. Spektra masssa asam butanoat dibawah ini menunjukkan puncak ion molekuler yang lemah pada m/z 88. Sementara puncak pada m/z 71, 45, dan 43 merupakan hasil pemecahan . Penataan ulang McLafferty juga terjadi pada asam butanoat dengan munculnya puncak pada m/z 60 dengan intensitas tertinggi.



Gambar 3.15 Spektra massa asam butanoat i. Ester Pola fragmentasi ester serupa dengan asam karboksilat. Selain pemecahan , penataan ualng McLafferty lazim terjadi pada ester. Etil butanoat menunjukkan puncak ion molekuler dengan intensitas lemah pada m/z 116. Pemecahan  akan menghasilkan puncak-puncak pada m/z 43, 45, 71 dan 73. Sementara penataan ulang McLafferty menghasilkan puncak pada m/z 88.



Ester etil dari asam-p-hidroksibenzoat lazim mengalami pemecahan  (melapas radikal etoksi) menghasilkan puncak pada m/z 121 dengan intensitas yang sangat tinggi. Fragmen ini memiliki kestabilan yang tinggi karena resonansi ke cincin aromatik.



Gambar 3.16 Spektra massa etilbutanoat



Gambar 3.17 Spektra massa etil-p-hidroksibenzoat



j. Amina Harga m/z dari ion molekuler amina sangat bermanfaat dalam mengidentifikasi banyaknya atom N dalam senyawa amina. Amina dengan jumlah atom N ganjil akan memiliki ion molekuler dengan harga m/z ganjil, sementara senyawa yang jumlah atom N-nya genap akan memiliki harga yang genap pula. Sayangnya, puncak ion molekuler amina intensitasnya sangat lemah bahkan jarang muncul. Intensitas puncak tertinggi biasanya berasal dari hasil pemecahan . Sementara amina rantai panjang lazim membentuk fragmen siklik 6 atom (n=4). R R'



C R''



.



R'



+ N



- .R



R' R'



C R''



R''



+ N R''



Jika semua R = H m/z = 30



R



.



+ NH 2



CH2



- .R



+ NH



H2C



(CH2)n



Gambar 3.18 Spektra massa heksilamina



(CH2)n



k. Hidrokarbon Aromatik Jika ada gugus alkil yang terikat pada cincin benzena, fragmentasi lazimnya terjadi pada posisi benzilik membentuk fragmen dengan m/z 91 (C7H7+). Bila panjang rantai alkil lebih besar atau terdiri dari 3 atom karbon, fragmen massa hasil penataan ulang McLafferty akan teramati.



CH 2



Karbokation benzil m/z 91



Ion tropilium m/z 91



CH 3 CH



CH 3



CH 3



CH 3



CH CH 3



m/z 105



CH 2 CH 2 H H



H CH 3



H



+ H



CH 3



m/z 92



l. Alkil halida Intensitas puncak ion molekuler senyawa alkil halida alifatik bervariasi, dimana alkil iodida memiliki intensitas ternggi dan alkil fluorida terendah. Intensitas puncak ion molekuler akan berkurang seiring dengan bertambahnya ukuran gugus atau cabang pada posisi  . Pola fragmentasi yang paling penting dari alkil halida terutama alkil iodida dan alkil bromida adalah lepasnya atom halida dan meninggalkan carbokation pada rantai alkil. Hal ini mudah terjadi karena iodida dan bromida merupakan gugus pergi yang baik. Karbokation yang



terbentuk biasanya mengalami fragmentasi lebih lanjut. Sebaliknya pola fragmentasi pelepasan halida sangat jarang terjadi pada alkil klorida, dan bahkan tidak terjadi pada alkil fluorida. Pada kedua alkil halida ini (Cl dan F) lazimnya terjadi pelepasan HX.



R



H



X



CH



CH 2



HX R



CH



CH 2



Pola fragmentasi pemecahan  pada lakil halida juga sering terjadi. Bila pada posisi  terdapat percabangan, maka lepasnya gugus yang lebih besar umumnya lebih lazim terjadi. Puncak yang dihasilkan dari pemecahan  umumnya cukup lemah.



R R



CH 2



X



CH 2



X



Untuk alkil klorida dan alkil bromida rantai panjang, pembentukan fragmen siklik 5 atom lazim terjadi dengan melepas sisa rantai dalam bentuk radikal.



.



+



+



R



Cl



Cl



CH2 H2C



CH2 CH2



- .R



H2C H2C



CH2 CH2



Puncak ion molekuler dan pola fragmentasi senyawa alkil halida cukup unik sehingga memudahkan dalam proses identifikasi. Fluorida dan iodida tidak memiliki isotop, sementara klorida dan bromida memiliki isotop dengan kelimpahan yang berbeda-beda mudah dibedakan. Puncak ion molekuler [M]+ alkil fluorida dan alkil iodida berupa puncak tunggal, sementara untuk alkil klorida dan alkil bromida akan muncul [M]+ dan [M+2]+ bila mengandung satu atom Cl atau Br. Serta akan lebih kompleks bila jumlah atom Cl dan atau



Br bertambah. Selain itu, perbandingan intensitas puncak-puncak ion molekuler juga akan lebih kompleks, seperti tertera pada Tabel 3.2. Tabel 3.2 Hubungan Jumlah dan Jenis Atom Halogen dengan Prosentase Intensitas Puncak Ion Molekuler Atom Halogen



Intensitas Relatif Puncak Ion Molekuler (%) [M]



+



[M+2]



+



[M+4]



+



[M+6]



+



[M+8]



+



+



[M+10]



Br



100



97,2



2 Br



100



195,0



95,5



3 Br



100



293,0



286,0



Cl



100



32,6



2 Cl



100



65,3



10,6



3 Cl



100



97,8



31,9



3,47



4 Cl



100



131,0



63,9



14,0



1,2



5 Cl



100



163,0



106,0



34,7



5,7



0,4



6 Cl



100



196,0



161,0



69,4



17,0



2,2



Br Cl



100



130,0



31,9



2 Br 1 Cl



100



228,0



159,0



31,2



2 Cl 1 Br



100



163,0



74,4



10,4



[M+12]



+



93,4



Keterangan : Angka-angka pada kolom 1 mewakili jumlah atom dalam molekul



0,1



BAB III PENUTUP 3.1 KESIMPULAN Spektroskopi massa adalah sebuah metode analisis senyawa kimia berdasarkan pola fragmentasi molekulnya jika senyawa dipecah – pecah dalam kamar ionisasi. Pola – pola pecahan senyawa biasanya khas untuk tiap senyawa dan untuk tia metode ionisasi. Informasi yang didapat cukup akurat. Spectrometer massa terdiri dari 3 bagian utama. Kamar dan metode ionisasi menentukan bagaimana molekul terpecah menjadi fragmne – fragmennya. Analisis massa atau pemisah ion menentukan kejelasan spectrum yang didapat dan dengan demikian juga memperjelas analisis. Detektor mempunyai prinsip hampir sama dengan analis massa, yakni menentukan kejelasan informasi yang didapat dari spectrum mengenai senyawa kimia yang menjadi sampel. Setiap golongan senyawa kimia memberikan spectrum yang mempunyai karakter masing – masing. Dengan demikian analisis dapat dilakukan dengan meneliti spectrum yang ada atau menggali data dari percobaan dan spectra yang telah diambil sebelumnya, spectrometer massa modern dilengkapi dengan ‘library’ spectrum dan juga peranti lunak yang sangat membantu penampilan spectra.



DAFTAR PUSTAKA



Wonorahardjo, Surjani. 2013. Handout Pengantar Kimia Analitik Modern. Universitas Negeri Malang Wahjudi dan Parlan. 2000. Kimia Organik II (Bagian A). Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang: JICA-IMSTEP Wahjudi dan Parlan. 2000. Kimia Organik II (Bagian B). Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang: JICA-IMSTEP Sutrisno. 2011. Spektroskopi Molekul Organik. Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang: Cakrawala Indonesia