Pengantar Analisis Instrumental [PDF]

Citation preview

KIMIA ANALISIS Kualitatif Berdasarkan Tujuan



KIMIA ANALISIS



KIMIA ANALISIS Kuantitatif



KONVENSIONAL



 GRAVIMETRI  VOLUMETRI



Berdasarkan Metode



 SPEKTROSKOPI INSTRUMENTAL



 KROMATOGRAFI  TERMAL ANALISIS  ELEKTROANALISIS



KIMIA ANALISIS INSTRUMENTAL



Bagian dari Kimia Analisis yang mempelajari metode Analisis Kimia berdasarkan pada sifat-sifat fisikakimia analit dengan menggunakan alat-alat / instrumen modern



Berdasarkan Sifat - Fisika yang dideteksi :  Interaksi dengan REM → SPEKTROSKOPI :



Spektrofotometri UV-Vis, Spektrofotometri IR, Spektrometri AAS, NMR, MS Interaksi dengan Thermal → THERMAL ANALISIS TGA, DSC Sifat listrik / elektron → ELEKTROANALISIS



Dalam Kuliah Kimia Analisis Instrumental ( 2 SKS ) Dibahas Hanya “SPEKTROSKOPI “, dengan Materi :    



PENDAHULUAN / Pengantar REM Spektrosfotometri UV-Vis Spektrofotometri IR



 AAS & FES  NMR  MS



ANALISIS INSTRUMEN PENDAHULUAN



Sudiarta



Definisi  ANALISIS, meliputi 3 aspek secara komprehensif:



1. Pengumpulan data 2. Proses pengolahan data, interpretasi 3. Judgement, pengambilan keputusan/kesimpulan Sudiarta



Analisis Instrumen



Klasifikasi Metode Analitik



Analisis Instrumen



• Kimia Analisis adalah ilmu untuk mengidentifikasi jenis komponen dalam suatu sampel (analisis kualitatif) dan menetapkan jumlah relatif masingmasing komponen (analisis kuantitatif). • Umumnya, tahap pemisahan diperlukan untuk mengisolasi komponen dalam sampel yang dianalisis. • Metode yang digunakan dibedakan dalan 2 golongan, yaitu: – Metode Klasik – Metode Instrumental



Sudiarta



Klasifikasi Metode Analitik  METODE KLASIK



Analisis Instrumen



— disebut juga metode basah



1. Pemisahan Analit — ekstraksi, destilasi, presipitasi (pengendapan), filtrasi (penyaringan), dll. 2. Analisis Kualitatif — titik didih, titik beku, warna, bau, densitas, reaktivitas, indeks bias, dll. 3. Analisis Kuantitatif gravimetri dan volumetri. Sudiarta



—



analisis



Klasifikasi Metode Analitik



Analisis Instrumen



 METODE INSTRUMENTAL mengeksploitasi sifat fisik suatu analit untuk memperoleh informasi, baik kualitatif maupun kuantitatif. 1.Pemisahan Analit — dapat dilakukan dengan 2 cara: a. Pemisahan secara fisik : — kromatografi — elektroforesis b. Pemisahan secara spektroskopik : Sudiarta



mengisolasi sinyal yang muncul secara spektrokskopik



Klasifikasi Metode Analitik



Analisis Instrumen



 METODE INSTRUMENTAL mengeksploitasi sifat fisik suatu analit untuk memperoleh informasi, baik kualitatif maupun kuantitatif. 1.Pemisahan Analit 2.Analisis Kualitatif • • • •



Spektroskopi Spektroskopi Spektroskopi Spektroskopi



X-ray Infrared (IR) massa (MS) magnetik inti (NMR)



3.Analisis Kuantitatif



• Spektroskopi UV-Vis • Spektroskopi absorpsi & emisi atomik (AAS & AES) • Konduktifitas (pH)



Sudiarta



Klasifikasi Metode Analitik JENIS METODE INSTRUMENTAL



Sudiarta



Analisis Instrumen



Pemilihan Metode Analitik



Analisis Instrumen



Untuk menentukan metode analisis yang tepat (terbaik), analis hendaknya menanyakan hal-hal berikut: • • • • • •



Sudiarta



Apakah akurasi diperlukan? Berapa banyak sampel yang tersedia? Berapa rentang konsentrasi yang terdapat dalam sampel? Apakah terdapat komponen dalam sampel yang menyebabkan interferensi? Bagaimana sifat fisik dan kimia dari matriks yang terdapat pada sampel? Berapa banyak sampel yang akan dianalisis?



Analisis Instrumen



Kriteria lain yang perlu untuk dipertimbangkan dalam pemilihan metode analisis: 1. Kecepatan analisis 2. Kemudahan metode analisis 3. Tingkat kemahiran operator 4. Biaya dan ketersediaan peralatan (instrumen) 5. Biaya analisis per sampel



Sudiarta



Analisis Instrumen



Kriteria yang digunakan untuk membandingkan beberapa metode analitik  Precision  Detection Limit    



Absolute standard deviation Relative standard deviation Coefficient of variation Variance



 Accuracy/Bias  Absolute systematic error  Relative systematic error



 Sensitivity  Calibration  Analytical



Sudiarta



 Blank plus three times Std. Dev. of blank



 Dynamic Range  Limit of Quantitation (LOQ)  Limit of Linearity (LOL)



 Selectivity  Effects of interferences  Coefficient of Selectivity



Analisis Instrumen



1. PRECISION Mengukur reprodusibilitas dari satu set penetapan. N



_



 ( x  x) i



a) Absolute standard deviation (s)



s



b) Relative standard deviation (RSD)



s  RSD _ x



c) Coefficient of variance (CV)



s CV  _  100% x



c) Standard error of mean (SE) Sudiarta



2



i 1



N 1



SE  s / n



Analisis Instrumen



2. ACCURACY (BIAS) Mengukur kesalahan dari suatu metode analisis.



Sudiarta



a) Absolute bias (Ea)



Ea  x  



a) Persen bias (% error)



x % Error   100 



Precision and Accuracy



Precision –



Precision +



Precision –



Precision +



Accuracy –



Accuracy –



Accuracy +



Accuracy +



Performance characteristics



Analisis Instrumen



3. SENSITIVITY Kemampuan untuk membedakan pengaruh penambahan konsentrasi terhadap respon S = signal or instrument response instrumen. S  mc  S bl a) Calibration sensitivity (m) Sbl = signal from blank sample c = sample concentration m = calibration sensitivity (slope of calibration curve)



Sm2 Sm1



C



b) Analytical sensitivity ( ) Sudiarta



m   sS



 = analytical sensitivity m = calibration sensitivity sS = std. dev. in signal measurement



Analisis Instrumen



4. DETECTION LIMIT Konsentrasi/massa analit minimal yang masih dapat dideteksi (masih dapat dibedakan dengan noise) oleh suatu metode analisis pada tingkat kepercayaan tertentu (biasanya 95%) a) Minimum detectable signal (Sm)



S m  S avg ,bl  ksbl



Sm = minimum detectable signal Savg,bl = average signal of the blank sbl = standard deviation in the blank signal k = multiple of variation in the blank signal



• The analytical signal must be larger than the blank signal (Savg,bl) by some factor (k) of the standard deviation in the blank (sbl). k is usually set to a value of three.



b) Minimum detectable concentration (cm) • Limit of Detection (LOD) • Expressed in terms of sbl



Sudiarta



cm 



S m  S avg , bl



cm 



m ksbl m



cm = minimum detectable concentration m = slope of the calibration curve



Analisis Instrumen



5. DYNAMIC RANGE a) Limit of quantitation (LOQ)



10 sbl LOQ  m sbl = standard deviation in the blank signal m = slope of the calibration curve



b) Limit of linearity (LOL) Titik dimana kurva kalibrasi sudah tidak linier



Sudiarta



Analisis Instrumen



6. SELECTIVITY Tingkatan dimana suatu metode analisis bebas dari interferensi dari matriks yang terkandung dalam sampel. mA = slope mB = slope



S



S  mAcA  mB cB  mC cC  Sbl kB,A  mB / mA



mC = slope k



C,A



C



A



S  m (c  k c  k c )  S , ,



Sbl



A



cA



Sudiarta



 m /m



cB



cC



A



BA B



CA C



k adalah koefisien selektivitas Nilai k berkisar dari 0 (tidak selektif) hingga angka tertentu. Makin besar k, semakin selektif metode tsb.



bl



Komponen Instrumentasi General Instrument Components



Sudiarta



Analisis Instrumen



SPEKTROSKOPI Spektroskopi merupakan salah satu metoda analisis kimia instrumental yang berdasarkan pada interaksi energi radiasi dengan materi. Di mana sebagai energi adalah radiasi elektromagnetik (REM) dan sebagai materi adalah atom maupun molekul dalam suatu senyawa kimia. Interaksi energi radiasi dengan materi Transmisi; Pemantulan; Pembiasan / hamburan (scattering); Difraksi; Penyerapan (Absorpsi); Emisi; Fluoresensi dan Fosforesensi. Metode analisis : Hamburan : metoda analisis Spektrofotometri Raman Difraksi : metoda Analisis Spektrometri Difraksi Sinar-X. Absorpsi :metoda analisis Spektrofotometri : UV-VIS Infra merah, dan AAS. Absorpsi dan Emisi menyebabkan terjadinya fotoluminisensi : Metode Spektro-fluoresensi dan fosforesensi



Ingin Memahami metoda spektrometri ?, • Pahami REM beserta sifat-sifatnya, • Pahami interaksi radiasi dengan zat / materi, • Pahami prinsip kerja maupun cara penggunaannya. Radiasi Elektromagnetik Dan sifatnya Merupakan suatu bentuk energi yang bergerak melalui suatu ruang dengan kecepatan tinggi, mempunyai dua karakter yaitu sebagai gelombang dan sebagai partikel. Radiasi elektromagnetik terdiri dari komponen listrik dan komponen magnetik yang bergetar / merambat saling tegak lurus satu sama lain dan juga tegak lurus terhadap arah penjalaran radiasi. Pada proses interaksi dengan materi, yang berperan aktif adalah komponen listriknya saja



Sifat-sifat radiasi elektromagnetik, dijelaskan dengan dua teori yang saling melengkapi yaitu teori gelombang dan teori korpuskuler. Radiasi elektromagnetik sebagai Gelombang Radiasi elektromagnetik mempunyai panjang gelombang ( λ), frekuensi ( υ ), amplitudo ( A ), dan kecepatan ( C ). λ adalah jarak antara dua puncak atau dua lembah, dinyatakan dalam satuan : nm, Ǻ. υ adalah banyaknya gelombang yang terjadi per detik, dinyatakan dalam detik-1, Hertz C adalah hasil kali frekuensi dan panjang gelombang, yaitu jarak



Hubungan antara panjang gelombang, frekuensi dan kecepatan :



λ adalah panjang gelombang ( cm ) υ adalah frekuensi, jumlah siklus per detik atau Hertz (Hz), tidak bergantung pada jenis medium C adalah kecepatan radiasi dalam ruang hampa (3 x 1010 cm/detik) _ n adalah indeks bias medium.  Dikenal juga bilangan gelombang ( ), yaitu jumlah _ 1 gelombang setiapsatu  cm atau harga kebalikan dari panjang  gelombang, , cm-1 Angka bilangan gelombang digunakan pada spektrometri infra merah.



Radiasi Elektromagnetik sebagai Partikel Teori Korpuskuler menyatakan bahwa radiasi elektromagnetik merupakan partikel yang mempunyai energi yang disebut dengan foton (photon). Max Planck menyatakan bahwa energi foton berbanding langsung dengan frekuensi radiasi :



E  h  h



C ( n )



dimana, E = energi foton (radiasi), Joule (J) h = tetapan Planck = 6,624 x 10-34 Joule detik Energi juga dinyatakan dalam erg. (1 Joule = 107 erg ) dan elektron volt ( 1 ev = 1,6021 x 10-19 J ) atau dalam Kcal/mol ( 1 ev = 23,06 Kcal/mol ). Radiasi elektromagnetik meliputi banyak panjang gelombang, mulai dari radiasi yang mempunyai frekuensi (energi) yang sangat rendah sampai yang sangat tinggi. Daerah ini disebut dengan spektrum elektromagnetik.



X-Ray



Gammaray



10-11



Spektroskopi Emisi sinar Gamma Transisi Inti (Nuclear)



Vis



UV



10-9



Micro wave



IR



10-7 10-5 PANJANG GELOMBANG, (cm)



Spektroskopi Emisi, Absorpsi Sinar X



Spektroskopi Emisi, Absorpsi, Fluoresensi, UV-Vis



Spektroskopi absorpsi IR, Raman



Transisi elektronik ( kulit lebih dalam)



Transisi elektronik ( Kulit lebih luar)



Transisi Vibrasi molekular



Radio



10-3



10-1



ESR, EPR



101



Spektroskopi NMR



Transisi keadaan spin terinduksi magnetik



Spektrofotometri UV-Vis • Spektroskopi : analisis kimia yang berdasarkan pada interaksi REM dengan materi • Spekt UV-Vis : – REM : Uv-Vis, Materi : molekul / senyawa kompleks, Jenis interaksi : Absorpsi REM – Sesuai dengan Hk Lambert-Beer, Absorbansi berbanding lurus dengan konsentrasi analit dan panjang lintasan yang dilalui REM, A = a.b.C



REM



Warna Komplementer Dua warna jika digabung menghasilkan warna putih



Jika larutan berwarna Biru maka cahaya yang diserap adalah cahaya Kuning, dan yang lainnya diteruskan.



Absorpsi REM oleh larutan • Cahaya Polikromatis



• Cahaya monokromatis Red light is absorbed by the green solution



Light Sources  UV Spectrophotometer 1.



Hydrogen Gas Lamp



2.



Mercury Lamp



Visible Spectrophotometer 1.



Tungsten Lamp



InfraRed (IR) Spectrophotometer



Dispersion Devices



• Non-linear dispersion • Temperature sensitive



• Linear Dispersion • Different orders



Dispersion of polychromatic light with a prism Infrared



Polychromatic Ray



PRISM



Red Orange Yellow Green



monochromatic Ray



SLIT



Blue Violet



Ultraviolet



Polychromatic Ray



Monochromatic Ray



Prism - spray out the spectrum and choose the certai wavelength (l) that you want by moving the slit.



Photomultiplier Tube Detector • High sensitivity at low light levels • Cathode material determines spectral sensitivity • Good signal/noise • Shock sensitive



Anode



The Photodiode Detector



• Wide dynamic range • Very good signal/noise at high light levels • Solid-state device



Schematic Diagram of a Photodiode Array • Same characteristics as photodiodes • Solid-state device • Fast read-out cycles



Conventional Spectrophotometer



Schematic of a conventional single-beam spectrophotometer



Conventional Spectrophotometer



Optical system of a double-beam spectrophotometer



Conventional Spectrophotometer



Optical system of a split-beam spectrophotometer



Definition of Resolution



Spectral resolution is a measure of the ability of an instrument to differentiate between two adjacent wavelengths



Analisis Kuantitatif • Larutan standar (sesuai dengan analit) • Larutan Blanko – semua reagen selain analit, – Fungsinya : mengkoreksi absorbansi oleh spesies2 selain analit



• Teknik Analisis : membandingkan absorbansi larutan sampel dengan larutan standar, ada 3 : – Metode standar Tunggal – Metode Kurva Kalibrasi – Metode Penambahan Standar (adisi standar)



• Metoda Standar Tunggal – sangat praktis karena hanya menggunakan satu larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya ( Cstd ) – absorbansi larutan standar ( Astd ) dan absorbansi larutan sampel (Aspl ) diukur dengan spektrofotometer. – Dari Hukum Beer diperoleh :



Astd = a . b . Cstd Astd Aspl a.b   Cstd Cspl



Aspl = a . b . Cspl  C spl 



Aspl



Astd



C std



• Dengan mengukur Aspl dan Astd, konsentrasi larutan sampel dapat dihitung.



• Metoda Kurva Kalibrasi / Standar • Dalam metoda ini dibuat suatu seri larutan standar dengan berbagai konsentrasi, – Ukur absorbansi masing-masing larutan tersebut – buat grafik antara konsentrasi, C, versus absorbansi, A, yang akan merupakan garis lurus (Y=aX+b) dengan slope εb atau ab.



• Konsentrasi larutan sampel – Absorbansi sampel diintrapolasi ke dalam grafik. – Atau persamaan garis lurus dari grafik dicari dengan program regresi linear, selanjutnya harga absorbansi sampel dimasukkan ke persamaan tersebut sehingga konsentrasi sampel dapat dihitung.



Spektrofotometer Uv-Vis



monochromator



detecto r sample



light source



Can you find the diffraction grating and the slit?



• Metoda Adisi Standar – dipakai secara luas karena mampu meminimalkan kesalahan yang disebabkan oleh perbedaan kondisi lingkungan (matriks) sampel dan standar. – Dalam metoda ini dua atau lebih sejumlah volume tertentu dari sampel dipindahkan ke dalam labu volume. – Satu larutan diencerkan sampai volume tertentu kemudian diukur absorbansinya tanpa ditambahkan zat standar – Larutan yang lain sebelum diukur absorbansinya, ditambah terlebih dahulu dengan sejumlah tertentu larutan standar dan diencerkan seperti pada larutan pertama. Menurut Hukum Beer akan berlaku hal-hal berikut :



Ax = k Cx,



AT = k (CS + CX )



• Jika kedua persamaan digabung : k



Ax AT   CS  C X Cx







CX 



Ax CS  AT  AX 



• Dengan mengukur baik Ax maupun AT maka konsentrasi zat dalam sampel ( Cx ) dapat dihitung. • Jika kita membuat suatu seri penambahan larutan standar dapat pula dibuat grafik antara AT versus Cs, selanjutnya garis lurus yang diperoleh di ekstrapolasi ke At = 0



Cx = -Cs



Ax CX  CS  AT  AX 



untuk AT = 0, maka



Ax CX  CS   AX 



Cx = -1 . Cs



Cx = - Cs



CX 



Ax CS  0  AX 