Spektroskopi Raman [PDF]

Citation preview

BAB 1 PENDAHULUAN



Interaksi radiasi dengan material merupakan fundamental dari spektroskopi. Interaksi Radiasi Elektro Magnetik (REM) dengan atom atau molekul yang berada dalam material akan menyebabkan peristiwa hamburan (dekomposisi) oleh atom atau molekul tersebut menjadi sekumpulan atau berkas sinya-sinyal fundamentalnya (sinyal-sinyal harmoniknya). Dekomposisi radiasi oleh atom atau molekul tersebut menuju ke segala arah dengan panjang gelombang dan intensitas yang dipengaruhi ukuran partikel molekul. Apabila media transparan tersebut mengandung hanya partikel dengan ukuran dimensi atom (permukaan 0,01 A2) maka akan terjadi dekomposisi radiasi dengan intensitas yang sangat lemah. Radiasi dekomposisi tersebut tidak tampak oleh karena panjang gelombangnya adalah pada daerah ultraviolet. Radiasi hamburan tersebut dikenal dengan hamburan Rayleigh. Demikian pula yang tejadi pada molekul-molekul dengan diameter yang besar atau teragregasi sebagai contoh molekul suspensi atau koloida. Hamburan pada larutan suspensi dan sistem koloida panjang gelombangnya mendekati ukuran partikel molekul suspensi atau sistem koloid tersebut.



Radiasi



hamburan



rersebut



dikenal



sebagai



hamburan Tyndal atau



hamburan mie yang melahirkan metode turbidimetri. Suatu penelitian yang sulit dengan hasil temuan yang sangat berarti, dalam ilmu fisika telah dilakukan oleh Chandra Venkrama Raman seorang ahli fisika berkebangsaan India, pada tahun 1928. Menurut temuan Raman tampak gejala pada molekul dengan struktur tertentu apabila dikenakan radiasi infra merah dekat atau radiasi sinar tampak, akan memberikan sebagian kecil hamburan yang tidak sama dengan radiasi semula. Hamburan yang berbeda dengan radiasi semula (sumber radiasi) tersebut berbeda dalam hal panjang gelombang, frekuensi serta intensitasnya dikenal sebagai "feeble fluorescence" atau hamburan Raman. Hamburan Raman tersebut memberikan garis Raman dengan intensitas tidak lebih dari 0,001% dari garis spektra sumber radiasinya. Efek Raman ini sangat lemah dan menjadi kenyataan setelah ditemukan teknik laser 40 tahun kemudian. Cahaya sinar laser tidak sama dengan cahaya yang datang dari matahari atau



dari bola lampu, karena cahaya laser seluruhnya mempunyai satu panjang gelombang. Oleh karena itu, jika cahaya mengenai objek, seluruh cahaya akan di hamburkan balik oleh objek tersebut, dimana panjang gelombang cahaya yang datang sama dengan yang dipancarkan balik. Tidak hanya itu saja, gelombang cahayanya berjajar rapih dengan arah yang sama (polarisasi). Dengan demikian laser dapat meletakkan banyak foton pada spot yang kecil. Ada banyak foton yang menumbuk sampel, satu dalam sejuta, meningkatkan sinyal sehingga menjadi cukup kuat untuk dideteksi. Karena seluruh foton mempunyai panjang gelombang yang sama, maka semua akan berinteraksi dengan cara yang sama pada molekul yang jenisnya sama, sehingga memperkuat efek yang terjadi Sejak ditemukannya efek Raman pada tahun 1982, spektroskopi Raman banyak digunakan sebagai solusi dari berbagai kebutuhan teknologi, terutama dalam industri laboratorium. Spektroskopi Raman merupakan teknik spektroskopi yang berdasarkan pada hamburan inelastik dari cahaya monokromatik yang biasanya berasal dari sinar laser sehingga mengakibatkan deformasi molekular oleh medan listrik E yang ditentukan dengan kemampuan polarisasi molekular α. Efek Raman merupakan frekuensi dari foton yang dipancarkan ulang dapat dinaikkan maupun diturunkan terhadap frekuensi asli cahaya monokromatik. Perubahan ini memberikan informasi tentang getaran, rotasi, dan transisi frekuensi rendah yang lain pada molekul. Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk mempelajari material padat, cair, dan gas.



BAB 2 PEMBAHASAN



A. SPEKTROSKOPI RAMAN



Efek Raman berdasarkan hamburan inelastik dari cahaya monokromatik yang biasanya berasal dari sinar laser sehingga mengakibatkan deformasi molekular oleh medan listrik E yang ditentukan dengan kemampuan polarisasi molekular α. Sinar laser dapat dianggap sebagai gelombang EM berosilasi dengan vektor listrik E. Ketika terdapat interaksi dengan sample, maka akan terbentuk momen dipole magnet P = αE. Karena adanya deformasi periodik, molekul mulai bergetar dengan karakteristik frekuensi νm.



Gambar 1.Skema transisi raman Pada gambar di atas, dipole yang berosilasi akan menghasilkan cahaya dengan tiga frekuensi yang berbeda. 1. Ketika sebuah molekul yang tidak memiliki mode Raman menyerap foton dengan frekuensi ν0, maka molekul yang telah tereksitasi akan kembali ke keadaan vibrasi dasar dan memancarkan cahaya dengan frekuensi yang sama ν0 dengan sumber eksitasi. Interaksi inilah yang disebut interaksi Rayleigh. 2. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν0 diserap oleh molekul Raman-active pada keadaan vibrasi dasar, maka sebagian dari energi foton akan berubah menjadi



mode Raman-active dengan frekuensi νm yang menyebabkan frekuensi hamburan cahaya berkurang menjadi ν0-νm. Frekuensi Raman ini disebut frekuensi Stokes. 3. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν0 diserap oleh molekul Raman-active pada keadaan vibrasi tereksitasi, maka sejumlah besar energi dari mode Raman-active tereksitasi akan dilepaskan. Sehingga molekul kembali ke keadaan vibrasi dasar dan frekuensi yang dihasilkan oleh cahaya yang terhambur akan meningkat hingga ν0+νm. Frekuensi Raman ini disebut frekuensi Anti-Stokes.



B. INSTRUMENTASI



Pada dasarnya sistem spektrofotometer Raman teridiri atas empat komponen utama. Yakni: a) Sumber eksitasi (laser). b) Sample sistem iluminasi dan optik pengumpul cahaya. c) Filter atau spectrophotometer. d) Detector (Photodiode array, CCD, atau PMT).



Gambar 2. Skema kerja spektroskopi Raman



Adapun prinsip kerja spektroskopi Raman dapat dilihat pada gambar 2. Di mana sample disinari dengan sinar laser yang memiliki range antara UV hingga NIR. Hamburan cahaya kemudian dikumpulkan oleh lensa dan dikirim melalui filter interferensi atau spectrophotometer untuk mendapatkan spectrum Raman sample. Kemudian digunakan Photodiode Arrays (PDA) atau Charge-Coupled Devices (CCD) untuk mendeteksi cahaya terhambur Raman.



C. MENINGKATKAN INTENSITAS SINYAL RAMAN



Teknologi spektroskopi Raman terus mengalami perbaikan. Saat ini telah tersedia beberapa cara untuk meningkatkan intensitas dari sinyal Raman, berikut adalah beberapa teknik yang sudah dipakai untuk meningkatkan intensitas sinyal Raman : I.



STIMULATED RAMAN Hamburan Raman terstimulasi merupakan peristiwa spektroskopi Raman “nonlinear“. Di mana lebih banyak sinar datang yang ditransformasi menjadi hamburan Raman sehingga meningkatkan perbandingan signal-to-noise. Karena frekuensi Stoke yang besar, maka frekuensi ini kemudian berperan menjadi sumber eksitasi sekunder dan menghasilkan garis Stokes kedua dan seterusnya (gambar 3).



Gambar 3. Skema transisi stimulated raman.



II.



CARS (Coherent Anti-Stokes Raman) CARS merupakan contoh lain dari Spektroskopi Raman “non-linear”. Digunakan dua collinear laser untuk menerangi sample. Di mana laser pertama memiliki frekuensi konstan, sedangkan frekuensi laser kedua dapat diatur sedemikian rupa sehingga perbedaan frekuensi diantara dua laser sama dengan frekuensi mode Raman-active. Dengan CARS, kita hanya mendapatkan satu puncak Raman yang kuat.



Gambar 4. Skema transisi CARS Dengan kata lain, untuk mendapatkan sinyal Raman yang kuat, laser kedua diatur agar ν2= ν1-νm. Sehingga frekuensi cahaya terhamburnya akan menjadi ν0+νm yang merupakan frekuensi Anti-Stokes. III.



SERS DAN SERRS Salah satu sifat dari sinyal Raman adalah sinyal raman molekul yang terserap oleh permukaan metal dapat menjadi 5 hingga enam kali lebih kuat dari sinyal raman molekul yang sama dengan jumlah besar. Peristiwa inilah yang mendasari Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Permukaan substrat yang paling umum digunakan adalah elektroda perak yang telah digores secara elektrokimia dengan ukuran partikel kurang dari 20nm. Salah satu kelemahan dari SERS adalah sulitnya interpretasi spectra. Karena penguatan sinyal yang dramatis, pita Raman yang lemah pun akan muncul pada SERS. Serta karena interaksi dengan logam,



maka dimungkinkan puncak tertentu yang pada konvensional Raman merupakan puncak yang kuat, tidak akan terdeteksi di SERS. Sehingga untuk mengatasi hal ini, diciptakanlah Surface-Enhanced Resonance Spectroscopy atau SERRS yang dapat menghasilkan spectra yang mirip dengan spectra regular resonansi raman.



IV.



RESONANCE RAMAN Terdapat beberapa material – terutama yang berwarna, yang menyerap sinar laser dan menghasilkan fluorescence yang mengkontaminasi spectrum Raman. Hal ini akan menjadi masalah ketika kita melakukan analisa. Terutama apabila yang digunakan merupakan laser UV. Efek resonansi Raman dapat digunakan untuk meminimalisir kendala tersebut. Efek ini terjadi ketika frekuensi laser eksitasi berpotongan dengan frekuensi elektronik keadaan eksitasi dan beresonansi bersama.



Gambar 5. Skema transisi raman resonance



KESIMPULAN a) Efek Raman berdasarkan hamburan inelastik dari cahaya monokromatik yang biasanya berasal dari sinar laser sehingga mengakibatkan deformasi molekular oleh medan listrik E yang ditentukan dengan kemampuan polarisasi molekular α. b) Pada dasarnya sistem spektrofotometer Raman teridiri atas empat komponen utama. Yakni:  Sumber eksitasi (laser).  Sample sistem iluminasi dan optik pengumpul cahaya.  Filter atau spectrophotometer.  Detektor (Photodiode array, CCD, atau PMT). c) Pengembangan spektroskopi Raman dapat dilakukan dengan meningkatkan intansitas sinyal Raman dengan metode berikut :  Stimulated Raman  CARS  SERS dan SERS  Resonance Raman



DAFTAR PUSTAKA a) Raman Spectroscopy Basics. Princeton Instruments. b) http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy diakses pada 16 juni 2012 ,13.00. c) http://FISIKAATOMDANSPEKTROSKOPIFinaLe.pdf.html diakses pada 16 juni 2012 ,13.00.