Atomic Absorption Spectroscopy

Atomic Absorption Spectroscopy (AAS)

Mohamad Teguh Gumelar

Apabila anda belum tahu apa itu kimia analitik, silahkan baca di sini.

Apabila anda belum mengetahui apa itu spektroskopi, sebaiknya baca dulu pendahuluan spektroskopi di sini (klik).

If you haven't read/understand what analytical chemistry is, you can read it here.

If you haven't read/understand what spectroscopy is, you can read the introduction here.

            Salah satu metode analisa dengan menggunakan radiasi gelombang elektromagnetik (GEM) adalah spektroskopi serapan atom (SSA). Interaksi antara radiasi GEM dengan zat kimia yang ada dalam analit (zat yang sedang dianalisa) menjadi kunci dalam SSA. Untuk memahami interaksi tersebut, diperlukan postulat bahwa cahaya/radiasi GEM selain sebagai gelombang, juga merupakan arus paket-paket energi yang disebut foton/quanta. Dalam kata lain, cahaya memiliki dualisme sebagai gelombang dan materi.
             One of some analytical method which utilize electromagnetic waves is atomic absorption spectroscopy (AAS). Interaction between the radiation and the substances within the analyte is the main key in AAS. To understand that interactions, we need a postulate that light/electromagnetic wave beside can be interpreted as a wave, also can be interpreted as a current of energy package called foton/quanta. In another word, light has a dualism, as a wave and as a material.

            Ketika foton mendekati partikel dasar (atom, ion atau molekul) maka dapat terjadi absorpsi/penyerapan. Pada nomenklatur spektroskopik, absorpsi berarti proses di mana spesies kimia dalam medium transparan, secara selektif mengurangi intensitas dari radiasi elektromagnetik. Sesuai dengan teori kuantum, bahwa tiap partikel dasar memiliki tingkat energi tertentu, dengan tingkat paling rendah disebut ground state. Oleh karena itu, saat foton yang berlalu di dekat partikel dasar membawa jumlah energi yang tepat sama dengan selisih ground state terhadap tingkat energi berikutnya dari partikel tersebut, maka energi akan diserap partikel tersebut dan mengubah partikel ke tingkat energi yang lebih tinggi, disebut sebagai excitation state. Adapun gambaran pelaluan radiasi elektromagnetik pada sampel dapat dilihat pada gambar 1.

             While foton moves near an elementary particle (atoms, ion or molecule) absoprtion can be happened. In spectroscopic nomenclature, absroption means a process where chemical species in a transparent medium, selectively attenuates the radiation intensity from an electromagnetic radiation. Like the quantum theory said, every elementary particle has a specific energy state, with the lowest state called ground state. Therefore, while foton moves near the elementary particle and the foton contains energy which is equal with the energy difference (of an electron in a) ground state with the next energy state, the energy will be absorbed to excitate the electron from the ground state to the excitation state. Here the illustration of an electromagnetic radiation which is moves through an analyte.

 

Gambar 1. Ilustrasi Pelaksanaan Spektroskopi (Sumber : Sumber : Analytical Chemistry, Skoog, Douglas A dkk.)

Figure 1. Spectroscopy process illustration (sorurce : Analytical Chemistry, Skoog, Douglas A, et al)

            Melalui cara tersebut, maka daya (Power, P) dari radiasi elektromagnetik setelah dilalukan pada sampel akan lebih kecil dibandingkan dengan daya sebelum dilalukan, sehingga diperoleh dua persamaan sebagai berikut :
             Trough that way, the Power (P) of electromagnetic radiation, after passing the sample,  decreased (P after < P before --> P<Po). Then, scientists declare use some of these units in spectroscopy :

Transmittance, T         = P/Po

Absorbance, A            = log Po/P

            Pada ekseprimental, P merupakan daya setelah radiasi dilalukan melalui sampel, dan Po merupakan daya radiasi ketika dilalukan melalui pelarut saja. Pembandingan keduanya menghasilkan T dan melalui T dapat diperoleh A. Berikut ini adalah contoh data keluaran dari instrumen berkenaan dengan absorbansi dan transmittance :
             In experimental means, Po is the Power of radiation which only pass the solvent, and P is the power of radiation that pass the sample.

 

Gambar 2. Data Penghitungan A dan T (sumber : Sumber : Analytical Chemistry, Skoog, Douglas A dkk.)

            Data absorbansi dan informasi spectral lainnya dapat diplot membentuk kurva dalam beberapa cara sebagai berikut :
             Absorbance data, spectral information can be served in a curve such as in the figure 2.

 

Gambar 3. Plot data spectral dengan ordinat Absorbansi dan absis panjang gelombang (Sumber : Analytical Chemistry, Skoog, Douglas A dkk.)

            Selain seperti yang terlihat pada gambar 3, data dapat diplot dengan sumbu y sebagai transmittance ataupun log absorbance, sementara sumbu x tetap sebagai panjang gelombang.

Metode Spektroskopi Atomik harus menggunakan sampel uji dalam keadaan sebagai atom-atom. Menurut metode atomisasinya, spektroskopi atomik terbagi menjadi beberapa jenis, salah satunya adalah flame atomization (atomisasi dengan nyala api). Spektroskopi atomik dengan atomisasi nyala sendiri terbagi kembali menjadi tiga jenis, yakni AAS (Atomic Absorption Spectroscopy), AES (Atomic Emission Spectroscopy) dan AFS (Atomic Fluorescence Spectroscopy). Selanjutnya akan dibahas mengenai AAS.
             Beside as seen in figure 3, spectral data also can be presented by plotting transmittance or log absorbance in y-axis, and wavelength in x-axis. Atomic Spectroscopy have to use sample in atomic form. Based on it's atomization method, the atomic spectroscopy divided into some type, one of them is flame atomization atomic spectroscopy.  This atomic spectroscopy itself divided again into three, they are atomic absorption spectroscopy, atomic emission spectroscopy and atomic fluorescence spectroscopy. In the rest of this post, we will discuss about the atomic absorption spectroscopy (AAS).

            AAS yang dalam Bahasa Indonesia disebut Spektrometri Serapan Atom (SSA), merupakan metode analisa yang bertujuan untuk mengetahui informasi konsentrasi suatu analit, sangat tepat untuk analit dalam konsentrasi rendah. Seperti namanya, pada metode ini dilakukan penyerapan spektrum cahaya tertentu oleh analit, yang kemudian data tersebut akan digunakan untuk menentukan jenis unsur dalam analit sekaligus parameter lain yakni absorbance dan transmittance. Besaran-besaran tersebut terhubung dengan Hukum Beer-Lambert yang dijelaskan melalui persamaan berikut:
             AAS which in Bahasa called Spektrometri Serapan Atom (SSA), is an analysis method which to find out information about sample's concentration and good for sample in low concentration. In AAS, absorption of specific light spectrum happened, and then it used to determine the substance whitin the sample, absorbance and transimttance. Those units connected with Beer-Lambert law which can be desribed by the following equation :

A=abc…..(1)

Keterangan :

A         = Absorbance

a          = Absortivitas/absorptivity                                                     [Litre/gram cm]

b          = Panjang lintasan yang dilalui radiasi elektromagnetik         [cm]
               Length of the path passed by the radiation

c          = Konsentrasi unsur dalam larutan analit                                [gram/Liter]
               Concentration of substance in analyte solution

catatan : apabila c dalam mol/L dan b dalam cm maka a disimbolkan ɛ yakni absortivitas molar, dengan satuan Liter/mol cm.
notes : if c in mol/L and b in cm, then a symbolized by ɛ which is called molar absortivity, with units in Litre/mol cm.

            Berikut ini adalah contoh data spektrum absorpsi atomik :
            The following is an example of atomic spectral absorption data :

Gambar 4. Spektrum Absorpsi (Sumber : Analytical Chemistry, Skoog, Douglas A dkk.)

            Pada  grafik terlihat absorbsi parsial dari radiasi elektromagnetik oleh uap natrium. Energi yang yang diserap oleh atom natrium dijelaskan pada gambar di samping kanan, di mana terlihat eksitasi dari tingkat energi 3s ke 5p. Pada grafik sebelah kanan panjang gelombang yang lebih pendek memiliki energi yang lebih besar, begitupun ditunjukkan grafik sebelah kanan bahwa eksitasi yang terjadi dengan menyerap energi di panjang gelombang sekitar 285 nm lebih besar dibandingkan pada 330 nm dan 590 nm. Pernyataan tersebut dijelaskan oleh persamaan dari percobaan efek fotolistrik yang pernah dilakukan Einstein sebagai berikut :
            In the graphic,  seen partial absorption of electromagnetic radiation by sodium vapour. The energy absorbed is described by the graphic in the right, and we can see that the wave with lower wavelength has a higher energy. This information supported by an equation form Einstein photoelectric experiment as follow :

E=h.(c/λ)…..(2)

E          = Energi foton/Photon energy              c          = Kecepatan Cahaya (3x10⁸ m/s)/light speed

h          = Konstanta Planck (6.6x10^-34Js)         λ          = Panjang Gelombang/Wavelength

            Pada persamaan 2 di atas, terlihat bahwa tingkat energi foton berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya. Adapun contoh spektrum absorpsi lain adalah sebagai berikut :

Gambar 5. Spektrum absorpsi (sumber : http://www.astro.princeton.edu/~dns/teachersguide/EveryDopAct.html)

            Pada gambar 5 terlihat ada beberapa spektrum yang menjadi garis hitam karena diserap oleh atom-atom yang berada pada analit. Tiap unsur memiliki spektrum yang unik sehingga metode AAS menjadi sangat selektif. Selain itu, dibandingkan dengan metode lain, AAS membutuhkan biaya menengah, tetapi cepat dalam proses pengolahannya. Adapun kesalahan dari limit deteksi beberapa zat sekitar 1% hingga 2%, serta memiliki batas kadar penentuan dari ppm (part per million) hingga ppb (part per billion).

Instrumen yang digunakan dalam SSA adalah sebagai berikut : 

1. Lampu Katoda Berongga

            Lampu katoda adalah sumber radiasi yang digunakan. Lampu katoda spesifik untuk unsur yang diuji. Misalnya pada lampu katoda Cu, maka lampu tersebut hanya bisa digunakan untuk pengukuran unsur Cu saja. Lampu katoda sendiri terbagi menjadi 2 jenis, yaitu lampu katoda monologam dan multilogam.

 

Gambar 3. Lampu Katoda (sumber : http://gusnil45mind.wordpress.com)

               Perbedaan dari kedua jenis lampu tersebut terletak pada kapasitas pengukuran. Lampu jenis a hanya dapat digunakan untuk mengukur 1 jenis unsur logam, sedangkan lampu jenis b dapat digunakan untuk mengukur beberapa jenis unsur logam sekaligus. Bagian ujung lampu katoda yang berwarna hitam berfungsi memudahkan pemasangan lampu katoda saat dipasangkan ke dalam soket pada sistem SSA. Terdapat juga selotip yang berfungsi untuk menutup semua ruangan dalam lampu sehingga, tidak ada celah kosong yang memungkinkan masuknya gas dari luar, maupun sebaliknya. Apabila hal tersebut terjadi, maka dapat menyebabkan pencemaran pada lingkungan, dan keracunan bagi mahluk hidup di lingkungan.

 2. Tabung Gas

            Tabung gas pada rangkaian alat ini adalah tabung gas yang berisi gas asetilen. Selain itu terdapat pula tabung gas yang berisi gas N₂O (Nitrous oxide). Pada tabung gas asetilen, terdapat regulator yang berfungsi untuk mengatur banyaknya gas yang akan dikeluarkan dan gas yang berada dalam tabung.

Pendeteksian kebocoran pada tabung gas dapat dilakukan dengan cara mendekatkan regulator tabung gas, yang diberi sedikit air, kepada telinga. Apabila terdengar suara udara, berarti tabung gas tersebut bocor. Sebaiknya, kontrol tabung gas tidak dilakukan dengan penambahan minyak, sebab dapat menyebabkan penyumbatan tabung gas.

 3. Atomizer

Alat ini terdiri dari Nebulizer, spray chamber, dan burner. Nebulizer berfungsi untuk mengubah larutan menjadi aerosol, atau partikel butiran halus, akibat efek aliran udara yang sesuai dengan hukum Bernouli. Udara yang dialirkan adalah Oxidant yang digunakan (N₂O). Kemudian sampel yang tercampur dengan Oxidant dicampur kembali dengan bahan bakar yang digunakan (Asetilen) di spray chamber. Campuran lalu disemprotkan ke ruang pengabut, untuk membentuk aerosol dengan ukuran 15-20 µm. Partikel tersebut kemudian bersama-sama dengan aliran campuran gas bahan bakar, masuk ke dalam nyala api, sedangkan titik-titik kabut yang besar dialirkan ke saluran pembuangan. Komponen berkutnya adalah burner, yang merupakan komponen sistem, tempat terjadinya atomisasi, dengan menggunakan nyala api (flame).

4. Monokromator

Radiasi yang disebabkan oleh eksitasi sampel akan menghasilkan energi yang sebagian diserap dan sebagian lagi diteruskan. Fraksi radiasi yang diteruskan dipisahkan dari radiasi lainnya. Pemisahan radiasi tersebut dilakukan oleh monokromator. Lebih tepatnya, monokromator berfungsi untuk memisahkan radiasi resonansi yang telah mengalami absorpsi, dari radiasi yang lainnya. Radiasi lain yang dimaksud adalah radiasi yang berasal dari lampu katoda berongga, gas pengisi lampu katoda berongga, atau logam pengotor dalam lampu katoda berongga. Monokromator ini sendiri tersiri atas sistem optik yaitu celah, cermin, dan kisi.

 5. Detektor

Alat ini berfungsi untuk mengukur radiasi yang telah ditransmisikan oleh sampel, dan mengukur intensitas radiasi tersebut dalam bentuk energi listrik. Detektor ini dibagi menjadi 2 macam, yaitu :

1. Detektor Cahaya (Foton) : Detektor ini bekerja berdasarkan efek fotolistrik. Setiap foton akan membebaskan satu elektron dari bahan yang sensitif terhadap cahaya.
2. Detektor Infra Merah (Panas) : Detektor ini berkerja berdasarkan timbulnya perbedaan temperatur dari efek termolistrik dua logam yang disambung menjadi satu.

Spektrofotometri serapan atom (SSA/AAS) adalah suatu metode analisis yang didasarkan pada proses penyerapan energi radiasi oleh atom-atom yang berada pada tingkat energi dasar (ground state). Keunggulan metode AAS dibandingkan AES (link segera) dan AFS (link segera) adalah sebagai berikut:

• Spesifik,
• Batas (limit) deteksi rendah,
• Dari satu larutan yang sama, beberapa unsur berlainan dapat diukur,
• Pengukuran dapat langsung dilakukan terhadap larutan sampel,
• Dapat diaplikasikan pada banyak jenis unsur dalam berbagai jenis sampel,
• Batas kadar-kadar yang dapat ditentukan adalah amat luas (mg/L hingga persen).

Pada atomic absorptions terdapat dua jenis interferensi, yakni interferensi spektral dan kimiawi. Interferensi spektral terjadi karena adanya spektrum absorpsi yang berdekatan, dengan jarak pemisah dalam hitungan 0.01 nm. Contohnya adalah spektrum vanadium (308.211 nm) dan Alumunium (308.215 nm). Tetapi, interferensi ini jarang terjadi. Interferensi spektral juga dapat terjadi karena adanya pembakaran molekular yang menghasilkan partkel penghambur radiasi. Sementara interferensi kimiawi terjadi karena proses kimiwai selama atomisasi yang mempengaruhi karakteristik absorpsi analit. Contohnya adalah interferensi dari silicon dalam analisa kalsium.

Teknik analisis yang biasa digunakan adalah sebagai berikut :

1. Metode Standar Tunggal

Tidak dianjurkan, sebab pada proses pembentukan uap atomik terdapat banyak variabel yang tidak terkontrol, sehingga tidak bisa menjamin penghitungan absorbansi. Umumnya dilakukan dua kali penghitungan.

C_sampel/A_sampel = A_standar/C_standar­ -> C_sampel = (A_standar x A_sampel)/C_standar

2. Kurva Kalibrasi

Metode ini dilaksanakan dengan membuat deret larutan standar lalu mengukur absorbansinya, setelah itu membuat kurva standar dan dengan Least Square dan Regresi Linier, menentukan persamaannya. Setelah itu, absorbansi sampel diukur dan diekstrapolasi ke dalam persamaan yang telah diperoleh sebelumnya.

3. Adisi Standar

Metode ini digunakan secara luas karena mampu meminimalisir kesalahan, seperti mencegah pembentuka ion kompleks atau perubahan matriks. Persamaan yang berlaku :

Persamaan 3 di atas digunakan apabila analit yang digunakan terdiri atas 2, yakni murni sampel dan campuran sampel-standar, dengan konsentrasi standar yang diketahui. Metode adisi standar juga dapat dilaksanakan dengan menggunakan beberapa analit, misal lima buah analit. Absorbansi kelima analit kemudian diukur dan diplot membentuk kurva yang kemudian dicari persamaannya dan dinyatakan sebagai y = mx + b. Pada kurva, sumbu X adalah volume larutan standar dan sumbu Y adalah absorbansi. Oleh karena itu, dari persamaan tadi diperoleh persamaan sebagai berikut :

y = A_campuran = (kC_stdV_std+kC_sampelV_sampel)/V_total

y = kC_stdV_std/V_total + kC_sampelV_sampel/V_total -> mx + b -> x = V_std

diperoleh bahwa b/m = [kC_sampelV_sampel/V_total]/[ kC_std/V_total] = C_sampelV_sampel/C_std

maka, C_sampel = bC_std/mV_sampel agar lebih mudah, maka sampel disimbolkan x dan standar disimbolkan s sehingga C_x = bC_s/mV_x.

Contoh langkah-langkah pelaksanaan adisi standar sesuai penjelasan di atas adalah sebagai berikut :

1. Menyediakan 5 tabung erlen meyer dengan kapasitas masing-masing 50 mL.
2. Menambahkan sampel limbah pelapisan logam dengan jumlah yang sama (V_u) sebanyak 25 mL ke semua tabung.
3. Menambahkan larutan standar dengan jumlah 0 mL, 5 mL, 10 mL, 15 mL dan 20 mL dengan konsentrasi 20 ppm ke seluruh tabung secara berurutan.
4. Melakukan pengenceran pada semua campuran hingga mencapai volume 50 mL dengan menggunakan air distilasi.
5. Mengukur absorbansi seluruh campuran dengan menggunakan instrumen AAS.
6. Membuat pemetaan dari absorbansi terhadap volume larutan standar yang ditambahkan pada kurva dua dimensi.
7. Menentukan persamaan garis linear dar kurva yang telah dipetakan dengan menggunakan regresi linier dalam bentuk y = mx + b.
8. Melakukan penghitungan konsentrasi sampel (C_x) dengan persamaan :

C_x = (bC_s)/m(V_x)

     9. Menghitung deviasi standar penghitungan.

Daftar Pustaka

Damarsasi, Dimas Gigih. Spektrometri Serapan Atom. 2010. Universitas Negri Semarang. http://www.scribd.com/doc/39329390/Makalah-AAS (diakses 5 Juli 2012).

Granger, Kara C. Activity : Everyday Doppler Shift. http://www.astro.princeton.edu/~dns/teachersguide/EveryDopAct.html (diakses 5 Juli 2012)

Skoog, Douglas A., West, Donald M., dan Holler, F.James. 1996. Analytical Chemistry. Saunders College Publishing : Amerika.

http://gusnil45mind.wordpress.com/2010/12/07/atomic-absorption-spektroscopy-aas/

catatan : artikel ini dibuat berdasarkan hasil kerja kelompok saya dan teman-teman saya yakni A.H.F adzima, Muthia Delaamira, Muthia PH, Stella L. dan Tulus Setiawan.