Macam Spektroskopi

Document Sample
Macam Spektroskopi Powered By Docstoc
					                 FISIKA ATOM DAN SPEKTROSKOPI – MAP 4216

               JENIS-JENIS SPEKTROSKOPI
Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Atom dan Spektroskopi semester genap
         2009/2010 yang diasuh oleh Bapak Johan Noor dan Bapak A. A. Dardiri




                                       Oleh:

                        Lalu Sahrul Huda       06109300
                        Putu Ayu S.            0710930010
                        Rowinda R.B.S.         0710930020
                        Wardhatul Jannah       0710930027
                        Vivien Dwi             0710930035
                        Eddwi Hesky Hasdeo     0710930046




                        Jurusan Fisika
        Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
                     Universitas Brawijaya
                      Malang, Juni 2010


                                                                                       0
                                                               Daftar Isi



1. Spektroskopi Elektron.....................................................................................................02
2. Spektroskopi Massa.........................................................................................................07
3. Spektroskopi Raman.......................................................................................................10
4. Spektroskopi NMR..........................................................................................................16
5. Spektroskopi Laser..........................................................................................................21
Referensi...............................................................................................................................24




                                                                                                                                             1
1. Spektroskopi Elektron

1.2 Pendahuluan

       Spektroskopi electron modern ditemukan oleh Kai Sieghban dan teman kerjanya
selama tahun 1950-an. Peneliti-peneliti di universitas Uppsala masih terus mengembangkan
teknik dan desain alat yang digunakan untuk keperluan komersial pada industri.

        Prinsip kerja spektroskopi electron berdasarkan pada efek foto listrik yang
dikemukakan oleh Einstein tahun 1905 untuk mendapatkan informasi properties dari atom,
molekul dan material yang dikondensasikan. Pada peristiwa efek foto listrik, cahaya memiliki
energi yang cukup sehingga dapat memancarkan electron-elektron. Electron-elekton yang
dipancarkan memberikan informasi properties dari lingkungan atau state yang ditinggalkan,
khusunya energi binding dari electron-elektron di dalam material.

       Spektroskopi electron merupakan suatu metode yang sangat sensitive permukannya,
karena jarak yang bisa digunakan untuk hamburan tak elastik elektron sangat pendek (±20 Å).
Seseorang dapat mempelajari kehadiran dari jenis atom yang menuju ke perseribu dari
monolayer. Permukaan seperti itu berasal dari ketertarikan akan bidang seperti katalis atau
kendali dari komponen-komponen yang mikroelektronik.

       Di seluruh dunia sekitar 5000 hasil penelitian yang memanfaatkan penggunaan
spektroskopi dipublikasikan tiap tahunnya, khususnya penggunaan sinkrotron sebagai sumber
cahaya. Aplikasi-aplikasi meliputi atomis dan fisika molekul, ilmu fisika seikat, ilmu fisika
permukaan, berhubungan dengan cairan, bahan magnet, bahan molekuler dan lainnya. Gambar
di bawah ini merupakan suatu contoh (satu seikat yang atomis) disinari dengan penyinaran
sinkrotron dari undulator. Fotoelektron-fotoelektron akan dipancarkan, kemudian dianalisa
dan dihasilkan suatu spectrum.1




              Gambar 1. Spektroskopi electron yang menggunakan sinkrotron.

                                                                                            2
       Spektroskopi electron merupakan satu teknis analisis untuk mempelajari struktur
elektronik dan dinamikanya di dalam atom dan molekul. Di dalam sumber eksitasi yang
umum seperti sinar rontgen, elektron-elektron atau penyinaran sinkrotron akan memancarkan
elektron dari kulit orbital bagian dalam dari suatu atom. Mendeteksi fotoelektron yang
dikeluarkan oleh sinar rontgen disebut spektroskopi fotoelektron sinar-x (XPS) atau
spektroskopi electron untuk analisa unsure (ESCA). Mendeteksi electron yang dikeluarkan
dari orbital yang lebih tinggi untuk memelihara energi selama peralihan electron disebut
Elektron Auger Spectroscopi (AES).

       Aplikasi yang bersifat percobaan termasuk pengukuran resolusi tinggi pada intensitas
dan sebaran sudut electron yang dipancarkan seperti halnya menghasilkan jumlah keseluruhan
dan sebagian ion. Electron-elektron yang dikeluarkan dapat meloloskan diri hanya dari suatu
kedalaman ± 3 nanometer. Pembuatan spektroskopi electron berguna untuk mempelajari
permukaan dari material padat. Pembuatan profil kedalaman dapat tercapai dengan
mengkombinasi spektroskopi electron dengan pompa percik ion yang memindahkan lapisan
permukaan. Pekerjaan riset penyinaran sinkrotron dilaksanakan pada MAX laboratory di
Lund, Sweden, Elettra Storage Ring di Trieste, Italy dan pada ALS di Berkeley, CA. 2

1.2 Jenis Spektroskopi Elektron

1.2.1 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

       Spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) juga dikenal sebagai spektroskopi electron
untuk analisa unsure (ESCA) merupakan suatu teknik yang digunakan untuk memperoleh
informasi kimia di berbagai permukaan material. Inti-tingkatan electron yang dipancarkan dari
permukaan setelah diradiasi dengan sinar X secara lembut. Energi kinetic rendah (0-1500 eV)
dari fotoelektron yang dipancarkan membatasi kedalaman dari mana itu dapat muncul
sehingga XPS merupakan suatu teknik permukaan sangat sensitive dan contoh kedalaman
sekitar nanometer. Fotoelektron dikumpulkan dan dianalisa oleh suatu alat untuk
menghasilkan spectrum dari intensitas pancaran versus energi ikat electron (binding energy).
Secara umum energi ikat dari fotoelektron merupakan karakteristik dari unsure yang
dipancarkan sehingga spectra yang dihasilkan dapat digunakan untuk menganalisa permukaan
yang berkenaan dengan unsure. Pergeseran kecil di dalam energi ikat yang berkaitan dengan
unsure akan menyediakan informasi tentang wilayah kimia dari unsure-unsur di permukaan.
Oleh karena itu, mempelajari XPS dengan resolusi yang tinggi dapat menyediakan informasi
kimia di permukaan.

                                                                                           3
                     Gambar 2. Proses pada spektroskopi electron sinar-x

Aplikasi-aplikasi analisis khusus :

   -   Analisis unsur : kandungan atomis dari semua unsur kecuali H dan He pada logam,
       bahan isolator dan bubuk-bubuk.
   -   Informasi keadaan kimia : identifikasi keadaan oksidasi.
   -   Analisis kuantitatif : sudut pengukuran XPS tergantung untuk pembuatan profil
       kedalaman yang bersifat non-destruktif (tidak merusak).3

1.2.2 Spektroskopi Elektron Auger (AES)

       Spektroskopi Electron Auger (Auger Spectroscopi atau AES) dikembangkan pada
akhir 1960-an, namanya berasal dari efek pertama kali terlihat oleh Pierre Auger, seorang ahli
fisika Prancis pada pertengahan 1920-an. Ini merupakan teknis khusus permukaan
menggunakan emisi electron energi rendah dalam proses Auger dan merupakan salah satu
yang paling umum digunakan teknik analisis permukaan untuk menentukan komposisi lapisan
permukaan sampel.

Spektroskopi auger melibatkan tiga langkah dasar yaitu:

   1. Ionisasi atom (oleh pemindahan electron inti)
   2. Electron emisi (proses auger)

                                                                                            4
   3. Analisis electron auger yang dipancarkan

       Tahap terakhir berkaitan dengan masalah teknis untuk mendeteksi partikel bermuatan
dengan sensitivitas yang tinggi, dengan syarat tambahan bahwa energi kinetic electron yang
dipancarkan harus ditentukan. Prose ini bermanfaat untuk meninjau secara singkat struktur
elektronik atom dan padatan serta tata nama terkait.

       Pada proses Auger digambarkan dengan menggunakan tingkat K, L1, dan L2, 3. Hal ini
bisa merupakan tingkatan inti dari suatu atom baik lingkungan atau molekul padat.

   1. Ionisasi
               Proses Auger dimulai dengan penciptaan lubang inti. Hal ini biasanya
       dilakukan dengan mengekspos sampel ke berkas electron energi tinggi (biasanya
       memiliki energi primer dalam kisaran 2-10 keV). Elektron tersebut memiliki energi
       yang cukup untuk mengionisasi semua tingkat elemen ringan, dan tingkat inti yang
       lebih tinggi dari unsur-unsur yang lebih berat.




                                  Gambar 3. Proses Ionisasi

              Dalam diagram di atas, ditunjukkan dengan ionisasi terjadi dengan
       penghapusan kulit elektron K, tetapi dalam praktek seperti metode kasar akan
       menyebabkan ionisasi ion dengan lubang-lubang dalam berbagai tingkat kulit dalam.

              Dalam beberapa penelitian, proses ionisasi awal bukan dilakukan dengan
       menggunakan sinar-x lembut (h ν = 1000-2000 eV). Dalam hal ini, singkatan XAES
       kadang-kadang digunakan. Seperti yang akan kita lihat, bagaimanapun perubahan
       dalam metode ionisasi tidak berpengaruh signifikan pada akhir spektrum Auger.




                                                                                           5
2. Relaksasi dan Emisi Auger
            Atom terionisasi yang tersisa setelah pemindahan elektron lubang inti, tentu
   saja, dalam keadaan yang sangat bersemangat dan cepat akan merasa rileks kembali ke
   keadaan energi yang lebih rendah oleh salah satu dari dua rute:

   1. X-ray fluorescence atau X-ray fluoresensi,

   2. Auger emission atau Auger emisi

            Mekanisme yang dipertimbangkan hanya mekanisme terakhir, seperti sebuah
   contoh yang digambarkan skematis di bawah ini :




                            Gambar 4. Proses emisi Auger

            Dalam contoh ini, satu elektron jatuh dari tingkat yang lebih tinggi untuk
   mengisi lubang inti awal di kulit-K dan energi yang dibebaskan dalam proses ini
   adalah secara simultan ditransfer ke elektron kedua, sebagian dari energi ini diperlukan
   untuk mengatasi energi pengikatan elektron kedua, sisanya merupakan milik elektron
   Auger yang dipancarkan sebagai energi kinetik. Dalam proses Auger diilustrasikan,
   keadaan akhir merupakan atom terionisasi ganda dengan lubang inti di kulit L 1 dan L
   2,3.   Spektroskopi Auger didasarkan pada pengukuran energi kinetic electron yang
   dipancarkan. Setiap elemen dalam sampel yang sedang dipelajari akan menimbulkan
   karakteristik puncak spectrum di berbagai energi kinetic.4




                                                                                         6
2. Spektroskopi Massa

2.1 Pendahuluan

          Spektometer massa adalah suatu instrument yang dapat menyeleksi molekul-molekul
gas bermuatan berdasarkan massa atau beratnya. Teknik ini tidak dapat dilakukan dengan
spekstroskopi, akan tetapi nama spektroskopi dipilih disebabkan persamaannya dengan
pencatat fotografi dan spectrum garis optic. Umumnya spectrum massa diperoleh dengan
mengubah senyawa suatu sample menjadi ion-ion yang bergerak cepat yang dipisahkan
berdasarkan perbandingan massa terhadap muatan. Proses ionisasi menghasilkan partikel-
partikel bermuatan positif, dimana massa terdistribusi adalah spesifik terhadap senyawa
induk. Selain untuk penentuan stuktur molekul, spektum massa dipakai untuk penentuan
analisis kuantitatif.

2.2 Prinsip Spektroskopi Massa

          Merupakan suatu instrument yang menghasilkan berkas ion dari suatu zat uji, memilah
ion tersebut menjadi spektum yang sesuai dengan perbandingan massa terhadap muatan dan
merekam kelimpahan relatif tiap jenis ion yang ada. Umumnya hanya ion positif yang
dipelajari karena ion negatif yang dihasilkan dari sumber tumbukan umumnya sedikit.

2.3 Kegunaan Spektroskopi Massa
o Untuk menentukan berat molekul dengan sangat teliti sampai 4 angka dibelakang desimal.
o Spektoskopi massa dapat digunakan untuk mengetahui rumus molekul tanpa melalui analisis
unsur.5
          Pertama kali spektrometer massa dikembangkan oleh ahli fisika dari Inggris F. W.
Aston pada tahun 1920. Dengan menggunakan alat tersebut, Aston menemukan 3 isotop neon
di alam yaitu 90,92% 20Ne dengan massa 19,9924 sma; 0,26% 21Ne dengan massa 20,9940
sma; dan 8,82% 22Ne dengan massa 21,9914 sma (Gambar 2).




                 Gambar 1. Diagram skema salah satu jenis spektrometer massa

                                                                                           7
                         Gambar 2. Spektrum massa dari tiga isotop neon




                                     Gambar 3. Cara kerja

   Sampel dalam bentuk gas mula-mula ditembakan dengan berkas elektron berenergi tinggi.
Perlakuan ini menyebabkan atom atau molekul sampel berionisasi (melepas elektron sehingga
menjadi ion positif). Ion-ion positif ini kemudian dipercepat oleh suatu beda potensial dan
diarahkan ke dalam suatu medan magnet melalui suatu celah sempit. Di dalam medan magnet,
ion-ion tersebut akan mengalami pembelokan yang bergantung kepada:

   1. Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang
       digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan.
   2. Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
   3. Massa partikel (ion). Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan.
   4. Muatan partikel. Makin besar muatan, makin besar pembelokan.6

2.4 Analisis Kualitatif

       Spektroskopi massa memungkinkan kita menidentifikasi suatu senyawa yang tidak
diketahui, dengan mengkalibrasi terhadap senyawa yang telah diketahui seperti uap merkuri
atau perfloro kerosin.


                                                                                         8
        Rumus molekul suatu senyawa dapat diyentukan puncak ion molekul sudah dikenal
tetapi untuk hal-hal semacam ini diperlukan spektometri beresolusi tinggi. Aturan nitrogen
dapat dimanfaatkan untuk membantu penentuan rumus ini. Lazimnya semua senyawa organic
mempunyai berat molekul genap tidak mengandung nitrogen atau mengandung sejumlah atom
nitrogen yang genap, sedang semua senyawa organic dengan berat molekul ganjil
mengandung jumlah atom nitrogen ganjil. Aturan ini berlaku untuk senyawa-senyawa kovalen
yang mengandung C, H, O, S, dan Halogen. Pola fragmen dipergunakan untuk
mengidentifikasi senyawa, juga memungkinkan terdapat pengenalan gugus fungsi dentgan
melihat puncak-puncak fragmentasi spesifik.

        Hukum nitrogen menyatakan bahwa suatu molekul yang berat molekulnya merupakan
bilangan genap maka molekul tersebut harus tidak mengandung nitrogen atau kalau
mengandung nitrogen berjumlah genap, dan molekulnya berbilang ganjil mengandung
nitrogen berjumlah ganjil.

2.5 Analisis Kuantitatif

        Spectrometer massa dapat digunakan untuk analisis kuantitatif suatu campuran
senyawa-senyawa yang dekat hubungannya. Analisis ini dapat dipergunakan untuk analisis
campuran, baik senyawa organic ataupun anorganik yang bertekanan uap rendah. Karena pola
fragmentasi senyawa campuran adalah aditif sifatnya, suatu senyawa campuran dapat
dianalisis jika berada dalam kondisi yang sama. Persyaratan dasar analisisnya adalah setiap
senyawa harus mempunyai paling tidak 1 puncak yang spesifik, konstribusi puncak harus
aditif dan sensitif harus reproduksible serta adanya senyawa referens yang sesuai. Dengan
spektometer massa beresolusi tinggi, senyawa polimer dengan berat molekul tinggi juga dapat
dianalisis.7




                                                                                          9
3. Spektroskopi Raman

3.1 Pendahuluan

       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 inelastic dari cahaya monokromatik yang biasanya berasal dari sinar laser. 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.

3.2 Efek Raman

       Efek Raman berdasarkan deformasi molekular pada medan listrik E yang ditentukan
oleh 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




                                                                                      10
       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 ν 0 dengan sumber eksitasi. Interaksi inilah
yang disebut interaksi Rayleigh.

2. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν 0 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 ν 0-νm.
Frekuensi Raman ini disebut frekuensi Stokes.

3. Ketika sebuah foton dengan frekuensi ν 0 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 ν 0+νm. Frekuensi Raman ini disebut
frekuensi Anti-Stokes.

3.3 Instrumentasi

       Pada dasarnya, sistem 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)




                                                                                        11
                        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.

3.4 Meningkatkan Intensitas Sinyal Raman

       Teknologi spektroskopi Raman terus mengalami perbaikan. Saat ini telah tersedia
beberapa cara untuk meningkatkan intensitas dari sinyal Raman.

3.4.1 Stimulated Raman

       Hamburan Raman terstimulasi merupakan peristiwa spektroskopi Raman “non-linear“.
Di mana lebih banyak sinar datang yang ditransformasi menjadi hamburan Ramsan 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).


                                                                                    12
                        Gambar 3. Skema transisi stimulated Raman

3.4.2 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




                                                                                        13
       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.

3.4.3 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 4. Skema transisi Raman Resonance

Intensitas sinyal resonansi raman paling tinggi didapat ketika frekuensi laser sama dengan
keadaan eksitasi pertama atau kedua.

3.4.4 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


                                                                                       14
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. 8




                                                                                     15
4. Spektroskopi NMR

4.1 Pendahuluan

       Adanya NMR berawal dari penemuan Felix Bloch dan Purcell pada 1946, mereka
mengemukakan teori bahwa inti atom bersifat sebagai magnet kecil, dan inti membuat
spinning dan precessing. Dari hasil penemuan tersebut kemudian lahirlah alat Nuclear
Magnetic Resonance (NMR) Spectrometer. NMR merupakan suatu alat resonansi magnetik
inti yang mempunyai kaitan dengan sifat-sifat magnetik suatu inti tertentu. Alat ini
menggunakan gelombang elektromagnetik, dimana energi dari gelombang elektromagnetik
akan diserap oleh suatu inti dan kemudian akan dipancarkan kembali. Energi yang
dikembalikan disebut sebagai frekwensi resonansi yang besarnya dipengaruhi oleh medan
magnet dan beberapa faktor lain. Penyerapan energi oleh partikel yang sedang berputar dapat
dimanfaatka sebagai identifikasi struktur senyawa / rumus bangun molekul senyawa
organik.

4.2 Identifikasi senyawa organik menggunakan NMR

       Identifikasi senyawa organik menggunakan NMR didasarkan pada jenis inti dan
ukurannya. Inti yang dapat diukur dengan NMR yaitu :
       a. Bentuk bulat
       b. Berputar
       c. Bilangan kuantum spin = ½
       d. Jumlah proton dan netron ganjil, contoh : 1H, 19F, 31P, 11B, 13C.
Ada beragam jenis NMR beragam, misalnya NMR 1H, 13C, 19F namun yang sering digunakan
adalah NMR 1H karena mudah untuk diamati.

       Struktur atom hydrogen pada senyawa organik terikat dengan atom lain dan
mempunyai arah yang acak ketika diluar medan magnet. Oleh karena inti merupakan partikel
bermuatan, maka setiap inti yang berputar akan menghasilkan medan magnet dan memiliki
momen magnet (µ) yang dihasilkan oleh medan dan spinnya. Inti hydrogen (proton) dapat
mempunyai spin yang arahnya sesuai dengan jarum jam (+1/2) atau kebalikan (-1/2) dan
momen magnet (µ) yang arahnya berlawanan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada
(Gambar 1) dibawah ini:




                                                                                        16
                                 Gambar 1. Arah spin inti

       Kedudukan spin (+1/2) mempunyai energy rendah karena searah dengan medan,
sedangkan spin (-1/2) mempunyai energy tinggi karena berlawanan dengan arah medan yang
digunakan. Jika diberi medan magnet luar yang kuat, kedudukan spin akan pecah menjadi dua
kedudukan, dimana energy dari masing-masing kedudukan tidak sama, seperti yang
ditunjukkan (Gambar 2 ) dibawah ini :




                          Gambar 2. Split energy atom hydrogen

       Untuk dapat mengidentifikasi senyawa organic, inti atom hydrogen diberi frekwensi
radio (Frekwensi Lamour) agar momen magnet (µ) dan medan magnet luar (B0) saling
berinteraksi, dimana akan menimbulkan momen gaya yang diakibatkan inti berpresisi
terhadap medan magnet luar (inti beresonansi), seperti yang terlihat pada (Gambar 3) dibawah
ini:




                                                                                         17
                                 Gambar 2. Resonansi inti

       Akibat adanya resonansi ini, maka atom H akan mengabsorbsi energy dari frekwensi
radio tersebut dan selanjutnya aton H akan mengalami pembelokan arah, dipengaruhi oleh
besar dan lamanya energy frekensi radio yang diberikan. Sewaktu frekwensi radio dihentikan
atom H akan memancarkan energy yang dimilikinya. Kemudian energy yang berupa sinyal
tersebut dideteksi dengan detector yang khusus dan diperkuat. Untuk memperoleh pengukuran
yang kuantitatif diperlukan suatu titik rujukkan (referensi). Senyawa yang dipilih untuk titik
rujukkan adalah tetra-metil silana (TMS), (CH3)4Si, yang proton-protonnya menyerap pada
ujung kanan dalam spektrum NMR. Dalam prakteknya, TMS ditambahkan langsung pada
sampel, dan peak TMS bersama dengan peak-peak absorpsi dari senyawa sampel diperoleh
dalam spektrum. Selisih antara posisi absorpsi TMS dan posisi absorpsi suatu proton tertentu
disebut geseran kimia (chemical shift). Geseran kimia memiliki simbol δ, yang dinyatakan
sebagai bagian tiap juta (ppm) dari radio-frekuensi yang digunakan.

       Secara prinsip, frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap ditentukan oleh
kekuatan magnet dan jenis inti yang diamati. Namun, perubahan kecil dalam frekuensi
diinduksi oleh perbedaan lingkungan kimia tempat inti tersebut berada. Perubahan ini disebut
pergeseran kimia.9

       Dalam spektroskopi 1H NMR, pergeseran kimia diungkapkan sebagai nilai relatif
terhadap frekuensi absorpsi (0 Hz) tetrametilsilan standar (TMS) (CH 3)4Si, pergeseran kimia
tiga jenis proton dalam etanol CH3CH2OH adalah sekitar 10525 T (490 Hz), bila direkam
dengan spektrometer dengan magnet 21140 T (90 MHz) (Gambar 3) karena frekuensi

                                                                                           18
absorpsi proton adalah 0,9 x 108Hz (90 MHz), pergeseran kimia yang terlibat hanya bervariasi
sangat kecil.




       Gambar 3. 1H spektra NMR etanol CH3CH2OH (a) spektrum resolusi rendah,
            (b) resolusi tinggi. Garis bertangga adalah integral intensitas absorpsi.

       Frekuensi resonansi (frekuensi absorpsi) proton (atau inti lain) sebanding dengan
kekuatan magnet spektrometer. Perbandingan data spektrum akan sulit bila spektrum yang
didapat dengan magnet berbeda kekuatannya. Untuk mencegah kesulitan ini, maka dikenalkan
skala δ yang tidak bergantung pada kekuatan medan magnet. Nilai δ didefinisikan sebagai
berikut.

                                    δ = ( ν/ν) x 106 (ppm)

  ν perbedaan frekuensi resonansi (dalam Hz) inti yang diselidiki dari frekuensi standar TMS
(dalam banyak kasus) dan ν frekuensi (dalam Hz) proton ditentukan oleh spektrometer yang
sama. Satuan Hz yang muncul di pembilang dan penyebut persamaan di atas akan saling
meniadakan. Karena nilai     ν/ν sedemikian kecil, nilainya dikalikan dengan 10 6. Jadi nilai δ
dinyatakan dalam satuan ppm.10

4.3 Perbedaan antara spektra resolusi tinggi dan spektra resolusi rendah




                             Gambar 4. Spektrum resolusi tinggi

                                                                                            19
       Gambar diatas memperlihatkan spektrum resolusi tinggi terlihat lebih sederhana
karena tidak mampu memisahkan puncak-puncak individu dalam berbagai kumpulan puncak.




                     .

                 Gambar 5. Spektra resolusi rendah dari methyl propanoate

Angka pada puncak menunjukkan luas area relatif tiap puncak. Informasi ini sangat penting
dalam menginterpretasikan spectra.

       Dari gambar spectra diatas terlihat bahwa tiap puncak menunjukan lingkungan kimia
yang berbeda untuk atom-atom hidrogen dalam suatu molekul. Dalam spektrum metil
propanoat di atas, terdapat tiga puncak karena ada tiga lingkungan kimia hidrogen yang
berbeda.

       Ingat rumus molekul metil propanoat adalah CH 3CH2COOCH3. Hidrogen dalam
gugus CH2 jelas berada pada lingkungan kimia yang berbeda dari gugus CH3. Dua gugus CH3
mempunyai lingkungan kimia yang berbeda. Yang satu menempel pada gugus CH 2 dan yang
lainnya menempel pada oksigen. Sedangkan perbandingan luas area di bawah puncak
menunjukan banyaknya hidrogen pada berbagai lingkungan kimia. Pada kasus metil
propanoat, perbandingan luas areanya 3:2:3, sesuai dengan apa yang kita duga yaitu dua posisi
untuk gugus CH3 yang berbeda dan satu posisi untuk gugus CH 2. Anda memerlukan luas area
relatif di bawah puncak – khususnya jika anda hanya melihat spektra resolusi rendah.
Spektrometer NMR dilengkapi dengan bagian/alat yang akan memunculkan garis pada
spektrum yang disebut dengan pencacah integrator (atau pencacah integrasi). Anda dapat
menentukan luas area relatif dengan pencacah ini.11




                                                                                            20
 5. Spektroskopi Laser

 5.1 Pendahuluan

     Ultrafast spectroscopy telah menjadi bagian penting dalam ranah kimia fisika. Lebih dari
 sekadar membuat postulat dalam memodelkan mekanisme reaksi kima dan biologi, pulsa
 ultrashort laser kini dapat digunakan untuk mengobservasi dan bahkan mengontrol outcome
 dari reaksi secara real time. Laser kini mampu mencapai daya maksimal sebesar 10 20W/cm2
 jauh lebih tinggi dibandingkan dengan flux daya keluaran cahaya matahari yang masuk ke
 bumi adalah 1017W. Era baru dimulai, dengan menggunakan laser ultrashort dengan intensitas
 yang sangat tinggi dapat digunakan sebagai sumber pulsa sinar X dan elektron. Dengan cara
 ini, kita dapat menentukan posisi atom sebagai fungsi waktu ketika reaktan bereaksi dan
 membentuk produk melalui keadaan transisi. Lebih lanjut, laser femtosecond mampu
 digunakan untuk mendeteksi dan memonitor transien spesies kimia di dalam fasa larutan
 maupun dalam fasa gas, mencitra sel hidup dengan resolusi micrometer, dan lain-lain.12

 5.2 Menghasilkan Ultrashort laser

          Pulsa ultrashort dihasilkan melalui laser mode-locked. Melalui interferensi konstruktif,
 pulsa pendek dihasilkan ketika banyak mode longitudinal terbentuk di dalam resonator laser.
 Beragam teknik dikembangkan, umumnya dikelompokkan dalam aktif atau pasif mode
 locking. Aktif mode-locking menggunakan modulator di dalam laser cavity sedangkan yang
 pasif menggunakan saturabel absorber, biasanya dengan lapisan semikonduktr tipis, untuk
 mengunci perbedaan fase. Prinsip umum pada mode-locking adalah dengan melakukan
 interferensi beberapa mode gelombang dengan perbedaan fase konstan, seperti tampak pada
 gambar




Gambar 1. a) menunjukkan rambatan gelombang EM dalam laser multimode b) menunjukkan rambatan
                            gelombang EM pada laser mode-locked 13
                                                                                         21
Cara-cara yang dilakukan untuk dapat menghasilkan laser mode-locking adalah dengan:
   1.   Peralatan acousto-optic, yang akan menghasilkan gelombang bunyi. Dalam proses ini,
        gelombang EM akan dimodulasi oleh gelombang bunyi.
   2.   Modulator electro-optic
   3.   Menggunakan saturabel absorber untuk memodulasi faktor penguatan pada bahan
        aktif.
Bahan yang kini dikembangkan untuk menghasilakan laser mode-locked adalah titanium-
doped sapphire (Ti: sapphire). Penggunaan material ini menghasilkan laser yang bersifat self-
mode-locking. Ti:sapphire memiliki lebar pita penguatan dari 700nm hingga 1100nm dan
memiliki puncak sekitar 800nm dan merupakan yang terlebar di dalam material zat padat.

        Metode lain yang paling sering digunakan saat ini adalah Kerr lens mode-locking
(KLM). Konfigurasinya dapat dilihat seperti pada gambar berikut




Laser dipompa oleh sumber laser kontinu (CW) dengan daya 5W biasanya menggunakan laser
intracavity-doubled diode-pumped neodymium. Cahaya ini difokuskan pada batang
Ti:sapphire yang segaris dengan sumbu laser, melalui bagian belakang salah satu cermin.
Cavity terdiri atas batang Ti:sapphire dengan panjang maksimal 5mm. Sapphire ini dikotori
dengan Ti untuk menyerap 90% radiasi pompa yang datang. Di samping itu, terdapat juga dua
cermin cekung sebagai pemantul yang baik dan pemadu keluaran (output coupler). Sepasang
prismadipasang untuk mengontrol dispersi spektral yang disebabkan oleh laser. Dispersi itu
disebabkan oleh keberagaman indeks bias material yang melewati bandwidth laser. Adanya
dispersi pada cavity, dan efek lensa Kerr adalah bagian intrinsic dalam proses pembentukan
pulsa. Memang lensa Kerr di dalam batang akan berkontribusi kepada kehilangan daya secara
keseluruhan tapi hal ini dapat diatasi dengan pengaturan kecil pada resonator. Pergeseran
cermin cekung sekitar 0.5mm akan mendorong cavity ke dalam mode pulsa. Konfigurasi ini
menghasilkan pulsa 12 femtosecond dengan pusat di 800nm dengan energi 5nJ pada laju
perulangan 80MHz. Bila digunakan batang yang lebih pendek, pulsa yang dihasilkan juga

                                                                                          22
akan makin pendek dan dispersinya makin dapat diatasi dan efek pemfokusan ruang-waktu
dapat makin mudah dikontrol. Penggunaan cermin yang arah dispersinya berlawanan dengan
batang Ti:sapphire akan mengeliminasi kebutuhan akan prisma. Atau dengan cara lain,
perpaduan antara prisma dan cermin dapat dilakukan untuk menghasilkan pulsa sekitar
5femtosecond. Hingga saat ini, jenis cermin yang terbaik adalah cermin saturabel-absorber
dari bahan semikonduktor yang diletakkan di dalam cavity.

       Setelah melewati osilator ini, laser kemudian akan mengalami penguatan. Metode
penguatan yang dilakukan adalah CPA (Chirped-pulse Amplification). Skemanya menurut
gambar berikut ini




Pada gambar ini, output dari osilator (O) akan diuraikan di dalam grating stretcher (S). Pulsa
yang terurai tadi dikuatkan dengan regenerative atau multipass Amplifier (A) kemudian
direkompresi di dalam pasangan kisi compressor (C)

5.3 Aplikasi

Ultrafast laser telah menjadi makin kecil dan makin mudah digunakan, hal ini membuat laser
spektroskopi banyak diaplikasikan. Contoh aplikasinya adalah penyerapan mulifoton (untuk
proses pencitraan material biologi), fragmentasi (proses analisis DNA yang dapat dipecah-
pecah dalam fragmen). Secara tidak terduga, laser femtosecond juga digunakan dalam
permesinan untuk menghasilkan potongan yang lebih bersih karena pulsa laser membuat
material berubah fasa menjadi plasma sehingga tidak meleleh.




                                                                                           23
Referensi

1
 http://www.teknat.uu.se/forskning/uu/beskrivning.php?vetenskapsid=0&forskomr=22&id=19
3&lang=en diakses pada tanggal 1 Juni 2010

2
 http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_spectroscopy diakses pada tanggal 1 Juni 2010

3
 http://www.hkbu.edu.hk/~csar/xps.html diakses pada tanggal 1 Juni 2010

4
 http://en.wikipedia.org/wiki/Auger_electron_spectroscopy diakses pada tanggal 1 Juni 2010

5
 http://ilmu-kedokteran.blogspot.com/2007/11/spektroskopi-serapan-atom-spekroskopi.html
diakses pada tanggal 1 Juni 2010

6
    http://id.wikipedia.org/wiki/Spektrometri_massa diakses pada tanggal 1 Juni 2010

7
 http://eriyatibudhiprajanti.students-blog.undip.ac.id/2009/10/29/spektrometer-massa-untuk-
menentukan-massa-inti-atom/ diakses pada tanggal 1 Juni 2010

8
 Raman Spectroscopy Basics. Princeton Instruments.

9
 http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_magnetic_resonance diakses pada tanggal 1 Juni 2010

10
    http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_dasar/struktur-material/spektroskopi-nmr/
diakses pada tanggal 1 Juni 2010

11
    http://www.chem-is-
try.org/materi_kimia/instrumen_analisis/spektrum_resonansi_magnetik_inti__nmr_/spektra_n
mr_resolusi_rendah/ diakses pada tanggal 1 Juni 2010

12
    Reid, G. D. & Wynne, K. 2000. Ultrafast Laser Technology and Spectroscopy

13
    Abramczyk, H. 2005. Introduction to Laser Spectroscopy. Elsevier. Amsterdam




                                                                                          24

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Stats:
views:7350
posted:7/21/2010
language:Indonesian
pages:25