HANDOUT KULIAH ANALISIS INSTRUMENTAL PDF

Preview

Summary

HANDOUT KULIAH ANALISIS INSTRUMENTAL ANALISIS INSTRUMENTAL FAKULTAS FARMASI UP JAKARTA WR ANALISIS INSTRUMENTAL • PENDAHULUAN • SPEKTROFOTOMETRI • KROMATOGRAFI • METODE ELEKTROKIMIA WR3 I. PENDAHULUAN • Kimia Analisis dan Tahapannya • Analisis Instrumental dan Analisis Konvensional • Tujuan dan Manf...

Description

HANDOUT KULIAH ANALISIS INSTRUMENTAL

ANALISIS INSTRUMENTAL FAKULTAS FARMASI UP JAKARTA WR

ANALISIS INSTRUMENTAL • • • •

PENDAHULUAN SPEKTROFOTOMETRI KROMATOGRAFI METODE ELEKTROKIMIA

WR3

I. PENDAHULUAN • • • • •

Kimia Analisis dan Tahapannya Analisis Instrumental dan Analisis Konvensional Tujuan dan Manfaat Kebaikan dan Keburukan Pengelompokan Analisis Instrumental

WR4

 KIMIA ANALISIS DAN TAHAPANNYA

 KIMIA ANALISIS - Analisis kualitatif  Apa ?? Identitas - Analisis kuantitatif  Berapa ?? Banyaknya Kimia Analisis (termasuk Analisis Instrumental) mempunyai peran yang sangat penting dalam penelitian, pengembangan, sintesis dan pengujian mutu obat

WR5

Tahapan analisis 1. Perencanaan 2. Sampling 3. Penyiapan sampel 4. Pengukuran 5. Perhitungan 6. Pelaporan

WR6

1. Perencanaan: Prosedur analisis  Skema kerja 2. Sampling : - sampel harus representatif (mewakili) ; prosedur sampling; prosedur penyimpanan dan pengawetan ? 3. Penyiapan Sampel: -Penimbangan - Pemipetan - Pelarutan - Pengenceran - Pemisahan dari matriks

Teknik pemisahan • Penyaringan

• Ekstraksi  ECC, ECP • Kromatografi

4. Pengukuran: - Optimasi kondisi pengukuran ( kondisi optimum) - Pengukuran  presisi ? ketelitian metode 5. Perhitungan - standar internal - standar eksternal : Perbandingan langsung atau kurva baku - penambahan standar

WR9

Analyst

Define problem

Customer

Select appropriate method(s)

Obtain and Store Sample Pretreat sample

Perform required measurements Compare results with Standards Apply necessary statistical methods Present results in form understandable to analyst

Information is transformed into useful knowledge

Present results to customer

WR10

 ANALISIS INSTRUMENTAL DAN ANALISIS KONVENSIONAL

*ANALISIS INSTRUMENTAL Adalah bagian dari kimia analisis yang pada tahap pengukuran menggunakan instrumen analitik untuk menentukan identitas, kemurnian atau kadar analit. *ANALISIS KONVENSIONAL  KULIAH kimia analisis WR11

Tujuan dan Manfaat

• TUJUAN  ANALISIS INSTRUMENTAL: - Mengatasi sampel banyak. - Mempercepat hasil pengujian. - Mengatasi masalah sampel atau analit jumlah kecil - Menetapkan komposisi campuran - Otomasi pengujian - Elusidasi struktur senyawa WR12

MANFAAT  ANALISIS INSTRUMENTAL - Industri: QC, IPC, menentukan komposis sampel. - Kesehatan: Diagnosis, toksikologi, farmakologi - Riset: menentukan komposisi, sintesis, QC - Lingkungan:cemaran pestisida, logam berat, gas beracun, partikel, radioaktivitas - Dll. Analisis Instrumental digunakan di Laboratorium Pengjian Mutu, Laboratorium Penelitian dan Pengembangan, Laboratorium Biomedik, Laboratorium Forensik, dan Laboratorium Kimia, dalam bidang Industri, Perdagangan, Penelitian, Kesehatan, Pertanian dan Perternakan, Kriminologi dan Pendidikan. Analisis Instrumental diperlukan oleh seorang farmasis yang bekerja di bidang tersebut di atas, khususnya Industri Farmasi dan Pengawasan Mutu Obat (PPOM, Balai POM dll.)

Kebaikan dan Keburukan • Kebaikan - Peka (sensitif): ppm, ppb - Cepat - Pengukuran lebih mudah dan nyaman - Otomasi dimungkinkan

• Keburukan - Perlu baku pembanding - Ketergantungan listrik - Investasi mahal

WR14

Pengelompokan Analisis Instrumental • • • • •

Spektrofotometri Kromatografi Metode Elektrokimia Metode Fisika Metode Termal (Thermometric Method) WR15

II. SPEKTROFOTOMETRI A. PENDAHULUAN • • • • • •

Definisi Spektrofotometri Istilah-istilah Penting Spektrum Elektromagnetik Interaksi zat dengan Cahaya Aspek kuantitatif dari Serapan: Hukum Beer Pembagian Metode Spektrofotometri WR16

• Spektrofotometri adalah metode analisis instrumental yang didasarkan atas pengukuran intensitas cahaya pada panjang gelombang yang hampir monokromatis, setelah berinteraksi dengan zat uji.

Cahaya monokromatis Cahaya dengan panjang gelombang tunggal.

Cahaya polikromatis Cahaya dengan panjang gelombang campuran.

Istilah-Istilah Penting CAHAYA • Cahaya • Spektrum elektromagnetis • Spektrum cahaya-tampak • Spektrum ultraviolet • Warna • Cahaya monokromatis • Panjang gelombang • Frekuensi • Bilangan gelombang

INTERAKSI CAHAYA - ZAT • Transmitan • Serapan • Serapan relatif • Daya serap • Daya serap jenis • Daya serap molar • Spektrum serapan • Spektrum transmisi • Spektrum elektromagnetik WR18

Cahaya • Gelombang - Gelombang (Christiaan Huygens, 1629-1695) - Gelombang elektromagnetik (J.C. Maxwell)) • Partikel - Foton (Isaac Newton dan Planck) Partikel foton memiliki energi berbanding lurus dengan frekuensinya, namun berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya E = hv = hc/λ. h WR19

Warna • Warna adalah sensasi psikologik yang merupakan hasil respon faali maupun psikologik terhadap panjang gelombang cahaya tampak (380 – 780 nm) yang jatuh pada selaput jala mata.

WR20

Panjang Gelombang, Frekuensi & Bilangan Gelombang • Panjang gelombang, λ (nm = 10-9m) Jarak antara dua puncak atau lembah gelombang. λ λ

• Frekuensi, v (cps = Hertz) Banyaknya gelombang per detik. _ • Bilangan gelombang, v (cm-1) Banyaknya gelombang per cm

WR21

Spektrum Elektromagnetik Energy Nuclear Inner shell Ionization of Valence Molec. Vibrations: Spin orientation changes electrons atoms and electrons stretching, bending in magnetic field Involved molecules Electrons Nuclei ESR NMR Region in ElectroMagnetic Gamma X-rays “ Soft” Vacuum Near UV Spcktrum rays X-rays UV 0,1

1

10

200

400

Vis Near IR Far IR IR 800 0.8

2.5

25

Micro- Radio waves waves

4x105 400 µm

25x107 nm

Pembagian Spektrofotometri • Spektrofotometri Serapan 1. Serapan Molekul a. Vis Spectrofotometry b. UV-Vis Spectrofotometry c. IR Spectrofotometry 2. Serapan Atom - Atomic Absorption Spectrofotometry (AAS) • Spektofotometri Emisi 1. Emisi Molekul - Spectrofluorometry 2. Emisi Atom - AFS

WR23

Spektrofotometri Serapan Atom

Spektrofotometri Serapan Atom

Spektrofotometri Serapan Molekul

Spektrofotometri UV-Vis

Spektrofotometri Serapan

Spektrofotometri IR

Spektrofotometri

Spektrofotometri Emisi Atom Spektrofotometri Emisi

Spektrofotometri Fluoresensi Atom Spektrofotometri Emisi Nyala

Spektrofotometri Emisi Molekul

Spektrofluorometri

B. TEORI DASAR 1. Interaksi zat dengan cahaya Hasil interaksi: -Absorption

I

I0

-Emision

-Scattering

Transmitan,T

T = I / I0 %T = 100 x t

Serapan, A A = - logT = log 1/T = log I0/I

I0= Intensitas cahaya masuk I = Intensitas cahaya keluar atau yang ditrasmisikan

WR25

2. Hubungan E; λ dan v Cahaya E = h.v E=h

C λ

E = h. c.v



v =

C λ

 v = 1/λ

- h = tetapan Planck ( 6,62. 10-27 erg .sec ) = = 6.626 x 10-34 J • s - c = kecepatan cahaya WR26

3. Spektrum Visibel dan Warna Komplementer λ nm

Warna (yang diserap)

Warna Komplementer (yang diobservasi)

400-435 435-480 480-490 490-500 500-560 560-580 580-595 595-610 610-750

Violet Biru Biru kehijauan Hijau kebiruan Hijau Hijau kekuningan Kuning Jingga Merah

Hijau kekuningan Kuning Jingga Red Ungu Violet Biru Biru kehijauan Hijau kebiruan WR27

DIAGRAM WARNA KOMPLEMENTER J M

K HK

V

H B

BK

HB

4. Energi dan level energi *LEVEL ENERGI 1. Energi eksternal 2. Energi internal - energi rotasi - energi vibrasi - energi elektronik

WR29

What Happens When A Molecule Absorbs Light? “When a molecule absorbs a photon, the energy of the molecule increases.”

TRANSISI ENERGI Absorpsi dan Emisi Cahaya • Absorpsi dan emisi cahaya terjadi karena transisi energi pada atom maupun molekul. Absorpsi adalah transisi energi dari energi tingkat dasar(ground state) ke tingkat energi yang lebih tinggi (excited state). Sebaliknya dinamakan emisi. Absorpsi terjadi karena adanya rangsangan cahaya dengan energi yang sama dengan selisih energi (ΔE) dari kedua level energi tersebut. • Besarnya absorpsi atau banyaknya (intensitas) cahaya yang diserap berbanding lurus dengan jumlah atom atau molekul yang dilalui oleh cahaya tersebut. Peristiwa ini merupakan dasar analisis kuantitatif (lihat hukum Beer). • Energi cahaya atau λ yang menyebabkan terjadinya absorpsi tergantung dari selisih energi dari kedua level energi tersebut. Karena setiap zat mempunyai level energi yang berbeda (spesifik), maka peristiwa ini merupakan dasar analisis kualitatif.

E1 ΔE

V1 J1

E0, J0, V0

Gb-1. Level energi molekul E1 ΔE

A

E1

E

E0 Gb-2. Level energi Molekul A

ΔE

E0

Gb-3. Level energi Molekul B

Keterangan E0= Level energi elektronik ground state E1 = Level energi elektronik excited state J = Level energi rotasi A = Absorpsi V = Level energi vibrasi E = Emisi WR31 E >V .> J ∆E = E1-E2

5.Kromofor, auksokrom dan transisi elektronik -KROMOFOR : adalah gugus fungsional dari molekul yang mengabsorbsi cahaya dan mengandung satu atau lebih ikatan rangkap contoh : benzen atau Gugus kovalen tidak jenuh yang menyebabkan terjadinya serapan elektronik  -C=C , C = O , N=N , N=O -AUKSOKROM : adalah gugus fungsional yang tidak mampu menyerap cahaya,tapi dapat merubah intensitas serapan, menggeser λ maks dari gugus kromofor suatu molekul contoh :-OH , -NH2 , –Cl, -OCH3 Atau gugus fungsional jnuh yang terikat pada kromofor dan menyebabkan perubahan intensitas serapan maupun λmaks. Gugus auksokrom sendiri tidak menyerap cahaya. WR32

*Terikatnya gugus auksokrom oleh gugus kromofor  pergeseran pita absorpsi ke panjang gelombang yang lebih panjang disebut : Pergeseran merah / Batokromik ( red shift ) *Pergeseran batokromik juga terjadi pada dua ikatan rangkap terkonyugasi –C=C–C=C– butadien

WR33

Empat efek kemungkinan perubahan pita absorpsi -1.Pergeseran Batokromik ( Red shift ): pergeseran ke panjang gelombang yang lebih panjang/kearah frekuensi labih rendah -2.Pergeseran Hipsokromik ( Blue shift ) - panjang gelombang lebih pendek/ frekuensi lebih tinggi -3.Efek Hiperkromik :  kenaikan intensitas -4.Efek Hipokromik :  penurunan intensitas

WR34

Ilustrasi efek batokromik, hipsokromik, hiperkromik, dan hipokromik pada spektrum serapan ultraviolet – cahaya tampak

• TRANSISI ELEKTRONIK σ* ( = anti bonding orbitals = unoccupied orbitals = excited state energy level) π* ( = anti bonding orbitals )

E

n ( = non-bonding, paired, outer-shell electrons: O2, S, N2, halogen anti bonding ) π ( = bonding of double and triple bond electrons) σ ( = bonding of single bond electron,-absoption in far UV)

WR36

• Elektron dalam ikatan kovalen tunggal erat terikat, untuk eksitasinya memerlukan energi tinggi atau panjang gelombang pendek. • Misalnya alkana yang hanya mengandung ikatan tunggal C – H dan C-C tidak memperlihatkan absorbansi di atas 160 nm. Metan menunjukkan puncak pada 122 nm, yang menyatakan suatu transsisi -*. Ini berarti bahwa satu elektron dalam orbital ikatan sigma dieksitasi ke orbital antibonding-sigma. • Elektron dalam ikatan rangkap dua atau tiga cukup mudah tereksitasi ke orbital pi lebih tinggi, transisinya ditandai dengan * (pi-elektron dinaikkan dari orbital pibonding ke orbital pi-antibonding). • Absorbsi energi dalam π - π* lebih kuat dari σ-σ*.

*Note: Most compound (including solvents!) absorb UV WR38

6. Aspek Kuantitatif dari Serapan Hukum Beer Hukum Beer (Bouguer’s-Beer, Lambert – Beer ) Besarnya serapan dari larutan suatu zat berbanding lurus dengan tebal larutan dan konsentrasinya.

A = abc A = serapan a = daya serap (absorptivity) b = tebal larutan, cm (Bouguer 1729, Lambert 1768) c = konsentrasi, g/L (Beer 1859)

WR39

Hukum Beer (lanjutan) • Hukum Beer dapat ditulis dengan 3 cara: 1. A = abc

c = konsentrasi, g/L a = daya serap

2. A = (A1%,1cm)bc

c = konsentrasi, % A1%,1cm = daya serap jenis

3. A = Єbc

c = konsentrasi, molar (M)

Є= daya serap molar

A = serapan b = tebal larutan, cm

WR40

Grafik Hukum Beer • Hubungan Serapan vs Konsentrasi

• Hubungan transmitan vs konsentrasi

A

T

c

c

A = abc = kc WR41

Keakuratan Fotometrik

Kesalahan relatif, % (ΔT=1%)

• Penyimpangan hukum Beer juga terjadi berkaitan dengan kemampuan detektor untuk mendeteksi cahaya yang berasal dari larutan yang terlalu pekat atau terlalu encer. • Kesalahan terkecil bila serapan A= 0,4343 atau T=36,8%. • Kesalahan masih dapat diterima bila serapan A= 0,2-0,7 atau T=20-60%. • Keakuratan fotometrik dapat digambarkan dengan grafik berikut. 0,7

0,2

A

-8 -6

A=0,4343 36,8%T

-4 -2,8 -2

0

20

40

Gb. Grafik hubungan %T vs Kesalahan relatif (%) untuk kesalahan fotometrik 1% (ΔT = 1%) 60

80

%T

WR42

CONTOH SOAL Transmitan larutan zat A yang diukur pada panjang gelombang 540 nm dalam sel setebal 1 cm adalah 58%; hitung absorben larutan tersebut dan hitung transmitannya bila diukur dengan sel setebal 2 cm dan 5 cm pada panjang gelombang yang sama.

CONTOH SOAL Suatu larutan zat berbobot molekul 200 dengan konsentrasi 100 bpj ternyata menunjukkan serapan sebesar 0,430 pada λ 370 nm dan tebal sel 1cm. Hitunglah persen transmitan, daya serap, daya serap jenis, daya serap molar dari larutan zat tersebut!

C. SPEKTROFOTOMETRI UV – VIS 1.

PENDAHULUAN, DEFINISI, PANJANG GELOMBANG DAN SPEKTRUM 2. PRINSIP DASAR INTERPRETASI SPEKTRA 3. INSTRUMENTASI 4. APLIKASI a. Analisis kualitatif b. Analisis kuantitatif

WR45

1.

PENDAHULUAN - Definisi : adalah salah satu teknik analisis spektrofotometri yang memakai sumber radiasi elektromagnetik ultraviolet dekat ( 190 – 380 nm ) dan cahaya tampak ( 380 – 780 nm ) dengan memakai instrumen spektrofotometer.

WR46

- Panjang gelombang Spektrofotometri UV –Vis melibatkan energi elektronik yang cukup besar:

- Spektrum  spektrum pita - transisi energi tidak sejenis - terjadi eksitasi elektronik pada lebih dari satu macam gugus molekul yang kompleks - Korelasi Absorben (ordinat) dan panjang gelombang (absis) WR47

*pita spektrum terjadi disebabkan : - terjadinya tumpang tindih Ee dengan Ev dan Er *dari spektrum pita diperoleh panjang gelombang serapan maksimum dimana terjadi serapan yang maksimum. *Panjang gelombang serapan maksimum : - analisis kualitatif - analisis kuantitatif ( melibatkan energi cukup besar ) WR48

A (serapan) 0,8

Spektrum Serapan Zat X pada 2 konsentrasi berbeda

0,6

X1

Berdasarkan gambar: - Konsentrasi 1 (X1) atau 2 (X2) yang lebih besar ??

X2

0,4

- Tentukan λ max zat X ???

0,2

λ (nm)

0 200 λmax1

300

400 λmax2

500

600

700

2. PRINSIP DASAR INTERPRETASI SPEKTRA -Pada penentuan panjang gelombang serapan maksimum didasarkan atas perhitungan pergeseran panjang gelombang serapan maksimum karena adanya penambahan gugus pada sistem kromofor induk  kromofor berbeda λ maks berbeda. - Kaidah Woodward dan Fiesher membahas secara rinci tentang pergeseran λ maks yang disebabkan substitusi berbagai gugus ke dalam: diena terkonyugasi, aromatik karbonil, keton tidak jenuh dan poliena. Dengan demikian setiap substitusi kimia dapat diperhitungkan terlebih dahulu λmaks dengan memakai tabel yang disusun atas dasar kaidah Woodward dan Fiesher  Lebih mendalam pd kuliah Dasar-dasar Elusidasi Struktur

WR50

3. INSTRUMENTASI  SINGLE – BEAM

1

3

2

4

5

3. Sel / Sampel 4. Detektor

1. Sumber Cahaya 2. Monokromator

6

4

5. Amplifier 6. Read - Out

 DOUBLE – BEAM M

M

3

6

R 3 2

1

1. 2. 3.

Sumber Cahaya Monokromator Sel

C

4. Detektor 5. Amplifier 6. Read - Out

HM S

4

S = sampel R = pembanding C = chopper

5

M = Mirror (cermin) HM = Half - Mirror WR51

• Komponen penting Spektrofotometer UV-Vis

1. Sumber cahaya 2. Monokromator -kisi difraksi (grating) -prisma

3. Tempat sampel ( sample compartement ) 4. Detektor 5. Amplifier 6. Rekorder

WR52

Sumber Cahaya (Sources) • Deuterium lamp (D2) -good source for UV continue radiation -widely used in UV spectrophotometers • Tungsten filament lamp (Wolfram) - Good source of continue radiation in the 330-2000 nm range - Common in visible, near-IR colorimeters, spectrophotometers - Stable light output with regulated power supply. WR53

Monokromator Purpose of monochromator:

Separation of multi-λlight into individual λ’s Radiasi dari sumber difokuskan ke celah masuk, kemudian dikumpulkan oleh sebuah lensa atau cermin, sehingga sinar pararel jatuh pada unsur dispersi yang merupakan suatu prisma atau suatu kisi difraksi.

WR54

Apabila seberkas cahaya melewati antar muka dua medium yang berbeda,seperti udara dan gelas, pembelokan berlangsung yang disebut refraksi. Besarnya pembelokan tergantung pada indeks bias gelas. Indeks bias ini berubah-ubah dengan panjang gelombang cahaya, yang ungu lebih dibelokkan dari yang merah

WR55

MONOKROMATOR

Sample Containers / Compartement / Cuvette Material: • Ultra-Violet  quartz • Visible  quartz, glass, plastic

Criteria for Sample Containers •Transparent to excitation light •Compatible with samples •Rugged

WR57

Detector Type of Detectors: • UV-Visible –Photon Detectors –Vacuum Phototubes –Photomultiplier Tubes –Photodiode Array Detector  Records all of the wavelengths at once. –Linear Photodiode arrays –Charge-Transfer (Charge Coupled Device, CCD) WR58

• Phototubes are used for high light intensity applications BUT …….. • Photomultiplier tubes are used for low light intensity

WR59

http://laxmi.nuc.ucla.edu:8248/M248_99/autorad/Scint/pmt.htm

SISTEM OPTIK: 1. Single beam 2. Double beam

Keuntungan sistem optik double beam : -

Untuk menghilangkan faktor absorpsi oleh pelarut Menghindari perbedaan intesitas yang mungkin terjadi selama pengukuran

WR60

APLIKASI : Analisis kualitatif 1. Spektrum serapan  profil dan λmaks 2. Harga: A(1%,1cm), a, ε 3. Serapan relatif 4. Titik isosbestik Dasar analisis kualitatif: - Eksitasi elektron dari level energi dasar ke level energi yang lebih tinggi. - Energi foton (hv) harus sesuai dengan ∆E WR61

* Analisis kuantitatif. 1. Analisis zat tunggal - Perbandingan langsung respon uji dengan respon baku pembanding...