SPEKTROSKOPI ATOM
DIAGRAM TINGKTA-TINGKAT ENERGI DI KULIT PALING LUAR SUATU ATOM
11.11. ALAT SPEKTROMETER SERAPAN ATOM
Alat untuk analisis dengan metode SSA mempunyai komponen-komponen dasar yang sama seperti alat spektrometer untuk pengukuran absorbans molekul dalam larutan, yaitu terdiri dari : sumber sinar, tempat cuplikan (dalam hal ini nyala api), monokhromator, detektor, amplifier-alat penunjuk. Gambar 10 adalah susunan alat spektrometer serapan atom.
Gambar 11.10. Diagram balok spektrometer serapan atom
Perbedaan-perbedaan utama antara alat SSA dan alat spektrometer serapan molekul dalam larutan ialah : sumber sinar, tempat cuplikan, penempatan momokhromator. Juga pada alat SSA ada alat dengan sistem optik berkas tunggal (single beam) dan dengan sistem optik berkas rangkap (double beam) dengan kebaikan-kebaikan dan keberatan- keberatan masing-masing.
Prinsip Bekerja Alat SSA
Nyala api gas yang mengandung atom-atom netral unsur yang dianalisis dan berada dalam keadaan azasnya (ground state) disinari dengan sinar yang dipancarkan oleh
169 sumber sinar (spektrum pancaran garis). Sebagian dari intensitas sinar dari sumber itu (dengan panjang gelombang tertentu) diserap oleh atom-atom unsur di dalam nyala yang sebelumnya masih berada dalam keadaan azasnya, dan sebahagian lagi intensitas sinar dari sumber itu diteruskan (ditransmisikan, tidak diserap). Sinar yang diteruskan ini dibiarkan melalui monokhromator, terus ke detektor, amplifier-alat penunjuk yang menunjukkan % transmitans (%T) atau absorbans (A) pada skala dengan jarum penunjuk.
Sumber sinar
Sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa untuk pengukuran absorbans atau serapan atom diperlukan sumber sinar yang memberikan spektrum pancaran (= grafik intensitas terhadap panjang gelombang) yang terdiri dari puncak-puncak atau garis-garis pancaran yang sempit. Hal ini perlu oleh karena spektrum serapan atom di dalam nyala (Absorbans terhadap panjang gelombang) juga terdiri dari puncak-puncak serapan dengan lebar pita yang sempit, kira-kira 0,02 – 0,05 Å. Lebar pita panjang gelombang sinar dari sumber, yang akan diserap, harus lebih sempit daripada lebar pita puncak serapan. Sumber sinar yang memenuhi persyaratan tersebut dan yang lazim digunakan dalam SSA ada dua macam : (1). Lampu katoda berongga (hollow cathode lamp) dan (2). Tabung awamuatan gas (gaseous discharge tubes).
Lampu katoda berongga (Hollow cathode lamp)
Lampu katoda berongga adalah sumber sinar yang paling banyak digunakan dalam alat SSA. Gambar 11 di bawah ini memberikan bagan susunan suatu lampu katoda berongga yang terdiri dari : tabung kaca tertutup yang mengandung suatu katoda dan suatu anoda. Katoda tersebut berbentuk silinder berongga yang terbuat dari atau yang permukaannya dilapisi dengan unsur yang sama dengan unsur yang akan dianalisis. Tabung lampu itu diisi dengan gas mulia, neon atau argon, dengan tekanan rendah (10-15 torr). Neon lebih disukai karena memberikan intensitas pancaran lampu yang lebih tinggi.
170 Bila antara katoda dan anoda tersebut dipasang selisih tegangan yang tinggi, sampai 600 Volt, maka mula-mula katoda akan memancarkan berkas elektron yang akan menuju ke anoda dengan kecepatan dan energi yang tinggi. Elektron-elektron yang bergerak dengan energi kinetik yang tinggi itu dalam perjalanannya ke anoda akan bertabrakan dengan atom-atom gas mulia (Neon atau Argon). Akibat dari tabrakan-tabrakan ini, maka atom- atom gas mulia itu akan kehilangan elektron atau dengan perkataan lain berubah menjadi ion-ion positip. Ion-ion positip gas mulia ini akan menuju ke katoda dengan kecepatan dan energi yang tinggi dan akan menumbuk permukaan katoda tersebut dengan energi yang tinggi. Akibat tumbukan dengan energi yang tinggi ini, maka atom-atom unsur bahan katoda (sama dengan unsur yang akan dianalisis) akan terlempar keluar (“sputtered”) dari permukaan katoda. Atom-atom unsur bahan katoda yang terlempar keluar ini kemudian akan mengalami eksitasi ke tingkat-tingkat energi elektron yang lebih tinggi (akibat tabrakan-tabrakan dengan ion-ion positip gas mulia), lalu akan memancarkan spektrum pancaran dari unsur bahan katoda yang sama dengan unsur yang akan dianalisis itu. Jadi untuk setiap jenis unsur yang akan dianalisis harus digunakan lampu katoda berongga sendiri yang sesuai. Seperti terlihat pada gambar 11 di atas, katoda dikelilingi oleh perisai yang terbuat dari kaca. Guna perisai ini adalah supaya atom-atom bahan katoda yang terlempar keluar tetap berada di rongga katoda, hal mana akan mempertinggi intensitas garis-garis spektrum pancaran. Ujung sebelah kanan tabung lampu tidak terbuat dari kaca biasa, oleh karena kaca biasa akan menyerap sinar yang dipancarkan oleh lampu. Jendela lampu tersebut terbuat dari bahan khusus yang tidak menyerap sinar yang dipancarkan lampu : kuarsa (yang dapat digunakan untuk semua jenis lampu), atau kaca pireks atau suprasil untuk tabung lampu yang katodanya terbuat dari unsur yang garis-garis resonansinya mempunyai panjang gelombang di atas 300 nm dan 250 nm.
Walaupun lampu katoda berongga itu bukan satu-satunya sumber sinar yang dapat memberikan spektrum pancaran yang terdiri dari garis-garis yang sempit, lampu katoda berongga itu umum digunakan pada alat SSA oleh karena mempunyai beberapa kebaikan- kebaikan :
(a). Memancarkan garis-garis pancaran yang sangat sempit. Pelebaran garis spektrum pancaran oleh efek Doppler dan oleh efek tekanan di dalam lampu katoda berongga jauh lebih sedikit daripada pelebaran garis-garis puncak serapan unsur yang sama di dalam nyala, oleh karena suhu dan tekanan gas di dalam tabung lampu lebih kecil daripada di dalam nyala. Oleh karena itu lebar garis pancaran hanya sepersepuluh saja dari lebar garis serapan. Dan ini memenuhi persyaratan sebagaimana yang telah diterangkan di atas.
(b). Lampu katoda berongga memancarkan garis pancaran yang panjang gelombangnya tepat sama dengan panjang gelombang garis serapan atom, sehingga dapat terjadi serapan yang optimum.
171 (c). Lampu katoda berongga dapat dibuat untuk semua unsur kimia yang dapat ditetapkan
dengan cara SSA.
(d). Mengoperasikan lampu katoda berongga tidak rumit, cukup menghubungkan kedua elektroda lampu tersebut dengan sumber tegangan, dan mengatur besarnya arus lampu hingga sesuai dengan nilai yang tercantum pada petunjuk pemakaian lampu tersebut.
(e). Lampu katoda berongga memberikan pancaran yang stabil dan dengan intensitas yang cukup tinggi. Supaya stabil harus dibiarkan menjadi panas selama waktu paling sedikit lima menit sesudah dinyalakan. Bila hal ini tidak dilakukan, maka penunjukan absorbans akan berubah-ubah, tidak konstan (”drift”). Arus lampu harus diatur sedemikian rupa hingga intensitas pancarannya cukup tinggi. Dengan intensitas pancaran lampu yang tinggi, tidak diperlukan amplifikasi (gain) yang tinggi, sehingga noise yang dihasilkan oleh sistem amplifier dan detektor menjadi lebih sedikit; dengan demikian maka perbandingan isyarat-isyarat noise (signal-to-noise ratio) menjadi lebih baik. Tetapi perlu ditambahkan bahwa noise itu tidak hanya berasal dari sistem detektor/amplifier saja, melainkan dapat juga berasal dari dalam nyala. Bila nyala tertiup oleh angin atau pencampuran gas oksidan dan gas bahan bakar tidak baik, maka banyaknya penyerapan sinar oleh atom-atom di dalam nyala tidak akan konstan, melainkan akan berubah-ubah. Akibatnya maka isyarat sinar yang sampai pada detektor juga akan berubah-ubah, dan penunjukan absorbans oleh jarum alat penunjuk akan berubah-ubah pula. Inilah yang disebut noise, yaitu noise yang berasal dari nyala. Jadi, noise itu baik yang berasal dari nyala maupun yang berasal dari sistem detektor/amplifier, akan menyebabkan penunjukan absorbans oleh jarum penunjuk menjadi tidak konstan (jarumnya bergetar-getar).
Lampu katoda berongga mempunyai masa hidup (”life time”) yang cukup lama, sekitar 5000 mAmpere-jam atau dua tahun; bila dioperasikan pada 5 mA, waktu ini cukup untuk melakukan ribuan analisis. Kondisi mengoperasikan lampu katoda berongga, hanya satu parameter saja yang harus diperhatikan betul pada waktu mengoperasikan suatu lampu katoda berongga, yaitu arus lampu.