PEMBUATAN SPEKTRUM INFRA MERAH (IR) TERHADAP
NISBAH SINYAL TERHADAP DERAU DAN JUMLAH PAYAR
SERTA PENENTUAN KADAR KAFEIN DALAM TEH
Listiana Cahya Lestari2*, Antonio Kautsar1, dan Mohamad Rafi1 1Pusat Studi Biofarmaka, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Taman Kencana Bogor 16128, Indonesia
2
Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Dramaga Bogor 16680, Indonesia
*G44120093
Abstrak
Spektroskopi infra merah (IR) menfaatkan interaksi antara radiasi sinar IR dengan materi. Pada FTIR (Fourier transform infra red)adanya pengaruh antara jumlah payar dan resolusi mengakibatkan nilai S/N yang berbeda. Semakin besar nisbah sinyal terhadap derau (S/N) yang semakin besar menunjukkan kualitas spektrum yang semakin bagus. Hasil senyawa asam benzoat pada pengukuran S/N terhadap resolusi yang sama dengan variasi jumlah payar, didapatkan nilai S/N yang tidak berbeda jauh secara signifikan, sedangkan dengan jumlah payar yang sama dan resolusi yang besar menunjukkan nilai S/N semakin besar yang lebih segnifikan. Maka semakin besar jumlah payar maupun resolusinya, akan berkorelasi dengan semakin tinggi nisbah S/N yang didapatkan. Namun umumnya resolusi 4 syang sering digunakan untuk analisis spectrum pada daerah MID-IR. FTIR dapat digunakan baik analisis kualitatif maupun kuantitatif. Analisis kualitatif dilakukan berdasarkan bentuk spektrum dari gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa yang telah diketahui strukturnya. Analisis kuantitatif digunakan untuk mengetahui kadar senyawa melalui daerah MID-IR yaitu dari 650-4000 cm
-1
. Pada percobaan kali ini dilakukan analisis keberadaan senyawa kafein dalam teh di bilangan gelombang 1658 cm-1 menggunakan metode spektroskopi FTIR dengan memanfaatkan kurva larutan standar kafein. Penentuan kadar kafein dalam pengukuran didapat sebanyak 2,80 % (b/b).
Kata Kunci: FTIR, spektroskopi, kafein, S/N, asam benzoat Pendahuluan
Spektrofotometri IR adalah teknik yang mempelajari interaksi antara radiasi elektromagnetik sinar IR dengan materi. Penggunaan metode ini memudahkan dalam penentuan struktur dan identifikasi senyawa organik baik yang sederhana maupun yang kompleks dari suatu bahan yang dapat ditentukan secara cepat. Penggunaan spektrofotometri inframerah pada bidang kimia organik memiliki kekhasan masing-masing senyawa pada bilangan gelombang dari 650– 4000 cm-1 atau pada panjang gelombang 2,5–15,4 mm yang sering disebut daerah finger print. Metode yang digunakan meliputi teknik serapan, teknik emisi, teknik fluoresensi. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik dari spektroskopi inframerah digunakan spektrofotometri inframerah transformasi fourier (fourier
transform infrared - FTIR). Pada dasarnya spektroskopi FTIR penggunaannya sama dengan spektrofotometri inframerah, yang membedakan ialah pengembangan pada sistem optiknya. (Atomssa dan Gholap 2011). Spektrofotometri FTIR memiliki banyak keunggulan dibanding spektroskopi inframerah diantaranya yaitu lebih cepat karena pengukuran dilakukan secara serentak (simultan), serta mekanik optik lebih sederhana dengan sedikit komponen yang bergerak. Spektrofotometer FTIR dapat digunakan baik untuk analisis kualitatif maupun kuantitatif (Hayati 2007).
Sistem optik FTIR digunakan radiasi LASER (Light Amplification by Stimulated Emmission of Radiation) yang berfungsi sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi infra merah agar sinyal radiasi infra merah yang diterima oleh detektor secara utuh dan lebih baik. (Giwangkara 2006). Mekanisme untuk menghasilkan spektrum FTIR kunci utamanya adalah interferometer. Sinar dari sumber inframerah dipecah oleh pemecah sinar (beam splitter) menjadi dua bagian yaitu 50 % radiasi direfleksi dan 50 % ditransmisi dengan arah saling tegak lurus. Kemudian kedua sinar tersebut dipantulkan kembali oleh kedua cermin FM (cermin tetap) dan MM (cermin bergerak) dan bertemu kembali di pemecah sinar untuk saling berinteraksi. Sebagian sinar diarahkan ke sampel dan detektor, sedangkan sebagian lagi dikembalikan ke sumber. Gerakan maju mundur cermin mengakibatkan radiasi IR akan menimbulkan perbedaan jarak yang ditempuh menuju cermin yang bergerak dan cermin diam. Perbedaan jarak tempuh radiasi adalah 2(M-F) dan disebut retardasi. Hubungan antara intensitas radiasi IR yang keluar dari detektor terhadap retardasi disebut interferogram. Interferogram tersebut diubah oleh komputer menghasilkan spektrum (Hayati 2007). Secara keseluruhan, analisis menggunakan Spektrofotometer FTIR memiliki dua kelebihan utama dibandingkan metoda konvensional lainnya, yaitu dapat digunakan pada semua frekuensi dari sumber cahaya secara simultan sehingga analisis dapat dilakukan lebih cepat daripada menggunakan cara sekuensial atau scanning dan sensitifitas dari metoda Spektrofotometri FTIR lebih besar daripada cara dispersi, sebab radiasi yang masuk ke sistem detektor lebih banyak karena tanpa harus melalui celah (slitless) (Giwangkara 2006).
Tujuan Percobaan
Membuat spektrum IR, menginvestigasi nisbah sinyal terhadap derau dan waktu payar sebagai fungsi jumlah payar rerata serta menentukan kadar kafein dalam teh menggunakan metode spektroskopi FTIR.
Metode Percobaan Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam percobaan adalah spektroskopi FTIR, seperangkat alat pembuat pelet, tabung reaksi, sentrifusa, sudip, pipet volumetrik, dan neraca analitik. Bahan yang digunakan adalah KBr, asam benzoat, aluminium foil, plastik wrap, kafein, serbuk teh, NH4OH 2 M, dan kloroform.
Tabel Spektrum yang dibuat dan nama spektrum
Jumlah Payar Resolusi
4 8 16 8 4_8 - - 16 4_16 - - 32 4_32 8_32 16_32 64 4_64 - - Prosedur
Pembuatan pelet dan pengukuran S/N
Sebanyak 200 mg KBr dan 2 mg asam benzoat dimasukkan ke dalam mortar. Keduanya dicampurkan dengan baik hingga seragam dengan cepat agar KBr tidak menyerap air. Pelet
ditempatkan dalam
wadah sampel dan
spektrum FTIR dibuat dengan parameter yang
tertera di Tabel.
Spektrum disimpan
dengan menggunakan
nama yang sesuai.
Selama proses pembuatan spektrum kompartemen sampel tidak dibuka. Payaran latar diatur dengan nilai tetap. Setelah itu, untuk mendapatkan spektrum inframerah diklik OK.
Penentuan kadar kafein dalam sampel teh
Sekitar 250 mg daun teh ditimbang dalam tabung reaksi. Sebanyak 5 ml NH4OH 2
M ditambahkan ke dalam tabung tersebut kemudian campuran tersebut dikocok selama dua menit. Setelah itu campuran dipisahkan secara sentrifugasi. Fase kloroform dari campuran diambil dan dibuat spektrum IR diantara bilangan gelombang 3800-400 cm-1. Spektrum background diperoleh dari larutan blanko. Untuk penentuan nilai tinggi serapan kafein dilakukan koreksi garis dasar mulai bilangan gelombang 1800 cm-1 pada sampel yang kemudian diinterpolasi dengan kurva kalibrasi yang diperoleh dari standar kafein yang dilarutkan dalam kloroform yang diukur dengan kondisi yang sama seperi sampel dengan koreksi backgroundnya menggunakan kloroform.
Analisis data
Kurva kalibrasi yang menunjukkan sinyal larutan standar kafein dibuat. Garis regresi linier selanjutnya dibuat untuk menentukan nilai slope dan intersep dari kurva. Y adalah sinyal serapan kafein dan X adalah konsentrasi kafein dalam ppm. Kadar kafein dalam teh (%b/b) dihitung beserta standar deviasi dan selang kepercayaan 95%.
Pembahasan
Spektrofotometri inframerah (IR) berfungsi untuk menganalisa suatu senyawa kimia. Spektra inframerah suatu senyawa dapat memberikan gambaran dan struktur moekul senyawa tersebut. Spektra IR dapat dihasilkan dengan mengukur absorbansi radiasi, refleksi, atau emisi di daerah IR (Soejoko 2002). Pada percobaan kali ini digunakan FTIR untuk mengetahui kadar kafein dalam sampel yang akan dianalisis. Percobaan dilakukan dengan preparasi pelet terlebih dahulu. Sampel yang digunakan adalah asam benzoat. Preparasi sampel dilakukan dengan cara menambahkan asam benzoat ke dalam KBr. Pencampuran pelet harus dilakukan dengan baik hingga seragam dengan cepat agar pada proses pengempaan yang dilakukan selanjutanya dapat dihasilkan pelet KBr yang baik.
Sinyal merupakan bagian dari suatu data yang menunjukkan informasi mengenai spesi kimia yang menarik. Sinyal sering kali proporsional dengan massa analit atau konsentrasi analit. Noise (derau) adalah bagian dari data yang menunjukkan informasi asing. Derau berasal dari berbagai sumber dalam suatu sistem pengukuran analitik, seperti detektor, sumber foton, dan faktor lingkungan. Oleh karena itu, karakterisasi besarnya noise seringkali merupakan tugas yang sulit dan mungkin tidak independen dari kekuatan sinyal. Menurut Miller (2005) kualitas dari sinyal dapat dinyatakan dalam nisbah sinyal terhadap derau (S/N) atau nisbah dari rataan terhadap standar deviasinya. Semakin besar nilai S/N maka spectrum yang dihasilkan akan semakin bagus, karena spectrum yang terbentuk semakin jelas (Pavia et al. 2009). Penentuan nisbah sinyal terhadap derau pada percobaan ini dilakukan dengan dua keadaan, yaitu nisbah sinyal terhadap derau pada keadaan jumlah payar konstan dan resolusi tetap. Berdasarkan hasil pengukuran didapatkan besaran nisbah sinyal terhadap derau pada kedua keadaan ini memiliki nilai yang tidak jauh berbeda. Hasil pengukuran nisbah sinyal terhadap derau pada keadaan resolusi yang sama dapat dilihat pada Gambar 2. Dan hasil pengukuran nisbah sinyal terhadap derau pada jumlah payar konstan dapat dilihat pada Gambar 4, dengan penggunaan jumlah payar yang sama dan resolusi yang besar menunjukkan nilai S/N semakin besar yang lebih segnifikan. Oleh karena itu, semakin besar jumlah payar dan resolusinya maka nisbah S/N akan semakin besar. Namun pada umumnya resolusi yang baik digunakan pada daerah MID-IR sebesar 4.
Kafein adalah alkaloid yang tergolong dalam keluarga methylxanthine yang berfungsi sebagai perangsang sistem saraf pusat. Pada dasarnya kafein berupa serbuk putih yang pahit dengan rumus kimianya C6H10O2 yang memiliki
nama IUPAC berupa 1,3,7- trimetilxantin. Standar kafein yang digunakan yaitu pada rentang konsenterasi kafein yang dimungkinkan, pada percobaan kali ini standar yang digunakan adalah kafein dengan konsenterasi 300, 500, 1000, 5000, dan 10000 ppm. Dari hasil percobaan diperoleh bilangan gelombang maksimum sebesar 1658,66201 cm-1 yang merupakan puncak serapan khas senyawa kafein. Pada kurva kalibrasi larutan standar kafein yang ditunjukkan Gambar 6 didapatkan persamaan garis y= 0,0001 – 0,0104x. Setelah didapatkan persamaan garis dari kurva standar, selanjutnya ditentukan absorbansi sampel pada nilai bilangan gelombang yang sama. Persamaan garis yang telah diperoleh sebelumnya digunakan untuk penentuan konsentrasi kafein dalam teh. Pengukuran sampel tidak langsung dapat diukur menggunakan spektrometer FTIR melainkan perlu dilakukan tahap preparasi sampel. Prinsip preparasi sampel dalam hal ini yaitu proses ekstraksi. Mula-mula sampel ditentukan bobotnya pada penimbangan dengan neraca analitik ditimbang 250 mg. Kemudian dilarutkan dengan NH4OH
2M, dan di vortex selama beberapa menit. Penambahan NH4OH ini berfungsi
untuk ekstraksi kafein dan pengikatan fasa air yang terikut sertakan pada pemisahan fasa kloroform nanti dan fasa air dengan menggunakan tabung reaksi. Fasa air bisa ikut serta karena dua hal. Pertama adalah karena ketidaksengajaan memasukkan fasa air atau emulsi. Kedua, adalah karena air sedikit larut dalam pelarut senyawa organik seperti kloroform yang digunakan dalam praktikum ini (Gary 2004). Setelah dilakukan pengocokan, campuran tersebut ditambahkan kloroform. Penambahan kloroform dilakukan karena kafein larut dalam pelarut
organik. Agar suspensi dan endapan terpisah, maka dilakukan sentrifusa. Kemudian diambil fase kloroformnya untuk diukur oleh spektrofotometer. Pengukuran menggunakan FTIR dilakukan dengan cara memasukan sampel yang telah dipreparasi kedalam omni cell selanjutnya dimasukkan ke dalam kompartemen sampel dan kemudian diukur berapa besar spektrumnya pada bilangan gelombang yang telah ditentukan sebelumnya. Berdasarkan hasil pengamatan didapatkan bahwa konsentrasi kafein yang terkandung dalam sampel teh sebesar 1379 ppm yaitu sebesar 2,80% (b/b) dalam sampel teh yang ada.
Simpulan
Kemampuan suatu analat untuk mendeteksi sinyal disebut dengan nisbah sinyal terhadap deraunya (S/N). Semakin tinggi nisbah S/N maka spektrum yang dihasilkan akan semakin baik. Pengunaan resolusi dan jumlah payar pada spektroskopi FTIR semakin besar memberikan nilai S/N yang semakin tinggi, sehingga penggunaan resolusi dan jumlah payar yang semakin besar memberikan bentuk spectrum yang bagus. Akan tetapi di daerah MID-IR pada umumnya menggunakan resolusi 4 dalam proses analisis. Bilangan gelombang yang khas untuk senyawa kafein dalam percobaan kali ini sebesar 1658,66201 cm-1. Bilangan gelombang yang dihasilkan merupakan bilangan gelombang dengan nilai absorbans maksimum dari pengukuran satndar kafein dengan konsentrasi yang berbeda-beda. Bilangan gelombang tersebut digunakan sebagai analisis penentuan kadar kafein dalam teh yang didapatkan sebesar 2,80% (b/b).
Daftar Pustaka
Atomssa T dan Gholap AV. 2011. Characterization of caffeine and determination of caffeine in tea leaves using UV-Visible spectrometer. African Journal of Pure and Applied Chemistry. 3(1): 1-8.
Gary D. 2004. Analitical Chemistry. New York (US): John Wiley and Sons. Giwangkara SEG. 2006. Aplikasi logika syaraf fuzzy pada analisis sidik jari
minyak bumi menggunakan spetrofotometer infra merah-transformasi fourier (FT-IR) [Skripsi]. Cepu (ID): Sekolah Tinggi Energi dan Mineral. Hayati EK. 2007. Dasar-Dasar Analisis Spektroskopi. Malang (ID): UIN Press. Miller JN, Miller JC. 2005. Statistic and Chemometrics for Analytical Chemistry
Fifth Edition. England (EN): Ellis Horwood.
Pavia DL et al. 2009. Introduction to Spectroscopy. Belmont (US): Cole.
Soejoko DS. 2002. Spektroskopi inframerah senyawa kalsium fosfat hasil presipitasi. Makara Sains. 6(3): 117-120.
