Apa itu Spektrometer? Penjelasan Spektrometer UV, VIS dan IR
Penulis: Ng Ci Xuan – Mahasiswa Magang Litbang
Editor: Bryan Ng – Manajer Pemasaran
Editor: Preethi – Insinyur Dukungan Teknis
Diterbitkan: 29 April 2020
1. Apa itu Spektrometer?
Spektrometer adalah istilah umum yang menggambarkan instrumen yang memisahkan dan mengukur komponen spektral dari suatu karakteristik fisik. Alat ini mengukur variabel kontinu di mana komponen spektrum dipisahkan dari campuran aslinya.
Ada beberapa variasi spektrometer dan beberapa yang paling umum ada adalah spektrometer resonansi magnetik nuklir (NMR), spektrometer massa, dan spektrometer optik.
1.1 Spektrometer NMR
Spektrometer NMR mengamati dan mengukur interaksi putaran inti ketika sampel ditempatkan dalam medan magnet yang kuat dan konstan. Sinyal NMR dihasilkan ketika inti berinteraksi dengan medan magnet pada frekuensi yang beresonansi dengan frekuensi inti.
Medan magnet intramolekul yang mengelilingi atom dalam molekul berubah dengan frekuensi resonansi, sehingga mengungkapkan struktur molekul sampel.
1.2 Spektrometer Massa
Spektrometer massa mengukur rasio massa terhadap muatan ion dan mengidentifikasi komposisi unsur yang ada dalam sampel. Ini bekerja dengan mengionisasi sampel, yang menyebabkan beberapa molekul menjadi bermuatan dan terpisah sesuai dengan rasio massa terhadap muatannya.
Ion-ion ini kemudian dideteksi oleh perangkat yang dapat mendeteksi partikel bermuatan.
1.3 Spektrometer Optik
Spektrometer optik mengukur sifat-sifat cahaya, biasanya di dekat wilayah optik dalam spektrum elektromagnetik, yaitu sinar ultraviolet, cahaya tampak, dan inframerah.
Perubahan penyerapan dan emisi intensitas cahaya dengan panjang gelombang memungkinkan bahan untuk diidentifikasi.
Pada artikel ini, kita akan berfokus pada spektrometer optik.
2. Prinsip Kerja Spektrometer
Spektrometer terdiri dari tiga komponen utama - celah masuk, kisi, dan detektor.
2.1 Celah Masuk
Cahaya dari sumber masuk ke celah masuk dan ukuran celah menentukan jumlah cahaya yang dapat diukur oleh instrumen. Ukuran celah juga mempengaruhi resolusi optik spektrometer, dimana semakin kecil ukuran celah maka semakin baik resolusinya.
Berkas menjadi divergen setelah melewati celah dan dengan memantulkan berkas divergen pada cermin kolimasi, balok menjadi kolimasi. Sinar terkolimasi kemudian diarahkan menuju kisi difraksi. Kisi bertindak sebagai elemen dispersif dan membagi cahaya menjadi panjang gelombang penyusunnya.
2.2 Kisi-kisi
Monokromator menggunakan fenomena dispersi optik dalam prisma atau difraksi dari kisi-kisi difraksi untuk memilih panjang gelombang cahaya tertentu. Dalam spektrometer tradisional, prisma digunakan untuk menyebarkan cahaya.
Namun, dengan penemuan kisi difraksi, ia menjadi monokromator yang paling banyak digunakan dalam spektrometer modern karena memiliki lebih banyak keunggulan dibandingkan prisma.
Kedua perangkat tersebut mampu memecah cahaya menjadi beberapa warna, namun kisi difraksi dapat dibuat untuk menyebarkan warna pada sudut yang lebih besar daripada prisma. Prisma juga memiliki dispersi yang lebih tinggi hanya di wilayah UV sedangkan kisi difraksi memiliki dispersi yang tinggi dan konstan pada spektrum UV, VIS, dan IR.
Begitu cahaya mengenai kisi difraksi, setiap panjang gelombang dipantulkan pada sudut yang berbeda. Kisi difraksi dengan ukuran berbeda juga digunakan untuk menentukan rentang panjang gelombang yang berbeda.
Sinar menjadi divergen lagi setelah dipantulkan dari kisi, sehingga mengenai cermin kedua untuk memfokuskan dan mengarahkannya ke detektor.
2.3 Detektor
Detektor menangkap spektrum cahaya dan mengukur intensitas cahaya sebagai fungsi dari panjang gelombang. Data ini kemudian didigitalkan dan diplot ke perangkat lunak sebagai grafik.
3. Bagian dari Spektrometer
Bagian di atas membahas tentang cara kerja spektrometer. Pada bagian ini, komponen spektrometer dan variasi masing-masing komponen akan dibahas.
3.1 Sumber Cahaya
Sumber cahaya yang biasa ditemukan dalam spektrometer terbuat dari halogen tungsten, deuterium, busur xenon, LED, argon merkuri, seng atau laser.
3.2 Celah Masuk
Celah tersedia dalam berbagai ukuran, dari 5μm hingga 800μm dengan tinggi 1mm hingga 2mm. Ukuran celah tergantung pada aplikasi dan celah yang paling umum digunakan adalah lebar 10, 25, 50, 100, dan 200μm.
3.3 Cermin
Jenis cermin yang paling umum di sekitar biasanya adalah cermin datar dan bulat. Cermin bulat dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu cermin cekung dan cermin cembung. Namun, dalam spektrometer, cermin bola cekung biasanya digunakan.
3.4 Kisi Difraksi
Ada dua jenis kisi-kisi difraksi yang tersedia di pasaran – kisi-kisi beraturan dan kisi-kisi holografik.
Kisi beraturan diproduksi dengan mengetsa alur secara fisik ke permukaan reflektif menggunakan alat bentuk berlian pada mesin pengatur sementara kisi holografik diproduksi oleh proses yang dikenal sebagai litografi interferensi, yang membangun pola interferensi menggunakan dua sinar UV.
Kisi-kisi yang diatur dapat dinyalakan untuk panjang gelombang tertentu dan biasanya memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada kisi-kisi holografik.
Kisi-kisi holografik cenderung memiliki bentuk dan jarak alur yang lebih seragam dan menghasilkan lebih sedikit cahaya yang menyimpang karena diproduksi secara optik.
3.5 Pemegang
Sampel biasanya berupa cairan, tetapi gas dan padatan juga dapat diuji. Sampel biasanya ditempatkan di dalam sel transparan, yang disebut kuvet. Tabung reaksi juga dapat digunakan sebagai pengganti kuvet pada beberapa peralatan.
Bahan yang digunakan untuk memproduksi kuvet tergantung pada rentang spektral yang dicakup oleh spektrometer. Silika leburan atau kaca kuarsa biasanya digunakan karena transparan melalui daerah UV ke IR.
3.6 Detektor
Ada berbagai macam detektor yang digunakan dalam spektrometer berbeda dan beberapa detektor yang umum digunakan adalah tabung pengganda foto (PMT), fotodioda, susunan fotodioda, perangkat berpasangan muatan (CCD), bolometer, dan penganalisis multi-saluran (MCA).
3.7 Antarmuka
Sebagian besar sistem spektrometer berinteraksi dengan komputer melalui USB, RS-232, atau Ethernet. Dengan kemajuan teknologi, sistem yang lebih baru dapat mentransfer data secara nirkabel menggunakan Wi-Fi dan Bluetooth.
Perangkat Lunak 3.8
Banyak perangkat lunak dapat diimplementasikan untuk digunakan dengan spektrometer untuk akuisisi data. Sebagian besar perusahaan yang memproduksi instrumen tersebut juga akan menyediakan perangkat lunak yang kompatibel dengan spektrometer yang mereka produksi. Misalnya, spektrometer StellarNet dilengkapi dengan perangkat lunak mereka yang dikenal sebagai SpectraWiz.
Selain perangkat lunak siap pakai tersebut, perangkat lunak lain juga memungkinkan Anda membuat kode dan membuat program, serta menyesuaikannya sesuai kebutuhan Anda, misalnya LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA untuk MS Excel dan MATLAB.
4. Penggunaan Spektrometer
Ada beberapa kegunaan spektrometer.
Salah satu contohnya adalah spektrometer UV yang menggunakan rentang spektral 200 – 400nm, dipasang dengan celah masuk selebar 200μm, bersama dengan kisi holografik dengan ukuran alur 2400g/mm, dan dengan detektor CCD 2000 piksel, dapat mendeteksi pengotor dalam molekul organik – seperti benzena, yang merupakan pengotor umum yang ditemukan dalam sikloheksana dan keberadaannya dapat dengan mudah dideteksi melalui penyerapannya dengan puncak pada spektrum 255nm.
5. Jenis Spektrometer Optik
Spektrometer Optik dapat diklasifikasikan dalam dua cara. Cara pertama adalah dengan panjang gelombangnya sedangkan cara kedua adalah dengan sifat interaksi cahayanya.
5.1 Panjang gelombang
5.1.1 Ultraungu (UV)
Spektroskopi UV menggunakan cahaya dalam rentang panjang gelombang UV antara 200 – 400 nm untuk mengukur seberapa banyak cahaya yang diserap atau dipantulkan oleh sampel dan untuk menentukan konsentrasi unsur-unsur dalam sampel tersebut.
Elektron dalam sampel tereksitasi dari keadaan dasar ke keadaan energi yang lebih tinggi karena molekul menyerap energi yang dilepaskan oleh sinar UV. Jumlah energi yang dimiliki elektron sebanding dengan panjang gelombang yang dapat diserapnya.
Identifikasi sampel dilakukan dengan membandingkan spektrum yang dihasilkan saat sampel menyerap sinar UV dengan spektrum senyawa yang diketahui.
Spektrometer UV biasanya menggunakan busur deuterium, busur xenon, atau lampu halogen tungsten. Jenis kisi yang digunakan biasanya kisi holografik dan detektor yang digunakan biasanya berupa PMT, fotodioda, larik fotodioda, atau CCD. Detektor biasanya hadir dengan ukuran piksel 14μm kali 200μm.
Spektrometer UV umumnya digunakan dalam industri seperti Ilmu Material, Kontrol Kualitas, Petrokimia, Pangan & Pertanian, Ilmu Kehidupan, Komponen Optik, dll.
Ini juga biasanya digunakan dalam aplikasi seperti deteksi ketidakmurnian, ada atau tidak adanya gugus fungsi dalam suatu senyawa, identifikasi senyawa, elusidasi struktural senyawa organik, dll.
5.1.2 Terlihat (VIS)
Spektrometer VIS bekerja dengan cara yang sama seperti spektrometer UV, kecuali bahwa spektrometer VIS menggunakan cahaya di wilayah tampak dari spektrum elektromagnetik, yaitu panjang gelombang 400nm hingga 700nm, untuk mengidentifikasi senyawa yang tidak berinteraksi dengan cahaya UV.
Instrumen ini juga dapat menentukan konsentrasi zat dalam sampel dengan mengukur intensitas transmitansi atau absorbansinya.
Halogen tungsten, lampu xenon, dan LED biasanya digunakan sebagai sumber cahaya dalam spektrometer VIS.
Ini menggunakan jenis kisi difraksi dan detektor yang sama dengan spektrometer UV. Spektrometer VIS juga terutama digunakan dalam industri dan aplikasi yang sama dengan spektrometer UV.
5.1.3 Inframerah (IR)
Spektrometer IR menggunakan transisi vibrasi molekul organik dengan cahaya IR untuk mengidentifikasi material dalam spektrum IR.
Cahaya IR dapat dibagi menjadi tiga bagian antara 700nm hingga 1mm – inframerah dekat, sedang dan jauh, yang berkaitan dengan spektrum yang terlihat.
Foton dari pertengahan IR dan seterusnya hanya mampu menginduksi eksitasi vibrasi pada atom yang berikatan kovalen dan tidak mampu mengeksitasi elektron karena energinya tidak cukup besar.
Sampel menyerap radiasi IR dan menyesuaikan energi dengan getaran ini. Ini memungkinkan spektra serapan senyawa direkam dan spektra unik untuk setiap senyawa.
Spektrometer Fourier-transform IR (FTIR), yang mengumpulkan data dalam rentang yang luas, menggunakan transformasi Fourier untuk mengubah data mentah menjadi spektrum.
IR dekat, tengah, dan jauh masing-masing menggunakan lampu tungsten-halogen, lampu globar, dan lampu merkuri. Jenis grating yang dipasang biasanya adalah rule grating. Spektrometer NIR biasanya menggunakan fotodioda InGaAs dengan ukuran piksel 25μm kali 500μm sementara spektrometer MIR menggunakan detektor piroelektrik dengan ukuran piksel 48.5μm kali 48.5μm dan spektrometer FIR menggunakan bolometer a-Si atau VOx berukuran 75μm kali 75μm piksel.
Ini biasanya dapat ditemukan di industri seperti farmasi, keamanan lingkungan, makanan dan bahan. Aplikasi yang memanfaatkan spektrometer IR meliputi karakterisasi protein, eksplorasi ruang angkasa, identifikasi senyawa, analisis semikonduktor skala nano, dll.
5.2 Interaksi
5.2.1 Penyerapan
Seperti namanya, spektroskopi serapan mengukur penyerapan radiasi, sebagai fungsi dari panjang gelombang atau frekuensi, dari sampel dengan sumbernya.
Sampel menyerap energi dari sumbernya dan intensitas penyerapannya bervariasi dengan frekuensi, variasi ini kemudian menghasilkan spektrum serapan. Metode spektroskopi ini dilakukan di seluruh spektrum elektromagnetik.
Spektroskopi serapan digunakan untuk menentukan senyawa yang ada dalam sampel dan untuk mengukur konsentrasinya. Spektroskopi UV, VIS dan IR yang disebutkan di atas adalah contoh spektroskopi serapan.
Sumber cahaya yang paling umum digunakan dalam spektrometri serapan adalah lampu katoda berongga dan PMT digunakan sebagai detektor. Ini sering digunakan dalam penginderaan jauh, astronomi dan fisika atom dan molekul.
5.2.2 Refleksi
Spektroskopi reflektansi mengukur jumlah cahaya yang telah dipantulkan atau dihamburkan dari sampel.
Foton dari sumber yang dipantulkan dari sampel atau dibiaskan melalui sampel dikatakan terhambur.
Foton yang tersebar ini kemudian dideteksi dan direkam. Ini menghasilkan plot reflektansi versus panjang gelombang.
Sistem spektroskopi pantulan biasanya menggunakan laser, dioda superluminescent, LED, atau lampu halogen sebagai sumber cahayanya dan CCD, fotodioda, atau MCA sebagai detektornya.
Spektrometer reflektansi digunakan dalam industri medis untuk memberikan informasi tentang konsentrasi jaringan dan juga dapat digunakan dalam industri seperti ilmu lingkungan dan geologi.
5.2.3 Transmisi
Spektroskopi transmisi mengacu pada pengukuran jumlah cahaya yang melewati sampel tidak berubah.
Ini sangat terkait dengan spektroskopi serapan, oleh karena itu mereka berbagi pengaturan yang serupa.
Spektrum transmisi akan memiliki puncak tertinggi pada panjang gelombang di mana penyerapan paling lemah karena lebih banyak cahaya melewati sampel.
Bergantung pada rentang spektral, sumber cahaya yang berbeda digunakan. LED, Tungsten halogen, atau lampu deuterium sering digunakan. Detektor tipikal yang dipilih adalah fotodioda dan CCD. Ini sering digunakan dalam analisis farmasi.
5.2.4 Fluoresensi
Seperti disebutkan dalam spektroskopi UV, elektron dalam sampel menjadi tereksitasi ketika menyerap cahaya dan bergerak dari keadaan dasar ke keadaan elektronik yang lebih tinggi yang terdiri dari berbagai keadaan vibrasi.
Elektron tereksitasi dapat berpindah ke keadaan dasarnya dengan memancarkan foton dan proses ini dikenal sebagai fluoresensi.
Karena elektron dapat jatuh ke salah satu dari berbagai tingkat vibrasi dalam keadaan dasar, foton yang dipancarkan akan mengandung jumlah energi yang berbeda, dan dengan demikian intensitas dan panjang gelombang bervariasi.
Oleh karena itu, spektroskopi fluoresensi didefinisikan sebagai pengukuran jumlah fluoresensi dari suatu sampel. Biasanya menggunakan cahaya dalam rentang UV atau VIS untuk eksitasi elektron.
Fluoresensi diukur dengan spektrometer fluoresensi dan mengukur berbagai karakteristik fluoresensi, seperti intensitas dan distribusi panjang gelombang emisi. Spektrum emisi kemudian mengungkapkan panjang gelombang yang dipancarkan sampel.
Instrumen yang mengukur fluoresensi dikenal sebagai fluorometer. Fluorometer biasanya menggunakan laser, LED, xenon arc atau lampu uap merkuri sebagai sumber cahayanya. Fotodioda atau PMT biasanya dipilih sebagai detektor dalam spektroskopi fluoresensi.
Metode spektroskopi ini dapat ditemukan secara umum dalam industri medis, biokimia, dan pemantauan lingkungan. Aplikasinya meliputi diagnostik kanker pada jaringan manusia, untuk mendeteksi pengotor atau identifikasi dan pengukuran konsentrasi zat, dan untuk mendeteksi berbagai bakteri, virus, dan parasit yang menyebabkan infeksi.
5.2.5 Hamburan
Ketika cahaya melewati materi, sebagian besar berlanjut ke arah aslinya, namun sebagian kecil tersebar ke arah lain.
Teknik ini didasarkan pada teori hamburan Raman. Efek hamburan adalah hamburan inelastis foton oleh materi, yang berarti terjadi perubahan arah cahaya dan, energi hilang oleh foton setelah berinteraksi dengan sampel.
Biasanya, molekul akan mendapatkan energi vibrasi dari foton yang datang.
Sebagian besar cahaya yang dihamburkan tidak berubah dalam energi dan ini adalah hamburan Rayleigh. Hamburan Raman terdiri dari fraksi yang sangat kecil dari foton yang tersebar (sekitar 1 dalam 10 juta).
Dengan menganalisis perubahan vibrasi pada sampel, sifat-sifat seperti komposisi kimia, kristalinitas, dan interaksi molekuler dapat ditentukan. Seperti disebutkan di atas, hamburan Raman sangat lemah, oleh karena itu diperlukan spektrometer yang sangat sensitif untuk memeriksa cahaya.
Alat ini biasa digunakan dalam industri seperti kimia, fisika, farmasi, seni dan medis. Ini membantu untuk mengidentifikasi molekul dan memeriksa ikatan kimia, mengkarakterisasi dan mempelajari struktur bahan, menemukan obat palsu dalam kemasan, mempelajari biomineral, dll.
6. Spektrometer Raman
Spektroskopi Raman didasarkan pada interaksi cahaya (biasanya laser) dengan ikatan kimia material.
Cahaya tersebar langsung dari sampel dan melewati filter untuk menghilangkan partikel dari hamburan Rayleigh.
Cahaya yang tersisa dari hamburan Raman kemudian diarahkan ke kisi difraksi sebelum menuju detektor.
Ini akhirnya menghasilkan spektrum Raman di mana setiap puncak dan intensitas dapat memberikan beberapa informasi pada sampel.
Spektrometer Raman hanya menggunakan laser gelombang kontinu sebagai sumber cahayanya.
Laser dalam rentang spektral dari merah hingga NIR biasanya digunakan, namun penggunaan laser tampak dalam warna biru dan hijau meningkat dalam beberapa tahun terakhir.
Ia juga menggunakan kisi holografik sebagai monokromatornya dan CCD sebagai detektornya.
7. Spektrometer Vs. Spektrofotometer
Orang sering kali salah mengartikan spektrometer dengan spektrofotometer. Spektrofotometer adalah instrumen yang mengukur sifat transmisi dan penyerapan cahaya sebagai fungsi panjang gelombang suatu material.
Ini biasanya berkaitan dengan cahaya dalam kisaran dari ultraviolet-dekat hingga cahaya tampak hingga inframerah-dekat. Spektrofotometer itu sendiri berisi spektrometer serta sumber cahaya untuk menerangi sampel dengan lebih baik.
Prinsip kerjanya mirip dengan spektrometer, di mana monokromator digunakan untuk memilih panjang gelombang cahaya untuk mencapai sampel. Tergantung pada opasitas sampel, cahaya dipantulkan atau ditransmisikan. Detektor kemudian mencatat intensitas cahaya yang dipantulkan atau ditransmisikan.
Ini diulangi dengan monokromator pada panjang gelombang yang berbeda untuk detektor untuk mengukur perubahan intensitas cahaya. Output akhir akan menjadi spektrum serapan sebagai fungsi dari panjang gelombang.
8. Dimana Membeli Spektrometer yang Handal?
Sekarang setelah Anda mengetahui apa itu spektrometer dan aplikasinya, Anda harus tahu di mana membeli spektrometer yang andal. Anda dapat membeli spektrometer yang andal dari Wavelength Opto-Electronic.
Kami adalah distributor spektrometer StellarNet, menawarkan spektrometer optik untuk pengukuran dalam UV, VIS dan NIR, dari panjang gelombang 190 – 2300nm. Spektrometer StellarNet dirancang agar portabel, dan kompak tanpa bagian yang bergerak.
