Atomic Absorbtion Spectroscopy (Spektrometri Serapan Atom) (AAS)

Spektrometri merupakan suatu metode analisis kuantitatif yang pengukurannya berdasarkan banyaknya radiasi yang dihasilkan atau yang diserap oleh spesi atom atau molekul analit. Spektroskopi menggunakan karakteristik absorpsi, emisi atau hamburan radiasi elektromagnetik (EM) oleh bahan untuk mempelajari secara kualitatif atau kuantitatif bahan (materi) atau mempelajari proses-proses fisika. Materi (bahan) dapat berupa atom, molekul, ion atomik atau ion molekuler atau zat padat. Interaksi radiasi dengan bahan dapat mengakibatkan pengarahan (redirection) radiasi dan/atau transisi antara tingkat-tingkat energi  atom atau molekul. Biasa dikenal dengan keadaan eksitasi elektron dimana elektron yang berada pada keadaan dasar akan tereksitasi ke tingkat energi yang di atasnya dengan cara menyerap energi yang mengenainya. Elektron tersebut selanjutnya akan jatuh kembali ke keadaan dasar dengan melepaskan atau mengemisikan energi berupa energi cahaya dan energi panas.

Salah satu bagian dari spektrometri ialah Spektrometri Serapan Atom (AAS), merupakan metode analisis unsur secara kuantitatif yang pengukurannya berdasarkan penyerapan cahaya dengan panjang gelombang tertentu oleh atom logam dalam keadaan bebas (Skoog et al. 2000).

Sejarah AAS berkaitan erat dengan observasi sinar matahari. Pada tahun 1802 Wollaston menemukan garis hitam pada spektrum cahaya matahari yang kemudian diselidiki lebih lanjut oleh Fraunhofer pada tahun 1820. Brewster mengemukakan pandangan bahwa garis Fraunhofer ini diakibatkan oleh proses absorpsi pada atmosfer matahari. Prinsip absorpsi ini kemudian mendasari Kirchhoff dan Bunsen untuk melakukan penelitian yang sistematis mengenai spektrum dari logam alkali dan alkali tanah. Kemudian Planck mengemukakan hukum kuantum dari absorpsi dan emisi suatu cahaya. Menurutnya, suatu atom hanya akan menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu (frekuensi), atau dengan kata lain ia hanya akan mengambil dan melepas suatu jumlah energi tertentu, (ε = hv = hc/λ). Kelahiran SSA sendiri pada tahun 1955, ketika publikasi yang ditulis oleh Walsh dan Alkemade & Milatz muncul. Dalam publikasi ini AAS direkomendasikan sebagai metode analisis yang dapat diaplikasikan secara umum (Weltz 1976). Apabila cahaya dengan panjang gelombang tertentu dilewatkan pada suatu sel yang mengandung atom-atom bebas yang bersangkutan maka sebagian cahaya tersebut akan diserap dan intensitas penyerapan akan berbanding lurus dengan banyaknya atom bebas logam yang berada dalam sel.

Hubungan antara absorbansi dengan konsentrasi diturunkan dari:

1.     Hukum Lambert : Bila suatu sumber sinar monokromatik melewati medium transparan, maka intensitas sinar yang diteruskan berkurang dengan bertambahnya ketebalan medium yang mengabsorpsi.

2.     Hukum Beer : Intensitas sinar yang diteruskan berkurang secara eksponensial dengan bertambahnya konsentrasi spesi yang menyerap sinar tersebut.

Dari kedua hukum tersebut diperoleh suatu persamaan:

I_t = I_o.e-(εbc), atau

A = - Log I_t/I_o = εbc

Dimana : I_o = Intensitas sumber sinar

    I_t = Intensitas sinar yang diteruskan

    ε = Absortivitas molar

    b = Panjang medium

   c = Konsentrasi atom-atom yang menyerap sinar

   A = Absorbans

Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa absorbansi cahaya berbanding lurus dengan konsentrasi atom. Pada daerah konsentrasi tertentu dimana hukum Lambert-Beer berlaku, diperoleh garis lurus. Tetapi pada konsentrasi yang lebih besar terjadi penyimpangan dari hukum Lambert-Beer dimana absorbansi tidak lagi memberikan hubungan linier dengan konsentrasi.

Pada alat AAS terdapat dua bagian utama yaitu suatu sel atom yang menghasilkan atom-atom gas bebas dalam keadaaan dasarnya dan suatu sistem optik untuk pengukuran sinyal.

Pengujian Logam Dengan AAS

1.     Prinsip Kerja AAS

AAS adalah suatu metode analisa untuk penentuan kadar unsur-unsur logam dan metaloid berdasarkan pada penyerapan (absorbansi) radiasi oleh atom bebas dari unsur tersebut (Miller dan Rutzke 2003).

Suatu sampel dapat diukur kandungan logamnya, apabila logam-logam dalam sampel tersebut telah dibebaskan dari bahan organiknya. Pembebasan logam dari bahan organik dilakukan dengan destruksi di bagian khusus alat, sampel yang telah dipreparasi tersebut selanjutnya mengalami atomisasi (Greenberg et al. 1992). Dalam metode AAS, sebagaimana dalam metode spektrometri atomik yang lain, sampel harus diubah ke dalam bentuk uap atom. Pada proses ini sampel diuapkan dan didekomposisi untuk membentuk atom dalam bentuk uap.

Secara umum pembentukan atom bebas dalam keadaan gas melalui tahapan-tahapan sebagai berikut :

a.  Pengisatan pelarut, pada tahap ini pelarut akan teruapkan dan meninggalkan residu padat.

b. Penguapan zat padat, zat padat ini terdisosiasi menjadi atom-atom penyusunnya yang mula-mula akan berada dalam keadaan dasar.

c.  Beberapa atom akan mengalami eksitasi ke tingkatan energi yang lebih tinggi dan akan mencapai kondisi dimana atom-atom tersebut mampu memancarkan energi. Banyaknya atom yang mengalami transisi elektronik tergantung pada temperatur, dirumuskan dalam persamaan Boltzman.

Atomisasi suatu unsur dalam sampel dapat dilakukan dengan sistem nyala (flame) dan tanpa nyala (flameless). Logam-logam yang cocok diukur dengan sistem nyala antara lain K, Na, Ca, Mg, Pb, Cd, Cr, Cu, Zn dan Fe. Atomisasi flame menggunakan gas bakar asetilen-udara maupun nitrous oksida-udara. Untuk spektroskopi nyala, suatu persyaratan yang penting adalah bahwa nyala yang dipakai hendaknya menghasilkan temperatur lebih dari 2000 K. Konsentrasi atom-atom dalam bentuk nyala baik dalam keadaan dasar maupun keadaan eksitasi, dipengaruhi oleh komposisi nyala.

Atomisasi elektrotermal menggunakan Garphite  Furnace Atomization (GFA), merupakan atomisasi menggunakan listrik tegangan tinggi cocok digunakan untuk pengukuran logam-logam dalam jumlah kecil (dalam ppb/ppt) (Greenberg et al. 1992). Atomisasi tanpa nyala dapat menggunakan Mercury Vapour Unit (MVU) yang khusus digunakan untuk pengukuran raksa, dapat pula menggunakan Hydride Vapour Generator (HVG) yang digunakan untuk pengukuran As, Hg, Sb, Sn, Se, Bi dan Pb (Miler dan Rutze 2003; Greenberg et al. 1992).

1.2  Sumber Cahaya

Sumber cahaya yang digunakan dalam alat AAS ialah lampu katoda berongga (hollow cathode lamp/HCL). Lampu ini terdiri dari suatu katoda dan anoda yang terletak dalam suatu silinder gelas berongga yang terbuat dari kwarsa. Katoda terbuat dari logam yang akan dianalisis. Silinder gelas berisi suatu gas lembam pada tekanan rendah. Ketika diberikan potensial listrik maka muatan positif ion gas akan menumbuk katoda sehingga terjadi pemancaran spektrum garis logam yang bersangkutan.

1.3  Monokromator dan Sistem Optik

Berkas cahaya dari lampu katoda berongga akan dilewatkan melalui celah sempit dan difokuskan menggunakan cermin menuju monokromator. Monokromator dalam alat AAS akan memisahkan, mengisolasi dan mengontrol intensitas energi yang diteruskan ke detektor. Monokromator yang biasa digunakan ialah monokromator difraksi grating. Dalam kebanyakan instrumen komersial digunakan kisi difraksi karena sebaran yang dilakukan oleh kisi seragam daripada yang dilakukan oleh prisma dan akibatnya instrumen kisi dapat memelihara daya pisah yang lebih tinggi sepanjang jangka panjang gelombang yang lebih besar (Braun 1982).

1.4  Detektor dan Sistem Elektronik

Energi yang diteruskan dari sel atom harus diubah ke dalam bentuk sinyal listrik untuk kemudian diperkuat dan diukur oleh suatu sistem pemroses data. Proses pengubahan ini dalam alat AAS dilakukan oleh detektor. Detektor yang biasa digunakan ialah tabung pengganda foton (photo multiplier tube), terdiri dari katoda yang dilapisi senyawa yang bersifat peka cahaya dan suatu anoda yang mampu mengumpulkan elektron. Ketika foton menumbuk katoda maka elektron akan dipancarkan, dan bergerak menuju anoda. Antara katoda dan anoda terdapat dinoda-dinoda yang mampu menggandakan elektron. Sehingga intensitas elektron yang sampai menuju anoda besar dan akhirnya dapat dibaca sebagai sinyal listrik. Untuk menambah kinerja alat maka digunakan suatu mikroprosesor, baik pada instrumen utama maupun pada alat bantu lain seperti autosampler (Mulja 1997).

1.5  Read out

Read out merupakan sistem pencatatan hasil. Hasil pembacaan dapat berupa angka atau berupa kurva yang selanjutnya akan dibandingkan dengan kurva baku standar, untuk mengetahui kadar logam dalam sampel. Kadar logam sampel dikoreksi menggunakan blanko (Braun 1982).

Prinsip kerja AAS secara ringkas sebagai berikut.

Sumber radiasi spesifik yang dihasilkan oleh lampu katoda berongga (Hollow Cathode Lamp), diteruskan ke pembagi. Sinar bagi digunakan sebagai referensi, dan sinar lurus diteruskan ke atom-atom sampel. Sinar yang telah melewati atom-atom sampel masuk ke dalam monokromator. Sinar monokromatik yang dihasilkan ditangkap oleh detektor, diamplifikasi, diolah dan dicatat oleh recorder secara komputerisasi. Hasil bacaan berupa absorbansi, selanjutnya ditetapkan melalui sistem ini (Miller dan Rutzke 2003).

Preparasi dan Pengujian Sampel

Sebelum sampel diukur  menggunakan AAS, sampel harus dipreparasi terlebih dahulu. Sampel bahan padatan, pasta maupun cair harus didestruksi terlebih dahulu untuk membebaskan logam dari matrik bahan organik. Destruksi dapat dilakukan dengan cara kering atau basah. Destruksi kering disebut juga pengabuan. Destruksi secara kering dilakukan dengan menggunakan suhu tinggi secara bertahap. Destruksi basah menggunakan kombinasi asam kuat, biasanya H₂SO₄ dan HNO₃. Untuk contoh air tanpa bahan organik, dapat dilakukan pengukuran langsung setelah sampel diasamkan terlebih dahulu (Greenberg et al. 1992). Sampel ditempatkan sampai volume tertentu, menggunakan air bebas mineral ataupun asam encer, dan selanjutnya diukur dengan AAS.

Konsentrasi karakteristik (kepekaan) dan limit deteksi dalam AAS

Konsentrasi karakteristik dan limit deteksi adalah besaran yang digunakan untuk menilai kinerja peralatan bagi analisis unsur tertentu. Walaupun kedua besaran ini bergantung pada pengukuran absorbansi namun memberikan spesifikasi kinerja yang berbeda dan jenis informasi yang diperoleh dari kedua besaran ini pun berbeda.

Konsentrasi karakteristik atau kepekaan

Suatu konvensi yang mendefinisikan besarnya absorbansi yang dihasilkan pada suatu konsentrasi analit tertentu. Pada spektrofotometri serapan atom, besaran ini dinyatakan sebagai konsentrasi suatu unsur dalam milligram/Liter (mg/L) yang diperlukan untuk menghasilkan isyarat sebesar 1% absorpsi (0,0044 A).

Kepekaan (mg/L) = (Konsentrasi standar (mg/L) x 0,0044)/absorbansi terukur.

Limit Deteksi

Konsentrasi terkecil yang dapat terukur dari suatu unsur ditentukan melalui nilai kepekaan dan kestabilan dari pengukuran absorbansi. Terdapatnya derau (noise) pada isyarat yang dihasilkan mempersulit pengamatan adanya perubahan absorbansi akibat adanya perubahan konsentrasi yang kecil.