UV-Vis Spectroscopy

Proses karakterisasi material sangat diperlukan dalam menginvestigasi suatu material, baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Berbagai prinsip dalam proses investigasi ini menjadi dasar dalam menjalankan fungsi dari alat spektroskopi, salah satunya UV-Vis Spectroscopy.

Gambar 1. UV-Vis Spectroscopy Perkin-Elmer

Manusia bisa membedakan senyawa kimia yang banyak macamnya dengan mudah melalui warna senyawa yang khas. Masing-masing memiliki warna yang berbeda, klorofil berwarna hijau dan darah berwarna merah. Dalam hal ini, mata manusia bisa dianggap bertindak sebagai spektrometri yang menganalisa warna yang direfleksikan oleh permukaan benda. Prinsip ini yang digunakan pada UV-Vis (UV-Visible) Spectroscopy.

A.            Prinsip Kerja

Gambar 2. Spektrum warna berdasarkan panjang gelombang

Ketika elektron pada molekul berpindah orbital dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi lebih tinggi dan sebaliknya, akan ada energi yang diserap dan dipancarkan. Besarnya energi ini berada dalam range cahaya tampak (400-700 nm) dan UV (200-400 nm). Oleh karena itu, sampel UV-Vis Spectroscopy akan menyerap atau memancarkan spektrum elektromagnetik ketika terjadi eksitasi elektron saat sampel dilewati cahaya tampak atau UV.

B.             Metode/ Cara Kerja

Gambar 3. Mekanisme pemancaran sinar UV/Vis

Adapun sumber energi cahaya yang dapat digunakan yaitu :

Ø    Tungsten, menghasilkan energi dengan intensitas yang cukup rendah

(λ = 350-2500nm)

Ø    Deuterium Arc Lamp, menghasilkan energi yang cukup besar

(λ = 190-240 nm)

Atau dapat juga digunakan Xenon (λ = 190-800 nm)

Proses kerja yang dijalankan oleh uv-vis spectroscopy yaitu :

1)  Energi cahaya dipancarkan dari sumber dan difokuskan melalui lensa

2) Melewati shutter, fungsinya adalah mengatur intensitas cahaya yang akan melewati sampel

3)  Saat cahaya melalui sampel, akan ada intensitas cahaya yang diteruskan menuju lensa untuk difokuskan

4)    Slit (celah) berfungsi untuk membatasi jalur masuknya cahaya

5)  Hasil intensitas yang berhasil melewati slit selanjutnya menuju grating untuk kemudian diuraikan menuju diode array menjadi berkas cahaya monokromatik dan dilanjutkan ke tahap berikut :

Gambar 4. Mekanisme deteksi intensitas cahaya

a.  Melalui mirror 2, masing-masing berkas cahaya monokromatik akan dibagi  menjadi dua dengan besar intensitas sama oleh ‘half-mirror’.

b. Berkas cahaya yang satu (garis ungu) dilewatkan ke ‘sample cuvette’ yang berisi sampel.

c.  Berkas cahaya reference beam (garis biru) dilewatkan ke ‘reference cuvette’ yang hanya berisi sampel referensi (blanko).

d. Intensitas dari cahaya yang keluar dari kedua holder kemudian diukur oleh detektor dan dibandingkan hasilnya.

Selisih antara intensitas cahaya awal, I_o, yang dilewatkan ke ‘reference cuvette’ dengan intensitas cahaya yang dilewatkan ke sampel, I, adalah besar intensitas cahaya yang diserap oleh sampel. Hasilnya bisa dinyatakan sebagai besar cahaya yang diserap (absorbance) A, atau besar cahaya yang ditransmisikan T. Jika sampel tidak menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu maka I_o = I, A = 0, dan T = 1.

C.             Hasil

Selisih antara intensitas cahaya awal, Io, yang dilewatkan ke ‘reference cuvette’ dengan intensitas cahaya yang dilewatkan ke sampel, I, adalah besar intensitas cahaya yang diserap oleh sampel. Hasilnya bisa dinyatakan sebagai besar cahaya yang diserap (absorbance) A, atau besar cahaya yang ditransmisikan T. Jika sampel tidak menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu maka Io = I, A = 0, dan T = 1.

Gambar 5. Transmisi cahaya pada sampel

Hasil dari UV-Vis Spectroscopy biasanya ditampilkan dalam bentuk grafik. Dengan sumbu X, menunjukan panjang gelombang dan sumbu Y menunjukkan jumlah cahaya yang terserap. Dari grafik ini, bisa kita lakukan analisa secara kualitatif untuk menentukan senyawa apa saja yang ada dalam larutan sampel. Karena setiap senyawa kimia punya respon berbeda terhadap penyerapan spektrum panjang gelombang tertentu saat terjadi eksitasi.

Gambar 6. Grafik (a) Data hasil UV-Vis spectroscopy; (b) Hasil pengolahan data material CdS

Dengan memanfaatkan persamaan Tauc di bawah ini maka dapat diperoleh pendekatan nilai untuk energi absorbansi.  Persamaan Tauc:

                                                
                                  

dimana  a_o adalah koefisien absorbsi linear; hn  adalah energi foton dari cahaya; A adalah parameter lebar sisi absorbsi; dan Eg adalah energi celah pita optis, masing-masing. (Gambar 6.b)

Nilai dari energi yang diserap oleh sampel merupakan karakteristik dari jenis material tertentu. Hal inilah yang mendasari penerapan analisa kimia kualitatif dari spektroskopi UV-Vis. Sebagai contoh, meterial ZnO akan memiliki energi absorbansi sekitar 3,07 eV.

D.            Aplikasi

Berdasarkan fungsinya sebagai media untuk analisa kualitatif, penggunaan UV-Vis Spectroscopy dapat ditemukan untuk menginvestigasi:

Ø    Kandungan darah

Ø    Konsentrasi DNA/RNA

Ø    Identifikasi sisa pestisida

Ø    Pengecekan kandungan makanan

Ø    Energi celah pita material

Ø    Analisa kandungan material (kualitatif)

UV-Vis Spectroscopy sebenarnya merupakan teknik spectroscopy yang pertama ditemukan dan masih banyak digunakan secara luas hingga saat ini. Kehadirannya masih dibutuhkan hingga saat ini karena alat ini cukup mudah digunakan, hasilnya dapat diketahui dengan cepat, akurat, penggunaannya luas, dan tidak terlalu mahal.

Material yang Mengikuti Jaman

            Setiap hari, setiap saat, baik sadar maupun tidak, manusia selalu berhubungan dengan berbagai jenis material. Material disini bukan material untuk bangunan loh ya… Contohnya adalah saat berkendara di dalam mobil. Kaca mobil, jok kursi, dan rangka mobil semuanya terbuat dari material berbeda yang dirangkai menjadi kesatuan hingga bernilai guna bagi manusia. Jika masih ingat pelajaran sejarah di SMP dulu, bahkan, perkembangan sejarah ditandai dengan material utama yang digunakan pada masa itu, seperti jaman batu, bronze age dan iron age.

Seiring dengan perkembangan jaman, kini material juga ikut berkembang dari material sederhana hingga material kompleks. Pada dasarnya ada tiga jenis material yang dapat dijumpai, yaitu polimer/plastik, logam, dan keramik. Ketiganya dapat diidentifikasi dengan mudah berdasarkan perbedaan sifat, bentuk, penampilan, dan fungsi material tersebut. Dengan bertambahnya kebutuhan manusia di jaman modern ini, material mau tak mau juga ikut berevolusi hingga didapatkan sifat material tertentu yang sesuai dengan kebutuhan perkembangan jaman.

Maka berkembanglah material yang lebih kompleks, seperti matrial nano dan material komposit. Material komposit merupakan campuran antara dua jenis material dasar (bisa polimer-logam, logam-keramik, ataupun keramik-polimer). Pencampuran dimaksudkan agar material memiliki sifat yang lebih unggul. Misalnya komposit polimer-logam, yang bisa dijumpai di dashboard mobil atau motor, memiliki kekuatan seperti logam tapi fleksibel seperti polimer. Material nano, yang kini kian populer, merupakan material dengan ukuran partikel sangat kecil yang diharapkan bisa meningkatkan sifat mekanis material (seperti kekerasan, kekuatan, dan lainnya) tanpa harus meningkatkan berat material tersebut. Jika material nano digunakan pada kendaraan bermotor, berat kendaraan bisa lebih ringan dan getaran yang terjadi pun lebih sedikit sehingga konsumsi bahan bakar bisa dihemat.

Perkembangan material tentu tak lepas dari pemahaman antara struktur material dengan sifat yang dimilikinya. Dengan bantuan teknologi dan proses yang sesuai, kini manusia telah bisa membuat material dengan struktur tertentu hingga dicapai sifat material yang diingini dan cocok untuk digunakan pada peralatan-peralatan masa kini yang kian kompleks.