AI 03 FTIR 2015.pptxAI 03 FTIR 2015.pptxAI 03 FTIR 2015.pptx

AI 03 FTIR 2015.pptx

1. SPEKTROFOTOMETRI INFRA MERAH: TEORI DAN APLIKASI 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   Divisi Kimia Analitik Departemen Kimia FMIPA IPB AI 03 2015

2. Pendahuluan IR

3. Pendahuluan IR Spektroskopi IR Spektra IR pertama kali diukur oleh Abney dan Festing pada tahun 1880. Teknik ini menjadi metode analisis rutin setelah pengembangan instrumennya antara tahun 1903-1940 ( oleh Coblentz di US NBS) Awalnya spektroskopi IR menggunakan metode dispersif (grating) → monokromator Instrumen Fourier Transform (FT) IR menjadi hal yang umum digunakan ditahun 1980an, dengan peningkatan yang baik dalam sensitivitas dan resolusi

4. Pendahuluan IR Inframerah Panjang gelombang 0,78-1000 m -1 / bilangan gelombang 12800-10 cm -1 Terbagi menjadi 3 daerah yaitu :

5. Pendahuluan IR Interaksi Antara Dinamika Molekul dengan Cahaya Energi molekular = energi elektronik + energi vibrasi + energi rotasi Energi elektronik = uv -vis Energi vibrasi = IR Energi rotasi = NIR

6. Energi umumnya dituliskan dalam bentuk bilangan gelombang (cm -1 )  proporsional terhadap frekuensi Pendahuluan IR

7. Asal Absorpsi Inframerah Akibat adanya transisi antara keadaan energi vibrasi dan rotasi suatu molekul Suatu molekul dapat mengabsorbsi IR jika : ada perubahan pada momen dipolnya akibat pergerakan vibrasi dan rotasi DAN Frekuensi yang berhubungan dengan foton sama dengan frekuensi pergerakan vibrasi Oleh karena itu hampir semua molekul dapat mengabsorbsi IR ( kecuali molekul diatomik homonuklir ) Absorpsi IR

8. Bergetar diantara dua atom Molekul diatomik heteronuklir: HCl, CO  aktif IR Molekul diatomik homonuklir: O 2 , H 2 , N 2 , Cl 2  nonaktif IR Absorpsi IR

9. Jenis Vibrasi Ulur ( stretching ) simetri asimetri Absorpsi IR

10. 2. Tekuk ( bending ) In-plane rocking In-plane scissoring Out-plane wagging Out-plane twisting Absorpsi IR

11. Jumlah Frekuensi Normal Jumlah frekuensi normal suatu molekul yang mengandung n atom ditentukan menggunakan rumus berikut: Molekul linier 3N-5 Molekul nonlinier 3N-6 Contoh: Absorpsi IR

12. Frekuensi Normal dari Molekul Triatom (CO 2 ) Absorpsi IR

13. Frekuensi Normal dari Molekul Triatom (H 2 O) Absorpsi IR

14. Pengalun Selaras Ratah (PSR)/ Simple Harmonic Oscillator (SHO) Proses vibrasi dapat dimodelkan sebagai pengalun selaras ratah  didasarkan pada hukum Hooke : kakas pemulih/forsa pemulih ( restoring force ) proporsional terhadap pergeseran F=-ky F= forsa, k=konstanta, y= jarak pergeseran Perubahan dalam energi akan berhubungan dengan F Teori Spektroskopi IR

15. Frekuensi Vibrasi F = ma a = d 2 y/dt 2 md 2 y/dt 2 = -ky substitusi dengan y = A cos2 v m t akan diperoleh: ν m hanya bergantung pada k dan μ, tidak bergantung kepada energi yang ditambahkan ke dalam sistem (hanya berpengaruh pada amplitudo vibrasi) Teori Spektroskopi IR

16. Dari pandangan mekanika kuantum: Energi molekular vibrasi terkuantisasi: E = (v + ½)hν m (v = 0, 1, 2, 3, . . .) Dengan v = bilangan kuantum vibrasi v m = frekuensi vibrasi yang teramati Transisi yang diperbolehkan melibatkan aturan seleksi vibrasi  Δv = ±1 Jadi hanya frekuensi absorbsi tunggal untuk tiap vibrasi dasar (ΔE = hν m ) Teori Spektroskopi IR

17. Energi keadaan dasar vibrasi (E ) dan keadaan eksitasi pertama (E 1 ): Maka frekuensi yang teramati: Teori Spektroskopi IR

18. Pengalun takselaras ( anharmonic Oscillator ) Secara nyata dalam molekul, vibrasi “close to being” harmonik pada energi terendah. Pada jarak yang dekat, energi tolakan elektronmeningkat secara cepat Pada jarak yang lebar , ikatan dapat putus  deviasi kakas pemulih menurun • ΔE tidak selalu konstan  ν ↑, ΔE↓, nada atas ( overtones ), Δν = 1, 2, 3, intensitas rendah • kopling antar vibrasi  kombinasi pita, ν = ν1 + ν2, intensitas rendah Teori Spektroskopi IR

19. Desain instrumen Sumber Radiasi Pemilih Panjang Gelombang Wadah Sampel Transduser radiasi ( detektor ) Pemroses Isyarat ( Sinyal ) dan Pembaca (Readouts) Instrumentasi Spektroskopi IR

20. Jenis-jenis Spektrofotometer IR Spektrofotometer IR Dispersif Berkas tunggal ( Single beam ), tidak terlalu praktis karena adanya absorpsi radiasi IR oleh H 2 O dan CO 2 atmosfer Berkas rangkap ( Double beam ), sel sampel ditempatkan di depan monokromator untuk meminimalkan efek adanya emisi IR dan radiasi sesatan dari kompartemen sampel Metode deteksi Sistem optis nol ( Optical null ) Sistem perekam rasio ( Ratio recording ) Instrumentasi Spektroskopi IR Radiation Source Sample Wavelength Selector Detector (transducer)

21. Spektrofotometer IR takdispersif Fotometer filter Spektrometer filter dielektrik filter spectrometer Spectrometer Special purpose Spektrofotometer transform Fourier Interferometer Instrumentasi Spektroskopi IR Radiation Source Interferometer Sample Detector (transducer)

22. Nernst Glower A rod or cylinder made from several grams of rare earth oxides, heated to 1200-2200K by an electric current. 1-50 µm (mid- to far-IR) Globar Similar to the Nernst glower but made from silicon carbide SiC, electrically heated. Better performance at lower frequencies. heated 1-50 µm (mid- to far-IR) Tungsten ( W) filament lamp Heated to 1100 K 0.78-2.5 µm (Near-IR) Hg arc lamp High-pressure mercury vapor tube, electric arc forms a plasma. 50 - 300 µm (far-IR) CO 2 laser H igh-intensity, tunable radiation used for quantitation of specific analytes 9-11 µm Instrumentasi Spektroskopi IR Sumber radiasi IR

23. Detektor IR Thermal transducers Response depends upon heating effects of IR radiation (temperature change is measured) Slow response times, typically used for dispersive instruments or special applications Pyroelectric transducers Pyroelectric: insulators (dielectrics) which retain a strong electric polarization after removal of an electric field, while they stay below their Curie temperature. DTGS ( deuterated triglycine sulfate ): Curie point ~47 ° C Fast response time, useful for interferometry (FTIR) Photoconducting transducers Photoconductor: absorption of radiation decreases electrical resistance. Cooled to LN 2 temperatures (77K) to reduce thermal noise. Mid-IR: Mercury cadmium telluride (MCT) Near-IR: Lead sulfide (NIR) Instrumentasi Spektroskopi IR

24. Interferometer ditemukan oleh Michelson tahun 1887) dapat menjadi alternatif dalam pemilihan panjang gelombang. Disamping menyaring dan mendispersi radiasi elektromagnetik, interferometer akan melewatkan radiasi secara simultan untuk seluruh panjang gelombang dalam mencapai detektor Instrumentasi Spektroskopi IR

25. http://www.infrared-analysis.com/info1.htm Instrumentasi Spektroskopi IR

26. Diagram skematik Interferometer Michelson Instrumentasi Spektroskopi IR

27. Radiasi dari sumber difokuskan pada pembelah berkas (beam splitter) yang akan mentransmisikan setengah dari radiasi ke cermin tetap (fixed mirror), dan memantulkan sebagian yang lain ke cermin bergerak (movable mirror) Radiasi kemudian bergabung kembali pada pembelah berkas dengan interferensi konstruktif dan destruktif menentukan untuk setiap panjang gelombang intensitas sinar yang akan ke detektor. Saat cermin bergerak berubah posisinya, panjang gelombang dari sebuah sinar yang mengalami interferensi konstruktif dan destruktif yang maksimum juga akan berubah. Sinyal dalam detektor menunjukkan intensitas sebagai fungsi posisi cermin bergerak, diekspresikan dalam unit jarak atau waktu. Hasilnya disebut sebagai interferogram, atau spektrum dengan domain waktu. Spektrum dengan domain waktu ini kemudian dikonversi dengan persamaan matematika yang dikenal sebagai transformasi Fourier menjadi spektrum yang normal (spektrum domain frekuensi) dengan intensitas sebagai fungsi energi radiasi. Karena cermin gerak yang bergerak pada jalurnya tersebut akan menghasilkan pengukuran beberapa kali pada tiap , maka: - Spektrum yang dihasilkan akan cepat (<1 detik) - rasio sinyal dan derau dapat ditingkatkan Instrumentasi Spektroskopi IR

28. Bentukan interferogram dari keluaran interferometer Michelson Instrumentasi Spektroskopi IR

29. Spektrum dari sumber sinar kontinu Inteferogram dari sumber sinar (a) yang dihasilkan dari keluaran interferometer Michelson Instrumentasi Spektroskopi IR

30. Instrumentasi Spektroskopi IR

31. Dibandingkan dengan monokromator, interferometer mempunyai dua buah keuntungan yang signifikan yaitu: Keuntungan Jacquinot Hasil dari keluaran yang tinggi dalam radiasi. Karena interferometer tidak mengunakan celah dan mempunyai komponen optik yang sedikit (jika komponen optik banyak maka ada kemungkinan radiasi dihamburkan ataupun hilang), selain itu keluaran radiasi yang akan menuju ke detektor lebih kuat 80–200 kali dibandingkan dengan monokromator  meningkatkan S/N Keuntungan Fellgett Waktu yang dibutuhkan dalam menghasilkan spektrum lebih cepat kira-kira 1 detik (pemayaran dengan monokromator sekitar 10-15 menit), karena semua frekuensi dimonitor secara simultan. Instrumentasi Spektroskopi IR

32. Spektrofotometer IR Dispersif Instrumentasi Spektroskopi IR

33. Gambaran Spektrofotometer FTIR He-Ne Instrumentasi Spektroskopi IR

34. Instrumentasi Spektroskopi IR

35. Koreksi garis dasar Hubungannya dengan ukuran partikel sifat sinar : sinar akan dihamburkan saat mengenai partikel yang lebih besar dibandingkan dengan - nya Efek refraktivitas sampel sampel yang mengandung karbon  menyebabkan dasar akan mengarah turun ke kanan Pengolahan Data Spektrum IR

36. Contoh koreksi garis dasar Pengolahan Data Spektrum IR

37. Eliminasi CO 2 Pita CO 2 yang terlihat pada spektrum dapat dihilangkan dengan proses matematika (pita absorbsinya terlihat pada bilangan gelombang 2350 dan 670 Pengolahan Data Spektrum IR

38. Gas spektrum dari cairan dengan titik didih rendah atau gas dapat dihasilkan dengan cara membuat sampel memuai dalam sel silindris vakum yang dilengkapi dengan jendela yang sesuai Padatan Pelet KBr ( terutama untuk analisis kualitatif senyawa organik dan anorganik yang berbentuk bubuk atau dapat dibuat menjadi bubuk ) Lapisan tipis ( terutama untuk analisis kualitatif dan kuantitatif polimer yang dapat membentuk lapisan tipis) Larutan ( terutama untuk analisis kualitatif senyawa kimia yang dapat dilarutkan dalam suatu pelarut ) Mull ( terutama untuk padatan yang tak dapat larut pada pelarut yang biasa digunakan pada IR atau tak dapat dibuat pelet KBr - nya , sampel dihaluskan hingga ukuran partikelnya < 2 m dengan adanya nujol ) Cairan Lapisan cairan ( terutama untuk analisis kualitatif senyawa kimia yang viscous dan nonvolatil yang diapit oleh KBr ) Larutan ( terutama untuk analisis kualitatif senyawa kimia cair nonvolatil yang dapat dilarutkan dalam suatu pelarut ) Penanganan S ampel

39. Spektroskopi IR modern merupakan alat yang serbaguna yang telah diaplikasikan dalam analisis kualitatif maupun kuantitatif senyawa kimia dengan berbagai tipe Daerah spektra Tipe pengukuran Tipe Analisis Tipe Sampel Inframerah dekat Diffuse reflectance Kuantitatif Material padatan atau cairan absorpsi Kuantitatif Campuran gas Inframerah tengah Absorpsi Kuantitatif Senyawa padatan, cair, atau gas murni Kualitatif Campuran kompleks gas, padatan, atau cairan Kromatografi Campuran kompleks gas, padatan, atau cairan Reflectance kualitatif Senyawa padatan atau cairan murni emisi kuantitatif Sampel atmosfer Inframerah jauh absorpsi kualitatif Spesi anorganik atau organologam murni Aplikasi Spektroskopi IR

40. Pelarut untuk spektroskopi IR, garis horizontal menandakan daerah yang berguna Aplikasi Spektroskopi IR

41. Analisis Kualitatif Spektroskopi IR General Features: Stretching frequencies are greater (higher wavenumbers) than corresponding bending frequencies It is easier to bend a bond than to stretch it Bonds to hydrogen have higher stretching frequencies than those to heavier atoms. Hydrogen is a much lighter element Triple bonds have higher stretching frequencies than double bonds, which have higher frequencies than single bonds Aplikasi Spektroskopi IR

42. Posisi Absorpsi Aplikasi Spektroskopi IR

43. Analisis Kuantitatif Spektroskopi IR Aplikasi Spektroskopi IR

44. Metode Baseline Aplikasi Spektroskopi IR

45. Far IR Spectroscopy in Condensed Phases Far IR is used to study low frequency vibrations, like those between metals and ligands (for both inorganic and organometallic chemistry). Example: Metal halides have stretching and bending vibrations in the 650-100 cm -1 range. Organic solids show “lattice vibrations” in this region Can be used to study crystal lattice energies and semiconductor properties in solids via phonon modes. The far IR region also overlaps rotational bands, but these are normally not detectable in condensed-phase work Aplikasi Spektroskopi IR

46. Applications of Near IR Spectroscopy Near IR (NIR) is heavily used in process chemistry and materials identification Amenable to quantitative analysis usually in conjunction with chemometrics (calibration requires many standards to be run ) While not a popular qualitative technique, it can serve as a fast and useful quantitative technique especially using diffuse reflectance Accuracy and precision in the ~2% range Examples: On-line reaction monitoring (food, agriculture, pharmaceuticals) Moisture and solvent measurement and monitoring Water overtone observed at 1940 nm Solid blending and solid-state issues Aplikasi Spektroskopi IR

47. Aplikasi Spektroskopi IR

48. Aplikasi Spektroskopi IR Turmeric?? Java turmeric?? Cassumunar ginger?? Identification of turmeric, java turmeric and cassumunar ginger using FTIR and chemometrics

49. Aplikasi Spektroskopi IR FTIR Spectroscopy FTIR spectrum  typical r epresentation from components in the chemical system Rapid and non-destructive Relatively simple and low cost analysis

50. Aplikasi Spektroskopi IR Sample preparation Signal collection and p repocessing Chemometrics analysis: IDA etc Validation Tahapan dalam pengembangan metode QC tumbuhan obat berbasis spektroskopi FTIR dan kemometrika

51. Aplikasi Spektroskopi IR Representative FTIR spectra of C. longa (A), C. xanthorrhiza (B), and Z. cassumunar (C)

52. Aplikasi Spektroskopi IR Instrumentation: FTIR Spectroscopy Preprocessing signal: standar normal variate Chemometrics method: canonical variate analysis (CVA) CVA plot

53. Aplikasi Spektroskopi IR

54. Aplikasi Spektroskopi IR

55. Aplikasi Spektroskopi IR

56. Aplikasi Spektroskopi IR