Spektometer massa adalah suatu instrumen yang dapat menyeleksi molekul-molekul gas bermuatan berdasarkan massa atau beratnya. Teknik ini tidak dapat dilakukan dengan spektroskopi, akan tetapi nama spektroskopi dipilih disebabkan persamaannya dengan pencatat fotografi dan spektrum garis optik. Umumnya spektrum massa diperoleh dengan mengubah senyawa suatu sampel menjadi ion-ion yang bergerak cepat yang dipisahkan berdasarkan perbandingan massa terhadap muatan.
Proses ionisasi menghasilkan partikel-partikel bermuatan positif, dimana massa terdistribusi adalah spesifik terhadap senyawa induk. Selain untuk penentuan stuktur molekul, spektum massa dipakai untuk penentuan analisis kuantitatif.
Jika didapat data IR dan NMR yang cukup lengkap, maka MS ini dapat digunakan untuk konfirmasi dengan memperhatika bobot molekul dan kemungkinan rumus strukturnya.
Prinsip Spektroskopi Massa
Merupakan suatu instrumen yang menghasilkan berkas ion dari suatu zat uji, memilah ion tersebut menjadi spektum yang sesuai dengan perbandingan massa terhadap muatan dan merekam kelimpahan relatif tiap jenis ion yang ada. Umumnya hanya ion positif yang dipelajari karena ion negatif yang dihasilkan dari sumber tumbukan umumnya sedikit.
Garis besar tentang apa yang terjadi dalam alat spektrometer massa
Atom dapat dibelokkan dalam sebuah medan magnet (dengan anggapan atom tersebut diubah menjadi ion terlebih dahulu). Karena partikel-partikel bermuatan listrik dibelokkan dalam medan magnet dan partikel-partikel yang tidak bermuatan (netral) tidak dibelokkan. Urutannya adalah sebagai berikut :
• Tahap pertama : Ionisasi
Atom di-ionisasi dengan ‘mengambil’ satu atau lebih elektron dari atom tersebut supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanya membentuk ion-ion negatif (sebagai contoh, klor) atau unsur-unsur yang tidak pernah membentuk ion (sebagai contoh, argon). Spektrometer massa ini selalu bekerja hanya dengan ion positif.
• Tahap kedua : Percepatan
Ion-ion tersebut dipercepat supaya semuanya mempunyai energi kinetik yang sama.
• Tahap ketiga : Pembelokan
Ion-ion tersebut dibelokkan dengan menggunakan medan magnet, pembelokan yang terjadi tergantung pada massa ion tersebut. Semakin ringan massanya, akan semakin dibelokan. Besarnya pembelokannya juga tergantung pada besar muatan positif ion tersebut. Dengan kata lain, semakin banyak elektron yang ‘diambil’ pada tahap 1, semakin besar muatan ion tersebut, pembelokan yang terjadi akan semakin besar.
• Tahap keempat : Pendeteksian
Sinar-sinar ion yang melintas dalam mesin tersebut dideteksi dengan secara elektrik.
Diagram lengkap dari spektrometer massa:
Penjelasan Tentang Yang Terjadi di Spektrometer Massa
1. Keadaan hampa udara
Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul-molekul udara.
2. Ionisasi
Sampel yang berbentuk gas (vaporised sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik ‘melepaskan’ elektron-elektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap elektron (electron trap) yang mempunyai muatan positif.
Partikel-partikel dalam sample tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energi cukup untuk melepaskan satu atau lebih elektron dari sample tersebut sehingga sample tersebut menjadi ion positif.
Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sample yang sudah menjadi ion positif.
Ion-ion positif yang terbentuk ini ‘diajak keluar’ dan masuk ke bagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yang bermuatan positif (Ion repellel).
Tambahan: Seperti yang anda akan lihat sebentar lagi, seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000 V). Ketika kita berbicara tentang kedua lempengan bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000 V.
3. Percepatan
Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0 V. Celah yang berada di tengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.
4. Pembelokkan
Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:
• Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan.
• Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
• Massa ion (partikel)
Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat. Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan.
• Muatan ion
Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1. Makin besar muatan, makin besar pembelokan.
Dua faktor di atas (massa dan muatan ion) digabungkan ke dalam Perbandingan Massa/Muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (atau m/e). Sebagai contoh: apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama yaitu 28.
Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokkan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokkan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar.
Akan jauh lebih mudah untuk membahas masalah ini jika kita menganggap bahwa muatan semua ion adalah +1. Hampir semua ion-ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehingga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.
Tambahan: Anda juga harus mengerti bahwa kemungkinan adanya ion bermuatan +2(atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spektrum massa dimana ion-ion nya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1
Jadi dengam menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. Ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.
5. Pendeteksian
Pada gambar diatas, hanya sinar B yang bisa terus melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan dinetralisasi. Pada akhirnya, ion-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spektrometer massa oleh pompa vakum.
Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh elektron yang pindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara elektron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan elektron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut.
Aliran elektron di dalam kabel itu dideteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besat arus listrik yang timbul.
Mendeteksi ion-ion lainnya.
Bagaimana ion-ion lainnya dapat dideteksi – padahal sinar A dan sinar B sudah tidak ada lagi dalam mesin?
Ingat bahwa sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil (ion yang paling ringan bila bermuatan +1). Untuk membuat sinar ini sampai ke detektor ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil).
Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar (ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detektor ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan magnet yang lebih besar.
Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detektor ion, dimana disana ion-ion tersebut akan menimbulkan arus listrik dimana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang datang. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untuk membawa sinar tersebut ke detektor ion. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik (yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara langsung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala 12C.
Tambahan: Skala 12C adalah skala dimana isotop 12C mempunyai berat tepat 12 unit.
Bentuk output dari spektrometer massa
Hasil dari pencatat diagram disederhanakan menjadi ediagram garis. Ini menunjukkan arus listrik yang timbul oleh beragam ion yang mempunyai perbandingan m/z masing- masing.
Diagram garis Molybdenum (Mo) adalah sebagai berikut:
Garis tegak lurus itu menunjukkan besarnya arus listrik yang diterima oleh alat pencatat arus yang berarti banyaknya ion datang ke detektor. Seperti yang anda bisa lihat dari diagram diatas, ion yang paling banyak adalah ion yang mempunyai perbandingan m/z 98. Ion-ion lainnya mempunyai perbandingan m/z 92,94,95,96,97 dan 100.
Ini berarti molybdenum mempunyai 7 macam isotop. Dengan menganggap bahwa semua ion tersebut bermuatan +1 maka berarti massa dari ketujuh isotop tersebut adalah 92,94,95,96,97 ,98 dan 100.
Tambahan: Bila ada ion bermuatan +2 , maka anda akan tahu karena semua garis yang ada pada diagram diatas akan mempunyai garis lain dengan besar 1/2 dari nilai m/z (karena, sebagai contoh, 98/2=49). Garis-garis itu akan jauh lebih sedikit daripada garis ion +1 karena kemungkinan terbentuknya ion +2 adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan kemungkinan terbentuknya ion +1.
SUMBER ION
1. Gas/Phase Source
Molekul yang dianalisa diubah dalam bentuk gas (diuapkan) baru kemudian diionkan. Sampel yang berupa padat/ cair harus dikonversi menjadi ion gas. Biasanya untuk senyawa-senyawa yang stabil terhadap thermal dan senyawa ini memiliki titik didih di bawah 5000C. Keterbatasan gas/phase Source hanya untuk senyawa yang berat molekulnya rendah.
2. Desorption Source
Pada Desorption Source, senyawa tidak perlu diubah menjadi bentuk gas sebelum diionkan. Molekul yang dianalisa akan menyerap energi sehingga akan terionkan. Desorption Source digunakan untuk senyawa yang tidak stabil terhadap thermal, senyawa non-volatil dan senyawa dengan berat molekul tinggi.
BAGIAN-BAGIAN SPEKTROMETER MASSA
- Detektor
Spektromasa adalah alat yang di gunakan untuk menentukan mass atom atau molekul, yang ditemukan oleh Franci William Aston pada tahun 1919. Prinsip kerja alat ini adalah pembelokan partikel bermuatan dalam medan magnet.
Cara Kerja
Cara kerja spektrometer massa adalah sebagai berikut. Sampel dalam bentuk gas mula-mula ditembaki dengan berkas elektron berenergi tinggi. Pelakuan ini menyebabkan atom atau molekul sampel mengalami ionisasi (melepas elektron sehingga menjadi ion positif). Ion-ion positif ini kemudian dipercepat oleh suatu beda potensial dan diarahkan ke dalam suatu medan magnet melalui suatu celah sempit. Dalam medan magnet, ion-ion tersebut akan mengalami pembelokan yang bergantung pada:
1. Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan.
2. Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
3. Massa partikel (ion). Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan.
4. Muatan partikel. Makin besar muatan, makin besar pembelokan.
Analisis Kualitatif
Spektroskopi massa memungkinkan kita mengidentifikasi suatu senyawa yang tidak diketahui, dengan mengkalibrasi terhadap senyawa yang telah diketahui seperti uap merkuri atau perfloro kerosin.
Rumus molekul suatu senyawa dapat diyentukan puncak ion molekul sudah dikenal tetapi untuk hal-hal semacam ini diperlukan spektometri beresolusi tinggi. Aturan nitrogen dapat dimanfaatkan untuk membantu penentuan rumus ini. Lazimnya semua senyawa organik mempunyai berat molekul genap tidak mengandung nitrogen atau mengandung sejumlah atom nitrogen yang genap, sedang semua senyawa organik dengan berat molekul ganjil mengandung jumlah atom nitrogen ganjil. Aturan ini berlaku untuk senyawa-senyawa kovalen yang mengandung C, H, O, S, dan Halogen. Pola fragmen dipergunakan untuk mengidentifikasi senyawa, juga memungkinkan terdapat pengenalan gugus fungsi dengan melihat puncak-puncak fragmentasi spesifik.
Hukum nitrogen menyatakan bahwa suatu molekul yang berat molekulnya merupakan bilangan genap maka molekul tersebut harus tidak mengandung nitrogen atau kalau mengandung nitrogen berjumlah genap, dan molekulnya berbilang ganjil mengandung nitrogen berjumlah ganjil.
Analisis Kuantitatif
Spektrometer massa dapat digunakan untuk analisis kuantitatif suatu campuran senyawa-senyawa yang dekat hubungannya. Analisis ini dapat dipergunakan untuk analisis campuran, baik senyawa organik ataupun anorganik yang bertekanan uap rendah. Karena pola fragmentasi senyawa campuran adalah aditif sifatnya, suatu senyawa campuran dapat dianalisis jika berada dalam kondisi yang sama. Persyaratan dasar analisisnya adalah setiap senyawa harus mempunyai paling tidak 1 puncak yang spesifik, konstribusi puncak harus aditif dan sensitif harus reproduksibel serta adanya senyawa referens yang sesuai. Dengan spektometer massa beresolusi tinggi, senyawa polimer dengan berat molekul tinggi juga dapat dianalisis.
Spectrometer massa dapat digunakan untuk analisis runutan organik terutama dengan menggunakan sumber bunga api listrik, dan ia juga dapat digunakan menganalisis unsur-unsur runutan dalam paduan atau dalam super konduktor. Tipe bunga api lstrik mmempunyai sensitivitas tinggi dan dapat menentukan sampai tingkat ppb.
Kekurangan spektrometer massa bunga api listrik adalah ketidak-beraturan dari sumber dan kurang reproduksibel, tetapi kekurangan ini dapat diatasi dengan memakai sistem deteksi fotografi. Analisis kuantitatif instrumen semacam ini didasarkan pada garis-garis fotografi dengan standat yang sesuai.
Kegunaan Spektroskopi Massa
• Mengetahui komposisi unsur dari bahan yang dianalisa sehingga diketahui berat dan rumus molekulnya
• Mengetahui unsure senyawa baik senyawa organic maupun anorganik
• Untuk analisis kualitatif maupun kuantitatif suatu kompleks
• Untuk penentuan struktur dari komponen permukaan padatan
• Untuk menentukan perbandingan isotop atom dalam suatu sampel
Tambahan: Bila ada ion bermuatan +2 , maka anda akan tahu karena semua garis yang ada pada diagram diatas akan mempunyai garis lain dengan besar 1/2 dari nilai m/z (karena, sebagai contoh, 98/2=49). Garis-garis itu akan jauh lebih sedikit daripada garis ion +1 karena kemungkinan terbentuknya ion +2 adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan kemungkinan terbentuknya ion +1.
Perkembangan pada spektrometri massa mengijinkan pengukuran massa atom secara eksak. Peralatan spektrometer ini menggunakan magnet untuk membelokkan trayektori berkas ion dan banyaknya defleksi ditentukan dengan rasio massa atom terhadap muatannya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar