Beberapa Alat yang Digunakan pada Analisis Unsur

Analisis unsur

1.  Ukuran partikel

Berikut alat yang dapat digunakan dalam penentuan ukuran partikel.

                                 i.            AFM (Atomic Force Microscope)

a.       Prinsip kerja

AFM ( Atomic Force Microscope) termasuk microskop canggih untuk saat ini yang pengoprasianya sangat sederhana. Prinsip kerjanya pun juga sangat sederhana dan dapat dipahami dengan menggunakan konsep – konsep fisika dasar. Alat ini tidak memerlukan vacuum , tegangan tinggi, maupun fasilitas pendingin seperti pada SEM Atau TEM.

b.      Perangkat

Perangkat utama yang terdapat pada alat ini adalah sebuah TIP yang sangat tajam yang ditempatkan di ujung cantilever. Cantilever bersama tip digerakan sepanjang permukaan material yang diamati.

c.       Cara Kerja

Ujung tip yang sangat runcing dan hanya mengandung beberapa atom saja. Ketika tip didekatkan dengan permukaan material yang akan di amati, maka atom yang berada di ujung tip dan di permukaan material akan menimbulkan gaya interaksi atomic akan muncul. Karena jumlah atom pada tip maupun pada permukaan sampel sangat banyak sekali maka potensial interaksi antara tip dan permukaan sampel tidak hanya berasal dari kedua atom. Potensial tersebut berasal dari sunbangan interaksi sejumlah atom pada tip dan sejumlah atom pada permukaan sampel.

                               ii.            TEM

TEM merupakan mikroskop yang dapat digunakan untuk menentukan morfologi sampel termasuk bentuk, ukuran, dan susunan partikel. Selain itu, TEM juga dapat digunakan untuk menentukan struktur kristalin (susunan atom pada sampel  dan cacat pada kristal) serta komposisi unsur pada sampel. Sampel yang digunakan pada TEM haruslah sangat tipis dan transparan. Untuk itu dpaat digunakan metode ultramicotomy untuk menipiskan sampel (50-100 nm).

2.       Kristalinitas

X-Ray Diffraction (XRD) merupakan salah satu analisis non-destruktif yang paling penting untuk menganalisis semua jenis materi, mulai dari cairan, serbuk, maupun kristal. Mulai dari penelitian, produksi, sampai rekayasa. XRD merupakan metode yang sangat diperlukan untuk karakterisasi bahan dan kontrol kualitas.

a.       Prinsip kerja

Difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaan difraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg:
n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,...
Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak antara dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal, dan n adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.
Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS.

b.      Kelebihan

Keuntungan utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang gelombangnya yang pendek.

c.       Cara Kerja

Sinar-X adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,5-2,0 mikron. Sinar ini dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron berenergi tinggi. Elektron itu mengalami perlambatan saat masuk ke dalam logam dan menyebabkan elektron pada kulit atom logam tersebut terpental membentuk kekosongan. Elektron dengan energi yang lebih tinggi masuk ke tempat kosong dengan memancarkan kelebihan energinya sebagai foton sinar-X.
Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk. Sampel diletakkan pada sampel holder difraktometer sinar X. Proses difraksi sinar X dimulai dengan menyalakan difraktometer sehingga diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang menyatakan hubungan antara sudut difraksi 2θ dengan intensitas sinar X yang dipantulkan. Untuk difraktometer sinar X, sinar X terpancar dari tabung sinar X. Sinar X didifraksikan dari sampel yang konvergen yang diterima slit dalam posisi simetris dengan respon ke fokus sinar X. Sinar X ini ditangkap oleh detektor sintilator dan diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal tersebut, setelah dieliminasi komponen noisenya, dihitung sebagai analisa pulsa tinggi. Teknik difraksi sinar x juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki orde yang sama.

3.       Gugus fungsional

Penentuan gugus fungsional dapat dilakukan dengan menggunakan metode spektrum infra merah.

a)    Prinsip dasar

Spektrum infra merah suatu molekul adalah hasil transisi antara tingkat energi getaran yang berlainan. Gerakan getaran molekul menyerupai gerakan suatu bola yang dipasang pada pegas, yaitu pengosilasi harmoni. Model bola dan pegas digunakan untuk mengembangkan konsepsi gerakan getaran. Jika senyawa organik dikenai sinar infra-merah yang mempunyai frekuensi tertentu (bilangan gelombang 500 -4000 cm^-1), sehingga beberapa frekuensi tersebut diserap oleh senyawa tersebut. Berapa banyak frekuensi tertentu yang melewati senyawa tersebut diukur sebagai 'persentasi transmitasi' (percentage transmittance). Persentasi transmitasi dengan nilai 100 berarti semua frekuensi dapat melewati senyawa tersebut tanpa diserap sama sekali. Transmitasi sebesar 5% mempunyai arti bahwa hampir semua frekuensi tersebut diserap oleh senyawa itu.

b)   Penafsiran spektrum infra merah

Identifikasi pita absopsi khas yang disebabkan oleh berbagai gugus fungsi merupakan dasar penafsiran spektrum infra merah. Jadi frekuensi regang O-H menimbulkan pita absorpsi kuat di daerah 3350 cm^‑1. Adanya pita kuat di daerah 3350 cm^-1 pada spektrum infra merah suatu senyawa merupakan petunjuk kuat bahwa molekul itu mengandung gugus O-H. Berikut adalah tabel delapan daerah terpenting dan telah ditentukan dengan baik yang digunakan pada pemeriksaan pendahululan spektrum.

Daerah spektrum, Bilangan gelombang (cm-1)	Ikatan yang menyebabkan absorpsi
3750 -3000	Regang O-H; N-H
3300 -2900	Regang C-H : -CΞ C-H; C=C-H; Ar-H
3000 -2700	Regang C-H : CH3; CH2; -H
2400 -2100	Regang CΞC; CΞN
1900 -1650	Regang C=O (asam , aldehida, keton, amida, ester, anhidrida)
1675 -1500	Regang C=C (alifatik dan aromatik); C=N
1475 -1300	Lentur C-H
1000 -650	Lentur C=C-H; Ar-H (luar bidang)

Sampel yang dapat di analisis dan preparasinya

Ada berbagai tehnik untuk persiapan sampel, bergantung pada bentuk fisik sampel yang akan dianalisis.

·          Padat

Jika zat yang akan dianalisis berbentuk padat, maka ada dua metode untuk persiapan sampel ini, yaitu melibatkan penggunaan Nujol mull atau pelet KBr.

1. Nujol Mull

Cara persiapan sampel dengan menggunakan Nujol Mull yaitu: Sampel digerus dengan mortar dan pestle agar diperoleh bubuk yang halus. Dalam jumlah yang sedikit bubuk tersebut dicampur dengan Nujol agar terbentuk pasta, kemudian beberapa tetes pasta ini ditempatkan antara dua plat sodium klorida(NaCl) (plat ini tidak mengabsorbsi inframerah pada wilayah tersebut). Kemudian plat ditempatkan dalam tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

2. Pelet KBr

Sedikit sampel padat (kira-kira 1 - 2 mg), kemudian ditambahkan bubuk KBr murni (kira-kira 200 mg) dan diaduk hingga rata. Campuran ini kemudian ditempatkan dalam cetakan dan ditekan dengan menggunakan alat tekanan mekanik. Tekanan ini dipertahankan beberapa menit, kemudian sampel (pelet KBr yang terbentuk) diambil dan kemudian ditempatkan dalam tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

·         Cairan

Bentuk ini adalah paling sederhana dan metode yang paling umum pada persiapan sampel. Setetes sampel ditempatkan antara dua plat KBr atau plat NaCl untuk membuat film tipis. Kemudian plat ditempatkan dalam tempat sampel alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

·         Gas

Untuk menghasilkan sebuah spektrum inframerah pada gas, dibutuhkan sebuah sel silinder/tabung gas dengan jendela pada setiap akhir pada sebuah material yang tidak aktif inframerah seperti KBr, NaCl atau CaF₂. Sel biasanya mempunyai inlet dan outlet dengan keran untuk mengaktifkan sel agar memudahkan pengisian dengan gas yang akan dianalisis.

                Contoh karakterisasi dengan spektrometer IR

4.       Jari-jari pori

5.       Termal stabilitas

Dua jenis teknik analisa termal yang utama adalah analisa termogravimetrik (TGA), yang secara otomatis merekam perubahan berat sampel sebagai fungsi dari suhu maupun waktu, dan analisa diferensial termal (DTA) yang mengukur perbedaan suhu, T, antara sampel dengan material referen yang inert sebagai fungsi dari suhu. Teknik yang berhubungan dengan DTA adalah diferential scanning calorimetry (DSC).

                                 i.            Thermogravimetric Analysis (TGA)

a.       Prinsip dasar

Thermogravimetri adalah teknik untuk mengukur perubahan berat dari suatu senyawa sebagai fungsi dari suhu ataupun waktu. Hasilnya biasanya berupa rekaman diagram yang kontinu; reaksi dekomposisi satu tahap yang skematik diperlihatkan pada Gambar 1.

b.      Pengkondisian sampel

Sampel yang digunakan, dengan berat beberapa miligram, dipanaskan pada laju konstan, berkisar antara 1 – 20^oC /menit, mempertahan berat awalnya , Wi, sampai mulai terdekomposisi pada suhu Ti. Pada kondisi pemanasan dinamis, dekomposisi biasanya berlangsung pada range suhu tertentu, Ti – Tf, dan daerah konstan kedua teramati pada suhu diatas Tf, yang berhubungan harga berat residu Wf. Berat Wi, Wf, dan ΔW adalah harga-harga yang sangat penting.

c.       Perhitungan

Bertolak belakang dengan berat, harga Ti dan Tf, merupakan harga yang bergantung pada beragam variabel, seperti laju pemanasan, sifat dari padatan ( ukurannya) dan atmosfer di atas sampel. Efek dari atmosfer ini dapat sangat dramatis, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2 untuk dekomposisi CaCO3; pada kondisi vakum, dekomposisi selesai sebelum ~ 500 0C, namun dalam CO2 tekanan atmosfer 1 atm, dekomposisi bahkan belum berlangsung hingga suhu di atas 900^oC. Oleh sebab itu, Ti dan Tf merupakan nilai yang sangat bergantung pada kondisi eksperimen, karenanya tidak mewakili suhu-suhu dekomposisi pada equilibrium.

                               ii.            Differential thermal analysis (DTA) dan differential scanning calorimetry (DSC)

a.       Prinsip dasar

Analisa termal diferensial adalah teknik dimana suhu dari sample dibandingkan dengan material referen inert selama perubahan suhu terprogram. Suhu sample dan referen akan sama apabila tidak terjadi perubahan, namun pada saat terjadinya beberapa peristiwa termal, seperti pelelehan, dekomposisi atau perubahan struktur kristal pada sample, suhu dari sample dapat berada di bawah (apabila perubahannya bersifat endotermik) ataupun di atas ( apabila perubahan bersifat eksotermik) suhu referen. Karena ketidaksensitivannya, teknik ini memiliki aplikasi yang terbatas; penggunaan utama pada awalnya adalah pada ‘metode kurva pendinginan’ yang digunakan pada penentuan diagram fasa; dimana suhu sample direkam pada proses pendinginan dan bukan pemanasan, karena efek panas yang diasosiasikan dengan solidifikasi dan kristalisasi biasanya cukup besar sehingga dapat dideteksi dengan metode ini.

b.      Cara kerja

Sampel dan referen ditempatkan bersebelahan dalam heating block yang dipanaskan ataupun didinginkan pada laju konstan; termokopel identik ditempatkan pada keduanya dan dikoneksikan. Ketika sampel dan referen berada pada suhu yang sama, output bersih dari pasangan termokopel ini akan sama dengan nol. Pada saat suatu peristiwa termal berlangsung pada sampel, perbedaan suhu, ΔT, timbul antara keduanya yang kemudian terdeteksi dari selisih tegangan dari kedua termokopel. Termokopel ketiga (tidak diperlihatkan pada gambar) digunakan untuk memonitor suhu heating block dan hasilnya diperlihatkan sebagai ΔT versus suhu. Baseline horizontal, menunjukkan ΔT=0, sedangkan penyimpangan dari baseline akan berupa puncak yang tajam sebagai akibat dari berlangsungnya peristiwa termal pada sampel. Suhu puncak yang muncul dapat ditentukan dari suhu dimana deviasi mulai timbul, T1,ataupun pada suhu puncak, T2. Penggunaan T1 mungkin saja lebih tepat, namun seringkali kurang jelas kapan puncak bermula, dan karenanya lebih umum digunakan T2. Ukuran dari puncak dapat diperbesar sehingga peristiwa termal dengan perubahan entalpi yang kecil dapat terdeteksi.

6.       Morfologi

Berikut adalah alat yang dapat digunakan dalam analisis morfologi suatu unsur.

                                 i.            SEM

SEM (Scanning Electron Microscope) adalah salah satu jenis mikroscop electron yang menggunakan berkas electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis. 

a.       Prinsip kerja

Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energy tinggi.  Permukaan material yang disinari atau terkena berkar electron akan memantulkan kembali berkas electron atau dinamakan berkas electron sekunder ke segala arah. Tetapi dari semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detector yang terdapat di dalam SEM  akan mendeteksi berkas electron berintensitas  tertinggi yang dipantulkan oleh benda atau material yang dianalisis. Selain itu juga dapat menentukan lokasi berkas electron yang berintensitas tertinggi itu. Ketika dilakukan pengamatan terhadap material, lokasi permukaan  benda yang ditembak dengan berkas elektron yang ber intensitas tertinggi di – scan keseluruh permukaan material pengamatan. Karena luasnya daerah pengamatan kita dapat membatasi lokasi pengamatan yang kita lakukan dengan melakukan zoon – in atau zoon – out. Dengan memanfaatkan berkas pantulan dari benda tersebut maka informasi dapat di ketahui dengan menggunakan program pengolahan citra yang terdapat dalam computer.

b.      Kelebihan

SEM (Scanning Electron Microscope) memiliki resolusi yang lebih tinggi dari pada mikroskop optic. Hal ini di sebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang memiliki electron lebih pendekdek daripada gelombang optic. Karena makin kecil panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop.

c.       Dilengkapi dengan EDX

Alat ini dilengkapi dengan detektor dispersi energi (EDX) sehingga dapat digunakan untuk mengetahui komposisi elemen-elemen pada sampel yang dianalisis. Adapun tujuan SEM-EDX dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui kegradulaan struktur mikro dan komposisi unsur