Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) : Pengertian, Prinsip Kerja dan Aplikasinya

Pengertian AAS

Gambar 1. Instrumen AAS

AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) merupakan teknik analitik yang digunakan untuk menentukan konsentrasi unsur-unsur tertentu di dalam sampel berdasarkan energi (cahaya) yang diserap oleh atom pada panjang gelombang yang spesifik.

AAS merupakan salah satu jenis instrument trace elemental. Apa itu trace elemental? Dalam analytical chemistry, disebut Trace elements apabila memiliki konsentrasi rata-rata kurang dari 100 bagian per juta (ppm) atau kurang dari 100 mikrogram per gram. (IUPAC Compendium of Chemical Terminology.)

Bagaimana Prinsip Kerja AAS?

Dalam AAS, analit pertama kali diatomisasi menjadi bentuk atom bebasnya. Kemudian, terdapat sumber Cahaya (hollow cathode lamp) yang memancarkan energi dengan panjang gelombang yang spesifik mengenai atom, sehingga elektron bergerak dari keadaan dasar menuju keadaan tereksitasi dan menyerap energi. Jumlah energi yang diserap oleh elektron akan sebanding dengan konsentrasi dari unsur tersebut.

Gambar 2. Skema AAS

Gambar 3. Diagram Eksitasi Elektron

 

Unsur Yang Dapat Dianalisa

Terdapat kurang lebih 65 unsur dalam table periodic yang dapat dianalisa menggunakan AAS, unsur-unsur tersebut yaitu :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 4. Tabel Periodik

 

AAS dapat digunakan untuk analisa kurang lebih 65 unsur dalam table periodic. Konsentrasi yang terukur merupakan konsentrasi unsur total di dalam sampel. Jenis unsur yang dianalisis sangat tergantung dengan jenis lampu yang terpasang.

AAS merupakan teknik single element analisis. Untuk menganalisa unsur/logam sangat tergantung dengan sumber cahaya/hollow chatode lamp yang digunakan. Sehingga analisa unsur pada sampel dilakukan satu persatu sesuai dengan sumber cahaya yang terpasang. Jika pada pengujian terdapat 10 logam target pada sampel, maka analisa dilakukan 10 kali. AAS tidak efisien jika digunakan untuk menganalisa sampel dan target logam dalam jumlah yang banyak

 

Bagian-Bagian Instrument AAS

AAS memiliki 5 bagian utama, yaitu Sample Introduction System, Atomizer, Light source, Monokromator, Detektor dan Komputer yang berisi software untuk mengkontrol instrument dan pengolahan data. Pada bagian ini, akan dibahas lebih detail mengenai bagian-bagian dari instrument AAS.

Gambar 5. Bagian-bagian instrumen AAS

1. Sample Introduction System

Sample introduction system merupakan bagian dari AAS yang pertama kali dilewati oleh sampel. Sample introduction system terdiri dari 2 bagian utama yaitu nebulizer dan spray chamber. Sampel dalam bentuk larutan, pertama kali akan ditarik oleh selang menuju nebulizer. Di nebulizer, larutan akan diubah menjadi aerosol dan ditampung di spray chamber. Aerosol yang kecil akan diteruskan menuju atomizer, sedangkan aerosol yang besar dibuang ke buangan. Berikut merupakan contoh gambar sample introduction system pada AAS :

Gambar 6. Sample introduction system di AAS

2. Atomizer

Atomizer berfungsi sebagai tempat terjadinya atomisasi, yaitu mengubah sampel dari aerosol menjadi atom bebas netral. Berdasarkan system atomizernya, AAS dibedakan menjadi empat jenis, yaitu Sistem pengatoman dengan nyala api/Flame AAS, Sistem pengatoman dengan tungku grafit/Graphite Furnace AAS, Sistem pengatoman dengan pembentukan hidrida/Hydride Vapour AAS dan Sistem pengatoman dengan pembentukan uap dingin/ Cold Vapour AAS.

1. Flame AAS

Gambar 7. Skema Flame AAS

 

AAS Flame menggunakan nyala api sebagai sumber atomisasi. Nyala api akan mengubah ion dalam bentuk larutan menjadi atom bebas yang bermuatan netral.

Nyala api terbentuk di burner akibat pembakaran bahan bakar dan oksida. Terdapat dua campuran gas umum yang digunakan di AAS flame, yaitu

• Udara – asetilena. Nyala api ini menghasilkan suhu sekitar 2300 oC. Udara asetilena sangat cocok untuk Sebagian besar unsur.
• Dinitrogen oksida – asetilena. Nyala api ini menghasilkan suhu sekutar 2700 oC. Nyala api ini menciptakan lingkungan yang lebih mereduksi, sehingga cocok untuk unsur-unsur yang rentan membentuk oksida.

Terdapat empat tahapan reaksi yang terjadi di dalam nyala api, yaitu

• Pngubahan larutan menjadi aerosol (pada nebulizer)
• Penguapan pelarut, sehingga terbentuk partikel garam padat halus
• Partikel garam pada suhu tinggi berubah menjadi uap garam (sublimasi)
• Disosiasi molekul-molekul uap garam menjadi atom-atom netral

Gambar 8. Tahapan reaksi yang terjadi di dalam nyala api

Pada flame AAS, tidak semua analit mengalami atomisasi. Hanya sekitar 10% dari sampel yang akan masuk ke dalam flame dan mengalami atomisasi. Sehingga, flame AAS cocok digunakan untuk analisa unsur dengan konsentrasi besar yaitu ppm level.

2. Graphite Furnance AAS

Gambar 9. Skema Graphite Furnace AAS

Pada graphite furnance, pengatoman terjadi di dalam tungku grafit dengan menggunakan pemanasan elektrotermal. Sampel diteteskan ke dalam tungku grafit dan sistemnya tertutup, sehingga 100% dari sampel akan mengalami atomisasi. Graphite furnance mampu mendeteksi beberapa elemen hingga sampai tingkat level ppb.

Tabung grafit (graphite tube) atau yang biasa disebut sebagai kuvet, memiliki panjang sekitar 20 mm. Terdapat lubang kecil dibagian tengah tabung yang berfungsi sebagai tempat penempatan sampel. Ujung tabung yang terbuka memungkinkan cahaya melewati sampel yang diatomisasi.

Gambar 10. Graphite Tube

3. Sistem Pembentukan Hidrida (Hydride Vapour)

Hydride Vapour AAS digunakan untuk analisa Ge, As, Se, Sn, SB, Te, Pb, Bi pada konsentrasi yang rendah. Larutan sampel yang diasamkan ditambahkan ke larutan natrium borohidrida ke dalam sel reaksi. Gas hidrida volatile yang dihasilkan dialirkan ke dalam tabung kaca yang dapat dipanaskan secara electrothermal atau dengan nyala api. Pada suhu yang tinggi, hidrida volatile terurai menjadi atom logam netral yang dapat menyerap cahaya dari hollow cathode lamp. Berikut merupakan contoh reaksi yang terjadi :

As³⁺ + 6BH₄^– + 3H⁺ → AsH₃ (gas) + B₂H₆ + 3H₂

4. Sistem Pembentukan Uap Dingin (Cold Vapour)

Cold Vapour digunakan untuk analisa merkuri (Hg). Merkuri dianalisa menggunakan system uap dingin karena sifatnya yang mudah menguap sehingga jika dilakukan atomisasi menggunakan system pemanasan maka banyak analit pada sampel yang hilang.  Pada system uap dingin ini, NaBH4 atau SnCl2 digunakan sebagai pereaksi redoks. Berikut merupakan persamaan reaksi yang terjadi :

Hg ²⁺ + Sn ²⁺ → Hg + Sn ⁴⁺

3. Light Source/Hollow Cathode Lamp

Hollow cathode lamp (HCL) merupakan sumber cahaya yang paling umum digunakan pada AAS. Hollow cathode lamp (HCL) diisi dengan gas pengisi yang bersifat inert pada tekanan rendah biasanya argon atau neon. Terdapat dua jenis hollow cathode lamp berdasarkan kandungan unsurnya, yaitu :

• Single Element Lamp

Pada single element lamp, hollow cathode lamp hanya mengandung satu unsur yang spesifik. Single element lamp merupakan lampu yang paling banyak digunakan di AAS, karena single element lamp memiliki sensitifitas yang baik.

• Multi Element Lamp

Pada multi element lamp, hollow cathode lamp mengandung lebih dari satu unsur, bisa dua atau tiga unsur sekaligus dalam satu lampu. Multielement lamp lebih simple karena dapat mengcover 2 atau 3 logam sekaligus. Namun, multi element lamp memiliki sensitifitas yang kurang baik. Selain itu, umur lampu sangat dipengaruhi oleh penggunaan salah satu unsur pada lampu tersebut, jika salah satu unsur masa hidupnya sudah habis, maka lampu tersebut tidak bisa digunakan untuk menganalisa unsur yang lain.

Gambar 11. Hollow Cathode Lamp

Hollow cathode lamp (HCL) ditempatkan di dalam lamp compartment di dalam AAS. Biasanya lamp compartment memiliki kapasitas lampu yang terpasang lebih dari satu, bisa 4 atau 6 lampu sekaligus. Sehingga analis tidak perlu lepas pasang lampu Ketika menganalisa lebih dari satu unsur.

Gambar 12. Lamp Compartment AAS

 

 

4. Monokromator

Monokromator merupakan perangkat optic yang berfungsi untuk mengumpulkan cahaya yang mengandung banyak panjang gelombang dan mengisolasi (memilih) pita panjang gelombang ysng lebih spesifik. Spektrum emisi dari hollow cathode lamp, selain dari garis emisi untuk analit juga mengandung garis emisi dari pengotor yang ada dalam logam katoda dan gas pengisi. Oleh karena itu, dibutuhkan monokromator untuk mengeliminasi sinar yang tidak diharapkan dan meneruskan hanya sinar yang dibutuhkan untuk analisis.

Gambar 13. Skema Monokromator

5. Detektor

Detektor yang paling banyak digunakan dalam AAS adalah PhotoMultiplier Tube (PMT). PMT mengubah cahaya yang datang menjadi sinyal listrik yang memungkinkan pengukuran intensitas cahaya. Cahaya dari celah monokromator memasuki PMT dan mengenai fotodioda, sehingga menghasilkan sinyal listrik. Serangkaian dinode memperkuat sinyal dan kemudian dikumpulkan (diukur) pada anoda dan digunakan untuk memberikan pengukuran kuantitatif serapan.

Gambar 14. Skema Detektor di AAS

6. Electronic Readout

Output pengukuran AAS adalah absorban. Absorban menunjukan jumlah foton yang diserap oleh electron untuk eksitasi dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Nilai absorbansi akan sebanding dengan konsentrasi sampel. Semakin tinggi konsentrasi sampel, nilai absorbansi juga akan semakin tinggi. Untuk penentuan konsentrasi/kuantitatif, digunakan kurva kalibrasi antara y = absorban, x = konsentrasi.

Gambar 15. Data Hasil Pengukuran AAS

Preparasi Sampel

Syarat sampel yang dapat dianalisa menggunakan AAS adalah larutan jernih, tidak berwarna dan bebas pengganggu. Untuk mendapatkan larutan jernih tersebut pada sampel padatan atau sampel keruh harus dilakukan proses destruksi terlebih dahulu. Proses destruksi dilakukan dengan tujuan untuk menghilangkan molekul-molekul organic di dalam sampel, sehingga hanya tersisa molekul logam dalam bentuk ion yang terlarut di dalam sampel. Proses destruksi dibagi menjadi dua macam, yaitu destruksi basah dan destruksi kering.

1. Destruksi basah

Destruksi basah adalah perombakan sampel dengan asam-asam kuat baik tunggal maupun campuran, kemudian dioksidasi dengan menggunakan zat oksidator. Pelarut-pelarut yang dapat digunakan untuk destruksi basah antara lain asam nitrat, asam sulfat, asam perklorat, dan asam klorida. Semua pelarut tersebut dapat digunakan secara tunggal maupun campuran

2. Destruksi Kering

Destruksi kering merupakan perombakan organik logam di dalam sampel menjadi logam-logam anorganik dengan jalan pengabuan sampel dalam muffle furnace dan memerlukan suhu pemanasan tertentu. Pada umumnya dalam destruksi kering ini dibutuhkan suhu pemanasan antara 400 – 800 ^oC, tetapi suhu ini sangat tergantung pada jenis sampel yang akan dianalisis

 

Aplikasi AAS

AAS memilik aplikasi yang luas diberbagai bidang, seperti

1. Pertanian dan Pangan

Pada bidang pertanian dan pangan, AAS biasanya digunakan untuk memeriksa keamanan produk seperti analisa logam berat pada produk pertanian, analisa logam berat Hg, Cd di makanan dan minuman, analisa logam Cd, Cu di air minum dll

2. Lingkungan

Pada bidang lingkungan, AAS biasanya digunakan untuk memeriksa keamanan dan kualitas lingkungan, seperti pencemaran lingkungan, polutan, limbah, emisi beracun, pembuangan limbah, daur ulang, contohnya analisa logam berat Cd, Pb, Hg di air lmbah, analisa logam As, Se di air sungai dan air permukaan, analisa logam berat di udara

3. Farmasi dan Klinik

Pada bidang farmasi dan klinik AAS digunakan untuk memeriksa keamanan produk dan pemantauan metabolisme tubuh, seperti analisa logam berat Hg, Pb di darah, urin, rambut dan kuku, analisa logam berat di obat. Analisa logam berat di rambut dan kuku juga dapat dijadikan acuan terhadap kualitas udara

4. Perikanan dan Peternakan

Pada bidang perikanan, AAS biasanya digunakan untuk memeriksa keamanan hasil perikanan dan peternakan, seperti analisis logam berat pada ikan, udang, dan seafood, analisa logam berat pada pakan ternak, analisa logam berat pada produk peternakan seperti daging, suhu dll

5. Geologi dan Pertambangan

Pada bidang geologi dan pertambangan, AAS biasanya digunakan untuk memeriksa kualitas hasil tambang dan batuan, seperti analisis logam Cu, Zn, Pb di sampel batuan, analisa logam Zn di hasil pertambangan.

 

Sumber :

iCE™ 3500 AAS Atomic Absorption Spectrometer (thermofisher.com)

Atomic Absorption Spectrometry (AAS) Information | Thermo Fisher Scientific – ID

Atomic Absorption Spectroscopy, How Does AAS Work, AAS FAQs | Agilent