Inductively Coupled Plasma (ICP)

Oktober 13, 2011

Pendahuluan

Inductively Coupled Plasma (ICP) adalah sebuah teknik analisis yang digunakan untuk deteksi dari trace metals dalam sampel lingkungan pada umumnya. Prinsip utama ICP dalam penentuan elemen adalah pengatomisasian elemen sehingga memancarkan cahaya panjang gelombang tertentu yang kemudian dapat diukur. Teknologi dengan metode ICP yang digunakan pertama kali pada awal tahun 1960 dengan tujuan meningkatkan pekembangan teknik analisis.

Sejak itu, ICP telah disempurnakan dan digunakan bersama-sama dengan prosedur preparasi sampel untuk beragam matriks untuk analisis kuantitatif. Berikut adalah penjelasan komponen, fungsi, cara kerja hingga menghasilkan data dari instrumentasi ICP dan aplikasinya dalam analisis sampel lingkungan

ICP-Optical Emission Spectrophotometer

Prinsip Kerja dan Komponen ICP-OES

Perangkat keras ICP OES yang utama adalah plasma, dengan bantuan gas akan mengatomisasi elemen dari energy ground state ke eksitasi state sambil memancarkan energy cahaya hv.

Proses ini terjadi oleh Plasma yang dilengkapi dengan tabung konsentris yang disebut torch, paling sering dibuat dari silika. Torch ini terletak di dalam water-cooled coil of a radio frequency (r.f.) generator. Gas yang mengalir ke dalam Torch, r.f. diaktifkan dan gas di coil region menghasilkan electrically conductive.

Pembentukan induksi plasma sangat bergantung pada kekuatan magnetic field dan pola yang mengikuti aliran gas. Perawatan plasma biasanya dengan inductive heating dari gas mengalir. Induksi dari magnetic field yang yang menghasilkan frekuensi tinggi annular arus listrik di dalam konduktor. Yang mengakibatkan pemanasan dari konduktor akibat dari ohmic resistance.

Untuk mencegah kemungkinan short-circuiting serta meltdown, plasma harus diisolasi dari lingkungan instrumen. Isolasi dapat dilakukan dengan aliran gas-gas melalui sistem. Tiga aliran gas melalui sistem – outer gas, intermediate gas, dan inner atau carrier gas. outer gas biasanya gas Argon atau Nitrogen. Outer gas berfungsi untuk mempertahankan plasma, menjaga posisi plasma, dan osilasi panas plasma dari luar torch. Argon umumnya digunakan untuk intermediate gas dan inner atau carrier gas. Fungsi carrier gas adalah untuk membawa sampel ke plasma.

ICP OES terdiri dari komponen berikut:

  • sampel introduction system (nebulizer)
  • ICP torch
  • High frequency generator
  • Transfer optics and spectrometer
  • Computer interface

Sampel yang akan dianalisis harus dalam larutan. Untuk sampel padatan diperlukan preparasi sampel dengan proses digestion pada umumnya dengan acid digestion. Nebulizer berfungsi untuk mengubah larutan sampel menjadi erosol. Cahaya emisi oleh atom suatu unsur pada ICP harus dikonversi ke suatu sinyal listrik yang dapat diukur banyaknya. Hal ini diperoleh dengan mengubah cahaya tersebut ke dalam komponen radiasi (hampir selalu dengan cara difraksi kisi) dan kemudian mengukur intensitas cahaya dengan photomultiplier tube pada panjang gelombang spesifik untuk setiap elemen. Cahaya emitted oleh atom atau ions dalam ICP dikonversikan ke sinyal listrik oleh photomultiplier dalam spectrometer. Intensitas dari sinyal dibandingkan intensitas standard yang diketahui konsentrasinya yang telah diukur sebelumnya. Beberapa elemen memiliki lebih dari satu wavelengths spesifik dalam spektrum yang dapat digunakan untuk analisis. Dengan demikian, pilihan wavelength yang paling sesuai sangat mempengaruhi akurasi.

Kelebihan dan Kekurangan ICP-OES

Keuntungan dari ICP dengan kemampuan mengidentifikasi dan mengukur semua elemen yang diukur dengan bersamaan, ICP cocok untuk mengukur semua konsentrasi elemen dari ultratrace sampai ke tingkat komponen utama, batas deteksi pada umumnya rendah untuk sebagian besar elemen khas dengan rentang dari 1 – 100 mg / L. ICP menyelesaikan pembacaan  berbagai elemen yang dianalisis dapat dilakukan dalam jangka waktu yang singkat yaitu 30 detik dan hanya menggunakan ±5 ml sampel. Walaupun secara teori, semua unsur kecuali Argon dapat ditentukan menggunakan ICP,namun beberapa unsur tidak stabil memerlukan fasilitas khusus untuk menanganinya. Selain itu, ICP memiliki kesulitan menangani analisis senyawa halogens, optik khusus untuk transmisi wavelengths sangat singkat sangat diperlukan.

Aplikasi OES

ICP dapat digunakan dalam analisis kuantitatif untuk jenis sampel bahan-bahan alam seperti batu, mineral, tanah, endapan udara, air, dan jaringan tanaman dan hewan, mineralogi, pertanian, kehutanan, peternakan, kimia ekologi, ilmu lingkungan dan industri makanan, termasuk pemurnian dan distribusi anlisa elemen air yang tidak mudah dikenali oleh AAS seperti Sulfur, boraks, fosfor, Titanium, dan Zirconium

ICP Mass Spectrometry

Prinsip Kerja dan Komponen ICP-MS

Efisiensi dari ICP dalam memproduksi singly-charged positive ions bagi sebagian besar elemen menjadikannya sumber yang efektif untuk ionisasi spectrometry massa. ICP-spectrometry massa memiliki kemampuan untuk membedakan antara massa dari berbagai isotopes elemen yang mana lebih dari satu isotop stabil terjadi.

Proses yang terjadi pada alat spectrometer 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 ediambilf 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 elekt

Penjelasan tentang apa yang terjadi

 

Keadaan hampa udara

Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul2 udara.

Ionisasi

Sampel yang berbentuk gas (vaporised sampel) 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 sampel 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 sampel tersebut sehingga sampel tersebut menjadi ion positif.

Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sampel yang sudah menjadi ion positif.

Ion-ion positif yang terbentuk ini ediajak keluarf 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.

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.

Pembelokkan

Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:

* Massa ion tersebut.
Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat.

* Muatan ion.
Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1.

Dua faktor diatas 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.

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.

Bagaimana bentuk output dari spektrometer massa

Hasil dari pencatat diagram disederhanakan menjadi diagram garis. Ini menunjukkan arus listrik yang timbul oleh beragam ion yang mempunyai perbandingan m/z masing2.

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

Kelebihan dan kekurangan ICP-MS

Yang paling penting dari keuntungan ICP-MS termasuk kemapuan pembacaan multi-element, sensitivitas tinggi, dan kemungkinan untuk memperoleh informasi mengenai isotopic elemen bisa ditentukan. Kekurangan pada ICP-MS site, isobaric adanya gangguan yang dihasilkan oleh polyatomic yang timbul dari plasma gas dan udara yaitu isotopes dari Argon, oksigen, nitrogen, dan hidrogen dapat menggabungkan diri atau bersama dengan unsur lainnya untuk menghasilkan isobaric gangguan. ICP-MS tidak berguna dalam deteksi dari nonmetals.

Aplikasi ICP-MS dalam Kimia Lingkungan

Matriks sampel lingkungan, yang mungkin berisi konsentrasi rendah dan mengandung unsur campur, sehingga pada sejarahnya ada kesulitan dalam menentukan analit dalam sampel yang dianalisis. ICP-MS dikembangkan di tahun 1980-an dan telah digunakan dalam bidang lingkungan karena sensitivitas yang tinggi dan kemampuan multi unsur. ICP-MS menawarkan penetapan langsung dari beberapa elemen di tanah, seperti boraks, fosfor, dan molybdenum, pada tingkat tidak dapat diakses oleh metode lain

References

  1. Vela, N.P., Olson, L.K., and Caruso, J.A. Elemental speciation with plasma mass spectrometry. Analytical Chemistry 65 (13) 585A-597A (1993).
  2. Alcock, N.W. Flame, flameless, and plasma spectroscopy. Analytical Chemistry 67 (12) 503R-506R (1995).
  3. Liu, H. and Montaser, A. Evaluation of a low sampel consumption, high efficiency nebulizer for elemental analysis of biological sampels using ICP-MS. Journal of Analytical Spectrometry 11 (4) 307-311 (1996).
  4. Boonen, S., Vanhaecke, F., Moens, L., and Dams, R. Direct determination of Se and As in solid certified reference materials using electrothermal vaporization ICP-MS. Spectrochimica Acta 51(2) 271-278 (1996).
  5. Boumans, P.W.J.M. Inductively coupled plasma-emission spectroscopy-Part 1. John Wiley & Sons. New York. 584 pp.
  6. Hoffman, E., Ludke, C., and Stephanowitz, H. Application of laser ICP-MS in environmental analysis. Fresenius Journal of Analytical Chemistry355: 900-903 (1996).
  7. http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/instrumen_analisis/spektrometer_massa1/bagaimana_spektrometer_massa_bekerja/. Diakses tanggal 16 Agustus 2009
About these ads

Berikan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

%d blogger menyukai ini: