Spektroskopi ultraungu-tampak atau Spektroskopi ultraviolet-tampak (disingkat UV-Vis atau UV-VIS)^[1][2][3] mengacu pada spektroskopi serapan atau spektroskopi reflektansi pada sebagian ultraungu (ultraviolet) dan seluruh daerah tampak yang berdekatan dari spektrum elektromagnetik.^[2] Karena relatif murah dan mudah diimplementasikan, metodologi ini digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi terapan dan mendasar. Satu-satunya persyaratan adalah sampel menyerap di daerah UV-Vis, yaitu menjadi kromofor. Spektroskopi serapan bersifat komplementer terhadap spektroskopi fluoresensi. Parameter yang menarik selain panjang gelombang pengukuran adalah absorbansi (A) atau transmitansi (%T) atau reflektansi (%R), dan perubahannya terhadap waktu.^[4][5]

Spektrofotometer UV-Vis adalah instrumen analitis yang mengukur jumlah sinar ultraviolet (UV) dan cahaya tampak yang diserap oleh sampel. Ini adalah teknik yang banyak digunakan dalam bidang kimia, biokimia, dan bidang lainnya, untuk mengidentifikasi dan mengukur senyawa dalam berbagai sampel.^[6]

Spektroskopi UV-Vis bekerja dengan melewatkan seberkas cahaya melalui sampel dan mengukur jumlah cahaya yang diserap pada setiap panjang gelombang. Jumlah cahaya yang diserap sebanding dengan konsentrasi senyawa penyerap dalam sampel.

Transisi optik

Sebagian besar molekul dan ion menyerap energi dalam rentang ultraviolet atau tampak, yaitu, mereka adalah kromofor. Foton yang diserap mengeksitasi elektron dalam kromofor ke orbital molekul berenergi lebih tinggi, sehingga menimbulkan keadaan tereksitasi.^[7] Untuk kromofor organik, diasumsikan ada empat kemungkinan jenis transisi: π–π*, n–π*, σ–σ*, dan n–σ*. Kompleks logam transisi sering kali berwarna (yaitu, menyerap cahaya tampak) karena adanya beberapa keadaan elektronik yang terkait dengan orbital d yang tidak terisi penuh.^[5]

Aplikasi

UV-Vis dapat digunakan untuk memantau perubahan struktural dalam DNA.^[8]

Spektroskopi UV-Vis secara rutin digunakan dalam kimia analisis untuk analisis kuantitatif berbagai analit atau sampel, seperti ion logam transisi, senyawa organik yang sangat terkonjugasi, dan makromolekul biologis. Analisis spektroskopi umumnya dilakukan dalam larutan tetapi padatan dan gas juga dapat dipelajari.

• Senyawa organik, terutama yang memiliki tingkat konjugasi tinggi, juga menyerap cahaya di daerah UV atau tampak dari spektrum elektromagnetik. Pelarut untuk penentuan ini sering kali berupa air untuk senyawa yang larut dalam air, atau etanol untuk senyawa yang larut dalam organik. (Pelarut organik mungkin memiliki penyerapan UV yang signifikan; tidak semua pelarut cocok untuk digunakan dalam spektroskopi UV. Etanol menyerap sangat lemah pada sebagian besar panjang gelombang.) Polaritas pelarut dan pH dapat memengaruhi spektrum penyerapan senyawa organik. Tirosina misalnya, meningkatkan penyerapan maksimum dan koefisien kepunahan molar ketika pH meningkat dari 6 menjadi 13 atau ketika polaritas pelarut menurun.
• Sementara kompleks pemindahan muatan juga menghasilkan warna, warna tersebut sering kali terlalu pekat untuk digunakan dalam pengukuran kuantitatif.

Hukum Beer–Lambert menyatakan bahwa absorbansi larutan berbanding lurus dengan konsentrasi spesies penyerap dalam larutan dan panjang lintasan.^[9] Jadi untuk panjang lintasan yang tetap, spektroskopi UV-Vis dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi penyerap dalam larutan. Penting untuk mengetahui seberapa cepat absorbansi berubah seiring dengan konsentrasi. Hal ini dapat diambil dari referensi (tabel koefisien kepunahan molar), atau lebih tepatnya, ditentukan dari kurva kalibrasi.

Spektrofotometer UV-Vis dapat digunakan sebagai detektor untuk KCKT. Keberadaan analit memberikan respons yang diasumsikan berbanding lurus dengan konsentrasi. Untuk hasil yang akurat, respons instrumen terhadap analit dalam yang tidak diketahui harus dibandingkan dengan respons terhadap standar; hal ini sangat mirip dengan penggunaan kurva kalibrasi. Respons (misalnya tinggi puncak) untuk konsentrasi tertentu dikenal sebagai faktor respons.

Panjang gelombang puncak serapan dapat dikorelasikan dengan jenis ikatan dalam molekul tertentu dan sangat berharga dalam menentukan gugus fungsi dalam molekul. Aturan Woodward–Fieser misalnya, adalah serangkaian pengamatan empiris yang digunakan untuk memprediksi λ_max, panjang gelombang serapan UV-Vis paling intens, untuk senyawa organik terkonjugasi seperti diena dan keton. Namun, spektrum itu sendiri bukanlah uji khusus untuk sampel apa pun. Sifat pelarut, pH larutan, suhu, konsentrasi elektrolit tinggi, dan keberadaan zat pengganggu dapat memengaruhi spektrum serapan. Variasi eksperimental seperti lebar celah (lebar pita efektif) spektrofotometer juga akan mengubah spektrum. Untuk menerapkan spektroskopi UV-Vis pada analisis, variabel-variabel ini harus dikontrol atau diperhitungkan untuk mengidentifikasi zat-zat yang ada.^[10]

Metode ini paling sering digunakan secara kuantitatif untuk menentukan konsentrasi spesies penyerap dalam larutan, menggunakan hukum Beer–Lambert:^[11]

${\displaystyle A=\log _{10}(I_{0}/I)=\varepsilon cL}$,

di mana A adalah absorbansi terukur (secara formal tidak berdimensi tetapi umumnya dilaporkan dalam satuan absorbansi (AU)^[12]), ${\displaystyle I_{0}}$ adalah intensitas cahaya datang pada panjang gelombang tertentu, ${\displaystyle I}$ adalah intensitas yang ditransmisikan, L adalah panjang lintasan melalui sampel, dan c adalah konsentrasi spesies penyerap. Untuk setiap spesies dan panjang gelombang, ε adalah konstanta yang dikenal sebagai absorptivitas molar atau koefisien kepunahan. Konstanta ini merupakan sifat molekular fundamental dalam pelarut tertentu, pada suhu dan tekanan tertentu, dan memiliki satuan ${\displaystyle 1/M*cm}$.

Serapan dan kepunahan ε terkadang didefinisikan dalam bentuk logaritma alami, bukan logaritma basis 10.

Hukum Beer–Lambert berguna untuk mengkarakterisasi banyak senyawa tetapi tidak berlaku sebagai hubungan universal untuk konsentrasi dan penyerapan semua zat. Hubungan polinomial orde ke-2 antara penyerapan dan konsentrasi terkadang ditemukan^[13] untuk molekul yang sangat besar dan kompleks seperti bahan pewarna organik (misalnya, ksilenol jingga atau merah netral).^[14][15]

Spektroskopi UV–Vis juga digunakan dalam industri semikonduktor untuk mengukur ketebalan dan sifat optik lapisan tipis pada wafer. Spektrometer UV–Vis digunakan untuk mengukur reflektansi cahaya, dan dapat dianalisis melalui persamaan dispersi Forouhi–Bloomer untuk menentukan indeks bias (${\displaystyle n}$) dan koefisien kepunahan (${\displaystyle k}$) dari lapisan tertentu di seluruh rentang spektral yang diukur.^[16]

Spektrofotometer ultraviolet-tampak

Instrumentasi yang digunakan dalam spektroskopi ultraviolet-tampak disebut spektrofotometer UV-Vis. Instrumen ini mengukur intensitas cahaya setelah melewati sampel (${\displaystyle I}$), dan membandingkannya dengan intensitas cahaya sebelum melewati sampel (${\displaystyle I_{o}}$). Rasio ${\displaystyle I/I_{o}}$ disebut transmitansi, dan biasanya dinyatakan sebagai persentase (%T). Absorbansi, ${\displaystyle A}$, didasarkan pada transmitansi:

${\displaystyle A=-\log(\%T/100\%)}$

Spektrofotometer UV-tampak juga dapat dikonfigurasi untuk mengukur reflektansi. Dalam kasus ini, spektrofotometer mengukur intensitas cahaya yang dipantulkan dari sampel (${\displaystyle I}$), dan membandingkannya dengan intensitas cahaya yang dipantulkan dari bahan referensi (${\displaystyle I_{o}}$) (seperti ubin putih). Rasio ${\displaystyle I/I_{o}}$ disebut "reflektansi", dan biasanya dinyatakan sebagai persentase (%R).

Bagian dasar spektrofotometer adalah sumber cahaya, tempat sampel, kisi difraksi atau prisma sebagai monokromator untuk memisahkan panjang gelombang cahaya yang berbeda, dan detektor. Sumber radiasi sering kali berupa filamen tungsten (300–2500 nm), lampu busur deuterium, yang kontinu pada wilayah ultraviolet (190–400 nm), lampu busur xenon, yang kontinu dari 160 hingga 2.000 nm; atau yang lebih baru, dioda pemancar cahaya (LED)^[4] untuk panjang gelombang tampak. Detektor biasanya berupa tabung fotopengganda, dioda foto, susunan fotodioda, atau peranti tergandeng—muatan (CCD). Detektor fotodioda tunggal dan tabung pengganda foto digunakan dengan monokromator pemindaian, yang menyaring cahaya sehingga hanya cahaya dengan panjang gelombang tunggal yang mencapai detektor pada satu waktu. Monokromator pemindaian menggerakkan kisi difraksi untuk "melewati" setiap panjang gelombang sehingga intensitasnya dapat diukur sebagai fungsi panjang gelombang. Monokromator tetap digunakan dengan CCD dan susunan fotodioda. Karena kedua perangkat ini terdiri dari banyak detektor yang dikelompokkan menjadi susunan satu atau dua dimensi, mereka dapat mengumpulkan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda pada piksel atau kelompok piksel yang berbeda secara bersamaan.

Spektrofotometer dapat berupa sinar tunggal atau sinar ganda. Dalam instrumen sinar tunggal (seperti Spectronic 20), semua cahaya melewati sel sampel. ${\displaystyle I_{o}}$ harus diukur dengan membuang sampel. Ini adalah desain paling awal dan masih umum digunakan di laboratorium pengajaran dan industri.

Pada instrumen sinar ganda, cahaya dibagi menjadi dua sinar sebelum mencapai sampel. Satu sinar digunakan sebagai referensi; sinar lainnya melewati sampel. Intensitas sinar referensi diambil sebagai 100% Transmisi (atau 0 Absorbansi), dan pengukuran yang ditampilkan adalah rasio dari dua intensitas sinar. Beberapa instrumen sinar ganda memiliki dua detektor (fotodioda), dan sampel serta sinar referensi diukur pada saat yang sama. Pada instrumen lain, kedua sinar melewati pemotong sinar, yang memblokir satu sinar pada satu waktu. Detektor bergantian antara mengukur sinar sampel dan sinar referensi secara sinkron dengan pemotong. Mungkin juga ada satu atau lebih interval gelap dalam siklus pemotong. Dalam hal ini, intensitas sinar yang diukur dapat dikoreksi dengan mengurangi intensitas yang diukur dalam interval gelap sebelum rasio diambil.

Pada instrumen sinar tunggal, kuvet yang hanya berisi pelarut harus diukur terlebih dahulu. Mettler Toledo mengembangkan spektrofotometer susunan sinar tunggal yang memungkinkan pengukuran cepat dan akurat pada rentang UV-Vis. Sumber cahaya terdiri dari lampu kilat Xenon untuk ultraviolet (UV) serta untuk daerah panjang gelombang tampak (VIS) dan inframerah dekat yang mencakup rentang spektral dari 190 hingga 1100 nm. Kilatan lampu difokuskan pada serat kaca yang mengarahkan sinar cahaya ke kuvet yang berisi larutan sampel. Sinar melewati sampel dan panjang gelombang tertentu diserap oleh komponen sampel. Cahaya yang tersisa dikumpulkan setelah kuvet oleh serat kaca dan diarahkan ke spektrograf. Spektrograf terdiri dari kisi difraksi yang memisahkan cahaya ke dalam panjang gelombang yang berbeda, dan sensor CCD untuk merekam data. Dengan demikian, seluruh spektrum diukur secara bersamaan, yang memungkinkan perekaman cepat.^[25]

Sampel untuk spektrofotometri UV-Vis paling sering berupa cairan, meskipun absorbansi gas dan bahkan padatan juga dapat diukur. Sampel biasanya ditempatkan dalam sel transparan, yang dikenal sebagai kuvet. Kuvet biasanya berbentuk persegi panjang, umumnya dengan lebar internal 1 cm. (Lebar ini menjadi panjang lintasan ${\displaystyle L}$, dalam hukum Beer–Lambert.) Tabung reaksi juga dapat digunakan sebagai kuvet di beberapa instrumen. Jenis wadah sampel yang digunakan harus memungkinkan radiasi melewati wilayah spektral yang diinginkan. Kuvet yang paling banyak digunakan terbuat dari silika lebur atau kaca kuarsa berkualitas tinggi karena transparan di seluruh wilayah UV, tampak, dan inframerah dekat. Kuvet kaca dan plastik juga umum digunakan, meskipun kaca dan sebagian besar plastik menyerap UV, yang membatasi kegunaannya pada panjang gelombang tampak.^[4]

Instrumen khusus juga telah dibuat, termasuk memasang spektrofotometer ke teleskop untuk mengukur spektrum fitur astronomi. Mikrospektrofotometer UV-tampak terdiri dari mikroskop UV-tampak yang terintegrasi dengan spektrofotometer UV-tampak.

Spektrum lengkap serapan pada semua panjang gelombang yang diinginkan sering kali dapat diproduksi secara langsung oleh spektrofotometer yang lebih canggih. Pada instrumen yang lebih sederhana, serapan ditentukan satu panjang gelombang pada satu waktu dan kemudian disusun menjadi spektrum oleh operator. Dengan menghilangkan ketergantungan konsentrasi, koefisien kepunahan (ε) dapat ditentukan sebagai fungsi panjang gelombang.

Mikrospektrofotometri

Spektroskopi UV-tampak dari sampel mikroskopis dilakukan dengan mengintegrasikan mikroskop optik dengan optik UV-tampak, sumber cahaya putih, monokromator, dan detektor sensitif seperti peranti tergandeng–muatan (CCD) atau tabung fotopengganda (PMT). Karena hanya tersedia satu lintasan optik, ini adalah instrumen sinar tunggal. Instrumen modern mampu mengukur spektrum UV-tampak dalam reflektansi dan transmisi area pengambilan sampel skala mikron. Keuntungan menggunakan instrumen tersebut adalah mereka mampu mengukur sampel mikroskopis tetapi juga mampu mengukur spektrum sampel yang lebih besar dengan resolusi spasial yang tinggi. Dengan demikian, mereka digunakan di laboratorium forensik untuk menganalisis pewarna dan pigmen dalam serat tekstil individu,^[26] serpihan cat mikroskopis^[27] dan warna pecahan kaca. Mereka juga digunakan dalam ilmu material dan penelitian biologi serta untuk menentukan kandungan energi batu bara dan batuan sumber minyak bumi dengan mengukur reflektansi vitrinit. Mikrospektrofotometer digunakan dalam industri semikonduktor dan mikrooptik untuk memantau ketebalan lapisan tipis setelah diendapkan. Dalam industri semikonduktor, mikrospektrofotometer digunakan karena dimensi kritis sirkuit bersifat mikroskopis. Pengujian wafer semikonduktor yang umum akan memerlukan akuisisi spektrum dari banyak titik pada wafer berpola atau tidak berpola. Ketebalan lapisan yang diendapkan dapat dihitung dari pola interferensi spektrum. Selain itu, spektrofotometri ultraviolet-tampak dapat digunakan untuk menentukan ketebalan, bersama dengan indeks bias dan koefisien kepunahan lapisan tipis.^[16] Peta ketebalan lapisan di seluruh wafer kemudian dapat dibuat dan digunakan untuk tujuan pengendalian kualitas.^[28]

Aplikasi tambahan

UV-Vis dapat digunakan untuk mengkarakterisasi laju reaksi kimia. Contoh nyata adalah konversi isomer kuning-jingga dan biru dari raksa ditizonat. Metode analisis ini bergantung pada fakta bahwa konsentrasi berbanding lurus dengan konsentrasi. Pendekatan yang sama memungkinkan penentuan kesetimbangan antara kromofor.^[29][30]

Dari spektrum gas yang terbakar, dimungkinkan untuk menentukan komposisi kimia bahan bakar, suhu gas, dan rasio udara-bahan bakar.^[31]

Referensi