Spektroskopi

Asal fisik sinyal

Energi foton memenuhi E = hν = hc/λ. Saat materi berpindah antara dua keadaan yang diizinkan, perbedaan energinya memenuhi ΔE = hν. Jadi posisi garis spektrum pada dasarnya adalah pengukuran energi, bukan sekadar label warna. Aturan seleksi kuantum juga menentukan transisi mana yang muncul kuat dalam jenis interaksi tertentu. Satu garis atom biasanya merupakan sinyal statistik dari banyak atom sejenis yang menjalani jenis transisi kuantum yang sama, bukan “satu elektron yang terlihat melompat sepanjang lintasan”. Intinya adalah keadaan kuantum dan probabilitas transisi. Frekuensi lebih tinggi dan panjang gelombang lebih pendek berarti energi per foton lebih besar, sehingga satuan sumbu harus dikonversi konsisten dengan E=hν=hc/λ.

Dalam spektroskopi absorpsi, sampel mengambil energi foton tertentu dan naik ke keadaan lebih tinggi. Dalam emisi, sampel tereksitasi melepaskan foton ketika turun ke keadaan lebih rendah. Selisih energi yang sama dapat tampak sebagai absorpsi dalam satu eksperimen dan emisi dalam eksperimen lain. Spektroskopi hamburan mendeteksi foton yang berubah arah; pada Raman, sebagian kecil foton bertukar energi dengan getaran molekul sehingga pergeseran frekuensinya memberi informasi vibrasi. Posisi garis absorpsi dan emisi dapat bersesuaian tetapi intensitasnya tidak harus menjadi bayangan cermin karena populasi tingkat, cara eksitasi, dan efisiensi deteksi berbeda. Dalam Raman, yang terutama dibaca adalah pergeseran antara cahaya datang dan hambur, sering dinyatakan sebagai bilangan gelombang, bukan hanya warna absolut foton hambur.

Atom terisolasi memiliki tingkat elektronik yang relatif diskret sehingga transisinya sering memberi garis yang cukup sempit. Deret Balmer, Lyman, dan Paschen pada hidrogen adalah contoh. Molekul memiliki lebih banyak cara menyimpan energi: keadaan elektronik berisi subtingkat vibrasi dan rotasi. Banyak transisi berdekatan dapat tumpang tindih menjadi pita, dan fase terkondensasi memperlebarnya lagi melalui interaksi antarmolekul. Apakah struktur halus pita molekul dapat terlihat bergantung pada fase, suhu, tekanan, dan resolusi. Molekul kecil dalam gas dapat menampilkan struktur rotasi–vibrasi yang lebih terpisah, sedangkan tumbukan dan interaksi pelarut dalam larutan menggabungkan banyak garis. Pita lebar tidak otomatis berarti instrumennya buruk.

Membaca spektrum

Sumbu horizontal dapat berupa λ, ν, energi foton E, bilangan gelombang cm⁻¹ pada IR, atau pergeseran kimia δ dalam ppm pada NMR. Sumbu vertikal dapat berupa intensitas, absorbansi, transmitansi, atau jumlah hitungan. Posisi menunjukkan “di mana interaksi terjadi”; intensitas juga bergantung pada populasi, probabilitas transisi, konsentrasi dan respons alat; lebar membawa informasi umur keadaan, gerak, tumbukan, dan resolusi. Ketiganya tidak boleh disamakan. Pada spektrum transmitansi, arah tampilan juga harus diperhatikan: absorpsi lebih kuat menurunkan %T, sehingga fitur absorpsi dapat mengarah ke bawah pada grafik transmitansi tetapi ke atas pada grafik absorbansi A. Sampel yang sama dapat tampak terbalik hanya karena sumbu vertikal berbeda, sementara posisi energinya tetap.

Teknik umum

UV–visible

Radiasi UV–visible sering mempromosikan elektron valensi di antara orbital molekul atau keadaan elektronik. Sistem π terkonjugasi dan kompleks logam transisi adalah contoh umum; dalam kondisi sesuai, Beer–Lambert juga memungkinkan pengukuran konsentrasi.

Inframerah

Inframerah mendorong transisi antara keadaan vibrasi molekul. Frekuensi regangan dan tekukan bergantung pada kekakuan ikatan, massa atom, dan lingkungan, sehingga IR berguna untuk mengenali ikatan dan gugus fungsi.

Raman

Raman mengukur hamburan inelastik. Sebagian kecil foton bertukar energi dengan vibrasi molekul sehingga frekuensinya bergeser; aturan seleksi berdasarkan perubahan polarizabilitas berbeda dari IR dan keduanya saling melengkapi.

NMR

NMR mempelajari spin inti dalam medan magnet. Shielding elektron lokal menentukan pergeseran kimia, sedangkan kopling spin–spin memisahkan sinyal sehingga lingkungan lokal dan konektivitas dapat ditentukan.

UV–Vis terutama melihat transisi elektronik dan berguna untuk warna serta konsentrasi. IR peka terhadap vibrasi molekul dan memberi petunjuk ikatan serta gugus fungsi. Raman memakai hamburan tak elastik untuk vibrasi dengan aturan seleksi yang melengkapi IR. NMR memakai spin inti dan lingkungan magnet lokal untuk mengungkap lingkungan atom dan konektivitas. Setiap teknik memberi batasan struktur yang berbeda. Sifat saling melengkapi teknik berasal dari kopling ke derajat kebebasan dan aturan seleksi berbeda. Suatu vibrasi dapat lemah di IR tetapi kuat di Raman; pergeseran kimia dan pemisahan NMR mencerminkan shielding elektron lokal dan kopling spin. Kesepakatan beberapa kendala lebih penting daripada mencari satu “puncak universal”.

Perhitungan

Beer–Lambert

Dalam kondisi larutan encer dan cahaya monokromatik yang sesuai, A = εbc: A adalah absorbansi, ε absorptivitas molar, b panjang lintasan, dan c konsentrasi. Jika ε = 1,50 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹, b = 1,00 cm, A = 0,720, maka c = 4,80 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹. Blanko, hamburan, stray light, kesetimbangan kimia dan rentang linear instrumen dapat membatasi model ini. Dalam Beer–Lambert, satuan ε, b, dan c harus konsisten. Jika ε memakai L·mol⁻¹·cm⁻¹, b harus dimasukkan dalam cm. Interaksi pada konsentrasi tinggi, partikel penghambur, atau kejenuhan detektor dapat merusak linearitas sederhana; memeriksa rentang kerja dengan seri standar lebih aman daripada ekstrapolasi jauh.

Energi foton

E = hc/λ ≈ 4,09 × 10⁻¹⁹ J; dibagi e memberi sekitar 2,55 eV.

Spektrum nyata dan instrumentasi

Tidak ada garis spektrum nyata yang tak berhingga sempit. Umur keadaan tereksitasi yang terbatas memberi pelebaran alami; gerak termal memberi pelebaran Doppler; tumbukan memberi pelebaran tekanan; instrumen menambahkan lebar responsnya sendiri. Resolusi adalah kemampuan membedakan fitur yang berdekatan. Resolusi lebih tinggi dapat memisahkan puncak yang dulu tumpang tindih, tetapi tidak menciptakan informasi yang tidak dikodekan oleh sampel dan dapat mengorbankan sinyal atau waktu akuisisi. Mekanisme pelebaran juga dapat menghasilkan bentuk garis berbeda; pelebaran alami terkait umur keadaan dan pelebaran Doppler dari distribusi kecepatan tidak identik. Profil terukur sering merupakan konvolusi beberapa mekanisme dengan fungsi instrumen, sehingga batas resolusi alat harus diketahui sebelum seluruh lebar ditafsirkan sebagai sifat sampel.

Walau bentuk instrumen berbeda, banyak spektrometer mengikuti logika yang sama: menghasilkan/menerima radiasi, memilih atau mengodekan kandungan spektralnya, berinteraksi dengan sampel, mendeteksi respons, lalu mengubahnya menjadi spektrum. UV–Vis dispersif dapat memakai kisi atau monokromator; FTIR merekam interferogram berisi banyak frekuensi sekaligus lalu melakukan transformasi matematis. Pengurangan latar, kalibrasi, sensitivitas detektor dan koreksi baseline adalah bagian dari pengukuran, bukan kosmetik. Kalibrasi mengubah piksel, waktu, atau koordinat interferogram menjadi panjang gelombang, frekuensi, atau skala fisik lain. Koreksi latar dan baseline membantu memisahkan respons sampel dari sumber, pelarut, jalur optik, dan detektor. Pemrosesan berlebihan juga dapat menciptakan fitur palsu, jadi data mentah dan langkah pengolahan perlu dipertahankan untuk reproduktibilitas.

Interpretasi analitis

Spektrometri massa sering diajarkan bersama IR, UV–Vis, dan NMR, tetapi secara ketat tidak mendeteksi absorpsi atau emisi elektromagnetik terhadap energi foton. Ia mengionisasi spesies dan menganalisis ion menurut m/z. Informasinya sangat saling melengkapi. Saat menafsirkan data, identifikasi teknik dan sumbu, pisahkan posisi–intensitas–lebar, cari pola alih-alih satu puncak, uji kewajaran fisika dan kimia, lalu perlakukan beberapa pengukuran independen sebagai kendala pada satu struktur. Alur analisis yang kuat dimulai dari pertanyaan “apa yang secara fisik dapat dilihat teknik ini”, lalu membuat hipotesis penugasan puncak dan mengujinya dengan data independen. Jika IR mengisyaratkan gugus fungsi tetapi NMR, rumus molekul, atau spektrometri massa bertentangan, penugasan perlu ditinjau ulang alih-alih memaksa semua data mengikuti puncak pertama.

Latihan

Beer–Lambert

Dua larutan spesies yang sama diukur pada kondisi identik. Konsentrasi larutan kedua digandakan dan sistem tetap berada dalam daerah linear Beer–Lambert. Apa yang terjadi pada absorbansi?

Memilih teknik

Anda perlu membedakan beberapa lingkungan proton dalam molekul organik. Teknik mana yang paling langsung?