Pengenalan
Spektroskopi ialah bidang yang berkaitan dengan interaksi antara sesuatu bahan atau jisim dengan cahaya. Cahaya yang dimaksudkan ialah cahaya yang datang daripada tenaga radiasi elektromagnetik. Tenaga radiasi elektromagnetik ini atau dikenali juga sebagai tenaga foton bertindak sebagai gelombang yang membawa tenaga dan boleh mengubah sesuatu bahan, partikel atau jisim. Perubahan yang berlaku terhadap bahan-bahan ini bergantung kepada spektrum elektromagnetik yang berbeza mengikut panjang gelombang elektromagnetik tertentu dan juga berkaitan dengan penyerakan, penyerapan dan pelepasan cahaya tersebut. Melalui perbezaan tenaga inilah setiap daripada bahan-bahan asas sesuatu jisim atau partikel dapat dikaji dan dianalisis secara kualitatif dan kuantitatif. Melalui interaksi ini juga, saintis dapat mengetahui maklumat molekul sesuatu jisim yang dikaji seterusnya dapat mengenalpasti bahan yang tidak diketahui atau bahan yang disintesis. Data yang terhasil daripada kaedah spektroskopi biasanya diberikan dalam bentuk plot atau graf sesuatu respon terhadap panjang gelombang atau frekuensi.
Spektrum elektromagnetik
Dalam bidang kimia dan biologi, asas spektroskopi digunakan dengan meluas untuk tujuan kajian terperinci sesuatu bahan sehingga ke tahap atom dan molekul bahan tersebut dan juga untuk menganalisis sesuatu bahan. Setiap bahan akan bertindakbalas terhadap tenaga foton pada panjang gelombang tertentu. Berikut merupakan kesan-kesan terhadap molekul apabila berinteraksi dengan tenaga foton yang mempunyai panjang gelombang tertentu:
Jadual spektrum elektromagnetik
Kaedah spektroskopi
Oleh kerana setiap tenaga foton dengan panjang gelombang tertentu akan memberikan kesan dan perubahan terhadap setiap molekul sesuatu bahan, terdapat berbagai-bagai jenis kaedah spektroskopik yang boleh digunakan untuk mengkaji sesuatu bahan. Berikut merupakan jenis-jenis kaedah spektroskopik yang penting terutamanya dalam bidang kimia dan biologi:
1. Spektroskopi inframerah
a. Asas: Kaedah spektroskopi yang melibatkan gelombang elektromagnetik daripada kawasan inframerah. Molekul yang bertindakbalas dengan cahaya inframerah akan mengalami getaran terutamanya terhadap kumpulan-kumpulan berfungsi yang ada pada sesuatu bahan atau molekul-molekul yang membentuk rantaian sesuatu kerangka bahan. Molekul akan menyerap tenaga foton inframerah yang spesifik terhadap sifat-sifat molekul tersebut dan kemudiannya bergetar, Daripada nilai tenaga yang diserap dengan panjang gelompang tertentu, saintis berupaya mengenalpasti identiti molekul tersebut berdasarkan spectrum inframerah yang dihasilkan. Spektrum yang dihasilkan akan dianalisis menggunakan carta korelasi yang disediakan oleh para saintis.
b. Kegunaan:
i. Pengenalpastian kumpulan berfungsi sesuatu bahan terutamanya bahan organik.
ii. Pengenalpastian struktur asas bahan organik (tetapi perlu disokong oleh kaedah spektroskopi lain).
iii. Kajian mengenai polimer .
iv. Kajian tindakbalas kimia contohnya dalam sintesis bahan organik.
v. Kajian mengenai semikonduktor mikro-elektronik.
2. Spektroskopi ultralembayung-nampak
a. Asas: Kaedah spektroskopi yang melibatkan interaksi antara sesuatu bahan dan juga tenaga foton daripada kawasan ultralembayung dan nampak. Kawasan ultralembayung ialah antara 200 hingga 400 nm manakala kawasan cahaya nampak ialah antara 401 hingga 600 nm. Bagi kawasan ultralembayung, biasanya bahan atau larutan tidak berwarna tetapi mempunyai struktur molekul yang berkonjugat atau berpasangan dengan ikatan berganda manakala bagi kawasan cahaya nampak pula, bahan atau larutan adalah berwarna dan mempunyai kromofor dalam struktur bahan tersebut. Perubahan yang berlaku apabila sesuatu bahan yang berkonjugat atau bahan yang mempunyai kromofor bertindakbalas dengan tenaga foton ini ialah pengujaan atau peralihan elektronik daripada orbital bertenaga rendah ke orbital bertenaga tinggi hasil daripada penyerapan tenaga tersebut oleh bahan ini.
b. Kegunaan:
i. Penentuan kehadiran struktur berkonjugat dalam bahan organik
ii. Pengenalpastian struktur bahan organik (perlu digabungkan dengan kaedah spektroskopi lain)
iii. Penentuan kepekatan sesuatu larutan berwarna atau bahan yang berkonjugat.
3. Spektroskopi penyerapan atom
a. Asas: Kaedah spektroskopi yang melibatkan perubahan sesuatu bahan terutamanya dalam bentuk larutan kepada gas oleh suhu yang sangat tinggi (dijana daripada api) dan seterusnya penyerapan tenaga foton oleh atom dalam keadaan gas tersebut. Dalam kaedah ini, tenaga foton tertentu dikeluarkan oleh bahan yang ingin dianalisis. Sebagai contoh, bagi analisis kandungan natrium dalam larutan, tenaga foton yang diberikan terhasil daripada lampu yang diperbuat daripada bahan natrium.
b. Kegunaan: Kegunaan utama spektroskopi penyerapan atom ialah bagi penentuan secara kuantitatif unsur-unsur yang terdapat dalam larutan terutamanya unsur-unsur logam. Bagi bahan pepejal, bahan ini perlu dilarutkan terlebih dahulu dan dijadikan dalam bentuk larutan sebelum dianalisis menggunakan kaedah ini. Bagi tujuan analisis menggunakan kaedah ini, larutan piawai dengan kepekatan tertentu perlu disediakan terlebih dahulu bagi tujuan kalibrasi piawai. Analisis kuantitatif sesuatu bahan atau unsur akan dibandingkan menggunakan kalibrasi piawai yang disediakan.
4. Spektroskopi pelepasan atom
a. Asas: Bagi kaedah spektroskopi ini, bahan yang ingin dianalisis akan diubah kepada bentuk gas pada suhu yang sangat tinggi dan tenaga yang dilepaskan oleh atom daripada bahan ini dianalisis oleh pengesan yang ada pada instrument ini. Tenaga foton yang dilepaskan akan memberikan nilai panjang gelombang tertentu dan setiap panjang gelombang tertentu adalah identiti untuk setiap bahan. Daripada pelepasan tenaga ini juga, kuantiti tenaga foton yang dilepaskan berkadar langsung dengan kuantiti atom yang ingin dianalisis.
b. Kegunaan: Kegunaanya sama dengan spektroskopi penyerapan atom iaitu penentuan secara kuantitatif elemen atau unsur dalam sesuatu larutan.
5. Spektroskopi berpendaflour
a. Asas: kaedah spektroskopi yang menganalisis bahan berpendarflour. Ia melibatkan pancaran cahaya terutamanya daripada cahaya nampak kepada sesuatu bahan dan kemudiannya, molekul dalam bahan tersebut akan melepaskan cahaya atau tenaga foton akibat daripada pengujaan elektron. Tenaga foton inilah dianalisis oleh spektroskopi berpendarflour. Instrumen yang melibatkan kaedah spektroskopi ini dinamakan flourometer atau spektroflourometer.
b. Kegunaan:
i. Analisis bahan organik
ii. Analisis dan penentuan secara kuantitatif bahan dalam larutan.
6. Spektroskopi resonan magnetik nuklear
a. Asas: Asas utama spektroskopi ini ialah melibatkan perubahan terhadap sifat-sifat magnet sesuatu atom. Kaedah ini memberikan maklumat-maklumat asas mengenai sesuatu atom dan molekul yang terkandung dalam bahan yang dianalisis seperti keadaan sekitaran atom, ikatan antara atom dalam sesuatu molekul dan lain-lain. Atom yang biasa dikaji menggunakan kaedah ini ialah hydrogen (1H) dan karbon (13C). Atom-atom ini akan menyerap tenaga elektromagnet pada frekuensi yang sama dengan isotop-isotop ini apabila berada dalam medan magnet.
b. Kegunaan: Kaedah spektroskopi ini digunakan secara meluas bagi penentuan struktur bahan organik terutamanya melibtakan atom hidrogen dan karbon.
7. Spektroskopi jisim
a. Asas: Dalam kaedah ini, sesuatu bahan yang dianalisis akan dipecahkan melalui proses pengionan melalui hentaman elektron. Proses pengionan ini akan memecahkan bahan tersebut kepada beberapa pecahan. Pecahan-pecahan ini akan dianalisis oleh instrumen dan dibandingkan dengan cas-cas yang terhasil. Melalui pecahan-pecahan ini nisbah jisim terhadap cas yang dihasilkan dapat dikira dan akan menghasilkan spektrum jisim iaitu plot peratus intensiti terhadap nisbah jisim/cas.
b. Kegunaan: Kaedah ini boleh digunakan secara kualitatif dan kuantitatif bahan yang ingin dikaji terutamanya bahan organik.
Definasi-definasi penting dalam bidang spektroskopi
Dalam bidang spektroskopi, terdapat beberapa definasi penting yang perlu difahami, antaranya:
– Kaedah spektroskopik: kaedah-kaedah yang berkaitan dengan spektroskopi.
– Spektrofotometer : Peralatan yang berkaitan dengan spektroskopi yang melibatkan cahaya seperti spektrofotometer ultralembayung-nampak dan spektrofotometer inframerah.
– Spektrometer: Instrumen/peralatan yang berkaitan dengan spektroskopi seperti spektrometer jisim.
– Spektrum (satu) atau spektra (banyak): Data daripada spektroskopi atau plot terhadap panjang gelombang.