Apa saja metode analitis yang digunakan dalam metode geokimia?

Sains Kimia
1

image
image3325×1925 1.26 MB

Dalam prospeksi geokimia banyak digunakan metode adalah kromatografi, kolorimetri, spektroskopi emisi, XRF, dan AAS yang relative sederhana, cepat, dan tidak mahal. Metode lain yang juga digunakan dalam kasus khusus adalah aktivasi neutron, radiometri dan potensiometri.

AAS (Atomic absorption spectroscopy)

Atomic absorption spectroscopy(AAS) adalah prosedur spectroanalytical untuk penentuan kuantitatif unsur kimia menggunakan penyerapan radiasi optik (cahaya) oleh atom-atom bebas dalam keadaan gas.

Dalam kimia analitik teknik ini digunakan untuk menentukan konsentrasi elemen tertentu (analit) dalam sampel yang akan dianalisis. AAS dapat digunakan untuk menentukan lebih dari 70 elemen yang berbeda dalam larutan atau langsung dalam sampel padat digunakan dalam farmakologi, biofisika dan penelitian toksikologi.

Spektrometri serapan atom pertama kali digunakan sebagai teknik analitis, dan prinsip-prinsip dasar yang didirikan pada paruh kedua abad ke-19 oleh Robert Wilhelm Bunsen dan Gustav Robert Kirchhoff, baik profesor di Universitas Heidelberg, Jerman. Bentuk modern AAS sebagian besar dikembangkan selama tahun 1950 oleh sebuah tim ahli kimia Australia. Mereka dipimpin oleh Sir Alan Walsh pada CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), Divisi Kimia Fisika, di Melbourne, Australia.

Teknik ini memanfaatkan spektrometri serapan untuk menentukan konsentrasi suatu analit dalam sampel. Hal ini membutuhkan standar dengan kandungan analit dikenal untuk membangun hubungan antara absorbansi diukur dan konsentrasi analit dan karenanya bergantung pada hukum Beer-Lambert. Singkatnya elektron dari atom dalam alat penyemprot dapat dipromosikan ke orbital yang lebih tinggi (keadaan tereksitasi) untuk waktu singkat (nanodetik) dengan menyerap kuantitas didefinisikan energi (radiasi dari panjang gelombang tertentu). Dalam hal ini, jumlah energi, yaitu panjang gelombang, adalah khusus untuk transisi elektron tertentu dalam elemen tertentu.

Secara umum, setiap panjang gelombang sesuai dengan hanya satu elemen, dan lebar jalur penyerapan hanya dari urutan dari beberapa picometers (pm), yang memberikan teknik selektivitas unsurnya. Radiasi fluks tanpa sampel dan dengan sampel dalam atomizer yang diukur dengan menggunakan detektor, dan rasio antara dua nilai (absorbansi) dikonversi menjadi analit konsentrasi atau massa menggunakan hukum Beer-Lambert.

XRF (X-ray fluorescence)

X-ray fluorescence l(XRF) adalah emisi karakteristik “sekunder” (atau neon) sinar-X dari materi yang membombardir dengan sinar-X berenergi tinggi atau sinar gamma. Fenomena ini banyak digunakan untuk analisis unsur dan analisis kimia, terutama dalam penyelidikan logam, kaca, keramik dan bahan bangunan, dan untuk penelitian dalam geokimia, ilmu forensik dan arkeologi.

Dalam analisis energi dispersif, dispersi dan deteksi adalah operasi tunggal, seperti yang sudah disebutkan di atas. Counter proporsional atau berbagai jenis solid-state detektor (dioda PIN, Si (Li), Ge (Li), Silicon Drift Detector SDD) digunakan. Mereka semua berbagi sama deteksi prinsip: foton X-ray masuk ionises sejumlah besar atom detektor dengan jumlah muatan yang dihasilkan yang sebanding dengan energi foton yang masuk kemudian dikumpulkan dan proses berulang untuk foton berikutnya. Kecepatan detektor jelas penting, karena semua pembawa muatan diukur harus datang dari foton yang sama untuk mengukur energi foton dengan benar (diskriminasi panjang puncak digunakan untuk menghilangkan peristiwa yang tampaknya telah diproduksi oleh dua foton sinar-X tiba hampir bersamaan).

Spektrum ini kemudian dibangun dengan membagi spektrum energi ke sampah diskrit dan menghitung jumlah pulsa yang tercatat dalam setiap energi. Jenis detektor EDXRF bervariasi dalam resolusi, kecepatan dan sarana pendingin (rendahnya jumlah pembawa muatan bebas sangat penting dalam detektor solid state): counter proporsional dengan resolusi beberapa ratus eV menutupi low end dari spektrum kinerja, diikuti dengan PIN detektor dioda, sedangkan Si (Li), Ge (Li) dan Detektor Drift Silicon (SDD) menduduki high end dari skala kinerja.

Dalam analisis dispersif gelombang, radiasi panjang gelombang tunggal yang dihasilkan oleh monokromator dilewatkan ke photomultiplier, detektor mirip dengan Geiger counter, yang menghitung foton individu ketika mereka melalui. Counter adalah ruang yang berisi gas yang terionisasi oleh X-ray foton. Sebuah pusat elektroda dikenakan biaya (biasanya) 1700 V sehubungan dengan dinding ruang melakukan, dan masing-masing foton memicu kaskade pulsa. Sinyal diperkuat dan diubah menjadi mengumpulkan hitung digital.Hitungan ini kemudian diproses untuk mendapatkan data analitis.

EDX spektrometer lebih unggul spektrometer WDX dalam bahwa mereka lebih kecil, sederhana dalam desain dan memiliki bagian rekayasa sedikit.Mereka juga dapat menggunakan tabung sinar-X miniatur atau sumber gamma.Hal ini membuat mereka lebih murah dan memungkinkan miniaturisasi dan portabilitas.Jenis instrumen ini umumnya digunakan untuk aplikasi penyaringan kontrol kualitas portabel, seperti pengujian mainan untuk timbal (Pb), menyortir potongan logam, dan mengukur kandungan timbal cat perumahan. Di sisi lain, resolusi rendah dan masalah dengan menghitung tingkat rendah dan lama matiwaktu membuat mereka rendah untuk analisis presisi tinggi. Mereka adalah, bagaimanapun, sangat efektif untuk kecepatan tinggi, analisis multi-unsur. Lapangan portabel XRF analisis saat ini di pasar berat kurang dari 2 kg, dan memiliki batas deteksi pada urutan 2 bagian per juta timbal (Pb) dalam pasir murni.

2

XRD (X-ray Diffraction)

X-ray diffraction adalah metode yang digunakan untuk menentukan struktur atom dan molekul kristal, di mana atom kristal menyebabkan berkas sinar-X untuk lentur ke banyak arah tertentu. Dengan mengukur sudut dan intensitas dari berkas difraksi, crystallographer dapat menghasilkan gambar tiga dimensi kepadatan elektron dalam kristal. Dari kerapatan elektron ini, posisi rata-rata dari atom dalam kristal dapat ditentukan, serta ikatan kimia mereka, gangguan mereka dan berbagai informasi lainnya.

Karena banyak bahan dapat membentuk kristal-seperti garam, logam, mineral, semikonduktor, serta berbagai anorganik, organik dan biologi molekulkristalografi sinar-X telah mendasar dalam pengembangan berbagai bidang ilmiah.Pada dekade pertama penggunaan, metode ini menentukan ukuran atom, panjang dan jenis ikatan kimia, dan perbedaan skala atom antara berbagai bahan, terutama mineral dan paduan.Metode ini juga mengungkapkan struktur dan fungsi dari banyak molekul biologis, termasuk vitamin, obat-obatan, protein dan asam nukleat seperti DNA. X-ray kristalografi masih merupakan metode utama untuk mencirikan struktur atom bahan baru dan bahan yang muncul mirip dengan eksperimen lain. X-ray struktur kristal juga dapat menjelaskan sifat elektronik atau biasa elastis material, menjelaskan interaksi dan proses kimia, atau melayani sebagai dasar untuk merancang obat-obatan terhadap penyakit.

Dalam pengukuran difraksi sinar-X, kristal dipasang pada goniometer dan secara bertahap diputar ketika dibombardir dengan sinar-X, menghasilkan pola difraksi bintik-bintik jarak teratur dikenal sebagai refleksi. Gambar dua dimensi yang diambil pada rotasi yang berbeda diubah menjadi model tiga dimensi dari kepadatan elektron dalam kristal menggunakan metode matematika transformasi Fourier, dikombinasikan dengan data kimia yang dikenal sebagai sampel. Resolusi miskin (ketidakjelasan) atau bahkan kesalahan dapat terjadi jika kristal terlalu kecil, atau tidak cukup seragam dalam riasan internal mereka.

X-ray kristalografi berhubungan dengan beberapa metode lain untuk menentukan struktur atom. Pola difraksi yang serupa dapat diproduksi oleh hamburan elektron atau neutron, yang juga diartikan sebagai Transformasi Fourier. Jika kristal tunggal ukuran yang cukup tidak dapat diperoleh, berbagai metode X-ray lainnya dapat digunakan untuk memperoleh informasi lebih rinci, metode tersebut meliputi difraksi serat, difraksi bubuk dan kecil-sudut hamburan sinar-X (SAXS). Jika bahan dalam penyelidikan hanya tersedia dalam bentuk bubuk nanokristalin atau menderita kristalinitas miskin, metode kristalografi elektron dapat diterapkan untuk menentukan struktur atom.

Untuk semua metode difraksi sinar-X yang disebutkan di atas, hamburan elastis, yang tersebar sinar-X memiliki panjang gelombang yang sama dengan masuk X-ray. Sebaliknya, metode hamburan sinar-X inelastis berguna dalam mempelajari Eksitasi sampel, daripada distribusi atom nya.

ICP-MS (Inductively couple plasma mass spectrometry)

Inductively couple plasma mass spectrometry (ICP-MS) adalah jenis spektrometri massa yang mampu mendeteksi logam dan beberapa non-logam pada konsentrasi rendah sebagai salah satu bagian dalam 1012 (bagian per triliun). Hal ini dicapai dengan ionisasi sampel dengan coupled plasma induktif dan kemudian menggunakan spektrometer massa untuk memisahkan dan mengukur ion tersebut dalam teknologi nuklir, hardware ICP-MS adalah subjek untuk peraturan ekspor khusus.

Sebuah induktif ditambah plasma plasma yang mendapatkan energi (terionisasi) oleh induktif memanaskan gas dengan kumparan listrik, dan mengandung konsentrasi yang cukup ion dan elektron untuk membuat gas konduktif secara elektrik. Bahkan gas terionisasi sebagian yang sesedikit 1% dari partikel terionisasi dapat memiliki karakteristik plasma (yaitu, respon terhadap medan magnet dan konduktivitas listrik tinggi). Plasma yang digunakan dalam analisis Spektrokimia dasarnya elektrik netral, dengan masing-masing muatan positif pada ion seimbang dengan elektron bebas. Dalam plasma ini ion positif hampir semua bermuatan tunggal dan ada beberapa ion negatif, sehingga ada jumlah yang hampir sama ion dan elektron di setiap satuan volume plasma.

Sebuah coupled plasma induktif (ICP) untuk spektrometri ditopang dalam obor yang terdiri dari tiga tabung konsentris, biasanya terbuat dari kuarsa. Akhir dari obor ini ditempatkan di dalam sebuah kumparan induksi diberikan dengan arus listrik frekuensi radio.Aliran gas argon (biasanya 14 sampai 18 liter per menit) diperkenalkan antara dua tabung terluar obor dan percikan listrik diterapkan untuk waktu yang singkat untuk memperkenalkan elektron bebas ke dalam aliran gas. Elektron ini berinteraksi dengan medan magnet frekuensi radio dari kumparan induksi dan dipercepat pertama dalam satu arah, kemudian yang lain, karena perubahan bidang pada frekuensi tinggi (biasanya 27.120.000 siklus per detik). Dipercepat elektron bertabrakan dengan atom argon, dan kadang-kadang menyebabkan tabrakan atom argon untuk berpisah dengan salah satu elektron. Dirilis elektron pada gilirannya dipercepat oleh medan magnet yang berubah dengan cepat. Proses berlanjut sampai tingkat pelepasan elektron baru dalam tabrakan diimbangi oleh laju rekombinasi elektron dengan ion argon (atom yang telah kehilangan elektron). Ini menghasilkan ‘bola api’ yang sebagian besar terdiri dari atom argon dengan fraksi agak kecil dari elektron bebas dan ion argon. Suhu plasma sangat tinggi, dari urutan 10.000 K.

ICP dapat dipertahankan dalam obor kuarsa karena aliran gas antara dua tabung terluar membuat plasma jauh dari dinding obor. Aliran kedua argon (sekitar 1 liter per menit) biasanya diperkenalkan antara tabung pusat dan tabung menengah untuk menjaga plasma jauh dari ujung tabung pusat. Aliran ketiga (lagi biasanya sekitar 1 liter per menit) gas dimasukkan ke dalam tabung pusat obor. Ini aliran gas melewati pusat plasma, di mana ia membentuk saluran yang lebih dingin dari plasma sekitarnya tapi masih jauh lebih panas dari api kimia. Sampel yang akan dianalisis yang diperkenalkan ke saluran pusat ini, biasanya sebagai kabut cairan dibentuk oleh melewati sampel cairan ke dalam nebulizer.

Sebagai tetesan sampel nebulasi memasuki saluran sentral dari ICP, menguap dan setiap padatan yang terlarut dalam cairan menguap dan kemudian terurai menjadi atom. Pada suhu yang berlaku dalam plasma proporsi yang signifikan dari atom banyak unsur kimia yang terionisasi, setiap atom kehilangan elektron yang paling longgar terikat untuk membentuk ion bermuatan tunggal.