BAB III

____________________________________________________________________

BAB III

KROMATOGRAFI GAS

Tujuan Instruksional Khusus Mampu menjelaskan pemisahan menggunakan kromatografi gas

Mampu menjelaskan klasifikasi kromatografi kolom dengan benar Mampu membuat dan menjelaskan skema kompenen dasar kromatografi dengan benar Mampu menjelaskan pemilihan pelarut yang digunakan Mampu melakukan perhitungan dasar kromatografi dengan benar.3.1 Prinsip Dasar Kromatografi Secara UmumKromatografi adalah teknik dimana komponen suatu campuran dipisahkan berdasarkan laju perpindahan komponen tersebut bergerak melalui fasa diam oleh fasa gerak cair atau gas. Fasa diam adalah fasa yang tak bergerak, terletak di dalam suatu kolom atau permukaan datar, sedangkan fasa bergerak adalah fasa yang bergerak melewati fasa diam dengan membawa analit.

Berdasarkan bentuk fasa diamnya, kromatografi terbagi menjadi 2; planar dan kolom. Pada kromatografi planar, fasa diam terletak pada pelat datar atau kertas berpori, fasa gerak bergerak melalui fasa diam oleh karena aksi kapiler atau karena gravitasi. Pada kromatografi kolom, fasa diam terletak di dalam pipa kapiler dan fasa gerak bergerak melalui fasa diam karena tekanan atau karena gravitasi.Kromatografi gas termasuk dalam klas kromatografi kolom, analit diinjeksikan pada titik injeksi kemudian dibawa oleh fasa gerak gas menujuk kolom yang terletak di dalam sebuah oven yang dijaga temperaturnya. Pemisahan terjadi di dalam kolom, analit atau komponen yang lebih cepat menguap akan lebih cepat keluar mencapai detektor, sedangkan komponen yang mempunyai titik uaap lebih tinggi akan keluar lebih lambat dari kolom. Selain berdasarkan titik uap, berlaku juga hokum kromatografi yaitu LIKE DISSOLVE LIKE, dimana LIKE mengacu pada polaritas dari solut. Polaritas adalah efek medan listrik dan diukur oleh momen dipol spesi. Fasa diam polar seperti gugus fungsi CN, -CO dan OH. Fasa diam jenis hidrokarbon dan dialkil siloksan bersifat non polar. Solut bersifat polar seperti alcohol, asam karboksilat dan amina. Sedangkan solute dengan polaritas medium adalah eter, keton dan aldehida. Hidrokarbon jenuh bersifat non polar, seperti jenis alkana. Apabila suatu komponen bersifat polar, maka pelarut yang digunakan sebaiknya juga polar Polaritas fasa diam harus sesuai dengan komponen sampel sehingga urutan elusi dapat ditentukan dengan titik didih eluent tersebut.TABEL 3.1 Klasifikasi Kromatografi KolomKlasifikasi umumMetode spesifikFasa Diam

Kromatografi cair

(fasa gerak: cair)Cair-cair, partisi

Fasa terikat cair

Cair-padat,

Adsorpsi

Pertukaran ion

Ekslusi ukuranCair diserap padat

Spesi organic terikat ke permudaan padatan

Padatan

Resin tukar ion

Cair dalam kisi padatan polimer

Kromatografi Gas

(fasa gerak: gas)Gas-cair

Fasa terikat gas

Gas-padatCair diserap padat

Spesi organic terikat ke permukaan padat

Spesi organic terikat ke permukaan padat

Kromatografi superkritik

(fasa gerak : fluida superkritik)

Pada kromatografi dikenal suatu proses yang disebut Elusi, yaitu suatu proses dimana solute (padatan terlarut) dibasuh melalui fasa diam oleh gerakan fasa gerak. Disini fasa erak juga sering disebut sebagai eluent atau pelarut yang digunakan untuk membawa komponen campuran melalui fasa diam.

Proses elusi kromatografi dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 3.1

Pemisahan campuran A dan B menggunakan kromatografi kolomA. Rasio Pemisahan Seluruh pemisahan pada kromatografi didasarkan atas pemisahan solute diantara fasa gerak dan fasa diam. Equilibrium yang terjadi dijelaskan dengan persamaan berikut :

Agerak Adiam3.2 Komponen Utama Kromatografi GasKomponen utama kromatografi gas umunya terdiri dari 4 bagian, yaitu :a. Penyedia gas pembawa

b. Sistim injeksi sampel

c. Kolom dan oven

d. Detektor

3.2.1 Penyedia gas pembawa

Gas pembawa haruslah inert secara kimiawi, termasuk disini adalah Helium, Argon, Nitrogen dan karbon dioksida serta Hidrogen. Pemilihan gas tergantung pada detektor yang digunakan. Sistim penyedia gas sering juga dihubungkan dengan moekular sieve atau penyaring molekul untuk menghilangkan air atau kotoran.Laju alir biasanya dikontrol oleh 2 regulator, di tabung gas dan di kromatograf. Tekanan masuk berkisar 10 50 psi (diatas tekanan ruang) yang akan mengacu pada laju alir 29 - 150 mL/menit untuk kolom isian dan 1 - 25 mL/menit untuk kolom kapiler. Laju alir akan konstan apabila tekanan masuk dijaga konstan. Pengukuran laju alir biasanya dilakukan dengan menggunakan meter gelembung sabun (soap bubble meter) lapisan tipis sabun akan terbentuk di jalur gas ketika bola karet yang mengandung larutan encer sabun atau detergen ditekan, waktu yang diperlukan oleh lapisan tipis untuk bergerak antara dua garis di buret diukur dan diubah ke laju alir volumetrik.3.2.2 Sistim injeksi

Efisiensi kolom memerlukan sampel dengan ukuran volume yang sesuai dimasukkan sebagai sampel dalam bentuk uap. Injeksi yang lambat atau berlebihan menyebabkan pita melebar dan resolusi yang jelek. Metode yang paling sering digunakan adalah metode syring, yang akan meninjeksikan cairan atau sampel gas melalui diafragma karet ke vaporizer di atas kolom. Temperatur injeksi biasanya dibawah 50oC dari titik didih komponen kurang volatile.

3.2.3 Kolom dan Oven

Terdapat dua jenis kolom pada KG, yaitu kolom isian dan kolom tabung atau kapiler. Awalnya kolom isian lebih banyak digunakan, namun sekarang penggunaan kolom kapiler lebih disukai karena lebih efisien dan cepat.

Panjang kolom berkisar 2 50 m, terbuat dari stainless steel, gelas, silika lebur atau Teflon. Agar dapat masuk ke dalam oven termostat, kolom biasanya dibuat bentuk koil dengan diameter 20 30 cm. temperature kolom sangatlah penting, sehingga kolom diletakkan dalam sebuah oven dengan pengatur temperature (thermostat). Optimum temperature kolom tergantung titik didih sampel dan tingkat pemisahan yang diinginkan. Umumnya, temperature sama atau agak sedikit diatas temperature rata rata sampel yang terelusi selama 2 30 menit. Untuk sampel yang mempunyai perbedaan titik didih jauh, biasanya elusi dilakukan dengan pemrograman temperature, sehingga temperature oven akan naik bertahap.

3.2.4 Detektor

Detektor yang ideal mempunyai karakteristik seperti berikut : sensitive, stabil dan mempunyai kemampu-ulangan tinggi, respon linier terhadap solute, mempunyai rentang temperature sedikitnya 400oC dari temperatur ruang, waktu respon cepat, handal dan mudah digunakan, tidak merusak sampel.

Terdapat bermacam detektor, berikut beberapa detektor yang paling sering digunakan untuk KG :

Detektor Ionisasi Nyala

Sering disebut juga FID ( dari Flame Ionization Detector) yang merupakan detector yang paling banyak digunakan. FID mempunyai burner atau pembakar, dan efluen dari kolom dicampur dengan gas hydrogen dan udara, kemudian dinyalakan dengan listrik. Kebanyakan senyawa organic ketika dipanaskan pada nyala api H2/udara menghasilkan ion dan electron yang dapat menghantarkan listrik melalui nyala tersebut. Tegangan listrik beberapa ratsu volt kemudian diberikan melalui ujung burner dan sebuah pengumpul elektroda diletakkan diatas nyala. Hasilnya berupa arus listrik ((10-12 A) yang kemudian diberikan ke amplifier operasional untuk kemuidan diukur.

Gambar 3.2 Detektor FID

Jumlah ion yang dihasilkan pada pembakaran sebanding dengan jumlah carbon atom yang terbakar, sehingga FID merupakan alat pengukur massa, bukan konsentrasi. Ini menguntungkan karena perubahan laju alir fasa gerak tidak mempunyai pengaruh besar terhadap respon detector.

Gugus fungsi seperti karbonil, alcohol, halogen dan amina tak menghasilkan ion pada nyala dan juga tidak sensitive terhadap gas tak mampu bakar seperti H2O, CO2, SO2 dan NOx hal ini menyebabkan FID cocok untuk analisis sampel organik yang terkontaminasi oleh air, oksida nitrogen atau sulfur.Detektor konduktivitas panas

Detektor konduktivitas panas disebut juga KATEROMETER merupakan detector pertama untuk kromatografi gas. Alat ini bekerja berdasarkan konduktivitas panas dari aliran gas dikarenakan adanya analit. Alat sensor pada detector berupa elemen yang dipanaskan secara elektrik dengan daya konstan yang temperaturnya tergantung pada konduktivitas panas gas di dalam detector tersebut. Elemen pemanas dapat terbuat dari emas, platina atau kawat Tungsten atau termistor semikonduktor. Konduktivitas panas dari gas hydrogen atau pun Helium 6 10 X lebih besar dibandingkan konduktivitas panas senyawa organic, sehingga adanya zat organic yang sangat kecilpun akan menyebabkan penurunan cukup besar pada konduktivitas panas di kolom effluent. Keuntungan TCD adalah sederhana, rentang kerja dinamis yang lebar, respon terhadap sepsi organic dan anorganik dan bersifat tidak merusak sampel sehingga sampel dapat dikumpulkan setelah deteksi. Detektor Termionik

Detektor (TID) ini selektif untuk senyawa organik yang mengandung fosfor dan nitrogen. Respon terhadap atom fosfor 10x terhadap atom nitrogen dan hingga 106 terhadap atom carbon. Dibanding FID , TID 500 x lebih sensitive untuk senyawa mengandung fosfor.Detektor TID memiliki bentuk yang mirip FID, efluen dari kolom dicampur dengan hydrogen, melewati ujung nyala dan terbakar. Gas panas mengalir disekeliling manik rubidium silikat yang dipanaskan secara elektrik pada 180 V konstan. Manik panas membentuk plasma bertemperatur 600 800 C menghasilkan arus ion yang kemudian digunakan untuk menentukan unsur yang dikandung oleh sampel.

Detektor lain

Detektor lain yang sering digunakan adalah fotometrik nyala dan fotoionisasi. Keduanya digunakan untuk analisis polutan air dan udara, pestisida dan produk hidrogenasi batubara. Merupakan detector yang selektif untuk sulfur dan fosfor. Senyawa lain yang dapat dianalisis adalah halogen, nitrogen, logam seorti timah putih, krom, selenium dan germanium.Detektor lain yang bersifat lebih selektif adalah teknik spektroskopi dan elektrokimia yang biasanya digabungkan langsung dengan kromatografi dan disebut teknik hifenasi, contohnya adalah GC/MS atau GC/IR.

3.3 Pemisahan pada Kromatografi Gas

Pemisahan yang terjadi pada kromatografi gas terjadi di kolom yang terletak di dalam oven yang dijaga temperaturnya agar konstan selama proses pemisahan. Waktu tinggal suatu analit di dalam kolom disebut dengan waktu retensi, dan tergantung pada rasio pemisahan (partisi) yang berhubungan dengan sifat alami fasa diam. Untuk mendapatkan waktu retensi yang sesuai, suatu spesi harus menunjukkan kelarutan yang baik terhadap fasa diam. Disini berlakuk prinsip suka melarutkan suka dimana kata suka berarti polaritas dari solute dan dan cairan. Fasa diam polar mengandung gugus fungsi seperti CN, -CO dan OH. Fasa diam jenis hidrokarbon bersifat non-polar, seperti alkana. Sedangkan polyester bersifat sangat polar. Solut yang polar termasuk alkohol, asam karboksilat dan amina; solute yang medium polar adalah keton dan aldehida. Hidrokarbon jenuh bersifat non-polar. Polaritas dari fasa diam harus cocok dengan polaritas komponen sampel, dan apabila sudah sesuai maka tingkat elusi ditentukan oleh titik didih dari eluen.Faktor faktor yang mempengaruhi Pemisahan :

3.3.1 Rasio Pemisahan

Pemisahan kromatografi didasarkan atas perbedaan diaman solut dipisahkan antara fasa gerak dan fasa diam. Misal untuk solut A, kesetimbangan yang terjadi dijelaskan oleh persamaan berikut :

Afasa gerak Afasa diamKonstanta K pada kesetimbangan ini disebut RASIO PEMISAHAN, atau Koefisien Partisi dan didefinisikan,

Untuk CS adalah konsentrasi molar solut di fasa diam, dan CM adalah konsentrasi molar fasa gerak. K sebaiknya konstan.

3.3.2 Waktu RetensiWaktu retensi atau tR adalah waktu antara injeksi sampel hingga muncul puncak solut pada detektor. Satu istilah lagi adalah waktu mati (dead time) atau tM yaitu waktu yang dibutuhkan oleh spesi yang tak ditahan oleh fasa diam dan bergerak melewati kolom. Waktu mati memberikan ukuran laju rata rata migrasi fasa gerak dan penting dalam mengidentifikasi puncak analit.

Laju linier rata rata migrasi solute atau adalah

untuk L adalah panjang kolom.

Kecepatan linier rata rata atau u adalah

Hubungan antara dan u adalah = u X fraksi waktu solut berada di fasa gerak

Atau

S

= u X

Dan apabila n adalah mol maka n adalah CM x VM untuk fasa gerak dan CS x VS untuk fasa diam, maka,

= u X = u X

Dan bila dihubungkan dengan koefisien partisi sebelumnya,

= u X

3.3.3 Faktor KapasitasFaktor kapasitas digunakan untuk menjelaskan laju migrasi solut dalam kolom. Untuk solut A, factor kapasitas kA dituliskan sebagai,

kA =

penggabungan dengan laju migrasi menghasilkan,

= u X

Dan dihubungkan dengan waktu retensi dan waktu mati didapatkan,

Dan diatur kembali menjadi,

kA =

3.3.4 Faktor selektivitasFaktor selektivitas disingkat untuk solut A dan B menyatakan rasio partisi dari solut B yang lebih kuat ditahan oleh fasa diam dibandingkan solut A yang kurang ditahan. Faktor selektivitas untuk dua analit dalam kolom juga menyatakan bagaimana kolom memisahkan kedua analit tersebut.

Dan untuk factor kapasitas akan menjadi

Dan dihubungkan dengan waktu retensi dan waktu mati menjadi,

3.3.5 Kolom Efisiensi

Untuk menentukan efisiensi kolom kromatografi dikenal 2 terminologi, yaitu tinggi plat teoritis (H) dan jumlah plat teoritis (N) untuk kolom sepanjang L cm.

N = L/H

Efisiensi kolom meningkat dengan meningkatnya jumlah plat teoritis dan tinggi semakin kecil.

Hubungan antara lebar puncak kromatogram dan waktu retensi terhadap jumlah plat dan efisiensi kolom adalah,

Untuk kromatogram seperti gambar berikut,

Gambar 3.3 Hubungan waktu retensi dan lebar puncak kromatogram3.3.6 Resolusi Kolom

Resolusi kolom atau Rs menyatakan kemampuan kolom dalam memisahkan dua analit. Perhatikan gambar berikut,

Efek Faktor Kapasitas dan factor Selektivitas terhadap Resolusi

Dan terhadap jumlah plat teoritis menjadi,

Gambar 3.4 Hubungan Resolusi dengan Pemisahan analitPada gambar pertama, analit A dan B dengan resolusi 0,75 ternyata tidak tidak terpisah dengan baik, perubahan resolusi 1,0 memisahkan analit A dan B secara lebih baik, namun puncak kromatogram A dan B masih terlihat overlap. Perubahan resolusi menjadi 1,5 menghasilkan pemisahan yang optimal dengan hanya kira kira 0,3 % overlap. Resolusi untuk fasa diam dapat ditingkatkan dengan memperpanjang kolom, yang akan memperbanyak jumlah plat teoritis dalam kolom. Konsekuensinya, waktu retensi jadi bertambah lama, karena semakin panjang kolom, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk bergerak sepanjang kolom.

Kadangkala timbul permasalahan apabila lebih dari dua komponen analit yang akan dipisahkan, terutama apabila komponen komponen analit mempunyai rentang titik didih yang cukup jauh pula. Contoh kromatogram berikut adalah 9 komponen campuran yang terdiri dari 3 pasang komponen dengan koefisien distribusi berbeda dan karenanya 3 kapasitas faktor yang berbeda pula.

Gambar 3.5 Program temperatur untuk meningkat pemisahanPada kromatogram (a) kondisi diatur sedemikian rupa sehingga kapasitas faktor untuk komponen 1 hingga 3 (k1 hingga k3) berada pada rentang optimal. Faktor untuk komponen lain jauh lebih besar dari harga optimum, sehingga puncak 4 dan 5 muncul sangat lama dan juga sangat lebar, sedangkan puncak 6 sampai 9 belum muncul pada kromatogram yang sama hingga menit ke 30. Pada kromatogram (b) perubahan kondisi mengoptimalkan pemisahan komponen 5 dan 6, dan munculnya puncak kromatogram 7 dan 8, namun hingga menit ke 30 puncak 9 belum terpisahkan. Karena waktu retensi yang panjang, pemisahan komponen analit 1, 2, 3 dan 4 menjadi tidak baik, tumpangsuh satu sama lain. Permasalahan seperti ini dapat diatasi dengan menggunakan program temperatur. Laju pemanasan akan memanaskan komponen analit dalam kolom. Terlihat pada menit ke 10 terdapat 4 komponen analit yang telah dipisahkan hingga temperatur 80oC. Pada temperatur 120oC komponen analit 6 terpisah dimenit 18 sedangkan komponen analit 10 terpisah dengan baik pada menit ke 30 pada temperatur 180oC seperti terlihat pada kromatogram (c).3.4 Aplikasi Kromatografi Gas

Kromatografi gas digunakan luas untuk analisis kualitatif ada atau tidaknya suatu komponen analit di dalam suatu sampel campuran yang mengandung sejumlah spesi yang diketahui identifikasinya. Sebagai contoh, 30 atau lebih asam amino dalam hidrolisat protein dapat dideteksi dengan pasti. Dengan teknik hifenasi, penggabungan dengan spektrometer massa, UV atau IR, memungkinkan analisis untuk sampel yang tak diketahui komposisinya.

Penggunaan untuk analisis kuantitatif didasarkan atas perbandingan tinggi atau luas area dari puncak analit, keduanya bervariasi secara linier terhadap konsentrasi.

Analisis kuantitatif dilakukan dengan mempersiapkan seri larutan standar yang komposisinya mendekati komposisi sampel, misalnya etanol dengan konsentrasi 5 ppm hingga 40 ppm dengan rentang 5 ppm. Kromatogram standar kemudian didapatkan, tinggi atau luas area puncak digambarkan sebagai fungsi konsentrasi. Grafik haruslah berbentuk garis lurus melewati titik origin. Analisis kemudian didasarkan pada kurva kalibrasi larutan standar ini. Cara ini disebut dengan kalibrasi dengan larutan standar dan merupakan prosedur paling umum dalam analisis kuantitaif. Cara lain yang juga sering digunakan adalah kalibrasi menggunakan standar dalam, cara ini memberikan presisi tertinggi. Hal ini dikarenakan ketidakpastian yang timbul akibat injeksi sampel, laju alir dan variasi dalam kondisi kolom diminimalkan. Pada prosedur ini, sejumlah terukur standar dalam ditambahkan ke setiap larutan standar dan juga larutan sampel. Rasio luas area puncak analit (atau tinggi puncak) terhadap luas area (atau tinggi puncak) standar dalam merupakan parameter analitiknya.Contoh soal :

Analit A dan B mempunyai waktu retensi 16,40 menit dan 17,63 menit pada kolom sepanjang 30,0 cm. Zat yang tak ditahan melewati kolom dengan waktu mati 1,30 menit. Lebar puncak untuk A dan B adalah 1,11 menit dan 1,21 menit.

Hitunglah :

a. Resolusi kolom

b. Jumlah plat teoritis

c. Tinggi plat teoritis

d. Panjang kolom yang diperlukan untuk resolusi 1,5

e. Waktu yang dibutuhkan untuk mengelusi analit B pada kolom yang lebih panjang.Solusi :

a.

b. dan

c.

d. k dan tidak berubah banyak dengan bertambahnya N dan L, sehingga mengganti N1 dan N2 terhadap resolusi akan menghasilkan,

Tetapi,

L = NH = (6,9 x 103) x (8,7 x 10-3) = 60 cm

Sehingga,

Latihan soal :

Data berikut didapat dari kromaografi gas dengan panjang kolom 40,0 cm.SenyawaTR, menitW1/2, menit

Udara1,9-

Metilsikloheksana10,00,76

Metilsikloheksena10,90,82

Toluena13.41,06

Hitunglah :

a. jumlah plat rata rata

b. Tinggi plat teoritis

c. Resolusi antara metilsikloheksana dan metal sikloheksena

d. Resolusi antara metilsikloheksana dan Toluena

t0

tA

tB

detektor

sampel

Fasa gerak (eluen baru)

A + B

A

B

tR

W

Kolom isian

tM

PAGE 21

_1297016533.unknown

_1297018784.unknown

_1297019465.unknown

_1297019605.unknown

_1297019966.unknown

_1297020318.unknown

_1297020392.unknown

_1297019897.unknown

_1297019593.unknown

_1297019309.unknown

_1297019390.unknown

_1297018910.unknown

_1297017086.unknown

_1297017725.unknown

_1297018767.unknown

_1297018367.unknown

_1297017227.unknown

_1297016666.unknown

_1297017020.unknown

_1297016557.unknown

_1297016059.unknown

_1297016373.unknown

_1297016479.unknown

_1297016169.unknown

_1297015706.unknown

_1297015886.unknown

_1297015001.unknown

_1297015509.unknown

_1297014814.unknown

_1297014057.unknown

_1297014756.unknown