Bagaimana Spektrometer massa bekerja?

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Prinsip dasar

Apabila ada sebuah benda sedang bergerak lurus dan diberikan gaya luar ke arah samping maka benda itu tidak akan bergerak lurus, melainkan ia akan bergerak membelok ke arah samping karena adanya gaya luar tersebut.

Misalkan anda sedang menghadapi sebuah bola meriam yang sedang melewati anda dan anda mau membelokkannya pada saat tepat lewat di depan anda. Dan alat yang anda punya hanyalah sebuah selang penyemprot air yang dihubungkan dengan sebuah pompa jet. Sejujurnya, apa yang anda lakukan .itu tidak akan berpengaruh banyak. Karena bola meriam itu sangat berat dan ia tidak akan membelok dari jalur lurusnya.

Tapi coba kita pikir lagi, anda mencoba membelokan sebuah bola tenis yang sedang bergerak dengan kecepatan yang sama dengan bola meriam tersebut dengan menggunakan selang penyemprot air yang sama. Karena bola tenis ini sangat ringan, maka ia akan membelok dengan amat sangat.

Berapa besar penyimpangan yang akan terjadi karena gaya luar itu, tergantung pada massa benda tersebut (dalam hal ini bola). Apabila kecepatan bola dan besarnya gaya luar itu diketahuiAanda bisa menghitung massa bola tersebut jika sudah diketahui bagaimana pola pembelokan yang terjadi pada bola tersebut. Semakin kecil pembelokan yang terjadi, berarti semakin berat massa bola tersebut.(Perhitungan yang sebenarnya tidaklah terlalu sulit) Prinsip diatas tersebut dapat juga diterapkan pada benda atau partikel seukuran atom.

 Garis besar tentang apa yang terjadi dalam alat spektrometer massa

Atom dapat dibelokkan dalam sebuah medan magnet (dengan anggapan atom tersebut diubah menjadi ion terlebih dahulu). Karena partikel-partikel bermuatan listrik dibelokkan dalam medan magnet dan partikel-partikel yang tidak bermuatan (netral) tidak dibelokkan.

Urutannya adalah sebagai berikut:

Tahap pertama : Ionisasi

Atom di-ionisasi dengan emengambilf satu atau lebih elektron dari atom tersebut supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanya membentuk ion-ion negatif (sebagai contoh, klor) atau unsur-unsur yang tidak pernah membentuk ion (sebagai contoh, argon). spektrometer massa ini selalu bekerja hanya dengan ion positif.

Tahap kedua : Percepatan

Ion-ion tersebut dipercepat supaya semuanya mempunyai energi kinetik yang sama.

Tahap ketiga : Pembelokan

Ion-ion tersebut dibelokkan dengan menggunakan medan magnet, pembelokan yang terjadi tergantung pada massa ion tersebut. Semakin ringan massanya, akan semakin dibelokan. Besarnya pembelokannya juga tergantung pada besar muatan positif ion tersebut. Dengan kata lain, semakin banyak elektron yang ediambilf pada tahap 1, semakin besar muatan ion tersebut, pembelokan yang terjadi akan semakin besar.

Tahap keempat : Pendeteksian

Sinar-sinar ion yang melintas dalam mesin tersebut dideteksi dengan secara elektrik.

Diagram lengkap dari spektrometer massa:

 Penjelasan tentang apa yang terjadi

Keadaan hampa udara

Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul2 udara.

Ionisasi

Sampel yang berbentuk gas (vaporised sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik emelepaskanf elektron-elektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap elektron (electron trap) yang mempunyai muatan positif.

Partikel-partikel dalam sample tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energi cukup untuk melepaskan satu atau lebih elektron dari sample tersebut sehingga sample tersebut menjadi ion positif.

Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sample yang sudah menjadi ion positif.

Ion-ion positif yang terbentuk ini ediajak keluarf dan masuk ke bagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yang bermuatan positif (Ion repellel).

Tambahan: Seperti yang anda akan lihat sebentar lagi, seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000 V). Ketika kita berbicara tentang kedua lempengan bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000 V.

Percepatan

Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0 V. Celah yang berada di tengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.

Pembelokkan

Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:

* Massa ion tersebut.
Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat.

* Muatan ion.

Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1.

Dua faktor diatas digabungkan ke dalam Perbandingan Massa/Muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (atau m/e)

Sebagai contoh: Apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama yaitu 28.

Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokkan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokkan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar.

Akan jauh lebih mudah untuk membahas masalah ini jika kita menganggap bahwa muatan semua ion adalah +1. Hampir semua ion-ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehingga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.

Tambahan: Anda juga harus mengerti bahwa kemungkinan adanya ion bermuatan +2(atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spektrum massa dimana ion-ion nya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1

Jadi dengam menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. Ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.

Pendeteksian

Pada gambar diatas, hanya sinar B yang bisa terus melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan dinetralisasi. Pada akhirnya, ion-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spektrometer massa oleh pompa vakum.

Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh elektron yang pindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara elektron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan elektron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut.

Aliran elektron di dalam kabel itu dideteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besat arus listrik yang timbul.

Mendeteksi ion-ion lainnya.

Bagaimana ion-ion lainnya dapat dideteksi – padahal sinar A dan sinar B sudah tidak ada lagi dalam mesin?

Ingat bahwa sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil(ion yang paling ringan bila bermuatan +1) Untuk membuat sinar ini sampai ke detektor ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil).

Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar(ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detektor ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan magnet yang lebih besar.

Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detektor ion, dimana disana ion-ion tersebut akan menimbulkan arus listrik dimana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang datang. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untuk membawa sinar tersebut ke detektor ion. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik (yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara langsung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala ¹²C.

Tambahan: Skala ¹²C adalah skala dimana isotop ¹²C mempunyai berat tepat 12 unit.

 Bagaimana bentuk output dari spektrometer massa

Hasil dari pencatat diagram disederhanakan menjadi ediagram garisf. Ini menunjukkan arus listrik yang timbul oleh beragam ion yang mempunyai perbandingan m/z masing2.

Diagram garis Molybdenum (Mo) adalah sebagai berikut:

Garis tegak lurus itu menunjukkan besarnya arus listrik yang diterima oleh alat pencatat arus yang berarti banyaknya ion datang ke detektor. Seperti yang anda bisa lihat dari diagram diatas, ion yang paling banyak adalah ion yang mempunyai perbandingan m/z 98. Ion-ion lainnya mempunyai perbandingan m/z 92,94,95,96,97 dan 100.

Ini berarti molybdenum mempunyai 7 macam isotop. Dengan menganggap bahwa semua ion tersebut bermuatan +1 maka berarti massa dari ketujuh isotop tersebut adalah 92,94,95,96,97 ,98 dan 100.

Tambahan: Bila ada ion bermuatan +2 , maka anda akan tahu karena semua garis yang ada pada diagram diatas akan mempunyai garis lain dengan besar 1/2 dari nilai m/z (karena, sebagai contoh, 98/2=49). Garis-garis itu akan jauh lebih sedikit daripada garis ion +1 karena kemungkinan terbentuknya ion +2 adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan kemungkinan terbentuknya ion +1.

source: chem-is-try.org