Bagian 2. Teori dan interpretasi gelombang Infrared
Pada saat gelombang elektromagnetik (g.e.m) mengenai suatu materi, baik itu bahan pangan atau pertanian, maka akan terjadi interaksi antara g.e.m dengan bahan tersebut. Bahan pangan dan pertanian tersusun dari molekul-molekul baik molekul unsur atau molekul senyawa, yang didalamnya terdapat ikatan atom-atom. Radiasi g.e.m akan memberikan berbagai efek pada molekul, seperti pada Gambar 1. Salah satu jenis g.e.m adalah gelombang infrared yang dapat dibagi menjadi 3 region, yaitu near infrared (NIR), mid infrared (MIR), dan far infrared (FIR). Gelombang yang sering dipakai untuk analisis pangan dan pertanian adalah NIR (panjang gelombang 600-2500 nm atau 10,000-4000 cm-1) dan MIR (2500-10,000 nm atau 4000-600 cm-1).
Gambar 1. Pengaruh radiasi gelombang elektromagnetik terhadap molekul
Radiasi infrared merupakan energi yang dapat menginduksi getaran molekul yang kuat dalam ikatan kovalen (diasumsikan sebagai pegas yang menyatukan dua massa atau atom). Ikatan kovalen ‘spesifik’ akan merespon dengan menyerap frekuensi tertentu, sedangkan frekuensi yang tidak sesuai akan dipantulkan (direfleksikan) atau diteruskan (ditransmisikan) seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Skema penyerapan dan penerusan frekuensi cahaya. Dari semua frekuensi yang diterima, obyek akan menyerap frekuensi gelombang tertentu dan meneruskan frekuensi gelombang yang lain. Detektor mendeteksi frekuensi yang diteruskan (ditransmisikan) yang pada akhirnya dapat diketahui frekuensi yang diserap.
Jika ada gelombang NIR atau MIR dengan frekuensi yang ‘sesuai’ dengan frekuensi yang ‘diinginkan” maka ikatan atom tersebut akan bergetar (bervibrasi) lebih cepat. Ikatan kovalen dapat bergetar dalam beberapa jenis getaran, termasuk stretching, rocking, dan scissoring. Respon ini akan dideteksi dan diterjemahkan dalam bentuk visual yang disebut spektrum. Spektrum adalah plot frekuensi yang ditransmisikan atau diserap (digambarkan dalam sumbu x dalam satuan cm-1 atau bilangan gelombang = wavenumber) vs intensitas transmisi atau penyerapan (digambarkan pada sumbu y dalam satuan persentase). Sebagai contoh spektrum dapat dilihat pada Gambar 3. Setelah spektrum diperoleh maka informasi tersebunyi dalam spektrum tersebut harus dapat diekstrak yang dilakukan melalui pengenalan pola tertentu, menghubungkan pola spektrum tersebut dengan parameter fisik, dan menginterpretasi pola-pola tersebut supaya berarti.
Gambar 3. Spektrum dalam mode absorption (menunjukkan banyaknya radiasi yang diserap) dan transmission (menunjukkan banyaknya radiasi yang diteruskan)
Intensitas pita IR dapat diklasifikasikan kuat, sedang, atau lemah, tergantung pada intensitas relatifnya dalam spektrum inframerah. Hanya ikatan kovalen polar yang menampilkan pita (bands) dalam spektrum IR yang intensitasnya tergantung pada besarnya dipol momen ikatan tersebut. Misalnya ikatan polar yang besar dari gugus karbonil (C = O) menghasilkan intensitas yang kuat, ikatan polaritas sedang dan ikatan asimetris menghasilkan intensitas medium, sedangkan ikatan polar lemah dan ikatan simetris menghasilkan intensitas lemah atau tidak terdeteksi. Gambar 3. Spektrum dalam mode absorption (menunjukkan banyaknya radiasi yang diserap) dan transmission (menunjukkan banyaknya radiasi yang diteruskan)
IR dapat digunakan untuk memberikan informasi tentang ada atau tidak adanya gugus fungsi tertentu serta memberikan informasi molekul yang unik (molecular fingerprint) yang dapat digunakan saat membandingkan sampel, yang mana jika dua sampel murni menampilkan spektrum IR yang sama maka dapat dikatakan bahwa mereka adalah senyawa yang sama. Gambar 4 menunjukkan wilayah spektrum tempat terjadinya penyerapan oleh ikatan atom tertentu. Sebagai contoh, intensitas besar pada 2200-2400 cm-1 menunjukkan kemungkinan adanya ikatan rangkap tiga C-N atau C-C.
Gambar 4. Wilayah spektrum pada region IR tempat terjadinya penyerapan oleh ikatan atom tertentu
Spktroskopi adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara gelombang elektromagnetik dengan bahan/materi. Sebagian besar produk hayati menunjukkan absorpsi yang unik sehingga dapat digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif. Sudah disebutkan bahwa cahaya dari gelombang inframerah (MIR dan NIR) akan menginduksi getaran pada gugus fungsional, sehingga MIR dan NIR dikategorikan vibrational spectroscopy, namun energi NIR lebih tinggi dibandingkan dengan MIR. Selain itu, jika pada wilayah MIR menunjukkan adanya fundamental vibration dari molekul, maka pada region NIR menunjukkan adanya overtone dan combination bands, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Pita penyerapan utama pada wilayah NIR.
Getaran di wilayah MIR diklasifikasikan sebagai fundamental yang artinya transisi dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi pertama; elektron jika dikenai energi akan mengalami eksitasi atau berpindah ke level energi yang lebih tinggi. Di lain sisi, getaran di daerah NIR dapat berupa pita kombinasi (combination bands) yang merupakan eksitasi dari dua getaran yang digabungkan atau nada tambahan (overtone). Overtones merupakan getaran dari keadaan dasar ke tingkat eksitasi di atas keadaan pertama. Combination dan overtone bands ini lebih rendah kemungkinan terjadinya dibandingkan fundamental vibration sehingga intensitas puncak dalam wilayah NIR lebih rendah daripada puncak di wilayah MIR. Gambar 6 menunjukkan perbedaan antara spektrum gelombang NIR dan MIR yang mana dapat dilihat pada MIR lebih banyak dan lebih tajam pita (bands) yang dapat dideteksi pada panjang gelombang tertentu.
Gambar 6. Contoh penyerapan gelombang oleh NIR dan MIR (insert)
NIR memiliki beberapa keunggulan dibandingkan IR karena lebih mudah dan tidak memerlukan persiapan sampel, serta dapat diaplikasikan pada berbagai jenis parameter kimia dan fisika dari produk pangan dan pertanian. (Rudiati Evi Masithoh)
Referensi: Alyson Lanciki (https://metrohm.blog/2020/02/24/nir-spectroscopy-benefits-part-2/) dan UT Dallas Lecture notes (https://personal.utdallas.edu/~scortes/ochem/OChem_Lab1/recit_notes/ir_presentation.pdf)
[simple-author-box]
