SPEKTROFOTOMETRI INFRARED

Berbagai jenis kimia, baik pada fase gas atau larutan cair, menyerap energi dari spektrum radiasi elektromagnetik tertentu. Daerah inframerah, yang mencakup panjang gelombang 3 sampai 30 um, sangat berguna dalam mempelajari gas. Hal ini karena kebanyakan gas menyerap inframerah "cahaya" dan melakukannya hanya pada panjang gelombang yang berbeda, sangat khas, sehingga menghasilkan apa yang disebut sidik jari molekuler (Lord, 1987). Energi yang diserap ditransformasikan menjadi panas dan meningkatkan suhu gas penyerap. Namun, cahaya inframerah hanya diserap oleh molekul yang terdiri dari atom yang berbeda, karena hanya molekul tersebut yang memiliki momen dipol listrik dimana gelombang elektromagnetik dapat berinteraksi. CO2, CO, N2O, H2O, dan agen anestesi volatil adalah contoh molekul tersebut. Molekul simetris (seperti O2, N2, dan H2) dan gas mulia (seperti He and Ne) tidak memiliki momen dipol listrik dan tidak menyerap radiasi infra merah. Secara umum, ketika cahaya karakteristik panjang gelombang gas tertentu jatuh pada sampel gas tersebut, hanya beberapa yang terserap. Sisanya dikirim melalui gas. Untuk cahaya dari panjang gelombang tertentu, kekuatan per satuan luas yang ditransmisikan, Pi, oleh sampel yang relatif terhadap sampel yang masuk, Po, diberikan oleh hukum Beer (kami menggunakan P sini untuk daya per satuan luas agar sesuai dengan Bagian 11.1)

dimana a adalah koefisien absorpsi, L adalah panjang jalur cahaya melalui gas, dan C adalah konsentrasi gas yang menyerap. Akibatnya, kita bisa mengukur konsentrasi komponen campuran gas dengan menentukan daya yang bisa diserap atau ditransmisikan oleh campuran. Instrumen berdasarkan masing-masing pendekatan ini telah dikembangkan untuk mengukur gas yang penting dalam respirasi terutama CO2, tetapi juga CO, uap air, dan agen anestesi.

Teknik konvensional yang akan kita lihat disini sebagai analisis transmisi mengukur kekuatan yang ditransmisikan pada panjang gelombang sesuai dengan zat yang dipelajari. Sebaliknya, prinsip photoacoustic telah digunakan untuk mengukur secara langsung daya yang diserap oleh sampel. Kedua jenis instrumen tersebut telah menggunakan sumber pita lebar (hitam-tubuh) untuk menyinari sampel. Bagaimana-tidak menghasilkan oleh untuk mengidentifikasi komponen sampel, seperti spektroskopi "dispersif" (Lord, 1987). Sebagai gantinya, mereka mengukur perilaku hanya pada rangkaian panjang gelombang yang ditentukan dengan baik yang dipilih untuk memaksimalkan respons terhadap substansi minat dan untuk meminimalkan gangguan pada zat lainnya. Instrumen semacam itu masuk dalam kategori analisa inframerah nondispersif (NDLR).

Kedua sistem transmisi dan sistem fotoakustik memiliki minimal lima komponen penting, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.14: (1) sumber radiasi yang dibutuhkan (2) alat, biasanya sebuah helikopter mekanis, yang secara berkala memvariasikan tenaga dan / atau panjang gelombang dari sumber radiasi, (3) sel sampel: (4) detektor, dan (5) pemrosesan sinyal dan peralatan display. Posisi relatif komponen bervariasi dari satu instrumen ke instrumen lainnya.

Analisis Transmisi Sistem NDIR yang digunakan untuk menganalisa campuran gas terhadap adanya jenis sederhana dari gas uji yang memiliki dua balok inframerah (IR) yang sesekali terputus-putus (10 sampai 90 kali per detik, tergantung intrumen tertentu). Pulsa daya infra merah menghasilkan perjalanan dua jalur sejajar, yang salah satunya termasuk sel uji. Sampel campuran gas yang akan dianalisis terus menerus ditarik melalui sel uji dari kateter sampling. Jalur kedua mencakup filter interferensi, yaitu filter film tipis yang mentransmisikan panjang gelombang yang dipilih atau, pada sistem yang lebih tua, sel referensi yang memiliki panjang gelombang (medium transparan) persis sama dengan sel uji namun mengandung campuran gas yang bebas dari gas uji. 

Gambar 9.14 Penataan umum komponen sistem spectroscopy inframerah.

Detektor mengukur perbedaan antara kekuatan yang ditransmisikan melalui jalur referensi dan melalui jalur uji untuk setiap pulsa sinar IR. Perbedaan kekuatan rms antara kedua jalur kira-kira sebanding dengan konsentrasi gas penyerap di dalam sel uji. Output dari rangkaian detektor didemodulasi dan diproses menghasilkan sinyal yang sebanding dengan konsentrasi (densitas molar) dari gas uji. Pada laju aliran melalui kateter sampling pada orde 0,5 sampai 1 liter/menit, waktu respons step skala penuh 90% sekitar 100 ms dapat dicapai. Namun, perangkat yang lebih baru cukup kecil untuk digunakan secara in-line dengan aliran gas saat bernapas (Coombes dan Halsall, 1988). Instrumen transmisi IR telah dikembangkan untuk mengukur gas dengan fraksi molar skala penuh berikut: 10% CO2, 0,3% CO, 100% N2O, 7,5% halotan, enfluran, isofluran, dan sevofluran, dan 20% desfluran.

Analisis Photoacoustic West et al (1983) mendefinisikan efek photoacoustic sebagai proses pembangkitan suara dalam gas yang dihasilkan dari penyerapan foton. Mereka menunjukkan bahwa Alexander Graham Bell, antara lain, menggambarkan fenomena ini pada tahun 1880. Bell mampu menghasilkan suara dengan berulang kali menyela seberkas sinar matahari yang terfokus pada tabung reaksi yang penuh dengan asap tembakau. Gelombang tekanan suara disebabkan oleh ekspansi gas akibat penyerapan radiasi infra merah kejadian dan oleh kontraksi gas diselingi ketika sumber cahaya diblokir. Pengamatan ini telah menjadi dasar analisis gas, karena energi radiasi yang diserap oleh gas kira-kira sebanding dengan konsentrasi gas tersebut. Konsekuensinya, semakin tinggi konsentrasi gasnya, semakin keras suara untuk masukan cahaya yang sama.

Gambar 9.14 menunjukkan skema umum untuk analisa gas photoacoustic. Lampu inframerah broadband dimodulasi oleh helikopter mekanik dan disaring untuk memungkinkan pulsa cahaya dari panjang gelombang yang dipilih difokuskan pada campuran gas di sel uji. Fluktuasi tekanan yang dihasilkan kambuh pada tingkat pengulangan helikopter mekanik, yang berada dalam rentang frekuensi audio. Mikrofon kapasitansi yang sangat sensitif dan stabil mendeteksi suara yang dihasilkan.

Alat analisa fotoakustik mengukur energi IR yang diserap oleh gas uji dengan merasakan gelombang tekanan suara yang dihasilkan. Energi IR yang diserap oleh gas sangat kecil dibandingkan dengan yang ditransmisikan. Analisis transmisi menghalangi energi yang diserap sebagai perbedaan kecil antara dua jumlah besar, karena energi yang ditransmisikan melalui sel referensi dan yang ditransmisikan melalui sel uji. Akibatnya, rasio signal-to-noise dari analisa transmisi secara inheren lebih rendah daripada analisa fotoakustik.

Analisis gas yang memanfaatkan penginderaan fotoakustik telah menemukan aplikasi dalam pemantauan anestesi. Instrumen telah dikembangkan yang secara fotoakali mengukur tiga gas secara bersamaan: CO2. 20, dan salah satu dari beberapa Th dilakukan dengan menggunakan agen anestesi oliile chopper wheel. dengan tiga baris konsentrik aperture setiap baris memiliki bukaan acing dan ukuran yang berbeda. Jadi, untuk kecepatan rotasi roda yang sama, tiga balok dibuat, masing-masing terganggu pada frekuensi masing-masing. Setiap balok disaring sehingga hanya berisi panjang gelombang yang akan diserap oleh gas tertentu yang diminati. Balok difokuskan ke dalam sel dan sekaligus merangsang konstituen khusus campuran. Tiga suara dihasilkan, masing-masing dengan nada karakteristik sesuai dengan satu frekuensi pemotong dan dengan amplitudo kira-kira sebanding dengan konsentrasi gas yang memproduksinya. Konsentrasi masing-masing komponen gas yang diminati dapat terus ditentukan dengan menyaring output mikrofon penginderaan untuk komponen Fourier pada frekuensi helikopter dan mendemodulasi sinyal termodulasi amplitudo yang dihasilkan.

Instrumen semacam itu mengklaim stabilitas yang luar biasa (kalibrasi pada interval 1 sampai 3 bulan), pemanasan 1 menit, akurasi tinggi (kurang dari 1% kesalahan skala penuh, dan waktu respons 10% sampai 90% 250 sampai 300 ms pada 90 ml menit laju alir sampel (Mollgaard, 1989).

sumber: Sumber: Webster, John G. 1977. Medical Instrumentation: Applications and Design. John Wiley & Sons, Inc