Inductively Coupled Plasma (ICP)

Inductively Coupled Plasma (ICP) adalah sebuah teknik analisis yang digunakan untuk deteksi dari trace metals dalam sampel lingkungan pada umumnya. Prinsip utama ICP dalam penentuan elemen adalah pengatomisasian elemen sehingga memancarkan cahaya panjang gelombang tertentu yang kemudian dapat diukur. Teknologi dengan metode ICP yang digunakan pertama kali pada awal tahun 1960 dengan tujuan meningkatkan perkembangan teknik analisis.

                              

Sejak itu ICP telah disempurnakan dan digunakan bersama-sama dengan prosedur preparasi sampel untuk beragam matriks untuk analisis kuantitatif. Berikut adalah penjelasan komponen, fungsi, cara kerja hingga menghasilkan data dari instrumentasi ICP dan aplikasinya dalam analisis sampel lingkungan.

Induktif Coupled Plasma (ICP) yang termasuk ke dalam Spektroskopi Atomik adalah sebuah teknik analisis yang digunakan untuk mendeteksi jejak logam dalam sampel dan untuk mendapatkan karakteristik unsur-unsur yang memancarkan gelombang tertentu.Inductively Coupled Plasma (ICP) merupakan instrumen yang digunakan untuk menganalisis kadar unsure unsur logam dari suatu sampel dengan menggunakan metode spektorfotometer emisi. Spektrofotometer emisi adalah metode analisis yang didasarkan pada pengukuran intensitas emisi pada panjang gelombang yang khas untuk setiap unsur. Bahan yang akan dianalisis untuk alat ICP ini harus berwujud larutan yang homogen. Ada sekitar 80 unsur yang dapat dianalisa dengan menggunakan alat ini.

1 Jenis-Jenis ICP

ICP terbagi dua, yaitu ICP-AES dan ICP-MS

1.     ICP-AES / ICP-OES

Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) adalah salah satu dari beberapa teknik analisa atomik spektroskopi. ICP-AES menggunakan plasma sebagai sumber atomisasi dan eksitasi dan kemudian pancaran yang di hasilkan unsur dengan mengukur intensitasnya . Plasma adalah suatu gas ionisasi yang terdiri dari ion, atom dan elektron.

ICP-AES telah banyak digunakan sejak tahun 1970-an untuk analisis multi-elemen secara simultan dan biologis sampel lingkungan setelah dilakukan pemisahan.Sensitivitas sangat baik dan jangkauan kerja yang luas untuk banyak jenis elemen yang digabungkan dengan rendahnya tingkat gangguan, membuat sebuah metode ICP-AES hampir sangat ideal.Laser sampling, dalam hubungannya dengan ICP adalah cara untuk menghindari prosedur pelarutan sampel padat sebelum penentuan elemen.

ICP-AES telah disetujui untuk penentuan logam.Metode ini telah disetujui untuk sejumlah besar logam dan limbah. Semua matriks, termasuk air tanah, sampel air, ekstrak EP, limbah industri, tanah, lumpur, sedimen, dan limbah padat lainnya, memerlukan proses sebelum analisis. Limit deteksi, sensitivitas, dan kisaran optimum logam akan bervariasi dengan matriks dan model spektrometer. Data yang disajikan dalam tabel berikut ini memberikan rentang konsentrasi untuk sampel air bersih.Penggunaan metode ini dibatasi untuk spektroskopi yang berpengetahuan di analisis spektral, kimia, dan gangguan fisik.

Elemen	Panjang Gelombang (nm)	Estimasi Deteksi Batas (mg/L)
Alumunium	308,215	45
Antimony	206,833	32
Arsen	193,696	53
Barium	455,403	2
Berilium	313,042	0,3
Boraks	249,773	5
Cadmium	226,502	4
Kalsium	317,716	10
Khrom	267,716	7
Kobalt	228,616	7
Tembaga	324,754	6
Besi	259,940	7
Lead	220,353	42
Magnesium	279,079	30
Mangan	257,610	2
Molobdenum	202,030	8
Nikel	231,604	15
Kalium	766,491	Tergantung kondisi plasma
Selenium	196,026	75
Silicon	288,158	58
Perak	328,068	7
Sodium	588,995	29
Thalium	190,864	40
Vanadium	292,402	8
Seng	213,856	2

Panjang gelombang yang terdaftar direkomendasikan karena kepekaan dan penerimaan keseluruhan. Panjang gelombang lain dapat diganti jika dapat memberikan sensitivitas yang diperlukan dan diperlakukan dengan teknik-teknik perbaikan yang sama untuk interferensi spektral.

Dalam waktu, unsur-unsur lain dapat ditambahkan sebagai informasi lebih lanjut tersedia dan diperlukan.Estimasi deteksi batas instrumental dapat ditampilkan sebagai panduan bagi batas instrumental.Batas-batas deteksi metode yang sebenarnya adalah tergantung sampel dan dapat berbeda-beda sebagai sampel matriks yang bervariasi.

Limit Deteksi Spektroskopi Atomik untuk unsur-unsur tertentu
Unsur	AAS Flame	AAS Elektrotermal	AES Flame	AES ICP
Al	30	0,005	5	2
As	100	0,02	0,0005	40
Ca	1	0,02	0,1	0,02
Cd	1	0,0002	800	2
Cr	3	0,02	4	0,3
Cu	2	0002	10	0,1
Fe	5	0,005	30	0,3
Hg	500	0,1	0,0004	1
Mg	0,1	0,00002	5	0,05
Mn	2	0,0002	5	0,06
Mo	30	0,005	100	0,2
Na	2	0,0002	0.1	0,2
Ni	5	0,02	20	0,4
Pb	10	0,002	100	2
Sn	20	0,1	300	30
V	20	0,1	10	0,2
Zn	2	0,00005	0,0005	2

2.    ICP-MS

Instrumen ICP-MS mengukur sebagian besar unsur-unsur dalam tabel periodik.Unsur-unsur yang ditampilkan dalam warna dapat dianalisis dengan ICP-MS dengan deteksi limit pada atau di bawah kisaran ppb. Elemen putih yang baik tidak diukur dengan ICP-MS (sisi kanan atas) atau tidak  memiliki isotop alami. Kebanyakan analisis dilakukan pada ICP-MS instrumentasi kuantitatif, namun juga dapat berfungsi sebagai instrument semi-kuantitatif yang sangat baik.  

Dengan menggunakan paket perangkat lunak semi-kuantitatif, suatu sampel dapat dianalisis untuk  80 elemen dalam tiga menit, data semi-kuantitatif yang tersedia biasanya dalam ± 30% dari nilai kuantitatif. Untuk alasan yang sering melibatkan kesehatan manusia, mengetahui komposisi isotop sampel dapat sangat penting.

2 Prinsip Kerja ICP

1.     ICP-AES / ICP-OES

Prinsip umum pada pengukuran ini adalah mengukur intensitas energi/radiasi yang dipancarkan oleh unsur unsur yang mengalami perubahan tingkat energi atom (eksitasi atau ionisasi) . Larutan sampel dihisap dan dialirkan melalui capilarry tube ke Nebulizer.Nebulizer merubah larutan sampel kebentuk aerosol yang kemudian diinjeksikan oleh ICP. Pada temperatur plasma, sampel-sampel akan teratomisasi dan tereksitasi. Atom yang tereksitasi akan kembali ke keadaan awal (ground state) sambil memancarkan sinar radiasi. Sinar radiasi ini didispersi oleh komponen optik. Sinar yang terdispersi, secara berurutan muncul pada masing-masing panjang gelombang unsur dan dirubah dalam bentuk sinyal listrik yang besarnya sebanding dengan sinar yang dipancarkan oleh besarnya konsentrasi unsur. Sinyal listrik ini kemudian diproses oleh sistem pengolah data.

2.    ICP MS

Pada dasarnya peralatan ICP-MS merupakan gabungan dari dua peralatan yang masing-masing sudah berkembang, yakni antara alat eksitasi ICP dan MS-quadropole sebagai detektor. Penggabungan kedua alat ini menggunakan suatu skimmer yakni suatu logam tipis yang mempunyai lubang ditengahnya dengan diameter sekitar 60 μm. Alat ini ditempatkan diantara plasma dan MS.

Prinsip kerja dari ICP–MS adalah sampel diintroduksikan ke dalam suatu pusat tabung plasma argon, yang mengkabut, secara cepat tersolvasi dan teruapkan. Selama transit melewati inti plasma proses disosiasi dan ionisasi terjadi. Ion-ion terekstrak dari tabung pusat plasma menuju suatu pompa vakum antarfase, kemudian ditransmisikan ke dalam spektrometer massa. Didalam spektrometer dan massa ion-ion terpisahkan berdasarkan massa mereka terhadap rasio muatan.

Di dalam instrumen, cairan dikonversikan menjadi aerosol melalui proses yang dikenal sebagai nebulisasi. Sampel aerosol ini kemudian ditransportasikan ke dalam plasma dan mengalami disolvasi, vaporisasi, atomisasi, dan eksitasi atau ionisasi oleh plasma. Atom dan ion yang tereksitasi memancarkan radiasi khas mereka yang akan dikumpulkan oleh alat yang memisahkan radiasi melalui panjang gelombangnya untuk analisis semi-kuantitatif. Radiasi ini dideteksi dan diubah menjadi sinyal elektronik yang dikonversi menjadi informasi konsentrasi untuk analisis kuantitatif.

Sampel secara normal diintroduksikan sebagai larutan ke dalam plasma, tetapi introduksi langsung berupa padatan dan gas juga dimungkinkan. Introduksi sample dalam bentuk gas ke dalam plasma memiliki banyak kelebihan, efisiensi transport mendekati 100% dibandingkan dengan produksi aerosol cairan dimana dalam nebulizer lebih dari 95% sampel dibuang, meningkatkan sinyal terhadap noise dan meningkatkan limit deteksi.

3 Instrumentasi ICP

1.     Plasma

Plasma, sebuah gas terionisasi, ketika obor dinyalakan medan magnet yang kuat.

2.    Medan magnet

Sebuah medan magnet adalah medan vektor yang dapat memberikan suatu gaya magnet pada muatan listrik bergerak dan pada dipol magnetik. Ketika ditempatkan dalam medan magnet, magnet dipol cenderung untuk menyelaraskan dengan medan magnet dari RF generator dihidupkan. Argon gas yang mengalir melalui dinyalakan dengan satuan Tesla (biasanya sebuah strip tembaga di luar tabung). Argon gas yang terionisasi dalam bidang ini dan mengalir dalam suatu pola simetris rotationally ke arah medan magnet kumparan RF. Yang stabil, suhu tinggi plasma sekitar 7000 K ini kemudian dihasilkan sebagai hasil dari tumbukan inelastis dibuat antara atom argon netral dan partikel bermuatan.

3.    Pompa peristaltik

Sebuah pompa peristaltik adalah jenis pompa perpindahan positif digunakan untuk memompa berbagai cairan.Fluida yang terkandung dalam tabung fleksibel yang dipasang di dalam casing pompa melingkar memberikan sebuah berair atau sampel organik menjadi nebulizer.

4.    Nebulizer

Nebulizer berfungsi untuk mengubah cairan sampel menjadi aerosol.

5.    Spray chamber

Spray chamberberfungsi untuk mentransportasikan aerosol ke plasma, padaspray chamber ini aerosol mengalami desolvasi atau volatisasi yaitu proses penghilangan pelarut sehingga didapatkan aerosol kering yang bentuknya telah seragam.

6.    RF generator

RF generator adalah alat yang menyediakan tegangan (700-1500 Watt) untuk menyalakan plasma dengan Argon sebagai sumber gas-nya. Tegangan ini ditransferkan ke plasma melalui load coil, yang mengelilingi puncak dari obor.

7.    Difraksi kisi

Dalam optik, kisi difraksi adalah komponen optik dengan pola yang teratur, yang terbagi menjadi beberapa sinar cahaya perjalanan di arah yang berbeda di mana ia dipisahkan menjadi komponen-komponen radiasi dalam spektrometer optik. Intensitas cahaya kemudian diukur dengan photomultiplier.

8.    Photomultiplier

Photomultiplier merupakan sebuah tabung vakum, dan lebih khusus lagi phototubes, dimana alat ini sangat sensitif terhadap detektor cahaya dalam bentuk sinar ultraviolet, cahaya tampak, daninframerah.

4            Kelebihan dan kekurangan

1.        ICP-MS

Yang paling penting dari keuntungan ICP-MS termasuk kemapuan pembacaan multi-element, sensitivitas tinggi, dan kemungkinan untuk memperoleh informasi mengenai isotopic elemen bisa ditentukan. Kekurangan pada ICP-MS site, isobaric adanya gangguan yang dihasilkan oleh polyatomic yang timbul dari plasma gas dan udara yaitu isotopes dari Argon, oksigen, nitrogen, dan hidrogen dapat menggabungkan diri atau bersama dengan unsur lainnya untuk menghasilkan isobaric gangguan. ICP-MS tidak berguna dalam deteksi dari nonmetals.

2.        ICP-AES

Keuntungan dari ICP dengan kemampuan mengidentifikasi dan mengukur semua elemen yang diukur secara bersamaan, ICP cocok untuk mengukur semua konsentrasi elemen dari ultratrace sampai ke tingkat komponen utama, batas deteksi pada umumnya rendah untuk sebagian besar elemen khas dengan rentang dari 1 – 100 mg / L. ICP menyelesaikan pembacaan  berbagai elemen yang dianalisis dapat dilakukan dalam jangka waktu yang singkat yaitu 30 detik dan hanya menggunakan ±5 ml sampel. Walaupun secara teori, semua unsur kecuali Argon dapat ditentukan menggunakan ICP,namun beberapa unsur tidak stabil memerlukan fasilitas khusus untuk menanganinya. Selain itu, ICP memiliki kesulitan menangani analisis senyawa halogen, sangat diperlukan optik khusus untuk transmisi panjang gelombang.

5            Aplikasi

1.       ICP-MS

Matriks sampel lingkungan, yang mungkin berisi konsentrasi rendah dan mengandung unsur campur, sehingga pada sejarahnya ada kesulitan dalam menentukan analit dalam sampel yang dianalisis. ICP-MS dikembangkan di tahun 1980-an dan telah digunakan dalam bidang lingkungan karena sensitivitas yang tinggi dan kemampuan multi unsur. ICP-MS menawarkan penetapan langsung dari beberapa elemen di tanah, seperti boraks, fosfor, dan molybdenum, pada tingkat tidak dapat diakses oleh metode lain

2.     ICP-AES

ICP dapat digunakan dalam analisis kuantitatif untuk jenis sampel bahan-bahan alam seperti batu, mineral, tanah, endapan udara, air, dan jaringan tanaman dan hewan, mineralogi, pertanian, kehutanan, peternakan, kimia ekologi, ilmu lingkungan dan industri makanan, termasuk pemurnian dan distribusi anlisa elemen air yang tidak mudah dikenali oleh AAS seperti Sulfur, boraks, fosfor, Titanium, dan Zirconium.