Senyawa organik mudah menguap (VOC, Volatile Organic Compound) dapat didefinisikan sebagai senyawa organik yang tekanan uapnya lebih besar atau setara dengan 0,1 mmHg pada 20ºC. Untuk tujuan pengaturan, VOC didefinisikan oleh U.S Enviromental Protection Agency (EPA) sebagai “ Semua senyawa karbon, kecuali karbon monoksida, karbon dioksida, asam karbonat, senyawa logam karbida atau karbonat, dan ammonium karbonat, yang turut serta dalam reaksi fotokimia atmosfer. Beberapa VOC merupakan polutan lingkungan yang tidak hanya bersifat toksik, tetapi juga merupakan prekursor-prekursor ozon yang penting dalam pembentukan asap/kabut.(1)
Bahan menguap pengotor biasanya merupakan sisa pelarut atau residu kimia dalam jumlah sedikit dalam bahan atau produk obat yang ada saat produksi atau pabrikasi atau terbentuk selama pengemasan dan penyimpanan. Pabrik obat harus menjamin residu-residu ini telah dihilangkan atau ada hanya dalam jumlah konsentrasi terbatas. (2)
Bagian penting dalam analisis VOC adalah pada sebagian besar kasus, analit pertama-tama diubah menjadi bentuk fase uap gas dan selanjutnya dianalisis dengan menggunakan instrument. Kromatografi gas (GC, Gas Chromatography) merupakan metode instrument pilihan untuk pemisahan dan analisis untuk senyawa menguap.
Beberapa tantangan yang muncul saat analisis adalah jika analit yang diinginkan terlarut atau terjerap dalam matriks yang kompleks seperti tanah, makanan, kosmetik, polimer atau bahan baku farmasi. Tantangan untuk mengekstraksi analit dari matriks ini secara reprodusibel dan dapat diuji secara akurat untuk menentukan bobot atau konsentrasinya. Beberapa pendekatan terhadap metode ini yaitu Static Headspace Extraction (SHE), Dynamic Headspace Extraction (purge and trap), Solid-Phase Microextraction (SPME), ekstraksi membran, dan ekstraksi cair, mungkin pula dikombinasikan dengan GC injeksi dalam volume besar untuk mengubah sensitivitas. Pemilihan tehnik didasarkan pada jenis matriks sampel, informasi yang diinginkan ( kualitatif atau kuantitatif ), sensitivitas yang diingikan, kebutuhan untuk automasi dan biaya.
Pada bagian selanjutnya akan dijelaskan beberapa metode untuk analisis VOC dalam matriks padat, meliputi penyiapan sampel ( preparasi) dan analisis sampel.

Berikut ini adalah beberapa teknik ekstraksi senyawa menguap dari matriks padat :

1. Static Headspace Extraction (1,2,3,4,5,6)
Static Headspace Extraction yang juga dikenal sebagai Equilibrium Headspace Extraction, One–Step Gas Extraction atau yang sederhana disebut sebagai Headspace. Adalah salah satu teknik yang biasa digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif senyawa organik menguap (VOC) dari berbagai matriks. Metode ekstraksi terdiri dari sampel baik padat maupun cair dan ditempatkan dalam vial headspace autosampler (HSAS) sejumlah 10 atau 20 mL dan analit yang menguap berdifusi keruang bagian atas vial seperti yang ditunjukkan gambar 4.1. dan gambar 4.2 menunjukkan diagram skematik pengaturan instrument Headspace Gas Chromatography (HSGC).
Analisis Static Headspace adalah salah satu analisis ideal untuk senyawa menguap, seperti pada sisa-sisa pelarut atau bahan tambahan dengan bobot molekul rendah. Sensitivitas dari static headspace dalam jangkauan ppb hingga persen dan bergantung pada volatilitas dari senyawa yang diperiksa.

Teori Dasar Analisis dengan Headspace :
Dua variable utama yang berpengaruh pada analisis dengan Headspace adalah koefisien partisi (K) dan perbandingan fase (β). Koefisien partisi (K) adalah parameter dasar yang menunjukkan distribusi massa diantara dua fase. Perbandingan fase (β) menunjukkan volume relative dari dua fase didalam wadah.

Persamaan 1 :
K = Cs/Cg
Persamaan 2 :
β = Vg/Vs
Dimana :
Cs adalah Konsentrasi analit dalam fase sampel
Cg adalah Konsentrasi analit dalam fase gas
Vg adalah Volume dari fase sampel
Vs adalah Volume dari fase gas

• Koefisien Partisi ( K )
Sampel harus dipersiapkan sehingga dapat memnerikan konsentrasi maksimal dari senyawa menguap dalam headspace dan meminimalkan kontaminasi yang tidak diharapkan dari senyawa-senyawa dalam matriks sampel. Untuk membantu menentukan konsentrasi analit dalam headspace, maka harus diperhitungkan koefisien partisi (K), dimana didefinisikan sebagai distribusi kesetimbangan dari analit diantara fase sampel dan fase gas.
Senyawa yang memiliki nilai K rendah cenderung untuk lebih cepat terpartisi ke fase gas, memiliki respon yang tinggi dan jumlah yang cukup rendah/sedikit untuk dideteksi. Sebagai contoh, Heksan dalam larutan air suhu 40ºC. Heksan yang memiliki nilai K 0,14 dalam system air-udara. Senyawa yang memiliki nilai K tinggi cenderung untuk lebih lambat terpartisi ke fase gas, dengan respon yang lebih rendah dan jumlah yang tinggi untuk dideteksi. Sebagai contoh, Etanol dalam larutan air 40ºC. Etanol yang memiliki nilai K 1355 dalam system air-udara.
Nilai K dapat lebih rendah dengan mengubah suhu dimana vial sampel disetimbangkan, atau dengan mengubah komposisi dari matriks sampel. Misalnya dalam kasus etanol. Nilai K dari etanol dapat lebih rendah dari 1355 menjadi 328 dengan meningkatkan suhu pada vial dari 40ºC menjadi 80ºC. Dan dapat pula dibuat rendah dengan menambahkan garam-garam anorganik kedalam larutan matriks sampel. Konsentrasi garam yang tinggi dalam larutan sampel akan menurunkan kelarutan dari senyawa organic polar dalam matriks sampel dan menyediakannya untuk dipindahkan ke headspace, menghasilkan nilai K yang lebih rendah. Bagaimanapun, penggunaan efek salting-out untuk mempengaruhi nilai K tidaklah sama untuk semua senyawa. Senyawa dengan nilai K yang relative rendah berdasarkan percobaan menunjukkan sedikit perubahan pada nilai dari koefisien partisi setelah penambahan garam kedalam larutan matriks sampel. Secara umum, senyawa menguap yang bersifat polar dalam matriks polar (sampel larutan berair) akan memberikan perubahan yang lebih besar pada nilai K dan memiliki respon yang lebih tinggi setelah penambahan garam kedalam matriks sampel. Berikut adalah daftar beberapa garam-garam yang biasa dipergunakan dalam prosedur salting-out :
1. Amonium Klorida
2. Amonium Sulfat
3. Natrium Klorida
4. Natrium Sitrat
5. Natrium Sulfat
6. Kalsium Karbonat

• Perbandingan Fase ( β )
Perbandingan fase (β) didefinisikan sebagai volume relatif dari headspace dibandingkan dengan volume dari sampel dalam vial sampel. Nilai β yang rendah ( misalnya ukuran sampel yang lebih besar ) akan menunjukkan respon yang lebih besar untuk senyawa menguap. Bagaimanapun, penurunan dari nilai β tidak selalu meningkat dalam respon yang dibutuhkan untuk meningkatkan sensitifitas. Jika nilai β menurun dengan peningkatan ukuran sampel, senyawa dengan nilai K tinggi akan kurang terpatisi kedalam headspace dibandingkan dangan senyawa yang memiliki nilai K rendah, dan yield berhubungan dengan perubahan yang lebih kecil pada Cg. Sampel yang mengandung senyawa dengan nilai K tinggi harus dioptimasikan untuk memperoleh nilai K yang lebih rendah sebelum perubahan-perubahan dilakukan pada perbandingan fase.

• Kombinasi antara Koefisien Partisi ( K) dan Perbandingan Fase (β)
Koefisien partisis dan perbandingan fase berkontribusi bersama dalam penetapan konsentrasi senyawa menguap dalam headspace dari vial sampel. Konsentrasi dari senyawa organic dalam fase gas dapat dinyatakan sebagai :
Cg = Co/(K+β)
Dimana, Cg adalah konsentrasi dari analit menguap dalam fase gas dan Co adalah konsentrasi awal dari analit menguap dalam sampel. Nilai yang lebih rendah dari K dan β akan menghasilkan konsentrasi analit menguap yang lebih tinggi dalam fase gas, dan juga sensitifitas yang lebih baik.

Penyiapan Sampel :
Tipe sampel padat untuk analisis dengan headspace biasanya adalah polimer (resin, pellet dan granul), bahan-bahan pengkemas (lapisan plastik atau aluminium), bahan farmasi (obat-obatan dan bahan tambahan) dan tanah. Sampel-sampel ini dapat dianalisis sebagai bahan padat (solid approach) atau sebagai larutan (solution approach). Sampel padat dapat langsung dianalisis atau dengan terlebih dahulu dilarutkan, ditempatkan langsung ke dalam vial Headspace dan langsung dianalisis.
Untuk sampel padat yang berukuran besar, ada dua pendekatan yang umum dilakukan yaitu:

• Penghancuran atau penggilingan sampel ( grinding )
Pendekatan pertama untuk meningkatkan area permukaan yang tersedia dari analit menguap untuk terpartisi ke ruang permukaan. Bagaimanapun, analit tetap akan terpartisi antara padatan dan ruang permukaan.
• Pelarutan atau pendispersian padatan kedalam cairan.
Pendekatan kedua menyediakan bentuk matriks sampel cairan atau larutan yang lebih mudah dikerjakan dibandingkan bentuk padat dimana proses kesetimbangan analit terpartisi menuju ruang permukaan biasanya lebih mudah dicapai.
Pelarut yang digunakan yaitu air atau pelarut organic bebas air.
• JIka untuk berbagai alasan penggunaan larutan tidak memungkinkan untuk digunakan, maka hanya 1 pilihan yaitu dengan peggilingan (grinding).Untuk menghindari penggunaan pemanasan yang berlebihan dan menghindari kehilangan analit menguap, maka freeze-grinding merupakan pilihan. Sampel terlebih dahulu didinginkan dengan karbon dioksida padat atau dengan nitrogen cair.

Setelah kesetimbangan dicapai, alikuot yang berupa fase gas (headspace, diruang atas vial) dihubungkan kedalam gas pembawa menuju kolom yang kemudian dianalisis dengan instrument kromatografi gas tersebut. Penginjeksian sampel dapat dilakukan secara manual maupun dengan autosampler. images_analis 5

Teknik Kuantitatif pada Statik Headspace Extraction :
4 pendekatan yang umum dilakukan dalam kalibrasi HSGC kuantitatif yaitu :
• Kalibrasi Standar Eksternal
Penggunaan eksternal standar pada berbagai variasi konsentrasi dan dianalisis. Lalu dibuat kurva kalibrasi dengan memplot area puncak GC terhadap konsentrasi standar.
• Kalibrasi Standar Internal
Kalibrasi internal standar dapat digunakan sebagai pengganti untuk variasi dalam recovery analit dan area puncak absolut berkaitan dengan efek matriks dan variasi injeksi pada GC. Sejumlah analit yang diketahui jumlahnya ditambahkan pada masing-masing sampel dan standar.
Internal standar yang digunakan harus senyawa dalam bentuk murni dan tidak mengganggu ekstraksi atau kromatografi dari analit.
• Penambahan Standar
Kalibrasi dengan penambahan standar, sejumlah analit yang jumlahnya diketahui ditambahkan kedalam sampel. Kurva kalibrasi dipersiapkan dengan penambahan satu atau lebih alikuot standar.
• Multiple Headspace Extraction (MHE)
MHE digunakan untuk menemukan total area puncak dari analit dalam ektraksi exhaustive headspace, dengan memungkinkan seorang analis untuk menentukan jumlah total analit yang terdapat didalam sampel. Keuntungan dari MHE adalah efek dari matriks sampel dapat dieliminasi.

2. Dynamic Headspace Extraction atau Purge And Trap (1,3,4,5,6)
Untuk analisis sejumlah kecil analit (konsentrasi dalam jumlah ppb dan ppt untuk senyawa menguap) atau dimana jika dibutuhkan ekstraksi ekshautif dari analit maka purge and trap atau dynamic headspace extraction ( disebut juga Continuous Gas Extraction ) lebih di sarankan dibandingkan ektaksi static headspace.
Dynamic Headspace (DHS) adalah salah satu bentuk analisis Headspace dengan menggunakan metode “ Purge and Trap” untuk mengumpulkan dan hasil konsentrasi gas untuk dianalisis dengan menggunakan GC/MS. Seperti pada sampling static headspace sampel melepaskan analit yang menguap dari matriks. Metode ini digudan nakan untuk sampel padat dan cair, termasuk sampel dari lingkungan ( air dan tanah). Sensitifitas dari metode DHS ini adalah nanogram per gram.
Pada DHS, sampel di bersihkan (purge) dengan menggunakan suatu gas inert ( biasa digunakan gas nitrogen murni), sambil dipanaskan pada vessel Teflon, gas inert ini akan melewati (larutan) sampel dan larutan sampel ini diekstraksi oleh gelembung gas tesebut. Aliran gas akan menuju kesuatu penjebak (trap) yang mengandung adsorben yang akan menahan analit yang dibawa oleh gas inert pembersih (purge gas). Jika proses ekstraksi telah selesai, maka analit yang dikumpulkan segera dianalisis dengan terlebih dahulu melepaskan analit dari penjebak ( biasanya dengan pemanasan dan backflushing) dengan unit desorpsi termal yang terhubung menuju instrument GC.

3. Solid-Phase Microextraction ( SPME ). (1,6,7,8,9 )
Solid-phase microextraction merupakan metode terbaru. SPME adalah metode ekstraksi tanpa pelarut yang dibuat dalam lapisan serat silica dengan lapisan tipis sebagai sorbent, untuk ekstraksi analit menguap dari matriks sampel. Dengan SPME dapat digunakan untuk analisis sampel dengan jumlah ppm dan ppb, beberapa dengan aplikasi dapat digunakan untuk sampel hingga ppt.
Serat ini ditempatkan dengan spoit yang melindungi serat dan mempermudah penetrasi sampel dan sekat vial GC. Banyak publikasi yang menggunakan SPME digunakan dengan peralatan manual ataupun dengan auto sampler. Ada 2 pendekatan dalam pengerjaan SPME untuk senyawa menguap yaitu metode langsung dan headspace. Dalam sampling langsung, serat ditempatkan langsung dalam matriks sampel, dan dalam sampling headspace, serat diletakkan pada bagian ruang permukaan matriks.

images_SPE2

Tahap-tahap / Prosedur SPME meliputi :
• Ekstraksi
Langkah awal ekstraksi dengan memaparkan lapisan serat SPME ke dalam vial yang berisi sampel cair maupun gas. Jumlah solute (i) pada lapisan SPME pada kesetimbangan (Mi SPME) dapat diperkirakan mengikuti persamaan :
Mi,SPME = Ki,SPME V SPME Ci

Dimana Ki SPME adalah konstanta distribusi agregat solute antara lapisan absorptive SPME dan sampel, VSPME adalah volume lapisan SPME, dan Ci adalah konsentrasi solute dalam sampel sebelum sampling SPME.
• Transfer
Langkah selanjutnya setelah sampling SPME yaitu transfer ke lapisan SPME dan absorbsi analit dari sampel dan dalam kondisi desorpsi kedalam fase mobile kromatografi.
• Desorpsi
Langkah ketiga adalah proses desorbsi. Yaitu dengan pemanasan tube SPME pada inlet GC. Dan untuk SPME dengan lapisan fiber eksternal, proses desorbsi dapat dilakukan dengan mudah yaitu memasukkan fiber SPME kedalam system inlet standar GC dan dianalisis.

REFERENSI :

1. Somenath Mitra (Ed.). 2003. Sample Preparation Techniques in Analitycal Chemistry. John Wiley & Sons Inc. New Jersey.

2. http://www.restek.com . Residual Solvent Analysis. Available as PDF file.

3. Bruno Kolb & Leslie E. Ettre. 1997. Static Headspace Gas Chromatography Theory and Practice. Wiley-VCH Inc. German Federal Republic.

4. http://www.innovatechlabs.com/analytical-services-gcms-headspace-analysis.htm . Headspace Analysis from Innovatech Labs. Diakses 17 Desember 2012.

5. http://www.restekcorp.com . A Technical Guide for Static Headspace Analysis Using GC. Available as PDF file.

6. Nicholas H. Snow & Gregory C. 2002. Slack. Head-Space Analysis in Modern Gas Chromatography. J.Trends in analytical chemistry, vol. 21(2002).

7. Janusz Pawliszyn. 2000. Theory of Solid-Phase Microextraction. J. of Chromatographic Science, Vol. 38, July 2000.

8. Gyorgy Vas & Karoly Vekey. 2003. Solid-phase Microextraction : a Powerful Sample Preparation Tool Prior to Mass Spectrometric Analysis. J.Mass Spectrom, Vol 39 (2004).

9. John V. Hinshaw. 2003. Solid-Phase Microextraction. Available as PDF file.

About rgmaisyah

Hidup sangat indah bila kita mau berbagi kebahagiaan kepada sesama...

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s