Kromatografi Ion : Cara Praktis Deteksi Anion dan Kation

Teknik deteksi ion yang satu ini merupakan salah satu 'turunan' dari kromatografi, khususnya kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC = high performance liquid chromatography). Dimana, teknik ini dapat menentukan konsentrasi spesies ion-ion (anion dan/atau kation) dengan memisahkannya berdasarkan pada interaksinya dengan yang bernama: Resin. Spesies ion-ion ini kemudian dapat dipisahkan (separated) dalam kolom pemisah berdasarkan pada jenis dan ukurannya.

Campuran anion dan kation dalam suatu sampel dapat dideteksi dan jumlah ion-ion tersebut dapat diukur dalam waktu yang relatif singkat (relatively short time). Dalam konsentrasi suatu ion dalam sampel yang sangat tinggi pun, tetap bisa diukur dengan teknik ini, hanya saja dibutuhkan pengenceran sampel sebelum di-inject-kan ke dalam instrument kromatografik ion (ion chromatographic instrumental). "Dilute and shoot" adalah salah satu motto yang selalu dipegang pada banyak kromatografer dalam memperlakukan sebuah sampel.

Walau bagaimanapun, kromatografi ion tetap menjadi pilihan pada banyak orang dalam mendeteksi ion yang ada dalam sampel cair, karena teknik ini mempunyai kemampuan deteksi sampai pada level ppt (parts per trillion) dan juga karena relatif simpel serta tidak rumit dalam pengoperasioannya. Pada umumnya, aplikasi teknik ini lebih fokus pada deteksi ion-ion anorganik serta ion-ion organik yang berat molekulnya relatif kecil, dan adapun kation maupun anion organik dengan berat molekul yang besar tetap bisa dideteksi dengan baik.

Kromatografi ion modern sekarang ini awalnya dirintis dan dikembangkan terus menerus dari kromatografi pemisah ion yang klasik (classical ion-exchange chromatography) pada beberapa tahun sebelumnya. Kaitan antara "older" dan "modern" kromatografi ion, terletak pada efesiensi cara kerja yang dimilikinya. Metode kromatografi ion sebelumnya lebih ｡ｦdiidentikkan｡ｦ dengan kromatografi cair (LC = liquid chromatography) dan yang modern ｡ｦdiidentikkan｡ｦ pada HPLC. Yang modern ini telah mengalami berbagai perubahan yang drastis yang salah satunya ditandai dengan pemakaian detektor otomatis dalam efesiensi pemisahannya. Hal ini menyebabkan sedikit lebih "unggul" dari teknik kromatografi ion sebelumnya.

Sebenarnya kata "high performance" pada HPLC, bukanlah termasuk kata dari nama teknik ini, melainkan karena sedikit berbeda dan telah mengalami pemodifikasian dari sebelumnya. Namun bisa saja pada beberapa tahun ke depan, akan muncul teknik deteksi yang lebih modern lagi dengan menampilkan bentuk atau model kromatografi ion yang lain dan menamakan metodenya sebagai HPIC atau high performance chromatography ion.

Prinsip pemisahan ion

Kolom resin pemisah ion telah digunakan pada beberapa tahun sebelumnya untuk memisahkan sejumlah anion dan kation satu sama lainnya. Anorganik kation dipisahkan pada kolom resin pemisah kation, sementara anorganik anion dipisahkan pada kolom resin pemisah anion. Pada Gambar 1, memperlihatkan tipe resin yang paling sering digunakan sebagai isian dalam kolom.

Semisal akan memisahkan ion Na+, NH4+, K+, Mg2+ dan Ca2+ dalam sample. Terlebih dahulu sebuah larutan (misal: larutan asam lemah atau kuat) sebagai eluen atau fase gerak (mobile phase) dialirkan pada sebuah kolom yang berfungsi sebagai fase diam (stationary phase) yang bersisi resin kation. Kemudian sebuah sampel yang berisi kelima kation di atas diinjekkan ke dalam kolom tersebut. Kation-kation di atas akan diikat oleh resin di dalam kolom dengan bantuan kondisi eluen. Kejadian ini bisa divisualkan sebagai berikut :

Resin-SO3-H+ + Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+ <==>
Resin-SO3-Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+ + H+

Karena kelima kation ini mempunyai afinitas elektron yang berbeda satu sama lain, sehingga selektivitas dan waktu munculnya (sebagai puncak) pun akan berbeda. Istilah yang tepat untuk kasus ini adalah mempunyai waktu retensi (tR = retention time) yang berbeda. Faktor lain adalah adanya komposisi eluen kompleks seperti eluen HF, HCl, HBr, HI HSCN dan H2SO4, dll, yang bisa juga mempengaruhi waktu retensi munculnya puncak dari ion/logam yang ada, sehingga ketika menggunakan jenis eluen di atas, ada kemungkinan selektivitas terhadap ion yang diamati akan berbeda. Pada Gambar 2 memperlihatkan sebuah kromatogram yang menunjukkan adanya puncak (peak) dari kelima kation yang terpisahkan/terdeteksi.

Yang perlu diperhatikan dalam pemisahan ion

Resin pemisah ion yang biasa dipakai pada kromatografi modern sudah mempunyai ukuran yang lebih kecil, akan tetapi kelebihannya memiliki kapasitas yang rendah di banding pada model kromatografi sebelumnya. Paking material kolom yang baik, dianggap bisa memberikan bentuk puncak yang baik atau tidak broading peak dan tailing peak. Bentuk puncak yang baik bisa seperti lancip berdiri tegak. Dengan sejumlah alasan di atas, pemisahan anion dan kation sekarang ini bisa berjalan sukses walau masih menyisakan sedikit perbedaan dalam waktu retensi dari ion sampel.

Hal-hal yang diperlukan dari sebuah teknik/metode pemisahan dalam kromatografi ion modern dapat disebutkan sebagai berikut: :

1. Efisiensi kolom pemisah anion dan kation memungkinkan dengan mengamati N = Theoretical Plates nya.

2. Sebuah eluen yang digunakan bisa memberikan waktu retensi yang berbeda dari ion pada setiap kali injeksi sampel.

3. Interaksi antara eluent dan resin karena adanya kesetimbangan yang cepat dalam kolom yang bisa mengakibatkan peak broadening dapat dieliminasi atau diminimalisasi.

4. Bisa terjadi waktu retensi yang terlalu panjang atau pendek akibat dari kondisi eluent yang dipakai.

5. Resin dan eluent yang dipakai harus sesuai dengan detektor yang digunakan.

Kondisi-kondisi saat pemisahan

Tujuan utama dari para kromatografer ion adalah pertama, untuk mendapatkan hasil pemisahan atau kromatogram yang sempurna dari komponen sampel yang diinginkan. Kedua, data/hasil pemisahan dapat diperoleh secepat mungkin. Di bawah ini, beberapa parameter yang terukur yang bisa di-"manipulasi" untuk mewujudkan tujuan-tujuan di atas:

1. Struktur resin (resin structure): Dengan perubahan komposisi kimia bisa memberikan selektivitas yang berbeda. Gugus -NH3+ dan gugus -N(CH)3+ bisa memberikan daya ikat yang berbeda terhadap ion-ion pada sampel.

2. Kapasitas resin (resin capacity): Pada kondisi kapasitas resin yang rendah bisa mempercepat waktu retensi ion. Sehingga ion yang bermuatan satu (misal : Na+, K+, Cl-, F-, dll) lebih cepat dideteksi atau dielusi daripada ion-ion yang bermuatan dua atau lebih (misal : Mg2+, Ca2+, Cu2+, SO42-, C2O42-, Fe2+, Fe3+, dll).

3. Diameter kolom (column diameter): Penggunaan kolom berdiameter 2 mm > 4,4 mm > 4,6 mm (pada konvensional) bisa memberikan kekuatan elusi yang lebih cepat.

4. Kekuatan eluen (eluent strength): Eluen yang mempunyai muatan 2- (contoh: asam karbonat, dll) lebih kuat dibanding yang bermuatan monovalent, 1-.

5. Konsentrasi eluen (eluent concentration): Pada konsentrasi eluen yang tinggi bisa menghasilkan waktu retensi komponen ion yang lebih cepat.

6. Pelarut organik (organic solvent): Prosentase mutlak (misal: 10% atau 20%, dst) dari pelarut organik (contoh: asetonitril, aseton, metanol, dll) bisa memberikan data kromatogram yang berbeda. Dan yang lebih penting lagi bahwa dengan prosentase yang tepat, bisa menghambat terbentuknya tailing peak (istilah untuk sebuah puncak ion yang mempunyai ｡ｦekor｡ｦ yang panjang).

7. Isocratic or gradient elution: Isocratic elution adalah adanya penggunaan eluen yang fiks atau tidak berubah selama proses pemisahan berlangsung. Gradient elution adalah kebalikan dari isocratic, dimana terjadi pergantian eluen yang dipakai saat proses pemisahan berlangsung. Walaupun kondisi yang paling stabil dalam kromatografi ion adalah isocratic, karena tidak terjadi lagi kesetimbangan kimia dan/atau penyesuain ulang antara eluen dan kolom sebagaimana yang terjadi pada gradient elution.

Keunggulan kromatografi ion

Banyaknya aplikasi kromatografi ion modern di banyak bidang keilmuan menjadikan teknik ini lebih favorit digunakan dibanding dengan teknik deteksi ion lainnya. Beberapa kelebihan yang dimiliki kromatografi ion sehingga menjadikan "the best choice" dalam dunia penentuan/pemisahan ion/logam, di antaranya :

a. Kecepatan (speed): Kecepatan dalam analisis suatu sampel menjadi aspek yang sangat penting dalam hal analisis ion. Salah satu yang menyebabkannya adalah masalah ｡ｦklasik｡ｦ yaitu untuk mengurangi biaya dan bisa menghasilkan data-data analisis yang akurat dan cepat. Namun lebih daripada itu, sebenarnya yang lebih penting adalah memberikan andil dengan maksimal dalam perhatian kepada kondisi lingkungan (environmental efforts) yang dari hari ke hari jumlah sampel yang mau dianalisis (untuk diketahui kandungan apa saja di dalamnya) semakin bertambah. Itulah sebabnya, teknik ini terus dikembangkan orang untuk mendapatkan teknik pemisahan/pendeteksian yang lebih praktis dengan biaya yang relatif murah. Sebagai tambahan pula bahwa limbah (waste) yang dihasilkan dari penggunaan eluen dapat dikurangi.

b. Sensitivitas (sensitivity): Dengan berkembangnnya teknologi mikroprosessor, mulailah orang mengkombinasikannya dengan efisiensi kolom pemisah, mulai skala konvensional (ukuran diameter dalam milimeter) sampai skala mikro yang biasa juga disebut microcolumn. Sehingga walaupun hanya dengan jumlah sampel yang sangat sedikit, semisal 10ｦ｡｡ｦyang diinjetkan ke dalam sistem kromatografi, ion-ion yang ada dalam sampel tersebut dapat terdeteksi dengan baik.

c. Selektivitas (selectivity): Dengan sistem ini, bisa dilakukan pemisahan berdasarkan keinginan, misalnya kation/anion organik saja atau kation/anion anorganik yang ingin dipisahkan. Itu dapat dilakukan dengan memilih kolom pemisah yang tepat. Ataupun hanya ion tertentu yang ingin diukur walaupun banyak ion lain yang ada dalam sampel.

d. Pendeteksian yang serempak (simultaneous detection): Secara umum, anion dan kation dipisahkan/dideteksi terpisah dengan menggunakan sistem analisis yang terpisah (different systems) pula. Padahal sangat penting dilakukan pendeteksian secara serempak (simultaneous) antara anion dan kation dalam dalam sekali injek untuk sebuah sampel. Tentunya, pendekatan yang terakhir ini punya sejumlah kelebihan dibanding pemisahan terpisah. Sebagaimana telah diulas di atas, beberapa kelebihan di antaranya dapat menekan biaya operasional, memperkecil jumlah limbah saat analisis berlangsung, memperpendek waktu analisis (short time analysis) serta dapat memaksimalkan hasil yang diinginkan.

e. Kestabilan pada kolom pemisah (stability of the separator column): Walaupun sebenarnya, ketahanan kolom ini berdasarkan pada paking (packing) material yang diisikan ke dalam kolom pemisah. Namun kebanyakan, kolom pemisah bisa bertahan pada perubahan yang terjadi pada sampel, misalnya konsentrasi suatu ion terlalu tinggi, tidak akan mempengaruhi kestabilan material penyusun kolom. Namun, diakui bahwa ada juga kolom pemisah yang mempunyai waktu penggunaan yang tidak terlalu lama, dikarenakan paking kolom yang kurang baik atau karena faktor internal lainnya.