Kalkulator Hukum Beer-Lambert - Hitung Absorbansi Secara Instan

Apa itu hukum Beer-Lambert?

Hukum Beer-Lambert adalah rumus yang menjelaskan seberapa banyak cahaya diserap oleh suatu larutan. Hukum ini menghubungkan absorbansi dengan tiga hal: konsentrasi larutan, seberapa kuat zat terlarut menyerap cahaya, dan seberapa jauh cahaya melewati sampel. Hukum ini juga disebut hukum Beer. Kalkulator hukum Beer-Lambert menerapkan rumus ini untuk menentukan absorbansi, transmitansi, dan persentase cahaya yang diserap dari beberapa masukan sederhana.

Hukum ini merupakan alat utama dalam spektroskopi, yaitu ilmu yang mempelajari cara materi menyerap dan memancarkan cahaya. Hukum ini digunakan setiap hari di laboratorium kimia, biologi, dan kedokteran untuk mengukur konsentrasi zat dalam larutan.

Rumus hukum Beer-Lambert

Hukum Beer-Lambert menyatakan:

$A = \varepsilon \times c \times l$

• A adalah absorbansi, yaitu jumlah cahaya yang diserap larutan pada panjang gelombang tertentu. Absorbansi tidak memiliki satuan.
• ε (epsilon) adalah absorptivitas molar, yang juga disebut koefisien ekstinsi molar. Besaran ini mengukur seberapa kuat suatu zat menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu. Satuan: L/(mol·cm).
• c adalah konsentrasi zat, dalam mol/L (molaritas).
• l adalah panjang lintasan, yaitu jarak yang ditempuh cahaya melalui sampel, dalam cm.

Absorbansi berkaitan dengan transmitansi, yaitu fraksi cahaya yang melewati sampel:

$A = -\log_{10}(T)$

$T = 10^{-A}$

Di sini, T adalah transmitansi, yaitu bilangan antara 0 dan 1. Mengalikan T dengan 100 menghasilkan persentase cahaya yang ditransmisikan. Persentase cahaya yang diserap adalah:

$\text{Persentase yang diserap} = (1 - T) \times 100\%$

Sebagai contoh, absorbansi sebesar 1,0 berarti T = 0,1, sehingga 90% cahaya diserap. Absorbansi sebesar 2,0 berarti T = 0,01, sehingga 99% cahaya diserap.

Cara menghitung absorbansi

Untuk menentukan absorbansi dengan kalkulator, masukkan tiga nilai:

1. Panjang lintasan (l) — lebar wadah sampel, biasanya kuvet. Sebagian besar kuvet standar memiliki lebar 1 cm, meskipun beberapa kuvet khusus memiliki lebar 0,1 cm atau 10 cm.
2. Absorptivitas molar (ε) — sifat zat tertentu pada panjang gelombang tertentu. Nilai ini biasanya terdapat dalam tabel referensi yang dipublikasikan atau dihitung dari struktur molekul. Protein, misalnya, menyerap cahaya di sekitar 280 nm karena adanya dua asam amino, triptofan dan tirosin, dan nilai tepatnya bergantung pada jumlah kedua asam amino tersebut dalam protein.
3. Konsentrasi (c) — jumlah zat yang terlarut, dalam mol/L. Konsentrasi yang diberikan dalam satuan lain, seperti mg/mL, harus terlebih dahulu dikonversi menggunakan massa molar molekul.

Kalkulator mengalikan ketiga angka tersebut untuk memperoleh absorbansi, kemudian menghitung transmitansi dan persentase yang diserap dari hasil tersebut.

Contoh perhitungan

Seorang peneliti memurnikan protein dan perlu memeriksa konsentrasinya sebelum menjalankan eksperimen. Absorptivitas molar protein pada 280 nm diketahui dari urutannya: ε = 44.000 L/(mol·cm). Peneliti mengukur sampel dalam kuvet standar berukuran 1 cm dan memperoleh absorbansi A = 0,523.

Menyusun ulang rumus untuk mencari konsentrasi:

$c = \frac{A}{\varepsilon \times l} = \frac{0.523}{44{,}000 \times 1} = 1.19 \times 10^{-5} \text{ mol/L}$

Nilai tersebut adalah 11,9 mikromolar (μM). Nilai ini berada dalam rentang yang dapat dibaca instrumen dengan akurasi tertinggi, sehingga peneliti dapat mempercayai hasilnya tanpa mengencerkan sampel lebih lanjut.

Menafsirkan nilai absorbansi

• A = 0: tidak ada cahaya yang diserap pada panjang gelombang ini.
• A = 0,3 hingga 0,9: rentang ketika sebagian besar spektrofotometer memberikan pembacaan yang paling akurat dan linear.
• A = 1,0: 90% cahaya diserap, 10% ditransmisikan.
• A = 2,0: 99% cahaya diserap, 1% ditransmisikan.
• A di atas 2,5: berada di luar rentang yang dapat diandalkan oleh sebagian besar instrumen. Sampel harus diencerkan dan diukur kembali.

Pembacaan di bawah sekitar 0,3 dipengaruhi oleh derau instrumen. Pembacaan di atas sekitar 1,5 dipengaruhi oleh sejumlah kecil cahaya pengganggu di dalam instrumen, yang menimbulkan kesalahan. Mengencerkan sampel dan mengukur kembali merupakan cara standar ketika pembacaan berada di luar rentang akurat.

Penggunaan hukum Beer-Lambert

Kimia analitik. Laboratorium mengukur absorbansi sampel dan menggunakan rumus untuk menghitung balik konsentrasi yang tidak diketahui. Cara ini umum digunakan untuk menguji kadar nitrat, fosfat, dan ion logam dalam air, serta memeriksa konsentrasi suatu batch bahan kimia selama produksi.

Biokimia. Absorbansi pada 280 nm memperkirakan konsentrasi protein. Absorbansi pada 260 nm memperkirakan konsentrasi DNA atau RNA; berdasarkan konvensi, absorbansi sebesar 1,0 setara dengan sekitar 50 μg/mL DNA untai ganda atau 40 μg/mL RNA. Rasio kedua pembacaan tersebut (A260/A280) memberikan perkiraan kasar kemurnian sampel.

Farmasi. Produsen obat menggunakan pembacaan absorbansi untuk menguji seberapa cepat tablet melepaskan bahan aktifnya dan memantau penguraian obat selama penyimpanan.

Kedokteran. Banyak mesin pemeriksaan darah otomatis mengukur absorbansi dari reaksi kimia yang mengubah warna untuk melaporkan kadar glukosa, enzim hati, dan bilirubin.

Makanan dan minuman. Warna bir diukur berdasarkan absorbansi pada 430 nm menggunakan metode European Brewery Convention (EBC). Metode serupa digunakan untuk memeriksa warna anggur dan minuman ringan.

Keterbatasan hukum Beer-Lambert

Hukum ini mengasumsikan bahwa cahaya memiliki satu panjang gelombang yang tepat dan sampel tidak menghamburkan cahaya. Hukum ini tidak berlaku dalam beberapa situasi umum:

• Konsentrasi tinggi. Di atas sekitar 0,01 mol/L, molekul terlarut mulai berinteraksi satu sama lain, dan absorbansi tidak lagi meningkat secara linear terhadap konsentrasi.
• Sampel keruh atau mengandung partikel. Suspensi dan cairan keruh menghamburkan cahaya selain menyerapnya, sehingga pembacaan absorbansi menjadi lebih tinggi. Hukum Beer-Lambert tidak memperhitungkan hamburan; model terkait yang disebut teori Kubelka-Munk digunakan untuk sampel buram atau sampel yang menghamburkan cahaya, seperti bubuk.
• Perubahan kimia selama pengukuran. Beberapa zat terurai akibat cahaya atau berubah ketika pH berubah selama pengukuran, sehingga pembacaan berubah di tengah proses.
• Perubahan suhu. Absorptivitas molar bergantung pada suhu, sehingga pembacaan yang diambil pada suhu yang tidak konsisten tidak dapat dibandingkan secara langsung.

Sejarah

Hukum ini berkembang selama lebih dari satu abad melalui karya tiga ilmuwan. Pierre Bouguer menjelaskan pada 1729 bahwa setiap lapisan material yang sama tebalnya menyerap fraksi cahaya yang sama saat cahaya melewatinya. Johann Heinrich Lambert menyatakan kembali hubungan ini secara matematis dalam bukunya 1760 Photometria, yang menunjukkan bahwa absorbansi meningkat sebanding langsung dengan panjang lintasan. August Beer memperluas hukum ini pada 1852 untuk menunjukkan bahwa absorbansi juga meningkat sebanding langsung dengan konsentrasi. Hukum gabungan ini terkadang disebut hukum Bouguer-Beer-Lambert sebagai penghormatan kepada ketiganya.

Pertanyaan yang sering diajukan

Untuk apa hukum Beer-Lambert digunakan? Hukum ini menghitung seberapa banyak cahaya yang diserap larutan dan bekerja secara terbalik untuk menemukan konsentrasi yang tidak diketahui dari absorbansi yang diukur. Karena itu, hukum ini menjadi dasar spektrofotometri UV-Vis, teknik laboratorium yang umum untuk mengukur jumlah suatu zat dalam larutan.

Satuan apa yang digunakan dalam hukum Beer-Lambert? Panjang lintasan dalam sentimeter, absorptivitas molar dalam L/(mol·cm), dan konsentrasi dalam mol/L. Absorbansi itu sendiri tidak memiliki satuan, meskipun terkadang diberi label "AU" untuk satuan absorbansi. Memasukkan satuan lain ke dalam rumus tanpa mengonversinya terlebih dahulu akan menghasilkan jawaban yang salah.

Mengapa pembacaan absorbansi saya tidak sebanding dengan konsentrasi? Penyebab yang paling umum adalah konsentrasi di atas sekitar 0,01 mol/L, sampel keruh atau mengandung partikel, atau pembacaan yang jauh di luar rentang 0,3–0,9 ketika instrumen memberikan hasil paling akurat. Mengencerkan sampel dan mengukur kembali biasanya membantu memastikan penyebabnya.

Apa perbedaan antara absorbansi dan transmitansi? Transmitansi adalah fraksi cahaya yang melewati sampel. Absorbansi adalah logaritma negatif berbasis 10 dari transmitansi: A = −log₁₀(T). Ketika absorbansi meningkat, transmitansi menurun.

Apa perbedaan antara absorbansi dan densitas optik? Keduanya adalah besaran yang sama. Istilah "densitas optik" lebih sering digunakan dalam biologi, sedangkan "absorbansi" lebih umum digunakan dalam kimia.

Rentang absorbansi mana yang paling akurat? Sekitar 0,3 hingga 0,9. Di bawah rentang tersebut, derau instrumen mendominasi sinyal. Di atas sekitar 1,5, cahaya pengganggu di dalam instrumen menimbulkan kesalahan, dan di atas sekitar 2,5 sebagian besar instrumen sama sekali tidak dapat memberikan pembacaan yang andal.

Referensi

1. Beer, A. (1852). "Bestimmung der Absorption des rothen Lichts in farbigen Flüssigkeiten." Annalen der Physik und Chemie, 86: 78–88.
2. Swinehart, D. F. (1962). "The Beer-Lambert Law." Journal of Chemical Education, 39(7): 333–335.
3. Mayerhöfer, T. G., Pahlow, S., & Popp, J. (2020). "The Bouguer-Beer-Lambert Law: Shining Light on the Obscure." ChemPhysChem, 21(18): 2029–2046.