PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI Saya

PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa:
1. Tesis yang berjudul: “FABRIKASI DAN ANALISIS BIOCHEMICAL FIBER
SENSOR BERBASIS MEDAN EVANESCENT MENGGUNAKAN GLASS
OPTICAL FIBER ” ini adalah karya penelitian saya sendiri dan tidak terdapat karya
ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta
tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain,
kecuali yang tertulis dengan acuan yang disebutkan sumbernya, baik dalam naskah
karangan dan daftar pustaka. Apabila ternyata di dalam naskah tesis ini dapat
dibuktikan terdapat unsur-unsur plagiasi, maka saya bersedia menerima sangsi, baik
Tesis beserta gelar magister saya dibatalkan serta diproses sesuai dengan peraturan
perundang-undangan yang berlaku.
2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah harus
menyertakan tim promotor sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila
saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia
mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta,
Mei 2017
Mahasiswa,
Edi Prasetyo
S911508005
iv
BIODATA
a.
b.
c.
d.
Nama
Tempat, tanggal lahir
Profesi/jabatan
Alamat kantor
:
:
:
:
EDI PRASETYO, S.Si
Kudus 27 Agustus 1992
-
e.
Tel.
Fax.
e-mail
Alamat rumah
Tel.
Fax.
e-mail
:
:
:
:
:
:
:
Ngembal kulon, Rt 03/Rw 04, Jati, Kudus
08567663043
[email protected]
f. Riwayat pendidikan di Perguruan Tinggi (dimulai dari yang terakhir)*:
No.
1.
Institusi
Universitas Sebelas Maret
Bidang Ilmu
Fisika
Tahun
2010
Gelar
S.Si
g. Daftar Karya Ilmiah (dimulai dari yang terakhir)*:
Tahun
No.
Judul
1. Fiber Sensor Tipe Modulasi Intensitas Untuk
Aplikasi Pengukuran Beban Kendaraan Berjalan
(Weigh In Motion ): Fabrikasi Dan Analisis
Sinyal Optik
Penerbit/Forum Ilmiah
2. Pembuatan dan Pengujian Spektrometer Cahaya
Dengan Metode Celah Banyak Berbasis
Komputer
Prosiding Pertemuan Ilmiah
XXVIII HFI Jateng & DIY,
Yogyakarta, 26 April 2014
2014
3. Analisis Pengukuran Perubahan Profil Cahaya yang
Keluardari Fiber Optik Terbengkokkan
Prosiding Pertemuan Ilmiah
XXVIII HFI Jateng & DIY,
Yogyakarta, 26 April 2014
2014
4. Studi Awal Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
Prosiding Pertemuan Ilmiah
XXVIII HFI Jateng & DIY,
Yogyakarta, 26 April 2014
2014
5. Vibration Measurement of Mathematical Pendulum
based on Macrobending-Fiber Optic Sensor as a
Model of Bridge Structural Health Monitoring
Elsevier Procedia
Engineering, Engineering
Physics International
Conference, EPIC 2016
v
2014
Skripsi FMIPA UNS
2016
6. Biochemical fiber sensor based on evanescent field for IOP Publishing,
2017
detection persistent organic pollutants (POPs)
International Conference on
Science and Applied Science
(Engineering and
Educational Science) 2016
7. Study of Evanescence Wave Absorption in Lindane
IOP Publishing,
2017
International Conference on
Food Science and
Engineering 2016
8. Spectroscopic study of Green Tea (camellia Sinensis)
Leaves Extraction
IOP Publishing,
2017
International Conference on
Food Science and
Engineering 2016
Surakarta,
Mei 2017
Edi Prasetyo
vi
MOTTO
Kadang kita harus berlari untuk bisa berjalan
(cuplikan dialog film “Iron man”)
The Real Warrior never quit.
(Cuplikan dialog film “kugfu panda”)
Ketika kita bergerak semakin cepat, waktu akan bergerak samakin lambat, tetapi jika kita
bergerak semakin lambat waktu akan bergerak semakin cepat.
(Einstein)
Penderitaan ada karena keinginan ada
Waktu bagiku bukan sekedar hitungan angka yang tidak berguna, melainkan banyaknya
cerita pengalaman yang sudah dilalui.
Mangesti luhur ambangun nagara
vii
PERSEMBAHAN
Dengan segenap penuh rasa syukur kepada Allah SWT Kupersembahkan karya indah ini
kepada:
Orang yang menyakini bahwa ilmu pengetahuan bisa mengubah segalanya
Almarhum Bapak Santoso, Ibu Sutipah
dan
Untuk Bangsaku Indonesia
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah,
inayah dan segala kenikmatan luar biasa banyaknya. Sholawat serta salam semoga selalu
tercurahkan kepada Nabi kita Muhammad SAW, keluarganya, para sahabatnya dan
umatnya yang selalu istiqomah dijalan kebenaran.
Tesis yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana
sains ini penulis beri judul “Fabrikasi Dan Analisis Biochemical Fiber Sensor Berbasis
Medan Evanescent Menggunakan Glass Optical Fiber ”. Terselesaikannya Tesis ini adalah
suatu kebanggaan tersendiri bagi saya. Setelah sekitar lebih dari satu semester penulis harus
berjuang untuk bisa menyelesaikan Tesis. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya
Tesis ini terselesaikan juga. Kepada berbagai pihak yang
telah membantu penulis
menyelesaikan Tesis ini penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar
selama proses pengerjaan Tesis ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan
kepada:

Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D selaku pembimbing satu yang banyak
mencurahkan waktu, tenaga dan pikiran beliau dalam menyelesaikan karya indah
ini.

Ibu Venty Suryanti, S.Si., M.Phil., Ph.D. selaku pembimbing dua yang banyak
mendukung dalam menyelesaikan karya indah ini.

Keluarga tercinta Ibu Sutipah, Mbak Isma dan Mas Heri, atas semua kasih sayang
dan perhatian yang luar biasa kepada penulis.

Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Prodi Ilmu Fisika PPS UNS yang telah banyak
memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.

Hibah Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Dana PNBP Universitas
Sebelas Maret Surakarta tahun 2015 no: 632/UN27.21/LT/2016 yang telah
mendanai penelitian ini.

Sahabat- sahabat di Laboratorium Optics & Photonics yang banyak memberikan
bantuan dan inspirasi bagi penulis.
ix

Sahabat – sahabat penulis di Ilmu Fisika PPS yang selama ini selalu menemani dan
memberikan motivasi bagi penulis.

Sahabat – sahabat terbaik penulis di Inersia 2010
Semoga amal baik mereka mendapat balasan dari ALLAH SWT dengan berlipat ganda
Perlu disadari bahwa dengan segala keterbatasan, dalam penulisan Tesis ini masih
jauh dari sempurna, sehingga masukan dan kritikan yang membangun sangat penulis
harapkan demi kedepan yang lebih baik dan semoga karya ini bermanfaat
Surakarta, Mei 2017
Penulis
x
FABRIKASI DAN ANALISIS BIOCHEMICAL FIBER SENSOR BERBASIS
MEDAN EVANESCENT MENGGUNAKAN GLASS OPTICAL FIBER
Edi Prasetyo
Program Studi Ilmu Fisika, Program Pasca Sarjana,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Kesehatan merupakan suatu hal yang sangat penting dalam kelangsungan sebuah
kehidupan mahluk hidup. Makanan dan minuman yang dikonsumsi manusia hendaknya
sehat dan mengandung berbagai zat atau senyawa kimia yang berguna untuk tubuh. Faktor
yang menyebabkan makanan dan minuman menjadi tidak sehat yaitu kandungan senyawa
kimia yang ada tidak bermanfaat dan bahkan membahayakan untuk dikonsumsi. Berbagai
metode dilakukan untuk mendeteksi keberadaan senyawa kimia. Dalam penelitian ini dibuat
biochemical fiber sensor dengan menggunakan serat optik sebagai sensing element. Prinsip
kerja biochemical fiber sensor adalah dengan memanfaatkan fenomena serapan evanescent
dalam serat optik untuk mendeteksi senyawa kimia berdasarkan spektrum serapan khas.
Penelitian ini membuat biochemical fiber sensor untuk mendeteksi senyawa kimia dengan cara
menghilangkan cladding dan sebagian core serat optik dengan di-polish. Sampel yang
digunakan adalah lindane dan ekstrak khloroform teh hijau. Hasil yang diperoleh menunjukkan
puncak panjang gelombang spektrum serapan khas senyawa lindane yang diukur adalah 920
nm dan 1004 nm. Puncak panjang gelombang spektrum serapan khas ekstrak khloroform teh
hijau ditemukan pada 630 nm. Hubungan konsentrasi senyawa lindane dan teh hijau adalah
sebanding dengan absorbansi evanescent.
Kata kunci : Spektrofotometry, biochemical fiber sensor, Evanescent, Lindane dan Teh hijau
xi
FABRICATION AND ANALYSIS OF BIOCHEMICAL FIBER SENSOR BASED ON
EVANESCENT FIELD USING GLASS OPTICAL FIBER
Edi Prasetyo
Physical Department of Post Graduate Program
Sebelas Maret University
ABSTRACT
Health is a very important thing in the continuity of living creatures. Food and beverages
for human consumption should be healthy and containing various substances or chemical
compounds that are useful for the body. Some factors that cause food and drink become
unhealthy is chemical compounds that contained were useless and even harmful for
consumption. Various methods performed to detect the presence of chemical compounds. In
this study, biochemical fiber sensors using optical fiber as the sensing element. Principle of
biochemical fiber sensor is to utilize the evanescent absorption phenomena in fiber optics to
detect chemical compounds based on the characteristic absorption spectrum. In this study,
biochemical fiber sensor for detecting chemical compounds was fabricated by removing
cladding and polishing some of core optical fiber. The samples that used are lindane and
extract chloroform green tea. The results showed that the wavelength characteristics of
absorption spectrum of lindane compounds that measured was 920 nm and 1004 nm.
Wavelength characteristic of absorption spectrum extract chloroform green tea was found at
630 nm. Compound concentrations of lindane and green tea was proportional to evanescent
absorbance.
Keywords: Spectrophotometry, Biochemical Fiber Sensor, Evanescent, Lindane and Green Tea
xii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ...................................................................................................
HALAMAN PERSETUJUAN ...................................................................................
HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................................
HALAMAN PERYATAAN .......................................................................................
HALAMAN BIODATA .............................................................................................
HALAMAN MOTTO .................................................................................................
HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................................
KATA PENGANTAR ................................................................................................
HALAMAN ABSTRAK .............................................................................................
HALAMAN ABSTRACT ..........................................................................................
DAFTAR ISI ...............................................................................................................
DAFTAR TABEL .......................................................................................................
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................
DAFTAR SIMBOL ....................................................................................................
BAB I PENDAHULUAN ...........................................................................................
1.1. Latar Belakang Masalah ...........................................................................
1.2. Rumusan Masalah .....................................................................................
1.3. Tujuan Penelitian ......................................................................................
1.4. Batasan Masalah .......................................................................................
1.5. Manfaat Penelitian ....................................................................................
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................
A. Tinjauan Pustaka..........................................................................................
1. Teori Dasar Serat Optik ...........................................................................
a. Pemantulan dan Pembiasan Cahaya ....................................................
b. Pengungkungan Cahaya di dalam Serat Optik ...................................
c. Apertur Numerik (NA) .......................................................................
d. Modus Serat Optik ..............................................................................
2. Medan Evanescent ..................................................................................
3. Spektroskopi Radiasi ..............................................................................
a. Absorption Atom dan Molekul ..........................................................
b. Spektrum Emisi .................................................................................
4. Sensor kimia berbasis Optik ...................................................................
5. Senyawa POPs ........................................................................................
6. Teh (camellia Sinensis)...........................................................................
a. Kafein ..................................................................................................
b. Katekin ................................................................................................
B. Kerangka Berpikir ........................................................................................
C. Hipotesis.......................................................................................................
xiii
i
ii
iii
iv
v
vii
viii
ix
xi
xii
xiii
xvi
xvii
xx
1
1
4
4
5
5
6
6
6
6
11
13
14
14
15
16
20
20
22
24
24
25
25
27
BAB III METODE PENELITIAN............................................................................
A. Tempat Penelitian .......................................................................................
B. Waktu Penelitian .........................................................................................
C. Tatalaksana Penelitian.................................................................................
1. Alat – alat Peneltian ...............................................................................
a. Sumber Cahaya ...................................................................................
b. Spektrofotometer ................................................................................
c. Personal Computer (PC) ....................................................................
d. UV- Vis Lamda 25 .............................................................................
e. Polishing Machine..............................................................................
f. Alat Kimia ..........................................................................................
1) Seperangkat Alat Buchner Vacuum Filtration ..............................
2) Rotary Vacuum Evaporator ...........................................................
2. Bahan – bahan Penelitian ......................................................................
a. Serat Optik .........................................................................................
b. Senyawa Lindane...............................................................................
c. Daun Teh Hijau kering ......................................................................
d. Larutan Kimia ....................................................................................
3. Software yang Digunakan ......................................................................
a. Origin .................................................................................................
b. Ocean View .......................................................................................
c. Excel ..................................................................................................
D. Metode Penelitian ......................................................................................
1. Persiapan ...............................................................................................
2. Pembuatan Biochemical Fiber Sensor ..................................................
3. Pembuatan Larutan Teh Hijau ..............................................................
4. Pembuatan larutan Lindane ..................................................................
5. Proses Pengambilan Data .....................................................................
a. Data Spektrum Biochemical fiber Sensor .........................................
b. Data Biochemical Fiber Sensor Ketika Dikenai Larutan
Kimia ................................................................................................
6. Analisis .................................................................................................
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................................
1. Penyesuaian Spektrum Panjang Gelombang Spektrofotometer Ocean
Optics dengan Kaca Nd................................................................................
2. Biochemical Fiber Sensor ...........................................................................
3. Absorbsi Medan Evanescent Biochemial Fiber sensor pada Lindane dan
teh Hijau .......................................................................................................
a. Perambatan Cahaya Pada Biochemical Fiber Sensor dan Medan
Evanescent ..............................................................................................
4. Repeatability biochemical Fiber Sensor.......................................................
5. Perbandingan Pengujian Biochemial Fiber Sensor dengan Pengujian UVVis ................................................................................................................
a. Perbandingan pengujian Biochemical Fiber Sensor dengan Pengujian
UV-Vis pada Lindane ...............................................................................
xiv
28
28
28
28
29
29
30
31
31
31
32
32
32
32
32
32
33
33
33
33
33
33
33
35
35
35
37
37
37
37
37
38
38
40
43
50
54
56
58
b. Perbandingan pengujian Biochemical Fiber Sensor dengan Pengujian
UV-Vis pada Ekstrak Khloroform Teh Hijau ...........................................
BAB V PENUTUP ......................................................................................................
5.1. Kesimpulan ..............................................................................................
5.2. Saran ........................................................................................................
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................
LAMPIRAN ................................................................................................................
xv
59
60
60
60
61
64
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1.
Rincian tahap – tahap Penlitian ..........................................................
28
Tabel 4.1.
Nilai absorbtivitas dan koefisien absorbansi evanescent lindane. .....
49
Tabel 4.2.
Nilai absorbtivitas dan koefisien absorbansi evanescent teh hijau. ...
49
Tabel 4.3.
Nilai indeks bias lindane.. ..................................................................
51
Tabel 4.4.
Nilai indeks bias ekstrak khloroform teh hijau.. ................................
51
xvi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Prinsip pemantulan cahaya .................................................................
6
Gambar 2.2. Grafik reflektansi TE dan TM ............................................................
7
Gambar 2.3. Muka gelombang cahaya bergerak maju ............................................
8
Gambar 2.4. Perubahan kecepatan cahaya ..............................................................
8
Gambar 2.5. Mekanisme pembiasan cahaya ...........................................................
9
Gambar 2.6. Grafik Transmitansi TE dan TM ........................................................
10
Gambar 2.7. Pemantulan dan pembiasan cahaya ....................................................
11
Gambar 2.8. Pemantulan internal sempurna ............................................................
12
Gambar 2.9. Perambatan cahaya di dalam serat optik .............................................
13
Gambar 2.10. Sudut penerimaan di dalam serat optik .............................................
13
Gambar 2.11. Fenomena Evanescent di dalam Serat Optik ....................................
15
Gambar 2.12. Distribusi Energi Evanescent ............................................................
15
Gambar 2.13. Tingkatan energi sub kulit elekron ...................................................
16
Gambar 2.14. Absorbsi atom ...................................................................................
17
Gambar 2.15. Model pegas pada ikatan kimia ........................................................
18
Gambar 2.16. Diagram tingkat energi molekul .......................................................
18
Gambar 2.17. Skema Lambert-Beer ........................................................................
19
Gambar 2.18. Proses emisi atom melepaskan energi cahaya. .................................
20
Gambar 2.19. (a) skema fiber sensor (b) fiber sensor ............................................
21
Gambar 2.20. Grafik absorbansi evanescent lindane ..............................................
22
Gambar 2.21. Rumus struktur lindane ....................................................................
23
Gambar 2.22. Rumus molekul kafein ......................................................................
25
Gambar 2.23. Rumus molekul katekin ....................................................................
25
Gambar 3.1. Skema perangkat alat penelitian ........................................................
29
Gambar 3.2. Proses difraksi pada celah banyak ......................................................
30
Gambar 3.3. Skema spektrometer cahaya ...............................................................
31
Gambar 3.4. Diagram alur penelitian ......................................................................
34
Gambar 3.5. Skema biochemical fiber sensor .........................................................
35
xvii
Gambar 4.1. Hasil pengukuran kalibrasi panjang gelombang kaca Nd .................
39
Gambar 4.2. (a). sketsa Biochemical fiber sensor, (b) biochemical fiber sensor
yang berhasil dibuat. .........................................................................
41
Gambar 4.3. Spektrum keluaran serat optik Ocean .............................................. .
42
Gambar 4.4. Spektrum absorbsi silica ...................................................................
42
Gambar 4.5. Distribusi energi foton yang merambat di dalam biochemical fiber
sensor ................................................................................................
43
Gambar 4.6. Grafik spektrum keluaran biochemical fiber sensor senyawa
lindane...............................................................................................
44
Gambar 4.7. Grafik spektrum keluaran biochemical fiber sensor pada senyawa
teh hijau .............................................................................................
45
Gambar 4.8. Grafik absorbsi evanescent senyawa lindane....................................
46
Gambar 4.9. Grafik absorbansi ekstrak khloroform teh hijau ...............................
46
Gambar 4.10. Grafik absorbansi evanescent sebagai fungsi konsentrasi lindane
pada panjang gelombang 600, 910, dan1002 nm ............................
48
Gambar 4.11. Grafik absorbansi evanescent sebagai fungsi konsentrasi ekstrak
khloroform teh hijau pada panjang gelombang 640 nm ..................
48
Gambar 4.12. Profil Indeks bias serat optik kaca infinicor300 ..............................
52
Gambar 4.13. Grafik perhitungan nilai dp sebagai fungsi panjang gelombang .......
53
Gambar 4.14. Grafik perhitungan nilai dp sebagai fungsi sudut datang ..................
54
Gambar 4.15. Grafik repeatability hasil absorbansi evanescent teh hijau dengan
3 kali perulangan pada panjang gelombang: (a) 640 nm dan (b)
500 nm .............................................................................................
55
Gambar 4.16. Grafik repeatability hasil absorbansi evanescent lindane dengan 3
kali perulangan.pada panjang gelombang: (a) 910 nm, (b) 1002
nm dan (c) 600nm ............................................................................
55
Gambar 4.17. Grafik absorbansi sebagai fungsi panjang gelombang yang diukur
menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada larutan lindane
dengan 5 variasi konsentrasi ............................................................
xviii
57
Gambar 4.18. Grafik absorbansi sebagai fungsi panjang gelombang yang diukur
menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada teh hijau dengan 5
variasi konsentrasi .............................................................................
57
Gambar 4.19. Perbandingan pengujian biochemical fiber sensor dengan
pengujian uv-vis pada lindane ..........................................................
58
Gambar 4.20. Perbandingan pengujian biochemical fiber sensor dengan
pengujian uv-vis pada ekstrak khloroform teh hijau .........................
xix
59
DAFTAR SIMBOL
Satuan
𝑛1
𝑛2
𝜃1
𝜃2
𝜃𝑐
Nm
𝜆
𝜋
dcore
𝑁𝐴
𝜃𝑐𝑜
𝑛
𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒
𝑛𝑐𝑙𝑎𝑑𝑑𝑖𝑛𝑔
𝑉
𝐸𝑍
𝐸𝑂
𝑧
𝑑𝑝
𝐼0
𝐼𝑡
𝑇
𝛼
t
𝑑𝐵
𝑃𝑟𝑒𝑓
𝑃𝑚𝑜𝑑
L
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
𝑃
=
𝑃0
=
γ
𝑟
𝐴
𝐶
𝑛
𝑑
=
=
=
=
=
=
sin 𝜃
=
Indeks bias medium pertama
Indeks bias medium kedua
Sudut sinar datang dengan garis normal
Sudut sinar bias dengan garis normal
Sudut kritis
Jumlah modus
Panjang gelombang
3,14
Diameter core fiber
Numerical aperture
Sudut maksimum
Indeks bias
Indeks bias core
Indeks bias cladding
Parameter fiber optik
Medan gelombang pada sumbu z
Medan gelombang awal
Jarak penjalaran gelombang cahaya
Depth penetration
Intensitas sinar masuk
Intensitas sinar yang diteruskan
Transmitansi
Koefisien absorbsi
Ketebalan bahan
Decibel / rugi-rugi fiber optik
Daya referensi
Daya modulasi
Panjang zona sensing fiber
Daya yang ditransmisikan pada media
penyerapan
Daya yang ditransmisikan tanpa adanya
media penyerapan
Koefisien absorbsi evanescent
Total daya cladding rata-rata
Absorbansi
Konsentrasi dari sampel
Pola terang ke (....-2, -1, 0, 1, 2,...)
Lebar celah
Sudut pola interferensi terhadap terang
pusat
xx
Radian Atau Derajat
Radian Atau Derajat
Radian atau Derajat
nm
m
Radian Atau Derajat
J
J
m
nm
𝑚𝑉
𝑚𝑉
%
cm
𝑊
𝑊
cm
𝑚𝑉
𝑚𝑉
M
m
Radian Atau Derajat
𝑙
𝑚
M
Pclad
Ptot
= Jarak media penyerapan
= Slope
= Jumlah mode
Intensitas gelombang evanescent dalam
=
cladding
Total intensitas cahaya pada core dan
=
cladding
xxi
cm
𝑚𝑉
𝑚𝑉