Uji Kemampuan Perangkat Teknik Laser-Induced

LO 104
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober 2014,Denpasar-Bali
Uji Kemampuan Perangkat Teknik Laser-Induced Plasma Spectroscopy
(LIPS) Komersial Untuk Analisa Unsur Organik Utama (C, H, O, N)
Dalam Tanah Yang Dilanda Tsunami Setelah 10 Tahun Kejadian Tsunami
Nasrullah Idris1,*), Muliadi Ramli2), Syauqi Kamal2), Rinda Hedwig3), Zener Sukra Lie3), Kiichiro
Kagawa4) and Koo Hendrik Kurniawan5)
1
Jurusan Fisika,Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Syiah Kuala,
Jl. Syech Abdurrauf No. 3 KOPELMA Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia
2
Jurusan Kimia,Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Syiah Kuala,
KOPELMA Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia
3
Jurusan Sistem Komputer, Universitas Bina Nusantara, K. H. Syahdan 9, Jakarta 14810, Indonesia
4
Fukui Science Education Academy, Takagi Chuo 2 chome, Fukui 910-0804, Japan
4
Pusat Penelitian Yayasan Maju Makmur Mandiri, Srengseng Raya 40, Kembangan, Jakarta Barat 11630,
Jakarta, Indonesia
email: [email protected]
Abstrak
Teknik spektroskopi plasma laser (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) telah digunakan untuk
mengkaji secara spektrokimia unsur organik utama dalam tanah yang pernah ditimpa tsunami besar Samudera
India, 26 Desember 2004, sekitar 10 tahun yang lalu. Pada saat tsunami, air laut dengan membawa air laut dan
sedimen tsunami menutupi daratan yang dilaluinya sehingga dapat mempengaruhi sifat fisika dan kimia tanahtanah produktif. Perangkat teknik yang digunakan dalam studi ini adalah LIBS Elite System dengan panjang
gelombang sumber laser, =1064 nm, maksimum energi 200 mJ, dan spektrograf dengan sistem detektor
intensified coupled charge device (ICCD) 7 saluran, frekuensi repetisi 20 Hz, jangkauan panjang gelombang
pengukuran 200 nm -1000 nm. Sistem LIBS ini dilengkapi dengan tempat sampel yang dapat digerakkan dalam
3 dimensi secara otomatis menggunakan sebuah motor listrik. Sampel yang digunakan adalah tanah yang
diambil dari dekat pantai di daerah-daerah yang pernah ditimpa tsunami di Aceh. Sampel dibuat dalam bentuk
pelet. Berkas laser tersebut difokuskan pada permukaan menggunakan sebuah lensa pemfokus untuk
pembangkitan plasma. Emisi plasma dikirim ke spektrograf untuk deteksi spektrum garis emisi. Berdasarkan
spektrum emisi garis yang telah dideteksi didapatkan bahwa garis-garis emisis spektral dari unsur-unsur utama
(C, H, O, N) muncul secara bersamaan pada jangkauan panjang gelombang yang berbeda-beda dengan intensitas
yang berbeda-beda. Hasil ini menunjukkan bahwa sistem LIBS kompak komersial seperti LIBS Elite System
dengan jangkauan panjang gelombang yang cukup lebar (200 nm-1000 nm) meskipun memiliki resolusi agak
rendah dapat digunakan untuk analisa unsur utama dalam sampel sulit semacam tanah.
Kata kunci : Laser Induced Plasma Spectroscopy (LIPS), Compact Commercial LIBS System, Aceh tsunami
2004, Tsunami Sediment, Major Element
Abstract
A study has been conducted to examine the capability of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for
analyze spectrochemically major organic elements in soil affected by the giant Indian Ocean Tsunami 2014,
about 10 years ago. Sea water and sediment from the sea brought by tsunami covering the land across the
affected region, altering physical and chemical properties of the productive land, thus requiring a periodical
inspection. LIBS system used in this study is commercial LIBS Elite System of a laser source emitting
fundamental wavelength ( =1064 nm) at 20 Hz with maximum energy of 200 mJ and a detecting system of 7
channels intensified coupled charge device (ICCD) having a wide range wavelength detection region from 200
nm to 1000 nm. This LIBS system is also equipped with a sample chamber adjustable movement in three
dimensions using an electric motor. Sample used in this study was soil samples taken from the coastal region of
Aceh, the most affected region by the giant Indian Ocean tsunami 2004. The collected sample has been made in
the form of pellet. The laser beam was focused by using a focusing lens onto sample surface for producing
plasma. Plasma emission was sent into the spectrograph for detecting spectral emission lines. Based on the
detected spectra, it was found that emission lines from organic element (C, H, O, N) appear clearly at different
windows. This result indicates that though it is rather low wavelength resolution the compact, commercial LIBS
system with very wide ranging wavelength of 200 nm-1000 nm can be used for analyzing major organic
elements in soil sample.
Keywords : Laser Induced Plasma Spectroscopy (LIPS), Compact Commercial LIBS System, Aceh tsunami
2004, Tsunami Sediment, Major Element
300
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober 2014,Denpasar-Bali
1. PENDAHULUAN
2. KAJIAN LITERATUR
Tsunami Samudera India 26 Desember
2004 adalah salah satu bencana alam yang
paling buruk dalam sejarah manusia modern.
Aceh adalah daerah yang paling parah dilanda
tsunami tersebut. Bencana ini telah menelan
korban lebih dari 200.000 orang hanya di
pulau Sumatra saja. Selain itu, tsunami juga
sangat berdampak pada lingkungan dan
geologi kawasan pantai yang dilanda bencana
tersebut, seperti erosi pantai dan pencemaran
tanah, air tanah dan juga air permukaan oleh
air laut dan deposisi sedimen yang tercemar
[1-3]. Penelitian secara berkala pencemaran
tanah pertanian di Aceh akibat tsunami 2004
tersebut menggunakan Fourier transform
infrared (FTIR) spectroscopy dan X-Ray
Difraction (XRD) dan atomic absorption
spectroscopy (AAS), menemukan bahwa
ternyata pencemaran tanah pertanian di
kawasan yang pernah dilanda tsunami di Aceh
masih sangat tinggi meskipun 1.5 tahun
bahkan 3.5 tahun setelah tsunami terjadi [4].
Hal
ini
mengharuskan
monitoring
berkelanjutan kontaminasi sedimen dalam
tanah di kawasan yang pernah dilanda tsunami
tersebut. Teknik analitik yang digunakan
dalam penelitian-penelitian tersebut yang
memerlukan persiapan sampel yang rumit dan
tidak mungkin dibuat in situ. Mengingat
kawasan yang dilanda tsunami sangat luas,
maka jumlah sampel yang harus dianalisa akan
sangat banyak sehingga perlu dikembangkan
sebuah teknik analitik baru yang dapat
digunakan untuk inspeksi cepat polusi
kawasan yang dilanda tsunami secara berkala.
2. Pada penelitian terdahulu teknik
spektroskopi plasma laser (laser-induced
breakdown spectroscopy, LIBS) telah berhasil
digunakan untuk mendeteksi logam berat
dalam tanah [5] dan batubara [6]. Kemajuan
teknologi laser dan sistem deteksi telah
memungkinkan pembuatan sistem LIBS
komersial dengan harga yang lebih terjangkau.
Penelitian ini ingin mengkaji kemampuan
teknik LIBS ini, khusus sistem LIBS kompak
komersial, untuk menganalisa kontaminasi
sedimen dan polusi tanah pertanian di kawasan
pantai Aceh yang dilanda tsunami 26
Desember 2004 secara berkala. Pada penelitian
sekarang, pendeteksian akan difokuskan pada
unsur-unsur organik, yaitu carbon, C,
hydrogen, H, oksigen, O dan nitrogen, N.
Penelitian yang dilakukan 50 hari setelah
tsunami Samudera India 2004, sedimen yang
terendapkan di kawasan pantai Thailand
ditemukan mengandung garam (Na+, K+,
Ca+2, Mg+2, Cl and SO4-2) dan juga logam
berat (Cd, Cu, Zn, Pb, Hg dan As) dengan
konsentrasi tinggi. Setelah musim hujan,
konsentrasi garam dan logam berat tersebut
masih tetap sangat tinggi [2-3]. Pengujian pada
sampel tanah pertanian yang diambil di lokasi
yang pernah dilanda tsunami 2004 sekitar 1.5
tahun (2006) dan 3.5 tahun (2008) kemudian
jugamendapatkan bahwa tanah tersebut
mengandung garam) dan logam berat dengan
konsentrasi tinggi. Dalam penelitian yang
sama juga ditemukan kandungan total organik
(C, H, O, N) dalam tanah yang terkena
tsunami meningkat tajam [4]. Hal ini
menyiratkan bahwa kontaminasi tersebut
terjadi akibat sedimen tsunami, karenanya
perlu monitoring secara berkala kandungan
total organik, garam dan logam berat dalam
tanah di kawasan yang pernah dilanda tsunami
tersebut yang umum sangat luas.
Sedimen adalah termasuk salah satu
sampel yang sulit dianalisa karena sifat kimia
dan fisika yang berbeda dibandingkan benda
padat lainnya. Teknik LIBS memiliki banyak
keunggulan ini yang secara khusus sangat
bermanfaat dalam analisa sampel sedime,
seperti tidak merusak sampel, tidak
memerlukan prosedur penyiapan sampel yang
rumit dan tidak berbahaya bagi pekerja dan
lingkungan,
sederhana
serta
fleksibel,
kemampuan analisa serempak [7].
Penggunaan plasma yang dinduksi laser
untuk analisa spektrokimia diprakarsai oleh
Brech dkk., 1962 [7]. Sekarang teknik ini telah
berkembang dengan sangat pesat baik dari segi
prinsip kerja maupun aplikasinya. Berdasarkan
tekanan, teknik ini dibagi menjadi 2 jenis,
yaitu teknik tekanan tinggi [8] dan teknik
tekanan rendah [9].
Teknik spektroskopi plasma laser ini
sekarang menjadi sedemikian populer bahkan
dikatakan sebagai bintang super baru (new
super star). Hal ini disebabkan oleh kenyataan
bahwa prinsip kerja, susunan perangkat, dan
operasional pengukurannya sangat sederhana
dan fleksibel meskipun menggunakan
perangkat-perangkat fisika yang sangat
canggih seperti laser, spektrograf, dan sistem
detektor kanal banyak. Prinsip dasar dan
301
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober 2014,Denpasar-Bali
kemajuan teknik ini telah didokumentasi
dengan sangat baik dalam beberapa makalah
tinjauan terbaru [10-11].
Prinsip dasar teknik ini adalah penggunaan
sebuah laser berenergi sekitar beberapa puluh
sampai seratusan mJ tiap pulsa sebagai sumber
eksitasi dimana berkas laser tersebut
difokuskan pada sampel menggunakan sebuah
lensa untuk pembangkitan plasma. Emisi
plasma tersebut dikirimkan ke spektrometer
untuk pengukuran panjang gelombang emisi
serta intensitas yang dipancarkan oleh spesiesspesies ionik dan atomik yang tereksitasi
dalam plasma tersebut. Detektor merekam
emisi garis spektral tersebut. Perangkat
elektronik digunakan untuk mendigitasikan
dan menampilkan emisi tersebut dalam bentuk
data numerik dan spektrum dengan intensitas
sebagai fungsi panjang gelombang. Faktorfaktor eksperimen sangat mempengaruhi
seperti karakteristik laser, sampel, geometri
pengukuran, gas sekeliling, dan waktu
pengukuran sangat mempengaruhi kinerja
analitik LIBS [12-13].
Teknik LIBS ini telah berhasil digunakan
untuk analisa polusi logam berat dalam tanah
sehingga menjanjikan teknik ini sebagai alat
inspeksi cepat polusi tanah (potensial fast
inspection tool) [5]. Selain itu teknik LIBS
juga berhasil digunakan untuk mendeteksi
logam
berat
dalam
batubara
[6].
Perkembangan ilmu dan teknologi laser dan
detektor telah memunculkan sistem LIBS
kompak dengan harga terjangkau. Penelitian
ini ingin menguji kemampuannya sistem LIBS
kompak, komersial untuk analisa unsur
organik dalam sampel sulit seperti tanah bekas
tsunami.
laser divariasikan menggunakan seperangkat
filter. Sampel yang diuji ditempatkan pada
pemegang sampel dalam bilik sampel.
Eksperimen dilakukan dalam lingkungan
udara pada tekanan 1 atmosfir.
Gambar 3.1. Susunan Perangkat Penelitian
Garis-garis emisi spektral diukur dan
direkam tersebut kemudian disimpan dalam
disk komputer. Data emisi spektral tersebut
kemudian dianalisa untuk mengetahui
kehadiran konstituen dalam sampel (analisa
kualitatif), sementara data intensitasnya
digunakan untuk menentukan kuantitas
konstituen tersebut dalam sampel (analisa
kuantitatif). Parameter-parameter eksperimen
seperti energi laser divariasikan untuk melihat
pengaruhnya pada kinerja analitik.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sampel tanah telah diambil dari kawasan
pantai yang dilanda tsunami Aceh 2004 dari 3
kota dan kabupaten berbeda di Aceh, yaitu
Kota Banda Aceh, Kabupaten Aceh Besar dan
Kabupaten Aceh Barat. Pada masing-masing
daerah tersebut, sampel tanah telah diambil
masing-masing pada 3 titik lokasi yang
berbeda-beda. Pengukuran spektra emisi telah
dilakukan
menggunakan
sistem
LIBS
komersial. Spektrum emisi telah direkam dari
sampel-sampel tanah yang diambil dari ketiga
daerah tersebut menggunakan sistem LIBS
komersial tersebut diperlihatkan dalam
Gambar 4.
Sistem LIBS komersial yang digunakan
dalam penelitian ini menggunakan kamera
ICCD dengan tujuh saluran panjang
gelombang pengukuran sehingga secara
keseluruhan jangkauan panjang gelombang
pengukuran sangat lebar, mulai 200 nm
sampai 1000 nm. Dalam Gambar 4, spektrum
yang diperlihatkan adalah cuplikan garis emisi
3. METODE PENELITIAN
Diagram teknik LIBS diperlihatkan dalam
Gambar 1. Sistem LIBS yang digunakan
dalam studi adalah sistem LIBS kompak
komersial (LIBS Elite System) dengan panjang
gelombang sumber laser, =1064 nm, energi
maksimum 200 mJ, dan spektrograf dengan
sistem detektor intensified coupled charge
device (ICCD) 7 saluran, frekuensi repetisi 20
Hz, jangkauan panjang gelombang 200 nm 1000 nm. Sistem ini dilengkapi dengan tempat
sampel yang dapat digerakkan dalam 3
dimensi secara otomatis menggunakan sebuah
motor listrik. Sistem OMA dijalankan dan
dikendalikan dengan komputer. Energi berkas
302
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober 2014,Denpasar-Bali
spektral pada berbagai jangkauan panjang
gelombang pengukuran.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 4. Spektrum garis-garis emisi spektral dengan intensitas relatif yang diambil dari plasma yang dibangkitkan dari
tanah bekas tsunami menggunakan sistem LIBS komersial. Tanah tersebut diambil dari daerah pantai Kota Banda Aceh,
daerah yang paling dekat dengan sumber gempa bumi dan tsunami 26 Desember 2014. Jangkauan panjang gelombang
pengukuran dimulai dari 200 nm sampai 1000 nm. Pengukuran dilakukan dalam lingkungan udara bertekanan 1 atmosfir
dengan energi laser yang digunakan adalah 43 mJ; Spektrum yang ditunjukkan pada berbagai jangkauan panjang gelombang,
dengan panjang gelombang pengukuran masing-masing pada (a) ultra violet (UV), 200 nm-300 nm (b) cahaya tampak, 630
nm-720 nm, (c) cahaya tampak, 720 nm-800 nm dan (d) inframerah dekat, 800 nm -1000 nm.
Gambar 4(a) menunjukkan spektra emisi
yang diambil pada daerah panjang gelombang
ultra violet (UV) mulai 200 nm sampai 350
nm. Dapat dilihat bahwa pada daerah panjang
gelombang ini muncul emisi kuat dari karbon,
C I 247.8 nm bersama dengan banyak garis
emisi Si ( Si I 250. 69 nm, Si I 251.61 nm, Si I
252. 41 nm, Si I 252.42 nm) dan Mg (Mg I
279.5 nm dan Mg I 285.2 nm) dan garis-garis
emisi lain. Hal ini menunjukkan bahwa unsur
organik, C dapat dideteksi dalam sampel tanah
yang diambil dari kawasan yang pernah
dilanda tsunami menggunakan sistem LIBS
kompak komersial ini.
Sementara Gambar 4(b) memperlihatkan
spektrum emisi yang diambil pada jangkauan
panjang gelombang mulai 630 nm-720 nm.
Pada jangkauan panjang gelombang ini, garis
emisi spectral dari hydrogen, H yaitu H I
656.2 nm. Selanjutnya, identifikasi spektrum
yang diambil pada jangkauan panjang
gelombang mulai 720 nm sampai 800 nm,
Gambar 4(c) memperlihatkan bahwa emisi
nitogen, N dan oksigen, O sangat kuat.
Panjang gelombang-panjang gelombang garis
emisi spektral N dan O tersebut dapat dikenali
dan dikonfirmasi dengan sangat meyakinkan,
mengingat garis emisi spektral N adalah triplet
atomik, yaitu N (N I 742.3 nm, N I 744.2 nm,
N I 746.8 nm). Garis-garis N triplet ini secara
intrinsik
dapat
digunakan
untuk
mengkonfirmasi garis emisi spektral oksigen.
Karena spektrograf yang digunakan dalam
sistem LIBS kompak tersebut memiliki
resolusi rendah, terlihat bahwa garis emisi
spektral oksigen yang merupakan triplet, yaitu
303
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober 2014,Denpasar-Bali
O I 777.2 nm, O I 777.4 nm dan O I 777.5 nm
tergabung menjadi satu garis, tidak dapat
dipisah.
Garis-garis emisi spektral nitrogen, N juga
dapat diamati pada jangkauan panjang
gelombang mulai mulai dari 800 nm sampai
1000 nm, seperti ditunjukkan dalam Gambar
4(d). Pada jangkauan panjang gelombang ini
garis-garis emisi spektral nitrogen, N yang
muncul cukup banyak, 6 buah garis. Garisgaris tersebuat adalah N I 818.4 nm, NI 818.8
nm, N I 820.0 nm, N I 821.6 nm, N I 823.3 nm
dan N I 824.2 nm. Garis-garis emisi ini sesuai
dengan garis yang dideteksi dari plasma yang
dinisiasi pada sampel tembaga murni dan
Cu2SO4 [14].
2. Szczucinski, W., P. Niedzielski, G.
Rachlewicz, T. Sobczynski, A. Zioła, A.
Kowalski, S. Lorenc and J. Siepak,
Environ. Geol. 49, 321–331 (2005).
3. United Nations Enviroment Programme
(UNEP), After The Tsunami Rapid
Environmental
Assessment,
2005,
http://www.unep.org/tsunami/tsunami_rpt.
asp
4. Chaerun, S. K., William B. Whitman,
Stephan J. Wirth, and Ruth H. Ellerbrock,
the 2009 National Meeting of the
American Society of Mining and
Reclamation, Billings, MT, Revitalizing
the Environment: Proven Solutions and
Innovative Approaches May 30 – June 5,
2009. R.I. Barnhisel (Ed.) Published by
ASMR, 3134 Montavesta Rd., Lexington,
KY 40502.
5. Idris, N., K Kagawa, F. Sakan, K. Tsuyuki
dan S. Miura, Appl. Spectrosc. 61 (12)
1344-1351 (2007).
6. Idris, N., M. Ramli, Mahidin, R. Hedwig,
M. Pardede, M. M. Suliyanti, K. H.
Kurniawan, Asian Journal of Physics
21(1) 25-32 (2012).
7. Brech, F., and L. Cross, Appl. Spectrosc.
16, 59 (1962).
8. Cremers, D. A. and L. J. Radziemski,
Laser Plasmas for Chemical Analysis, Ch.
5 in Laser Spectroscopy and its
Application, eds. L. J. Radziemski, R. W.
Solarz and J.A. Paisner, Marcel Dekker,
New York, 351-415, 1987.
9. Kagawa, K. and S. Yokoi, Spectrochimica
Acta B 37, 789 (1982).
10. Hahn, D. W. and N. Omenetto, Appl.
Spectrosc. 64(12): 335A-366A (2010).
11. Hahn, D. W. and N. Omenetto, Appl.
Spectrosc. 66(4):347-419 (2012).
12. Tognoni, E., V. Palleschi, M. Corsi, and
G. Cristoforetti, Spectrochimica Acta B
57, 1115–1130 (2002).
13. Ismail, M. A., G. Cristoforetti, S.
Legnaioli, L. Pardini, V. Palleschi, A.
Salvetti, E. Tognoni and M. A. Harith,
Analytical and Bioanalytical Chemistry
385, 316-325, 2006.
14. Tsipenyuk, D. Yu dan Davydov, M. A.,
Laser Physics, Vol. 6, No. 4, pp. 806
(1996).
5. KESIMPULAN
Pada tahap ini dapat disimpulkan bahwa
garis-garis emisi spektral dari sampel-sampel
tanah yang diambil dari kawasan pantai yang
pernah dilanda tsunami Samudera India 2004
telah dapat diukur. Spektrum yang diukur
tersebut
meliputi
jangkauan
panjang
gelombang yang sangat lebar, mulai daerah
sangat ungu, UV sampai inframerah. Karena
proses identifikasi dan konfirmasi sedang
dilaksanakan, maka secara umum baru dapat
disimpulkan bahwa teknik LIPS ini dapat
digunakan untuk mendeteksi garis emisi
spektral dari sampel tanah yang pernah dilanda
tsunami.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis menyampaikan terimakasih atas
dukungan pendanaan penelitian ini dari
Direktorat
Penelitian
dan
Pengabdian
Masyarakat Direktur Pendidikan Tinggi
Departemen Pendidikan dan Kebudayaan
melalui Universitas Syiah Kuala dengan Surat
Perjanjian
Penugasan
Nomor:
082/UN11.2/LT/SP3/2014 tanggal 26 Mei
2014. Para peneliti juga mengucapkan
terimakasih kepada Pusat Penelitian Maju
Makmur Mandiri, Srenseng, Jakarta Barat,
Jakarta untuk fasilitas LIBS yang digunakan
dalam penelitian ini.
7. REFERENSI
1. Szczuciński, W., N. Chaimanee, P.
Niedzielski,
G.
Rachlewicz,
D.
Saisuttichai, T. Tepsuwan, S. Lorenc and
J. Siepak, Polish J. of Environ. Stud.
15(5), 793-810 (2006).
304