KARAKTERISTIK OPTIK DAN ELEKTRONIK EKSTRAK KLOROFIL Spirulina fusiformis
JESSI LINAR TAMBUNAN
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2009
ABSTRAK JESSI LINAR TAMBUNAN. Karakteristik Optik dan Elektronik Ekstrak Klorofil Spirulina fusiformis. Dibimbing oleh AKHIRUDDIN MADDU dan IRIANI SETYANINGSIH. Pada penelitian ini dilakukan studi sifat optik dan elektronik klorofil Spirulina fusiformis hasil kultur pada media zarouk. Pertumbuhan diukur setiap hari dan dilakukan dua kali pemanenan, yaitu pada fase logaritmik dan fase stasioner. Kurva pertumbuhan diukur menggunakan spektrofotometer dan diperoleh lima fase pertumbuhan. Hasil panen diekstrak untuk mendapatkan larutan klorofil yang kemudian diuji absorbansi dan fluoresensinya. Setelah itu dilakukan evaporasi untuk mendapatkan padatan klorofil yang kemudian dilarutkan dengan asetil aseton, lalu ditempatkan antara kedua TCO dan dilakukan karakterisasi arus-tegangan (I-V). Absorbansi larutan ekstrak klorofil memperlihatkan adanya pita serapan klorofil sekitar 430 nm. Pada fase logaritmik serapan tertinggi berada pada panjang gelombang sekitar 430 nm dan terdapat lima pita serapan, yaitu pada selang 400-450 nm, 450-500 nm, 550-600 nm, 600-625 nm, dan 625-675 nm. Pada fase stasioner serapan tertinggi berada pada panjang gelombang sekitar 470 nm dan terdapat dua pita serapan, yaitu pada selang 450-500 nm dan 625-675 nm. Puncak absorbansi maksimum menyatakan energi eksitasi klorofil. Besar energi eksitasi pada fase logaritmik untuk panjang gelombang 429,87 nm sebesar 2,892 eV dan panjang gelombang 661,89 nm sebesar 1,878 eV, lalu pada fase stasioner untuk panjang gelombang 468,47 nm sebesar 2,654 eV dan panjang gelombang 658,50 nm sebesar 1,888 eV. Fluoresensi klorofil juga memperlihatkan adanya pita emisi fluoresensi. Pada fase logaritmik emisi tertinggi berada pada panjang gelombang 675,49 nm dengan energi emisi sebesar 1,840 eV. Pada fase stasioner emisi tertinggi berada pada panjang gelombang 678,02 nm dengan energi emisi sebesar 1,833 eV. Pengukuran I-V ekstrak klorofil dilakukan pada kondisi gelap dan terang. Konduktivitas cenderung meningkat terhadap kenaikan intensitas cahaya, sehingga klorofil bersifat fotokonduktif. Kata kunci: Spirulina fusiformis, klorofil, absorbansi, fluoresensi, konduktivitas.
KARAKTERISTIK OPTIK DAN ELEKTRONIK EKSTRAK KLOROFIL Spirulina fusiformis
JESSI LINAR TAMBUNAN
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2009
SKRIPSI Judul : Karakteristik Optik dan Elektronik Ekstrak Klorofil Spirulina fusiformis Nama : Jessi Linar Tambunan NIM : G74050570
Menyetujui
Dr. Akhiruddin Maddu Pembimbing I
Ir. Iriani Setyaningsih, M.S Pembimbing II
Mengetahui
Dr. drh. Hasyim, DEA Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Tanggal Lulus:
PRAKATA Salam Sejahtera Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat, kasih, dan penyertaan-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul ”Karakteristik Optik dan Elektronik Ekstrak Klorofil Spirulina fusiformis” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Selama pelaksanaan penelitian hingga tersusunnya skripsi ini penulis mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah banyak membantu, baik itu pada saat pelaksanaan penelitian maupun pada saat penyusunan dan penyelesaian skripsi, dalam hal ini khususnya kepada: 1. Bapak Dr. Akhiruddin Maddu dan Ibu Ir. Iriani Setyaningsih, M.S (selaku dosen pembimbing) atas segala nasehat dan bimbingannya. 2. Bapak Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S dan Bapak Faozan Ahmad, M.Si (selaku dosen penguji seminar dan sidang) atas segala masukan dan perbaikan yang diberikan. 3. Ibu Siti Nikmatin, M.Si (selaku dosen penguji kolokium) atas saran yang diberikan. 4. Bapak Dr. Ir. Djoko Prijono, MagrSc. (dosen Departemen Proteksi Tanaman) yang telah mengizinkan dan membantu penulis menggunakan evaporator di Lab. Fisiologi dan Toksikologi DPT IPB. 5. Dinas Pendidikan kota Dumai atas dukungan biaya yang diberikan selama ini. 6. Seluruh dosen, staf, dan laboran Departemen Fisika FMIPA IPB. 7. Keluargaku tercinta Papa (Alm.), Mama, dan Adik-adik (Samuel, Hotniel, dan Putra) terima kasih atas doa, nasehat, dan dukungan semangatnya”. 8. Kak Desna dan bang Piator Pasaribu, serta ponakanku Teresya ”terima kasih atas dukungan semangat dan nasehat yang telah diberikan”. 9. Bang Benardo Nababan yang selalu sabar, penuh kasih, terus membimbing aku selama penelitian, men-support aku, dan selalu ada dalam suka maupun duka. 10. Teman-temanku: Adex, Ahmad, Deni, Ery, Hartip, Lili, Mei, Mena, Rizal, Roni, Tiur, dll. 11. Adik kelompok kecilku di PMK IPB: Adit, Janet, dan Kade atas dukungan doanya. 12. Kak Lina, bang Ricardo, bang Richard, bang Supardi, Mega, Suryana, dan Christina atas dukungan semangat dan doanya selama ini. 13. Teman-teman Fisika 42 atas kebersamaan kita selama ini. 14. Pak Firman dan Pak Indro atas keikhlasan, bantuan, dan informasinya. 15. Kak Dika, Evy, Ita, Riska, Senna, dan mas Ipul atas kerjasamanya di lab. THP. 16. Teman-teman kostan: kak Dona, Acel, Cia, Kade, Lastri, Mayang, Ruli, dan Triva. 17. Komliterz atas pelayanan dan pembinaan yang kita jalani bersama dalam suka dan duka. 18. Pihak lain yang telah membantu penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan masukan baik berupa kritik, saran, dan koreksi lain yang membangun untuk mengisi kekurangan-kekurangan pada skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis pada khususnya dan bagi para pembaca pada umumnya.
Bogor, November 2009
Jessi Linar Tambunan
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di kota Dumai pada 07 Juli 1987 dari pasangan Arnold Chamberlin Tambunan, A.Md (Almarhum) dan Rukiah Lindayana Siahaan. Penulis merupakan putrid kedua dari lima bersaudara. Penulis memulai pendidikan di Taman Kanak-kanak SANTO TARCISIUS Dumai pada tahun 1992, kemudian melanjutkan ke Sekolah Dasar 3 YKPP pada tahun 1993 dan lulus tahun 1999. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan ke Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama YKPP Dumai dan lulus tahun 2002, kemudian melanjutkan pendidikan ke Sekolah Menengah Atas Negeri Binaan Khusus Dumai dan lulus pada tahun 2005. Pada tahun 2005 pula penulis diterima di Institut Pertanian Bogor melalui jalur BUD (Beasiswa Utusan Daerah), kemudian pada 2006 penulis diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor melalui program mayor-minor. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah aktif dalam berbagai organisasi. Pada tahun 2005-2009, penulis aktif dalam Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Persekutuan Mahasiswa Kristen (PMK) IPB. Penulis dipercaya sebagai Sekretaris Komisi Literatur Persekutuan Mahasiswa Kristen IPB periode 2007-2008 dan sebagai anggota Departemen Instrumentasi dan Teknologi (INSTEK) Badan Eksekutif Mahasiswa Himpunan Mahasiswa Fisika (BEM HIMAFI) IPB periode 2006-2007. Selain itu, penulis juga aktif dalam berbagai kepanitiaan.
i
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI ...............................................................................................................................
i
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................................
ii
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................................................
iii
PENDAHULUAN Latar Belakang ....................................................................................................................... Tujuan Penelitian .................................................................................................................... Manfaat Penelitian ..................................................................................................................
1 1 1
TINJAUAN PUSTAKA Spirulina sp. ........................................................................................................................... Klorofil ................................................................................................................................... Porfirin ................................................................................................................................... Fotosintesis dan Fluoresensi Klorofil ..................................................................................... Absorbansi .............................................................................................................................. Fotokonduktivitas Bahan Semikonduktor ..............................................................................
2 3 4 4 5 6
BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................................................ 7 Alat dan Bahan ....................................................................................................................... 7 Metode Penelitian Kultivasi Spirulina fusiformis ............................................................................................ 7 Pemanenan dan Pengeringan ............................................................................................. 7 Analisis Kadar Air ............................................................................................................. 8 Teknik Ekstraksi ................................................................................................................ 8 Karakterisasi Optik ............................................................................................................ 8 Uji Fotokonduktivitas ........................................................................................................ 10 HASIL DAN PEMBAHASAN Kultivasi Spirulina fusiformis ................................................................................................ Pemanenan dan Pengeringan .................................................................................................. Analisis Kadar Air .................................................................................................................. Ekstraksi dan Kadar Klorofil .................................................................................................. Absorbansi Klorofil ................................................................................................................ Fluoresensi Klorofil ................................................................................................................ Uji Fotokonduktivitas ............................................................................................................. Kurva Arus-Tegangan (I-V) .............................................................................................. Resistansi ........................................................................................................................... Resistivitas ......................................................................................................................... Konduktivitas .....................................................................................................................
11 11 12 12 12 13 14 14 15 16 16
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan ............................................................................................................................. 17 Saran ....................................................................................................................................... 17 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................. 18 LAMPIRAN ................................................................................................................................ 20
ii
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Sel Spirulina sp. .................................................................................................................
2
2 Kurva pertumbuhan mikroalga ..........................................................................................
2
3 Struktur klorofil .................................................................................................................
3
4 Spektra absorpsi ................................................................................................................
3
5 Senyawa porfirin ................................................................................................................
4
6 Fotoeksitasi klorofil ...........................................................................................................
5
7 Transisi muatan klorofil .....................................................................................................
5
8 Prinsip pengukuran fotokonduktivitas ...............................................................................
6
9 Kultur Spirulina fusiformis ................................................................................................
7
10 Proses evaporasi .................................................................................................................
8
11 Rangkaian pengukuran absorbansi .....................................................................................
9
12 Sampel yang berisi larutan untuk pengukuran absorbansi .................................................
9
13 Rangkaian pengukuran fluoresensi ....................................................................................
9
14 Sampel yang berisi larutan untuk pengukuran fluoresensi .................................................
9
15 Skema pengukuran I-V untuk memperoleh fotokonduktivitas............................................
10
16 Sel Spirulina fusiformis ......................................................................................................
11
17 Kurva pertumbuhan Spirulina fusiformis ...........................................................................
11
18 Spektrum absorbansi larutan klorofil pada fase logaritmik ................................................
12
19 Spektrum absorbansi larutan klorofil pada fase stasioner ..................................................
13
20 Spektrum absorbansi larutan klorofil pada fase logaritmik dan fase stasioner ..................
13
21 Spektrum fluoresensi fase logaritmik .................................................................................
14
22 Spektrum fluoresensi fase stasioner ...................................................................................
14
23 Kurva I-V klorofil pada fase logaritmik .............................................................................
15
24 Kurva I-V klorofil pada fase stasioner ...............................................................................
15
25 Kurva resistansi klorofil pada fase logaritmik dan fase stasioner ......................................
15
26 Kurva resistivitas klorofil pada fase logaritmik dan fase stasioner ....................................
16
27 Kurva konduktivitas klorofil pada fase logartimik dan fase stasioner ...............................
16
iii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir penelitian .......................................................................................................
21
2 Komposisi media Zarouk untuk pertumbuhan Spirulina fusiformis ..................................
22
3 Data hasil pengamatan Optical Density (OD) kultur Spirulina fusiformis .........................
22
4 Data absorbansi larutan klorofil ........................................................................................
25
5 Data I-V klorofil terhadap intensitas cahaya ......................................................................
33
6 Data resistansi klorofil terhadap intensitas cahaya .............................................................
34
7 Data resistivitas dan konduktivitas klorofil terhadap intensitas cahaya .............................
35
8 Penentuan kadar klorofil ....................................................................................................
36
9 Transisi energi fluoresensi .................................................................................................
37
10 Dokumentasi kegiatan penelitian .......................................................................................
38
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Dewasa ini, bahan semikonduktor organik sangat menarik untuk beberapa aplikasi optik dan elektronik. Senyawa tersebut menggabungkan kemudahan pembuatannya dengan struktur kimianya yang fleksibel yang dapat dirancang untuk maksud khusus (Sudanti 2006). Sifat optik dan elektronik bahan organik sudah sejak lama menjadi bahan kajian yang menarik dari sisi sains maupun teknologi. Secara umum, bahan organik sering dianggap tidak dapat digunakan dalam aplikasi elektronik dan sejenisnya karena bersifat insulator. Akan tetapi, anggapan tersebut tidak sepenuhnya benar. Beberapa jenis bahan organik ternyata menunjukkan sifat optik dan listrik yang menarik, sehingga dapat dikembangkan untuk beberapa aplikasi elektronik, optoelektronik dan fotonik, seperti sel surya dan fotosensitizer (Anonim 2008). Sejauh ini dye yang digunakan sebagai sensitizer dapat berupa dye sintesis maupun dye alami. Dye sintesis umumnya menggunakan organik logam berbasis ruthenium komplek yang cukup mahal, sedangkan dye alami dapat diekstrak dari bagian-bagian tumbuhan seperti daun, bunga atau buah. Berbagai jenis ekstrak tumbuhan telah digunakan sebagai fotosensitizer pada sistem sel surya tersensitisasi dye. Ekstrak dye atau pigmen tumbuhan yang digunakan sebagai fotosensitizer berupa ekstrak klorofil, karoten atau antosianin (Maddu et al 2007). Biomolekul dari senyawa porfirin misalnya, merupakan bahan organik untuk dijadikan pembuatan devais optik dan elektronik. Keunggulan bahan organik alam ini dengan berat molekul yang kecil mempunyai nilai koefisien serapan optik yang tinggi. Porfirin merupakan salah satu pigmen organik yang banyak dikaji karena berperan untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi kimia dalam proses fotosintesis dan merupakan salah satu bagian dari klorofil (Supriyanto et al 2008). Kehidupan di bumi digerakkan oleh energi matahari. Klorofil tumbuhan menangkap energi cahaya yang telah menempuh jarak 160 juta kilometer dari matahari dan mengubahnya menjadi energi kimiawi yang disimpan dalam gula dan molekul organik lainnya. Proses ini disebut fotosintesis (Campbell et al 2000). Fotosintesis menyerap cahaya matahari dalam bentuk gelombang
elektromagnetik. Cahaya matahari yang sampai ke bumi, sekitar 23% digunakan untuk daur hidrologi, 46% untuk pemanasan atmosfer, permukaan bumi serta lautan, dan sekitar 30% dipantulkan kembali ke luar angkasa. Cahaya matahari kurang dari 1% digunakan untuk proses fotosintesis tumbuhan (Wirahadikusumah 1985). Akhir-akhir ini, penelitian dan pengembangan fotosintesis buatan untuk konversi energi matahari kian banyak mendapat perhatian berbagai pusat penelitian dunia, khususnya untuk mengantisipasi krisis bahan bakar fosil dan ancaman pemanasan global di masa depan (Nasruddin & Limantara 2009). Indonesia telah dikenal luas sebagai negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan. Berbagai jenis mahluk hidup, baik berupa tumbuhan air maupun hewan air terdapat di perairan. Salah satu mahluk hidup yang tumbuh dan berkembang di perairan adalah Spirulina sp. (Dio 2008). Spirulina sp. adalah sejenis tumbuhan air yang mengandung satu sel saja. Oleh karena itu, ia tidak mempunyai akar, daun, bunga, dan sebagainya. Ia merupakan kumpulan alga yang berbentuk spiral dan berwarna hijau gelap. Warna ini disebabkan oleh kombinasi klorofil (hijau), fikosianin (biru), dan karotenoid (orange). Beberapa hal yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah sifat optik dari klorofil yang diekstrak dari bahan alam Spirulina fusiformis, kemudian mengkarakterisasi sifat listriknya dengan menentukan fotokonduktivitas dan responsivitas cahaya dari klorofil tersebut. Proses kultur Spirulina fusiformis dan fotosintesis juga akan dipelajari pada penelitian ini. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mengkultur mikroalga Spirulina fusiformis, mengekstrak klorofil dari mikroalga Spirulina fusiformis, dan mengkarakterisasi sifat optik dan elektronik klorofil tersebut. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberi informasi bagi masyarakat tentang sifat optik dan elektronik klorofil secara umum.
