Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015

Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015

ISSN XXX-XXX

1


ISSN XXX-XXX

2


ISSN XXX-XXX

3


ISSN XXX-XXX

4


ISSN XXX-XXX

5


ISSN XXX-XXX

6


ISSN XXX-XXX

7


ISSN XXX-XXX

KARAKTERISASI EMISI UNSUR KARBON C I 247,8 nm DENGAN LASER-INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY (LIBS)

Hery Suyanto1, Nyoman Wendri1, Ni Wayan Sariasih1, Ni Nyoman Ratini1 1

Jurusan Fisika, FMIPA- Universitas Udayana Jl. Kampus Bukit Jimbaran, Badung-Bali 80361 Email : [email protected]

ABSTRAK Karbon (C) merupakan suatu unsur yang mempunyai banyak keistimewaan diantaranya dapat berikatan kovalen rangkap dengan unsur-unsur lain termasuk gas baik secara rantai linear maupun siklik yang cukup kuat. Dibalik keistimewaan ini, ada kesulitan untuk mendeteksi unsur karbon dilingkungan udara dengan beberapa peralatan tertentu. Hal ini dapat diatasi dengan teknik LaserInduced Breakdown Spectroscopy (LIBS) melalui metode penundaan waktu deteksi (delay time detection). Bila laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns) difokuskan pada permukaan sampel karbon (grafit), maka sebagian kecil sampel terablasikan dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatik dengan lingkungan udara dan terbentuk plasma. Plasma berisikan elektron-elektron, atom-atom netral, ion-ion dan atom-atom tereksitasi. Elektron-elektron dalam atom-atom C yang tereksitasi akan segera kembali ke keadaan dasar (ground state) sambil mengemisikan foton dengan panjang gelombang 247,8 nm. Emisi ini ditangkap oleh spektrometer dan ditampilkan sebagai intensitas fungsi panjang gelombang. Hasil menunjukkan bahwa setiap peningkatan energi laser sebesar 20 mJ (80 mJ, 100 mJ, 120 mJ), maka ada peningkatan nilai intensitas emisi C I 247,8 nm rata-rata sebesar 1,5 kali. Data juga menampilkan bahwa kondisi optimum pendeteksian emisi C I 247,8 nm berada di antara waktu tunda deteksi 0 - 1 μs. Hal ini disebabkan karena, setelah waktu tersebut atom C sebagian besar berekombinasi dengan gas nitrogen yang ada dilingkungan (udara) dan membentuk senyawa CN. Berdasarkan hasil penelitian bahwa kondisi optimum pendeteksian molekul CN berada diantara 1 – 3 μs dan ratio CN/C paling tinggi terjadi pada saat menggunakan energi laser 80 mJ dibandingkan energi laser lebih tinggi 100 mJ maupun 120 mJ. Untuk membuktikan adanya rekombinasi antara atom C dengan gas nitrogen, maka telah dilakukan penelitian di lingkungan gas He dan ditemukan intensitas emisi CN yang sangat kecil yang mana diasumsikan bahwa CN tersebut berasal dari dalam bahan dan bukan hasil rekombinasi atom C dengan gas nitrogen di lingkungan. Kata kunci : karbon (C), LIBS, waktu tunda deteksi PENDAHULUAN Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) merupakan peralatan serbaguna yang mana dapat sebagai alat analisis dan juga sebagai peralatan eksperimen untuk hampir semua bahan dengan hampir tidak membutuhkan prepasi sampel dan hampir tidak merusak sampel (nondestructive test). Metode peralatan ini didasarkan pada pendeteksian secara optik dari emisi atom maupun molekul dalam plasma laser.1

Beberapa parameter penting yang harus diperhatikan

dengan teknik ini diantaranya : laser (lebar pulsa, panjang gelombang dan energi laser), waktu tunggu deteksi (delay time detection) dan lingkungan gas penyangga disekitar sampel.2 Dengan mengkombinasikan parameter-parameter tersebut, maka akan dapat mengkarakterisasi suatu atom

8


ISSN XXX-XXX

atau molekul bahkan dapat mengetahui proses rekombinasi antara atom dengan gas membentuk molekul. Karbon atau zat arang merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol C dan nomor atom 6 pada tabel periodik. Karbon merupakan unsur non-logam dan bervalensi 4 (tetravalen), yang berarti bahwa terdapat empat elektron yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan kovalen.3 Karbon memiliki beberapa jenis alotrop, yang paling terkenal adalah grafit, intan, dan karbon amorf. Sifat-sifat fisika karbon bervariasi bergantung pada jenis alotropnya. 4 Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam kondisi normal, tetapi grafit merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamik di antara alotrop-alotrop lainnya. Semua alotrop karbon sangat stabil dan memerlukan suhu yang sangat tinggi (titik didih 48270C) untuk bereaksi, bahkan dengan oksigen dan nitrogen. Karbon dapat membentuk lebih banyak senyawa daripada unsur-unsur lainnya, dengan hampir 10 juta senyawa organik murni yang telah dideskripsikan sampai sekarang. 5 Berdasarkan sifat karbon tersebut diatas maka sulit untuk mendeteksi atom karbon secara terpisah, kecuali dengan peralatan yang berdasarkan sifat optik seperti LIBS. Ini disebabkan karena atom karbon merupakan unsur ringan dan mudah berikatan dengan unsur-unsur lain termasuk dengan gas seperti oksigen, hidrogen dan nitrogen di udara untuk membentuk senyawa CO, CH dan CN. Berdasarkan kenyataan tersebut maka pada makalah ini membahas karakteristik atom karbon dengan LIBS yang mana untuk mengetahui berapa waktu tunggu deteksi (delay time detection) dan energi laser yang optimum untuk mendeteksinya. Selain itu juga membahas fenomena rekombinasi atom karbon dengan gas nitrogen baik di lingkungan udara maupun di lingkungan gas nitrogen murni. SET-UP EKSPERIMEN Set-up eksperimen pada penelitian ini seperti ditunjukkan pada gambar 1. Laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns) dengan energi 80, 100 dan 120 mJ difokuskan oleh lensa Quartz (f =10 cm) pada permukaan lempengan sampel karbon (grafit) dilingkungan udara 1 atm. Sebagian kecil sampel akan terablasikan dengan kecepatan sangat tinggi dan terjadi kompresi adiabatik dengan gas penyangga lingkungan dan menghasilkan gelombang kejut (shockwave), sehingga terbentuklah plasma.6 Energi gelombang kejut ini digunakan untuk mengeksitasi atom-atom yang terablasi. Elektron-elektron dalam atom-atom tereksitasi kembali ke keadaan dasar (ground state) sambil mengemisikan foton dengan panjang gelombang yang sesuai jenis atomnya. Selanjutnya foton ini ditangkap oleh spektrometer HR 2500++( spectrometer range 200 – 980 nm, resolusi 0.1 nm (FWHM), 7 detector CCDs with a combined 14,336 pixels ) dan ditampilkan sebagai spektra intensitas fungsi panjang gelombang dengan software OOILIB dan OOICOR. Intensitas menunjukan konsentrasi atomnya sedangkan panjang gelombang menunjukkan jenis atomnya.

9


ISSN XXX-XXX

Dengan memvariasi energi laser, jenis gas penyangga dan waktu tunggu deteksi akan diperoleh karakteristik dari suatu atom karbon dan senyawanya.7,8

Gambar 1. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS).9

Dalam penelitian ini menggunakan energi laser 80, 100 dan 120 mJ; gas penyangga : udara, nitrogen dan helium pada 1 atm; dan waktu tunggu deteksi dari 0 sampai 4 µs. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada saat laser dengan energi 80 mJ difokuskan pada permukaan sampel karbon (grafit), maka sebagian kecil sampel terablasikan dan terjadi kompresi adiabatis dengan gas lingkungan yang selanjutnya terbentuk plasma. Elektron-elektron dalam atom-atom netral karbon yang tereksitasi dalam plasma kembali ke ground state sambil mengemisikan foton dan ditangkap oleh spektrometer dengan waktu tunggu deteksi 0 μs yang selanjutnya ditampilkan sebagai intensitas fungsi panjang gelombang seperti pada gambar 2.

Sampel : Lempengan Karbon (grafit) Energi Laser : 80 mJ lingkungan gas : udara, N2, He (1 atm) waktu tunggu deteksi : 0 μs

intensitas, a.u

120 100

C I 247.8

140 Udara, 0 μs N2 30 ml/s, 0 μs He 30 ml/s , 0 μs

80 60 40 20 0 247

247.5

248

panjang gelombang, nm

248.5

Gambar 2. Spektrum Emisi Karbon C I 247,8 nm pada tekanan 1 atm di lingkungan gas : Udara, N2 dan He

10


ISSN XXX-XXX

Gambar 2, menunjukkan intensitas emisi atom netral karbon C I 247,8 nm fungsi panjang gelombang yang berada pada lingkungan gas udara, nitrogen (N2) dan helium(He). Grafik menunjukkan bahwa intensitas atom karbon dilingkungan gas He paling tinggi dibandingkan di udara dan di gas N2. Ini disebabkan karena hampir semua atom karbon yang terablasi dari sampel akan tereksitasi akibat adanya energi gelombang kejut serta cadangan gas panas yang dihasilkan oleh gas He yang selanjutnya mengemisikan foton dengan panjang gelombang 247,8 nm. Selain dari itu, karena dilingkungan gas He dengan kemurnian 99,99%, maka atom C tidak dapat berikatan gas lain seperti N, O dan H untuk membentuk molekul CN, CO dan CH sehingga intensitas karbon paling tinggi. Sebaliknya, intensitas emisi karbon C I 247,8 nm dilingkungan gas N2 paling rendah dibandingkan dilingkungan udara maupun gas He. Ini karena sebagian besar atom karbon yang terablasi dari sampel berekombinasi dengan gas N2 disekitarnya dan membentuk molekul CN. Untuk membuktikan kenyataan-kenyataan tersebut, maka ditinjau

intensitas, a.u

CN 388.3 nm

Sampel : Lempengan Karbon (grafit) Energi Laser : 80 mJ lingkungan gas : udara, N2, He (1 atm) waktu tunggu deteksi : 0 μs

100

CN 387.1 nm

120

CN 386.03 nm

spektrum molekul CN yang ditampilkan pada gambar 3.

80

60

Udara, 0 μs N2 30 ml/s, 0 μs He 30 ml/s , 0 μs

40

20 380

381

382

383

384

385

386

387

388

389

390

Panjang gelombang, nm Gambar 3. Spektrum Emisi CN pada tekanan 1 atm di lingkungan gas : Udara, N2 dan He Gambar 3 menunjukkan spektrum emisi molekul CN (CN 386,03 nm ; CN 387,1 dan CN 388,3 nm) dilingkungan gas udara, N2 dan He. Besarnya intensitas emisi CN kebalikan dengan nilai intensitas C pada gambar 2. Nilai intensitas emisi molekul CN yang berada pada lingkungan gas N2 adalah paling tinggi. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa sebagian besar atom karbon yang terablasi dari sampel berikatan dengan gas N2 membentuk molekul CN. Demikian juga intensitas molekul CN dilingkungan gas He adalah paling rendah yang mana ini karena hampir tidak ada gas nitrogen di lingkungan gas He sehingga atom karbon tidak berikatan dengan

11


ISSN XXX-XXX

nitrogen. Sedangkan dilingkungan udara, baik intensitas emisi karbon maupun molekul CN selalu berada diantara lingkungan gas He dan gas N2. Untuk memahami sifat atau karakteristik emisi atom netral karbon C I 247,8 nm dan molekul CN 388,3 nm, maka perlu dilihat pengaruhnya terhadap perubahan energi laser dan waktu tunggu deteksi (delay time detection) yang hasilnya seperti ditunjukkan pada gambar 4,5 dan 6. 45 sampel : lempengan Karbon (grafit) laser energi : 80 mJ dilingkungan : di udara (1 atm)

40

intensitas, a.u

35 30 25 20 15

CN I 388,3 nm C I 247,8 nm

10

5 0 0

1

2 3 waktu tunggu deteksi, μs

4

Gambar 4. Intensitas emisi atom karbon C I 247,8 nm dan molekul CN I 388,3 nm fungsi waktu tunggu untuk energi laser 80 mJ di lingkungn udara 1 atm.

60 sampel : lempengan Karbon (grafit) laser energi : 100 mJ dilingkungan : di udara (1 atm)

intensitas, a.u

50

CN I 388,3 nm

40

C I 247,8 nm 30 20 10 0 0

1

2 waktu tunggu deteksi, μs

3

4

Gambar 5. Intensitas emisi atom karbon C I 247,8 nm dan molekul CN I 388,3 nm fungsi waktu tunggu untuk energi laser 100 mJ di lingkungn udara 1 atm.

12


ISSN XXX-XXX

80

sampel : lempengan Karbon (grafit) laser energi : 120 mJ dilingkungan : di udara (1 atm)

70

intensitas, a.u

60 50

CN I 388,3 nm C I 247,8 nm

40 30

20 10 0 0

1

2 waktu tunggu deteksi, μs

3

4

Gambar 6. Intensitas emisi atom karbon C I 247,8 nm dan molekul CN I 388,3 nm fungsi waktu tunggu untuk energi laser 120 mJ di lingkungn udara 1 atm. Gambar 4, 5 dan 6, merupakan intensitas emisi karbon C I 247,8 nm dan molekul CN 388,3 nm fungsi waktu tunggu deteksi dari 0 – 4 μs yang masing-masing menggunakan energi laser 80, 100 dan 120 mJ di lingkungan udara 1 atm. Secara umum grafik menunjukkan intensitas emisi atom karbon C I 247,8 nm menurun dengan bertambahnya waktu deteksi dan meningkat sebesar 1,5 kali dengan bertambahnya energi laser sebesar 20 mJ. Ini disebabkan semakin besar energi laser, maka jumlah atom-atom karbon yang terablasi dan tereksitasi juga semakin banyak yang mana akan mengemisikan banyak foton. Akan tetapi, semakin lama waktu tunggu deteksi, maka semakin habis jumlah fotonnya yang mengakibatkan intensitasnya menurun. Selain dari itu semakin lama waktu tunggu deteksi, maka semakin banyak atom-atom karbon yang berekombinasi dengan gas nitrogen (N2) yang ada di udara dan membentuk molekul CN, sehingga jumlah emisi atom karbon menurun. Pembentukan molekul CN ini diyakini berasal dari hasil rekombinasi antara atom-atom karbon dari sampel dengan gas nitrogen yang ada disekitar sampel. Ini dapat dilihat pada gambar 4,5 dan 6, bahwa menurunnya intensitas atom karbon akan dibarengi dengan meningkatnya molekul CN. Berdasarkan gambar 4,5 dan 6, bahwa pendeksian atom netral karbon C I 247,8 nm sebaiknya dilakukan diantara waktu tunggu deteksi 0 – 1 μs. Sedangkan waktu tunggu deteksi untuk molekul CN sebaiknya dilakukan diantara 1 – 3 μs. Untuk melihat probabilitas terbentuknya rekombinasi antara atom karbon dengan gas nitrogen disekitarnya, maka perlu dihitung rasio antara CN dengan C fungsi waktu tunggu deteksi dan hasilnya seperti pada gambar 7.

13


ISSN XXX-XXX

10 9 Ratio intensitas CN/C

8

sampel : Karbon grafit laser energi : 80,100, 120 mJ dilingkungan : di udara (1 atm)

7 Ratio CN/C (80 mJ)

6 5

Ratio CN/C (100 mJ)

4

Ratio CN/C (120mJ)

3 2 1 0 0

0.5

1

1.5 2 2.5 waktu tunggu deteksi, μs

3

3.5

Gambar 7. Ratio intensitas CN/C fungsi waktu tunda deteksi dari 0 – 3 μs, untuk energi laser 80, 100 dan 120 mJ di lingkungan udara 1 atm. Gambar 7, menunjukkan ratio intensitas CN/C fungsi waktu tunda deteksi dari 0 – 3 μs, untuk energi laser 80, 100 dan 120 mJ di lingkungan udara 1 atm. Berdasarkan data pada gambar tersebut, bahwa dengan menggunakan energi laser 80 mJ akan terjadi rekombinasi antara atom karbon C dengan gas nitrogen di udara yang paling besar dibandingkan dengan menggunakan energi laser 100 mJ maupun 120 mJ. Ini disebabkan karena semakin rendah energi laser, semakin rendah kecepatan atom karbon yang terablasikan sehingga menghasilkan energi gelombang kejut yang rendah dan menyebabkan banyak atom karbon berikatan dengan gas nitrogen membentuk CN.

KESIMPULAN Berdasarkan data penelitian bahwa ada korelasi nilai intensitas emisi atom karbon C dengan nilai intensitas emisi molekul CN pada eksperimen di lingkungan udara 1 atm. Penurunan intensitas emisi atom C fungsi waktu tunda deteksi akan diikuti peningkatan intensitas emisi molekul CN. Pendeteksian atom C sebaiknya dilakukan pada waktu tunggu deteksi antara waktu 0 – 1 μs, sedangkan untuk molekul CN berada antara 1 – 3 μs untuk semua energi laser 80, 100 dan 120 mJ. Penelitian untuk pendeteksian CN sebaiknya dilakukan pada energi laser yang lebih rendah. Data menunjukkan bahwa rasio intensitas CN/C untuk energi laser 80 mJ paling besar dibandingkan dengan energi laser 100 dan 120 mJ. Untuk menunjukkan adanya rekombinasi antara atom C dengan gas nitrogen, maka telah dilakukan penelitian di lingkungan gas He dan ditemukan intensitas emisi CN yang sangat kecil yang mana diasumsikan bahwa CN tersebut berasal dari dalam bahan dan bukan hasil rekombinasi atom C dengan gas nitrogen.

14


ISSN XXX-XXX

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terimakasih atas dukungan pendanaan penelitian ini dari dana PNBP Universitas Udayana melalui skim Hibah Penelitian Unggulan Program Studi Tahun Anggaran 2015 dengan Surat Perjanjian Penugasan Nomor: 1308/UN14.1.28.1/PP/2015

DAFTAR PUSTAKA 1. H.R. Griem, Principles of Plasma Spectroscopy (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1997) 2. D.A. Cramers and L. J. Radziemski, Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (Wiley, New York, 2006) 3. "Periodic Table: Date of Discovery". Chemical Elements.com. Diakses 2007-03-13 4. "World of Carbon - Interactive Nano-visulisation in Science &Engineering Edukation (INVSEE)". Diakses 2008-10-09. 5. Chemistry Operations (December 15, 2003). "Carbon". Los Alamos National Laboratory. Diakses 2008-10-09 6. W.S. Budi, H. Suyanto, K.H. Kurniawan, M.O. Tjia, K. Kagawa.” Shock Exitation and Cooling Stage in the Laser Plasma Induced by a Q-Swictched Nd:YAG laser at Low Pressure”. Appl. Spectroscopy. 1999.53(6).719-730 7. D.A. Cremers, L.J. Radziemski, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Fundamentals and Applications, UK :Cambridge University Press, Cambridge, 2006 8. Marincan Pardede, Rinda Hedwig, Syahrun N.A, Kurnia Lahna, Nasrullah Idris, Eric Jobiliong, Hery Suyanto, A.M. Marpaung, M.M. Suliyanti, Muliadi Ramli, M.O. Tjia, T.J. Lie, Zener Sukra Lie, D.P. Kurniawan, K. H. Kurniawan, dan K. Kagawa. “ Quantitative and Sensitive Analysis of CN Molecules Using Laser Induced Low Pressure He Plasma”. Journal of Applied Physics, AIP. 2015. Vol. 117, number 11(113302 1-7). 9. Suyanto, H. Diktat kuliah Spektroskopi terapan. Bukit Jimbaran: Universitas Udayana, 2012.

TANYA-JAWAB : 1. Pertanyaan dari Mogari (UKI): Bagaimana cara mendeteksi unsur-unsur atau molekul di udara bebas secara langsung dengan metode LIBS? Jawaban: LIBS juga menawarkan pendeteksian secara insitu, jadi laser langsung difokuskan pada udara dan terbentuk plasma yang mana emisinya ditangkap dengan detektor melalui fiber yang kemudian ditampilkan spektrum intensitas fungsi panjang gelombang yang selanjutnya dianalisis dengan software addlibs untuk menentukan jenis-jenis unsurnya(di demokan) . Untuk menjangkau jarak agak jauh, maka diperlukan lensa yang mempunyai jarak fokus yang lebih panjang.

15

Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015

Recommend Documents