RANCANG BANGUN SISTEM DETEKSI FLUORESENSI KLOROFIL DAUN BAYAM BERBASIS FOTODIODA Muhammad Zaini Afdlan*, Minarni, Zulkarnain Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia *
[email protected] ABSTRACT Plant interactions with the sun influence the amount of chlorophyll. The amount of chlorophyll influence the absorption of energy when excited by a laser. Design system of chlorophyll fluorescence detection based photodiode has been done. The chlorophyll of spinach leaf extract from spinach plants were given two different treatments used as a sample. Five variations of chlorophyll by spinach leaf concentration in an acetone used were 0,025gr/ml, 0.125 gr/ml, 0,25gr/ml, 0,375gr/ml, and 0,5gr/ml. Extract chlorophyll was excited by three laser diodes with different wavelengths are 405nm (violet), 532nm (green), and 780nm (red). Extract chlorophyll of fluorescence was detected using two photodiode which is connected to the amplifier circuit. Two photodiodes recording the light before recording the fluorescence of cuvette and extract chlorophyll. The output voltage of the amplifier circuit was measured using a multitester and the fluorescence spectra recorded by the CCD camera. The results showed that chlorophyll absorbs less energy when excited by green laser and red laser compared with as much as 50%, while the violet laser reaches 90%. Voltage output from amplifier circuit are influenced by variations of chlorophyll concentration. Keywords: spinach leaf extract, diode lasers, laser-induced chlorophyll fluorescence, photodiode-based detector, variations of chlorophyll concentration. ABSTRAK Interaksi tanaman dengan cahaya matahari mempengaruhi jumlah klorofil pada daun. Jumlah klorofil pada daun mempengaruhi penyerapan energi ketika dieksitasi oleh laser. Penelitian rancang bangun sistem deteksi fluoresensi klorofil berbasis fotodioda telah dilakukan. Ekstrak klorofil daun bayam dari tanaman bayam yang diberi dua perlakuan variasi intensitas matahari berbeda dijadikan sebagai sampel. Perlakuan variasi intensitas matahari pada tanaman bayam adalah yang dinaungi plastik dan yang dinaungi plastik plus paranaet. Lima variasi konsentrasi klorofil daun bayam dalam larutan aseton digunakan yaitu 0,025gr/ml, 0,125gr/ml, 0,25gr/ml, 0,375gr/ml, dan 0,5gr/ml. Larutan ekstrak klorofil dieksitasi oleh tiga buah laser dioda dengan panjang gelombang berbeda yaitu Repository FMIPA
1
405nm (ungu), 532nm (hijau), dan 780nm (merah). Fluoresensi ekstrak klorofil dideteksi menggunakan dua buah fotodioda yang dihubungkan ke rangkaian penguat. Dua buah fotodioda merekam cahaya sebelum kuvet dan merekam fluoresensi ekstrak klorofil. Tegangan keluaran dari rangkaian penguat diukur menggunakan multitester, sedangkan spektrum fluoresensi direkam oleh kamera CCD. Hasil penelitian menunjukkan bahwa variasi ekstrak klorofil mempengaruhi tegangan keluaran yang direspon fotodioda. Penyerapan energi yang paling besar adalah untuk cahaya dengan panjang gelombang ungu, diikuti oleh panjang gelombang merah, dan yang paling sedikit oleh laser dengan panjang gelombang hijau. Klorofil menyerap energi lebih sedikit ketika dieksitasi oleh laser hijau dibanding dengan laser merah dengan perbedaan sekitar 50%, sedangkan dengan laser ungu dengan perbedaan 90%. Variasi konsentrasi klorofil mempengaruhi tegangan keluaran yang direspon fotodioda. Kata kunci: ekstrak daun bayam, detector berbasis fotodioda, fluoresensi klorofil yang diinduksi laser, laser dioda, variasi konsentrasi klorofil.
PENDAHULUAN Light amplification by stimulated emition of radiation yang kerap disebut dengan laser merupakan sumber cahaya monokromatik yang diperkuat. Laser memiliki beberapa karakteristik yang tidak dimiliki oleh sumber cahaya lain seperti monokromatik, koheren, cerah, kesearahan, dan intensitas yang tinggi. Berbeda dengan sumber cahaya lain yang tidak koheren, polikromatik, tidak cerah, tidah searah, dan intensitasnya yang rendah. Laser telah banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari mulai dari awal ditemukan hingga saat ini. Dibidang medis laser digunakan untuk mendiagnosa penyakit dan pembedahan. Dibidang industri laser dimanfaatkan untuk pengelasan, pemotongan baja, dan pembuatan lubang pada lempeng baja. Dalam riset fisika laser digunakan untuk
Repository FMIPA
untuk mengukur lebar berkas keluaran laser serta kedataran cermin yang dipasang pada interferometer Michelson. Dalam riset biologi fluoresensi laser dimanfaatkan untuk mengklasifikasi hubungan kekerabatan beberapa jenis mangga berdasarkan fluoresensi klorofil (Swita, 2013). Fluoresensi adalah pendaran cahaya setelah menabrak molekul. Pendaran cahaya ini dikelompokkan menjadi dua, yaitu fluoresensi dan fosforesensi. Fluoresensi berlangsung sangat singkat dalam kisaran waktu 10-9 - 10-7s, sedangkan fosforesensi berlangsung dalam waktu lebih lama dari fluoresensi yaitu 10-4 – 10-1s dan terjadi pada suhu yang lebih rendah (Murata et al., 1996). Saat ini sistem deteksi telah banyak dikembangkan dan bisa digunakan untuk mendeteksi fluoresensi klorofil yang diinduksi oleh laser. Namun sistem deteksi ini memiliki harga yang relatif mahal.
2
Pada penelitian ini sistem deteksi fluoresensi klorofil daun dibuat menggunakan fotodioda dan rangkaian penguat. Sistem ini digunakan untuk mengukur intensitas fluoresensi yang dihasilkan klorofil ekstrak daun bayam yang dieksitasi oleh cahaya laser. Cahaya laser dengan tiga variasi panjang gelombang menyinari kuvet yang berisi ekstrak klorofil daun bayam. Ekstrak daun bayam diberi dua perbedaan intensitas cahaya matahari dengan memberi paranet. Dua buah rangkaian penguat berbasis fotodioda digunakan untuk mendeteksi cahaya sebelum dan sesudah mengenai ekstrak daun bayam dengan menggunakan beam splitter. Perbedaaan intensitas fluoresensi terhadap variasi panjang gelombang dan konsentrasi klorofil daun bayam dianalisa. Perbedaan intensitas fluoresensi berdasarkan perlakuan cahaya matahari terhadap tanaman bayam juga dianalisa.
100kΩ, dan 1MΩ, op-amp lm358, dan fotodioda dirangkai menjadi rangkaian penguat fotodioda. Prosedur Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen dengan memvariasikan resistansi resistor pada sistem deteksi fluoresensi klorofil sehingga tegangan keluaran dari sistem deteksi mendekati angka nol sebelum dirangsang oleh cahaya dari luar. Rangkaian sistem deteksi cahaya digunakan untuk mengukur intensitas fluoresensi klorofil ekstrak daun bayam. Gambar 1 adalah rangkaian penguat fotodioda yang merupakan modifikasi dari rangkaian yang diusulkan Haryanto (2008).
METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Alat – alat yang digunakan adalah tiga buah laser dioda dengan panjang gelombang berbeda 405nm (ungu), 532nm (hijau), dan 780nm (merah), beam splitter, ND filter, kuvet, kamera CCD, multitester, dan osiloskop digital. Bahan - bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah daun bayam hijau dan aseton untuk ekstraksi klorofil daun bayam. Ekstrak klorofil daun bayam divariasikan dengan lima variasi konsentrasi yaitu 0,025gr/ml, 0,125gr/ml, 0,25gr/ml, 0,375gr/ml, dan 0,5gr/ml. Resistor dengan variasi resistansi 10kΩ,
Repository FMIPA
Gambar 1. Rangkaian sistem deteksi fluoresensi berbasis fotodioda. Rangkaian penguat fotodioda pada Gambar 1 dihidupkan menggunakan power supply dengan tegangan input Vcc ± 15V. Gambar 2 adalah skema pengambilan data yang digunakan. Rangkaian penguat yang diguanakan adala rangkaian pada Gambar 1. Laser dengan daya <5 mW dinyalakan dan diarahkan ke pembagi sinar 50:50, pembagi sinar akan membagi sinar laser menjadi dua, yang satu 3
diteruskan ke kuvet dan yang lainnya di pantulkan mengarah ke fotodioda untuk mengetahui besar tegangan berkas sebelum mengenai kuvet.
Gambar 3. Grafik hubungan intensitas fluoresensi terhadap variasi panjang gelombang cahaya pengeksitasi. Gambar 2. Skema pengambilan data (Zare et al., 1995). Berkas sinar laser yang diteruskan akan mengenai kuvet sehingga terjadi absorpsi dan fluoresensi. Fotodioda diletakkan sangat dekat dengan kuvet dan pada sudut 90o akan merespon ketika fluoresensi terjadi. Keluaran dari rangkaian penguat berupa signal listrik dalam satuan mV, kemudian signal listrik tersebut dibaca oleh multitester dan osiloskop. HASIL DAN PEMBAHASAN Sistem deteksi fluoresensi klorofil berbasis fotodioda berhasil dibuat dengan perangkat utama yaitu fotodioda dan IC op-amp LM358, dan beberapa resistor dengan resistansi bervariasi. Berdasarkan data spektrum flouresensi yang direkam oleh kamera CCD dan diolah menggunakan program ImageJ diperoleh hubungan intensitas fluoresensi terhadap variasi panjang gelombang pengeksitasi seperti terlihat pada Gambar 3.
Repository FMIPA
Gambar 3 memperlihatkan bahwa klorofil menyerap lebih sedikit energi ketika dieksitasi dengan panjang gelombang 532nm dibanding dengan penyerapan energi ketika dieksitasi oleh laser 405 nm dan 780 nm. Gambar 3 juga memperlihatkan bahwa semakin tinggi konsentrasi klorofil yang dieksitasi maka tegangan output yang dihasilkan semakin kecil, hal ini disebabkan karena penyerapan energi yang dilakukan klorofil semakin besar. Perlakuan tanaman bayam terhadap perbedaan intensitas cahaya matahari mempengaruhi jumlah klorofil pada daun. Tanaman bayam yang dinaungi plastik plus paranet menghasilkan jumlah klorofil lebih banyak dibandingkan dengan tanaman bayam yang hanya dinaungi plastik. Perbedaan jumlah klorofil pada daun mempengaruhi penyerapan energi ketika dieksitasi oleh sinar laser
4
Murata,
Gambar 4. Grafik hubungan intensitas fluoresensi dan perlakuan cahaya matahari pada tanaman bayam menggunakan laser hijau 532nm sebagai cahaya pengeksitasi. Kesimpulan Sistem deteksi fluoresensi klorofil berbasis fotodioda berhasil dibuat dan dapat beroperasi dengan baik. Sistem ini dapat digunakan untuk mengukur output voltage dari fluoresensi klorofil daun bayam yang dieksitasi oleh sinar laser. Intensitas fluoresensi klorofil daun bayam menghasilkan output voltage yang jauh lebih tinggi ketika dieksitasi oleh laser hijau dengan panjang gelombang 532nm, dibandingkan pada saat dieksitasi oleh laser dengan panjang gelombang yang lain. Perubahan intensitas fluoresensi dipengaruhi oleh perubahan konsentrasi klorofil.
N. Nishimura, M. dan Takamiya, A. 1996. Fluorescent Of Chlorophyll in Photosynthetic system III. Emission and action spectra of fluorescence; Three emission bunds of chlorophyll a and the energi transfer between two pigmen system, Biochin Bhiophys Acta. 126, 234-243.
Swita A. 2013. Justifikasi beberapa jenis mangga (mangifera) berdasarkan karakter morfologi dan klorofil dengan pemanfaatan laser [skripsi]. Pekanbaru: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau. Zare,
N. Richard, Spencer, H. Bertrand. Springer, S. Dwight. dan Jacobson, P. Matthew. 1995. Laser Experiments For Beginners. California: University Science Book.
DAFTAR PUSTAKA Haryanto, G. 2008. Probe Optik Untuk Mengukur Konsentrasi Fitoplankton. Tesis. Magister Teknik Program Studi Elektro Fakultas Teknik. Universitas Indonesia.
Repository FMIPA
5
