SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), Oktober 2014,Denpasar-Bali

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


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


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


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


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

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), Oktober 2014,Denpasar-Bali

Recommend Documents