STUDI PENETRASI Ag PADA MEMBRAN BIOPOLIMER KITOSAN DENGAN METODE LIBS. Ni Nyoman Rupiasih, Hery Suyanto, Rendra Rustam Purnomo

Transkripsi

1 STUDI PENETRASI Ag PADA MEMBRAN BIOPOLIMER KITOSAN DENGAN METODE LIBS Ni Nyoman Rupiasih, Hery Suyanto, Rendra Rustam Purnomo Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran, Denpasar, Telp.: (0361)701954, Fax: (0361) ABSTRAK Telah dilakukan penelitian tentang penetrasi Ag dalam bentuk cairan pada membran biopolimer kitosan dengan metode Laser-Induced Breakdown Spectroscpy (LIBS) yang menggunakan laser Nd-YAG(1064 nm, 7 ns). Penelitian dilakukan dengan energi laser 80 mj dengan lima cara yaitu: 1) control (tanpa perlakuan), 2) adsorpsi alami, 3) adsorpsi dengan pemanasan, 4) adsorpsi setelah pemanasan, dan 5) adsorpsi dengan tekanan. Penelitian menunjukan bahwa cara 5 memberikan nilai intensitas adsorpsi tertinggi, diikuti oleh cara 3, 2, 4 dan 1. Hasil ini menjelaskan bahwa cairan Ag akan penetrasi ke dalam membran dengan baik bila diberi tekanan. Perlakuaan ini menyebabkan unsur Ag berinteraksi baik secara kimiawi maupun fisika dengan membran dan menghasilkan ikatan kovalen yang kuat dalam membran. Sebagai akibatnya memberikan momentum pantul yang kuat pada saat ditembak laser dan menghasilkan plasma dengan intensitas emisi Ag I (328 nm) yang tinggi dibandingkan dengan cara lainnya. Kata kunci: membran kitosan, LIBS, Laser Nd-YAG, adsorpsi, unsur Ag. ABSTRACT It has done research on the penetration of Ag in liquid form on the biopolymer chitosan membrane with Laser-Induced Breakdown Spectroscpy (LIBS) method that uses an Nd-YAG laser (1064 nm, 7 ns). The study was conducted with 80 mj laser energy in five ways e.g.: 1) control (without treatment), 2) natural adsorption, 3) adsorption by heating, 4) adsorption after heating, and 5) adsorption with pressure. Research has shown that the way 5 gives the highest adsorption intensity, followed by the way 3, 2, 4 and 1. The results suggest that Ag liquid will penetrate into the membrane properly when pressurized. This causes the element Ag interact both chemically and physics with the membrane and produces strong covalent bonds in the membrane. As a result provide strong momentum at the time of the reflected laser shot and produced plasma which higher emission intensity of Ag I (328 nm) than the other way. Keywords: chitosan membrane, LIBS, Laser Nd-YAG, adsorption, Ag. PENDAHULUAN Membran kitosan adalah membran sintetik atau buatan yang berbahan dasar kitosan. Kitosan adalah salah satu dari polimer alami, yang merupakan turunan kitin. Kitosan dan turunannya sudah banyak dimanfaatkan secara komersial dalam industri pangan, kosmetik, pertanian, farmasi, pengolahan limbah, dan penjernihan air. Kitosan dapat dibentuk menjadi membran [1]. Membran kitosan adalah membran kompleks pertama dari polimer alam dan telah 912

2 digunakan untuk menarik unsur-unsur logam transisi dari larutan garamnya. Kitosan mempunyai kemampuan untuk mengadsorpsi logam dengan membentuk kompleks dengan logam tersebut [2]. Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) merupakan salah satu teknik spektroskopi atomik untuk analisis kualitatif dan kuantitatif suatu sampel padat dan gas yang sangat cepat dan akurat. Sedangkan untuk sampel cair, cairan akan dirubah ke semi padatan dengan memanfaatkan metode adsorpsi [3]. Metode adsorpsi merupakan suatu metode dimana suatu bahan padat dapat menyerap suatu bahan cairan baik secara fisika maupun kimiawi. Metode ini menyebabkan beberapa unsur dalam cairan berinteraksi pada bahan padatan adsorben. Agar metode ini tercapai secara optimal maka memperhatikan parameter-parameter diantaranya jenis bahan adsorben serta memberikan perlakukan variasi waktu tunggu adsorpsi, suhu bahan dan energi laser. Bila unsurunsur dalam zat cair tersebut teradsorpsi dengan baik pada bahan padatan maka memudahkan analisis baik kualitatif dan kuantitatif dengan teknik LIBS. Dengan metode adsorpsi tersebut dan mengingat kemampuan kitosan di dalam mengadsorpsi logam, telah dicoba dilakukan penelitian untuk mempelajari proses penetrasi Ag dalam bentuk cairan pada membran biopolimer kitosan dengan teknik LIBS. Penelitian dilakukan dengan energi laser 80 mj dengan lima cara adsorpsi yaitu 1) control (tanpa perlakuan), 2) adsorpsi alami, 3) adsorpsi dengan pemanasan, 4) adsorpsi setelah pemanasan, dan 5) adsorpsi dengan tekanan. TEORI A. Membran Kitosan Kitosan adalah salah satu dari polimer alami, yang merupakan turunan kitin yang banyak terdapat pada kerangka atau kulit luar Crustacea. Kitin tidak mudah larut dalam air, sehingga penggunaannya terbatas. Namun dengan modifikasi kimiawi dapat diperoleh senyawa turunan kitin yang mempunyai sifat kimia lebih baik, yaitu kitosan. Kitosan merupakan produk deasetilasi kitin yang menggunakan basa natrium hidroksida (NaOH) untuk mengganti gugus asetamida (NHCOCH 3 ) dengan gugus amino (NH 2 ) atau reaksi enzimatis menggunakan enzim kitin deasetilase. Dalam hal ini, proses deasetilasi kitin dapat berlaku tanpa pemutusan rantai polimer [4]. Kelarutan kitosan sangat dipengaruhi oleh proses deasetilasi. Gugus amin yang mempunyai ion H + bebas, yang berperan sebagai donor elektron dan menyebabkan kitosan mampu larut dalam asam-asam organik, seperti: asam laktat, asam asetat, asam format, asam sitrat dan asam oksalat. 913

3 Kitosan bersifat mudah terurai, tidak beracun dan dapat dibentuk menjadi membran [2]. Membran kitosan adalah membran kompleks pertama dari polimer alam dan telah digunakan untuk menarik unsur-unsur logam transisi dari larutan garamnya. Kitosan mempunyai kemampuan untuk mengadsorpsi logam dengan membentuk kompleks dengan logam tersebut, oleh karenanya dapat digunakan untuk mengolah limbah [5]. Selain dapat digunakan sebagai filter/penyaring logam berat, kitosan juga dapat digunakan sebagai bahan pengawet alami pada bidang pangan, diantaranya kitosan efektif untuk menghambat pertumbuhan bakteri dan jamur pada komoditi pangan [1]. B. Ag (Perak) Perak adalah logam lunak, berwarna putih dan padat. Logam perak banyak digunakan sebagai bahan fotografi, konduktor, produk-produk elektronik, baterai, cermin dan sebagainya. Nama latin perak adalah argentum (Ag) dan pada tabel sistem berkala terletak pada golongan IB. Kerapatan logam perak relatif tinggi (10,5 g/ml) dan dapat melebur pada suhu 960,5 0 C. Perak secara luas digunakan dalam topical gel dan diresapkan ke perban karena memiliki lebar spektrum aktivitas antimikroba. Antimikroba sifat perak berasal dari sifat-sifat kimia dari bentuk terionisasi, Ag +. Ion ini membentuk ikatan molekul yang kuat dengan zat lain yang digunakan oleh bakteri untuk bernafas, seperti molekul yang mengandung belerang, nitrogen, dan oksigen. Ketika Ag + membentuk ion kompleks dengan molekul-molekul ini, mereka dianggap tidak dapat digunakan oleh bakteri, menghilangkan senyawa yang diperlukan dan akhirnya menimbulkan kematian bakteri. Perak alami terdiri dari dua isotop stabil, Ag 107 dan Ag 109, dimana Ag 107 kelimpahannya paling banyak (51,839% kelimpahan alam). Ada 28 radioisotop Ag dan yang paling stabil adalah Ag 105 dengan waktu paruh 41,29 hari, Ag 111 dengan waktu paruh 7,45 hari, dan Ag 112 dengan waktu paruh 3,13 jam. Unsur isotop metastabil (m) yang paling stabil adalah Ag 108m (t 1 / 2 = 418 tahun), Ag 110m (t 1 / 2 = 249,79 hari) dan Ag 106m (t 1 / 2 = 8,28hari). Semua isotop radioaktif yang tersisa memiliki waktu paruh kurang dari satu jam dan mayoritas memiliki waktu paruh kurang dari 3 menit. Isotop dari perak berkisar dari massa atom relatif 93,943 (Ag 94 ) sampai 126,936 (Ag 127 ). Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk atom Ag netral yang disimbolkan Ag I adalah 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 S 1/2 [6]. Bila atom Ag tersebut mendapatkan tambahan energi dari luar, maka elektron-elektron pada level energi tertentu akan pindah ke level energi yang lebih tinggi. Keadaan seperti ini disebut atom dalam tereksitasi. Elektron-elektron yang pindah ini hanya beberapa saat saja (nano second) kemudian kembali lagi ke keadaan semula sambil memancarkan emisi atau foton dengan panjang gelombang tertentu. Probabilitas terbesar elektron berpindah dari konfigurasi 5p, j = 3/2 atau level 30472,7 cm -1 ke 5s, j = 1/2 atau level 0 cm

4 dengan memancarkan foton panjang gelombang 3280,68 Å, panjang gelombang ini ditangkap detektor dan ditampilkan dalam spektrum. C. Metode LIBS Laser-Induced Breakdown spectroscopy (LIBS) merupakan salah suatu teknik spektroskopi emisi atomik yang menggunakan laser sebagai sumber energi ablasi. Bila laser difokuskan pada permukaan sampel, maka sebagian dari sampel (~ 0.01 mg) akan terablasi terbentuk plasma yang berisikan ion-ion, elektron-elektron, atom-atom terekitasi. Atom-atom yang tereksitasi akan mengemisikan photon dengan panjang gelombang tertentu yang merupakan karakterisasi dari atom atau unsur tersebut. Emisi ditangkap spektrometer untuk dianalisis jenis-jenis unsurnya (analisa kualitatif). Sehingga komponen-komponen utama yang mempengaruhi dalam pembentukan plasma dengan LIBS ini adalah Laser, jenis bahan, tekanan dan jenis gas penyangga disekitar sampel dan resolusi spektrometer (monokromator). Pada penelitian ini menggunakan Laser Nd-YAG (tipe CRF 200, 7ns) yang ada di Laboratorium Bersama FMIPA dengan energi maksimum 200 mj dan lebar pulsa 7 ns. Laser Nd- YAG merupakan salah satu jenis laser zat padat yang diminati, sangat populer dan digunakan secara luas dalam berbagai bidang. Laser yang menggunakan Kristal Nd-YAG sebagai medium lasing-nya ini, memiliki koherensi yang tinggi dan spektrum berkas luaran yang sempit, serta dapat diproduksi dengan daya yang sangat bervariasi, mulai dari beberapa miliwatt hingga beberapa kilowatt. Jenis bahan yang dapat dianalisis oleh LIBS ini pada dasarnya dapat berupa padatan, cairan dan gas. LIBS merupakan salah satu teknik spektroskopi atomik untuk analisis kualitatif dan kuantitatif suatu sampel padat dan gas secara cepat dan akurat. Sedangkan untuk sampel cair, cairan akan dirubah ke semi padatan dengan memanfaatkan metode adsorpsi [3]. Gas penyangga adalah jenis gas yang berada di sekitar sampel. Jenis gas penyangga sangat mempengaruhi karakteristik emisi dari plasma-laser. Emisi plasma di lingkungan gas penyangga udara akan menghasilkan sinyal latar (background) yang tinggi dan melebar. Sehingga mempengaruhi deteksi limit. Aguilera et. al. (1999), telah meneliti bahwa temperatur dan kerapatan elektron dalam plasma lebih tinggi di lingkungan gas Ar dan lebih rendah dilingkungan gas He dibandingkan di lingkungan gas udara [7]. Michael Tran et. al. (2001), telah menggunakan gas penyangga He untuk mendeteksi fluoride dan meningkatkan deteksi limit 8 kali dibanding di lingkungan udara [8]. Hal ini terjadi karena helium mempunyai konduksi termal yang tinggi dari udara sehingga menekan sinyal latar. 915

5 Spektrometer yang dimaksud disini adalah peralatan yang berisikan monokromator sebagai penyeleksi panjang gelombang cahaya yang masuk dan software untuk mengalisis atau mengidentifikasi unsur. METODA EKSPERIMEN a. Persiapan Membran Membran dibuat dengan menggunakan metoda inversi fasa, sebagai berikut: g serbuk kitosan dicampur dengan 250 ml asam asetat (CH 3 COOH) 1%. 2. Campuran diaduk hingga homogen, sehingga diperoleh larutan kitosan 4%, yang siap untuk dicetak dan dikeringkan sehingga diperoleh membran kitosan 4%. 3. Membran dicelupkan ke dalam larutan NaOH 1% dan dilanjutkan dengan pencucian secara berulang-ulang dengan air murni (aquades). Kemudian membran dikeringkan pada suhu ruang. Membran kitosan siap dikarakterisasi, dipakai sebagai filter atau pun disimpan. b. Perlakuan Sampel Penelitian dilakukan dengan energi laser 80 mj dengan lima cara yaitu: 1) Kontrol (membran tidak mendapatkan perlakuan) 2) Membran ditetesi larutan Ag 1000 ppm dan dibiarkan sampai semua larutan diserap, berlangsung pada suhu ruang. Cara ini disebut adsorpsi alami pada suhu ruang 3) Membran ditetesi larutan Ag 1000 ppm kemudian dipanaskan sampai pada suhu 36 0 C. Cara ini disebut adsorpsi dengan pemanasan 4) Membran dipanaskan sampai pada suhu 36 0 C kemudian ditetesi larutan Ag 1000 ppm dan dibiarkan sampai semua larutan diserap. Cara ini disebut adsorpsi setelah pemanasan 5) Adsorpsi Ag oleh sampel dengan proses penekanan. Cara ini disebut adsorpsi dengan tekanan. c. Peralatan LIBS Peralatan LIBS yang digunakan adalah LIBS plus, jenis Laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns, 200 mj), spektrometer echelle HR 2500 yang mempunyai spesifikasi: spektra range ( nm with 7 channel, resolusi 0,1 nm (FWHM) dan menggunakan 7 detektor dengan 916

6 2048 element linier silicon CCD arrays, total pixels. Keluaran dari spektrometer ini diolah dengan software OOLIBS dan OOICOR kemudian ditampilkan ke komputer. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 1. Dari hasil pengamatan dengan menggunakan LIBS, diperoleh data seperti tampak pada Gambar 1. Spektrum panjang gelombang vs intensitas pada rentang 327,70-328,10 nm. Gambar 1 memperlihatkan spektrum panjang gelombang terhadap intensitas pada rentang 327,70-328,10 nm dari kelima cara perlakuan sampel. Tampak bahwa cara 5 memberikan nilai intensitas adsorpsi tertinggi, diikuti oleh cara 3, 2, 4, dan 1, seperti tampak pada Gambar 2. Gambar 2. Intensity Ag I (328 nm) vs perlakuan sampel. Hasil-hasil tersebut di atas menjelaskan bahwa, cairan Ag akan penetrasi ke dalam membran dengan baik bila diberi tekanan. Perlakuaan ini menyebabkan unsur Ag berinteraksi baik 917

7 secara kimiawi maupun fisika dengan membran dan menghasilkan ikatan kovalen yang kuat dalam membran. Sebagai akibatnya memberikan momentum pantul yang kuat pada saat ditembak laser dan menghasilkan plasma dengan intensitas emisi Ag I (328 nm) yang tinggi dibandingkan dengan cara lainnya. Sedangkan cara 2-4, pada membran hanya terjadi proses adsorpsi saja, unsur Ag+ diadsorpsi secara kimia melalui ikatan dengan N pada [Ag(NH3)2]+ yang merupakan ikatan kovalen, hanya sepasang elektron yang dipakai bersama dari atom N. Ikatan semacam ini disebut ikatan koordinat kovalen. Ion Ag+ bersifat akseptor elektron sedangkan N disebut donor elektron. Sehingga lapisan adsorpsi ini tidak kuat saat ditembak laser dan menghasilkan emisi tidak terlalu tinggi (cara 2). Untuk menguatkan lapisan tipis hasil adsorpsi ini maka dilakukan penguatan dengan pemanasan (cara 3) dan menghasilkan intensitas emisi lebih tinggi dari tanpa pemanasan (cara 2). Sedangkan cara 4 pemanasan sebelum ditetesi Ag, pemanasan ini menyebabkan rusaknya struktur membran secara fisika dan menghilangkan/mengurangi unsur N yang sebagai media adsorpsi Ag, akibatnya intensitasnya rendah. KESIMPULAN Dari hasil percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa cara 5, yaitu proses adsorpsi dengan tekanan memberikan nilai intensitas adsorpsi tertinggi, yang diikuti oleh cara 3, 2, 4, dan 1. Hasil ini menjelaskan bahwa cairan Ag akan penetrasi ke dalam membran dengan baik bila diberi tekanan. Perlakuaan ini menyebabkan unsur Ag berinteraksi baik secara kimiawi maupun fisika dengan membran dan menghasilkan ikatan kovalen yang kuat dalam membran. Sebagai akibatnya memberikan momentum pantul yang kuat pada saat ditembak laser dan menghasilkan plasma dengan intensitas emisi Ag I (328 nm) yang tinggi dibandingkan dengan cara lainnya. DAFTAR PUSTAKA 1. Robert, G. A. F. Chitin Chemistry. London: The MacMillan Press Muzzarelli, R. A. A. and Rocchetti, R. Enhanced Capacity of Chitosan for Transition Metal Ions in Sulphate Sulphuric Acid Solutions. Talanta. Vol 21 (1978): Qassem Mohaidat, Sunil Palchaudhuri, and Steven J. Rehse. The Effect of Bacterial Enviromental and Metabolic Stresses on a Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Based Indentification of Escherichia coli and Streptococcus viridians. Applied Spectroscopy, Vol.65, No. 4 (2011). 918

8 4. Brine, C.J. Introdaction Chitin: Accomplishment and Perspective. In: C Chitosan ad Related Enxymen. Zakakis, J.P. (Ed). Orlando: Academic Press, Inc., Meriatna. Tesis. Penggunaan Membran Kitosin untuk Menurunkan Kadar Logam Krom (Cr) dan Nikel (Ni) dalam Limbah Cair Industri Pelapisan Logam. Universitas Sumatera Utara: USU , Information system (Electronic structure of atoms, (diakses 14 April 2012). 7. Aguilera, J. A. and Aragon, C. Appl. Phys. A 69, (Suppl.) S475 (1999). 8. Michael Tran, Benjamin W. Smith, David W. Hahn, and James D. Winefordner. Detection of Gaseous and Particulate Fluorides by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Applied Spectroscopy, Vol.55, No. 11 (2001). 919