Jl. Syech Abdurrauf No. 3 Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia

Transkripsi

1 Nasrullah Idris dkk - Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) 9 Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Menggunakan Laser Neodymium:Yttrium- Aluminum-Garnet (Nd-YAG) Pada Sampel Daging Kerang Sungai (masuk/received 8 September 2017, diterima/accepted 1 Januari 2018)) Physical Characteristics of Plasma in an Neodymium:Yttrium-Aluminum- Garnet (Nd-YAG) Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) on a River Muscle Clam Sample Nasrullah Idris 1, Tjoet Nia Usmawanda 1, Herman 1, Kurnia Lahna 1, Muliadi Ramli 2 1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala, Jl. Syech Abdurrauf No. 3 Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia 2 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala, Jl. Syech Abdurrauf No. 3 Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia nasrullah.idris@unsyiah.ac.id Abstrak Teknik LIBS akan dipakai untuk analisis sampel daging kerang sungai karena diperkirakan kerang sungai dapat memberi petunjuk mengenai polusi logam berat akibat limbah penambangan emas tradisional. Namun, karakteristik-karakteristik plasma LIBS yaitu suhu, densitas elektron dan derajat ionisasi, ditentukan oleh berbagai parameter termasuk jenis sampel. Daging kerang termasuk sampel yang rumit karena banyak mengandung air dan secara umum mengandung elemen-elemen organik utama sama (C, H, O, dan N). Studi ini dilakukan untuk mengestimasi suhu dan densitas elektron plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang sungai. Perangkat LIBS utama yang digunakan dalam studi ini adalah sebuah laser Nd-YAG dan sebuah detektor optik kanal banyak. Sampel kerang sungai diambil dari Sungai Panga, Kabupaten Aceh Jaya, Aceh, Indonesia yang berhulu di pegunungan Gunong Ujeun, salah satu lokasi penambangan emas tradisional di Aceh Jaya. Estimasi suhu dan densitas elektron plasma dilakukan dengan plot Boltzmann menggunakan garis-garis emisi spektral besi, Fe. Ditemukan bahwa suhu plasma dan densitas elektron plasma cenderung berfluktuasi, namun demikian secara umum suhu dan densitas elektron plasma relatif lebih rendah dibandingkan suhu dan densitas plasma yang dibangkitkan dari sampel padat lainnya. Suhu dan densitas elektron plasma tersebut memenuhi kriteria Maxwell dan kriteria Mcwhriter untuk plasma laser berada dalam kondisi kesetimbangan termal lokal (local thermal equilibrium, LTE). Kata kunci: teknik sepektroskopi plasma laser, suhu plasma, densitas elektron plasma, daging kerang, laser Nd-YAG Abstract LIBS technique will be used for analyzing muscle of the river clam for tracing heavy metal pollution due to the traditional gold mining tailing. However, LIBS plasma characteristics namely temperature, electron density and ionization degree, depend on various parameters including sample kind. The clam muscle is complex sample due to large content of water and common content of main organics (C, H, O, and N). This study is to estimate the temperature and electron density of the plasma produced on the river calm sample. Main LIBS equipment used this work is a Nd-YAG laser and an optical multichannel analyzer (OMA) system. The river clam sample was collected from Panga River, Aceh Jaya Regency, Aceh, up streaming in Gunong Ujeun, a traditional gold mining location in Aceh Jaya. Temperature and electron density of the plasma was estimated by Boltzmann plot method using Fe emission spectral lines. It is found that the temperature and electron density of the plasma is rather fluctuated; however in average the plasma temperature and the plasma electron density of the river calm muscle sample is lower than that of ordinary solid samples. The temperature and electron density of the plasma fulfill Maxwell and Mcwhriter criteria for a laser induced plasma in local thermal equilibrium (LTE) condition. Key words: laser induced breakdown spectroscopy, plasma temperature, electron density, clam muscle, Nd-YAG laser I. PENDAHULUAN Teknik LIBS sebagai sebuah teknik analitik baru dan sedang berkembang pesat memiliki berbagai keunggulan dibandingkan dengan teknik analitik konvensional. Salah satu keunggulannya adalah dapat digunakan untuk mengukur hampir semua unsur kimia yang ada dalam tabel periodik secara serempak. Selain itu, teknik ini tidak merusak sampel, sensitif dan cepat, serta tidak memerlukan persiapan sampel yang rumit [1]. Oleh karena itu teknik LIBS ini sangat memungkinkan digunakan untuk mendeteksi polusi pada sampel-sampel biologis dari lingkungan. Analisis sampel biologis sangat penting, misalnya untuk mengetahui polusi logam berat dalam lingkungan akibat penambangan. Dalam studi ini, teknik LIBS akan digunakan untuk analisis daging kerang sungai. Sebelumnya teknik LIBS telah dipakai untuk analisis permukaan kerang laut guna mempelajari perkembangan pertumbuhannya dan evolusi ekosistem samudera [2]. Namun sejauh ini belum ada penerapan teknik LIBS untuk analisis sampel kerang sungai khususnya dengan tujuan deteksi polusi lingkungan.

2 10 Nasrullah Idris dkk - Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Limbah penambangan emas tradisional diperkirakan telah menyebabkan polusi logam berat dalam lingkungan sekitar daerah penambangan tersebut. Mengingat sasaran akhir penelitian ini sebenarnya adalah deteksi pencemaran logam berat dalam lingkungan akibat limbah penambangan tradisional dengan teknik LIBS, sementara kinerja teknik LIBS ini dipengaruhi oleh karakteristikkarakteristik plasma yang dibangkitkan. Karakteristikkarakteristik plasma yang dibangkitkan bergantung secara kompleks pada banyak parameter mulai dari laser sebagai sumber eksitasi, detektor optik yang digunakan termasuk jenis sampel. Karena itu untuk penerapan teknik LIBS pada suatu sampel secara umum dimulai dengan tahap pengamatan dan pemahaman karakteristik plasmanya dan kemudian identifikasi dan konfirmasi garis-garis emisi spektral yang dan akhirnya konstruksi kurva kalibrasinya untuk analisis kuantitatif. Oleh karena itu, studi tahap pertama ini dilakukan untuk mengamati dan memahami karakteristik-karakteristik plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang sungai. Tahap selanjutnya nanti akan dilakukan identifikasi dan konfirmasi garis-garis emisi logam berat yang ada dalam sampel daging kerang sungai tersebut. Kajian serupa akan dilakukan juga untuk bagian cangkang kerang sungai tersebut. Kajian-kajian lanjutan untuk deteksi logam berat dalam sampel daging dan cangkang kerang sungai akan dilaporkan kemudian pada kesempatan-kesempatan lain di masa yang akan datang. Studi bermula dengan asumsi bahwa kerang adalah salah satu sampel biologis yang dapat memberi petunjuk mengenai polusi logam berat tersebut karena kerang sungai merupakan salah satu biota yang hidup di dasar sungai, dan memiliki mobilitas yang rendah serta mendapatkan asupan makanan dengan cara menyedot bahan-bahan organik di sekitarnya, sehingga kerang sungai memiliki peluang besar terkontaminasi logam berat yang dibawa arus sungai. Persiapan sampel merupakan langkah yang penting untuk aplikasi teknik LIBS pada sampel biologis, karena sampel biologis umumnya memiliki tekstur yang lunak [3]. Daging kerang termasuk sampel yang rumit, karena banyak mengandung air dan juga bahan organik yang secara umum mengandung elemen-elemen organik sama (C, H, O, dan N). Kinerja teknik LIBS sangat ditentukan oleh karakteristik plasma yang dibangkitkan. Dua karakteristik fisika utama plasma adalah suhu dan densitas elektron, yang sangat penting diketahui karena dapat mengungkapkan keadaan ionisasi plasma, dan sangat berpengaruh pada profil spektrum emisi yang muncul. Nilai suhu dan densitas elektron plasma yang menunjukkan bahwa plasma berada keadaan setimbang termal lokal (local thermal equilibrium, LTE) dapat ditinjau dengan menggunakan kriteria Maxwell dan kriteria Mcwhriter. Kriteria Maxwell mensyaratkan bahwa batas bawah densitas elektron adalah N e >10 16 cm -3 dan suhu kt < 5 ev atau kt < K, sedangkan kriteria Mcwhriter mensyaratkan batas bawah densitas elektron N e > 1, T 1/2 (ΔE) 3 [4]. II. LANDASAN TEORI Karakteristik plasma yang diinduksi laser (laser induced plasma) sangat berpengaruh pada pemancaran (emisi) cahayanya. Karakteristik utama plasma adalah suhu, densitas elektron, dan densitas jumlah spesies pemancar [4]. Suhu dan densitas elektron adalah karakteristikkarakteristik utama plasma yang sangat penting. Plasma yang diinduksi laser dari suatu materi terjadi melalui proses-proses fisis yang kompleks mulai dari disosiasi, atomisasi, ionisasi dan eksitasi. Pengetahuan mengenai suhu dan densitas elektron plasma sangat penting untuk memahami proses kompleks tersebut dan untuk memperbaiki kinerja aplikasi teknik LIBS. Suhu dan densitas elektron suatu plasma dapat digunakan untuk normalisasi yang dapat berlaku untuk seluruh spektrum, dan normalisasi ini berguna untuk mengkompensasi variasi energi laser dalam teknik LIBS [5,6]. Estimasi suhu dan densitas elektron plasma dapat dilakukan menggunakan garis-garis emisi spektral plasma tersebut. Dalam menghitung suhu dan densitas elektron plasma, garis-garis emisi spektral yang digunakan adalah garis-garis yang memenuhi beberapa kriteria. Garis-garis emisi spektral yang akan digunakan untuk estimasi suhu harus memiliki rasio emisi yang jelas terhadap emisi latarnya, efesiensi yang dapat diukur dengan akurat, jarak yang besar antara tingkat energi yang lebih tinggi (upper level), tingkat akurasi probabilitas transisi spontan spesies tersebut yang relatif tinggi, bukan garis-garis emisi spektral resonan yang mengalami absorbsi diri [4]. Pada dasarnya ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk pengukuran suhu plasma menggunakan garis-garis emisi spektral, yaitu metode dua garis Boltzmann dan metode plot Boltzmann, metode Saha- Boltzmann, metode line-to-continuum, dan metode spektra sintetik [4]. Dalam penelitian ini, estimasi suhu plasma dilakukan dengan metode plot Boltzmann. Untuk menghitung suhu plasma, plasma harus berada dalam keadaan kesetimbangan termal, dan populasi level energi dari spesies dalam plasma diberikan oleh aturan distribusi Boltzmann [7] n k,z /n Z = (g k,z /P Z ) exp ( E k,z /k B T) (1) dengan indeks Z merujuk pada tahap ionisasi spesies tersebut dengan Z = 0 menyatakan atom netral dan Z = 1 menyatakan atom terionisasi tunggal, k B konstanta Boltzmann, T suhu plasma, n k,z populasi level atas k, E k,z energi level atas k dan g k,z adalah degenerasi tingkat energi atas k. n Z dan P Z adalah masing-masing sebagai densitas dan fungsi partisi spesies tersebut. Intensitas yang dihasilkan dari garis spektral pada keadaan ionisasi Z dalam plasma optik adalah. (2) dengan h konstanta Planck, c kecepatan cahaya, dan L panjang karakteristik plasma tersebut, A ki,z probabilitas

3 Nasrullah Idris dkk - Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) 11 transisi, dan λ ki,z panjang gelombang garis transisi tersebut. Dengan substitusi persamaan (1) ke persamaan (2) diperoleh, (3). (4). Dengan menggunakan nilai-nilai spektroskopik dari basis data spektrum atomik untuk suku-suku dalam persamaan tersebut dan nilai intensitas emisi garis-garis spektral yang bersesuaian yang diperoleh dari hasil pengukuran, maka persamaan (4) dapat diplot menghasilkan garis lurus dengan kemiringan m = 1/k B T. Pengeplotan persamaan yang menghasilkan garis lurus tersebut disebut plot Boltzmann (Boltzmann-Plot, BP). Oleh karena itu metode perhitungan suhu ini disebut metode plot Boltzmann. Berdasarkan persamaan (4) tersebut, khususnya suku pertama pada sebelah kanan, maka besarnya suhu plasma (T) dapat diperoleh dengan menghitung kemiringan (m) kurva plot Boltzmann tersebut. Suhu plasma dapat diungkapkan dalam satuan elektron volt (ev) atau kelvin (K). Selanjutnya, perhitungan densitas elektron dilakukan menggunakan persamaan Saha-Boltzmann (5) divariasikan menggunakan pompa. Sampel daging kerang sungai yang digunakan dalam penelitian ini adalah kerang sungai yang diperoleh dari Sungai Panga, Kecamatan Panga, Kabupaten Aceh Jaya, Aceh, Indonesia. Sungai Panga tersebut berhulu di pegunungan Gunong Ujeun yang berlokasi di Kabupaten Aceh Jaya juga. Pegunungan Gunong Ujeun tersebut pernah menjadi lokasi aktifitas penambangan emas tradisional yang sangat intensif, dan sampai sekarang kegiatan penambangan tradisional dalam skala yang jauh mengecil masih berlangsung. Teknik LIBS sangat diminati sekarang karena dapat digunakan untuk menganalisis sampel secara langsung dalam berbagai fase, padat, cair dan gas. Namun demikian, kinerja analitiknya tidak sama untuk ketiga fase sampel tersebut meskipun penyusunnya sama. Oleh karena itu, sampel daging kerang diuji baik dalam bentuk segar maupun dalam bentuk pelet. Dalam bentuk segar, daging kerang mengandung banyak air. Sementara dalam bentuk pelet daging kerang dibuat dengan mengeringkan sampel kerang dalam oven pada suhu 100ºC selama 1 jam. Kemudian dilakukan penggerusan dan penekanan menjadi pelet menggunakan mesin tekan dengan tekanan sebesar 30 atmosfir. Dengan demikian daging kerang dalam bentuk pelet, sifat fisiknya berupa kerapatan dan kandungan air berbeda dengan daging kerang dalam kondisi segar meskipun penyusun utamanya sama. Sehingga perlu diamati karakteristik plasma baik pada sampel daging kerang dalam kondisi segar maupun dalam kondisi sudah dikeringkan dan dibuat dalam bentuk pelet. dengan a untuk atom netral, i untuk atom yang telah terionisasi satu kali, E a dan E i masing-masing merupakan tingkat energi dari atom netral dan transisi ionik, V adalah energi ionisasi atom netral (ev). Mcwhriter mengembangkan kriteria dasar densitas elektron plasma melalui sebuah formula yang dikenal sebagai kriteria Mcwhriter, yaitu [1] n e > 1, T 1/2 (ΔE) 3. (6) IV. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN Susunan peralatan teknik LIBS yang digunakan dalam eksperimen ini ditampilkan dalam Gambar 1. Perangkat teknik LIBS yang digunakan terdiri dari sebuah laser Nd- YAG (Quanta Ray, LAB SERIES, 1,064 nm, 500 mj, 8 ns) dan sebuah sistem detektor optik kanal banyak, optical multichannel analyzer (OMA) system (Andor Mechelle ME5000 Echelle spectrograph, istar intensified charge coupled device (ICCD) camera, dengan lebar jangkauan panjang gelombang dari nm pada setiap akusisi). Energi pulsa laser dapat divariasikan dengan menggunakan seperangkat filter. Sampel ditempatkan pada pemegang sampel dalam bilik sampel. Untuk pembangkitan plasma berkas laser tersebut difokuskan menggunakan lensa dengan panjang fokus f = 150 mm pada permukaan sampel dalam bilik sampel. Plasma dibangkitkan dari sampel daging kerang dalam lingkungan udara. Tekanan gas dalam bilik sampel dapat Gambar 1. Susunan peralatan eksperimen teknik LIBS. Emisi plasma yang dibangkitkan tersebut kemudian dikumpulkan dengan seutas serat optik dan diteruskan ke bagian masukan sistem OMA (Mechelle ME5000). Sistem OMA dijalankan menggunakan perangkat lunak AndoriStar. Spektrum emisi yang dideteksi ditampilkan pada monitor komputer. Waktu tunda dan lamanya waktu pengambilan data spektral oleh detektor optik dapat divariasikan. Spektrum emisi yang didapatkan diidentifikasi dan dikonfirmasi menggunakan basis data spektrum atom dari United States National Institute of Standards and Technology (NIST) [8], yang dapat diakses secara online tanpa bayar. Data-data spektrosko- Risalah Fisika Vol. 2 no. 1 (2018)

4 12 Nasrullah Idris dkk - Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) pik untuk garis-garis emisi spektral untuk berbagai elemen diambil dari basis data referensi tersebut [8]. Selanjutnya, intensitas garis emisi spektral hasil pengukuran dipakai untuk perhitungan suhu plasma menggunakan persamaan (4) dan (5), sedangkan densitas elektron dihitung menggunakan persamaan (6). IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam studi ini, spektrum emisi diamati dari plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang baik dalam kondisi segar maupun dalam kondisi kering yang dibuat dalam bentuk pelet. Gambar 2 memperlihatkan spektrum emisi yang didapatkan dari plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang segar menggunakan energi laser yang relatif rendah, sekitar 36 mj dalam lingkungan udara pada tekanan rendah, 5 Torr. Pada Gambar 2 tersebut dapat dilihat dengan jelas garis-garis emisi spektral dari elemen-elemen organik utama penyusun makhluk hidup yaitu karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), dan nitrogen (N) muncul pada berbagai panjang gelombang dengan intensitas yang sangat kuat. Garis emisi hidrogen (H α nm) memperlihatkan intensitas emisi yang sangat kuat, melampaui intensitas garis-garis emisi spektral elemen-elemen organik utama lainnya. Hal ini dapat dipahami karena sampel daging kerang segar banyak mengandung air (H 2 O). Selain garis-garis emisi elemen-elemen organik tersebut, garis-garis emisi spektral garam seperti Ca, Mg dan Na muncul dengan sangat kuat. Selain itu ada banyak garis-garis emisi spektral dari elemen-elemen lain termasuk logam seperti aluminium (Al) dan besi (Fe) yang muncul terutama pada jangkauan panjang gelombang 350 nm sampai dengan 520 nm dengan intensitas emisi yang lebih rendah. Garis-garis emisi spektral ini dapat dilihat dengan jelas ketika skala panjang gelombang tersebut diperbesar. Garis-garis emisi spektral tersebut dapat dipakai untuk estimasi suhu plasma. Gambar 2. Spektrum emisi dari plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang sungai dalam kondisi segar dengan energi berkas laser sebesar 36 mj dalam lingkungan udara dengan tekanan 5 Torr. Waktu tunda dan lamanya pendeteksian masing-masing adalah 100 ns dan 50 µs. Gambar 3. Spektrum emisi yang dideteksi dari plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang sungai yang telah dibuat menjadi dalam bentuk pelet. Plasma dibangkitan dengan pemfokusan berkas laser berenergi sekitar 36 mj pada sampel dalam lingkungan udara pada tekanan 5 Torr. Waktu tunda dan lamanya sistem OMA masing-masing adalah 100 ns dan 50 µs. Gambar 3 memperlihatkan spektrum emisi yang diambil dari plasma yang dibangkitkan pada sampel pelet daging kerang sungai dengan kondisi eksperimen yang sama seperti yang untuk sampel daging kerang segar. Secara umum profil spektrum emisi relatif sama, yaitu muncul garis-garis emisi spektral dari elemen-elemen organik utama (C, H, O, N) dengan intensitas yang kuat, hanya intensitas emisi garis emisi hidrogen (H α nm) relatif lemah dibandingkan dengan kasus sampel dalam kondisi segar. Hal ini dapat dipahami karena sampel pelet dibuat setelah sampel daging kerang dipanaskan pada suhu 100 ºC dalam oven selama 1 jam, seperti dijelaskan dalam bagian prosedur penelitian di atas, sehingga air (H 2 O) yang ada dalam sampel daging kerang tersebut telah menguap. Seperti dapat diamati dalam Gambar 3, selain elemen-elemen organik utama tersebut, garis-garis emisi spektral dari garam (Ca, Mg, Na) serta garis-garis emisi dari elemen-elemen lainnya juga muncul pada jangkauan panjang gelombang 350 nm sampai 520 nm dengan intensitas emisi yang relatif kuat dibandingkan dengan yang dalam kasus sampel daging kerang segar. Gambar 4 memperlihatkan spektrum emisi yang dideteksi dari plasma yang dibangkitkan pada sampel pelet yang dicuplik dari spektrum yang ditunjukkan dalam Gambar 3 dan secara khusus diperbesar pada jangkuan panjang gelombang mulai dari 370 nm 380 nm dimana garis-garis emisi Fe secara teoritis diperkirakan muncul. Seperti dapat dilihat dalam gambar ini, sejumlah garis-garis emisi spektral atomik besi, Fe (Fe I 371,99 nm, Fe I 373,71 nm, Fe I 373,49 nm, Fe I 374,95 nm, dan Fe I 375,82 nm) muncul dengan sangat jelas dan dengan intensitas yang jelas rasionya terhadap emisi latarnya. Hal ini menyiratkan bahwa sampel da ging kerang mengandung logam berat besi. Garis-garis emisi spektral besi ini telah digunakan untuk mengestimasi suhu plasma pada sampel-sampel lain, seperti logam [4].

5 Nasrullah Idris dkk - Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) 13 Tabel 1. Parameter spektroskopik garis-garis emisi atomik besi (Fe). Unsur λ (nm) g k A ki (s -1 Tingkat Energi Tingkat Energi ) RendahE i (ev) TinggiE k (ev) Transisi Fe I E d 6 4s 2 3d 6 ( 5 D) 4s 4p ( 3 P 0 ) Fe I E d 7 ( 4 F) 4s 3d 7 ( 4 F) 4p Fe I E d 6 4s 2 3d 6 ( 5 D) 4s4p ( 3 P 0 ) Fe I E d 7 ( 4 F)4s 3d 7 ( 4 F) 4p Fe I E d 7 (4F) 4s 3d 7 ( 4 F) 4p (a) Gambar 4. Garis-garis emisi atomik Fe dari plasma yang dibangkitkan dari sampel daging kerang sungai yang dibuat dalam bentuk pelet. Karena kerang sungai mengandung besi seperti ditunjukkan oleh garis-garis emisi spektral besi, Fe yang terdapat dalam spektrum emisi tersebut dan garis-garis emisi besi dimaksud juga telah digunakan untuk estimasi suhu plasma pada sampel-sampel selain kerang [4], garisgaris besi tersebut dapat digunakan untuk mengestimasi suhu plasma yang dibangkitkan. Karena ada beberapa garis emisi besi yang dapat diamati, 5 garis emisi spektral, estimasi suhu dapat dilakukan dengan menggunakan metode plot Boltzmann. Estimasi suhu dan densitas elektron plasma dilakukan menggunakan nilai intensitas garis-garis emisi spektal Fe hasil pengukuran dan nilai-nilai parameter spektroskopiknya. Nila-nilai parameter spektroskopik garis-garis emisi spektral Fe dapat diperoleh dari basis data referensi NIST [8]. Nilanilai parameter spektroskopik garis-garis emisi spektral Fe tersebut ditunjukkan dalam Tabel 1. Gambar 5 memperlihatkan estimasi suhu plasma yang dilakukan dengan menggunakan metode plot Boltzmann. Plot Boltzmann yang ditunjukkan tersebut adalah untuk satu keadaan dan konfigurasi eksperimen. Gambar 5 diplot untuk estimasi suhu dan densitas elektron dari plasma yang dibangkitkan pada sampel daging kerang dalam kondisi segar dan dalam kondisi kering. Gambar 5 diplot menggunakan persamaan (4) de- (b) Gambar 5. Plot Boltzmann menggunakan garis-garis emisi spektral Fe; (a) untuk sampel daging kerang segar dan (b) sampel daging kerang kering (pelet). ngan suku sebelah kiri, ln(i z λk t,z /g k,z A kt,z ), sebagai fungsi dari suku pertama sebelah kanan, E k,z /k B T, sehingga menghasilkan sebuah garis lurus dengan kemiringan m = k B T. Suhu diestimasi menggunakan kemiringan garis lurus tersebut, T = 1/k B m. Nilai intensitas garis emisi spektral (I Z ) diperoleh dari hasil pengukuran spektrum emisi plasma, sedangkan nilai parameter-parameter lain dalam persamaan tersebut diperoleh dari basis data referensi NIST [8]. Seperti dijelaskan di atas plot Boltzmann yang ditunjukkan dalam Gambar 5 hanya untuk satu konfigurasi eksperimen saja. Intensitas emisi garis-garis emisi spektral yang dipakai untuk plot tersebut dideteksi dari plasma yang dibangkitkan dengan berkas Risalah Fisika Vol. 2 no. 1 (2018)

6 14 Nasrullah Idris dkk - Karakteristik Fisik Plasma dalam Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) laser berenergi 36 mj dalam lingkungan udara bertekanan rendah, 5 Torr. Waktu tunda dan lamanya pewaktu sistem OMA adalah 100 ns dan 50 μs, kondisi khas teknik LIBS tanpa perangkat pewaktu. Menggunakan kemiringan kurva plot Boltzmann dalam Gambar 5 tersebut, telah dilakukan estimasi dan diperoleh suhu plasma adalah T = 4211 K dan densitas elektron plasma adalah N e = 3, cm 3 untuk plasma yang dibangkitkan dari sampel daging kerang yang dipeletkan (Gambar 5a) untuk kondisi dan konfigurasi eksperimen disebutkan di atas, energi berkas laser 36 mj dalam lingkungan udara bertekanan rendah 5 Torr serta waktu tunda dan lebar pulsa perangkat pewaktu sistem OMA adalah 100 ns dan 50 μs. Sementara untuk plasma yang dibangkitkan dari sampel daging kerang segar diperoleh suhu plasma dan densitas elektron plasma masing-masing adalah T = 6428 K dan N e = 4, cm 3 dengan kondisi eksperimen yang sama. Dapat dilihat ada perbedaan yang sangat signifikan suhu dan densitas elektron plasma dari kedua keadaan sampel tersebut. Nilai suhu dan densitas elektron plasma hasil estimasi ini secara umum dapat dikatakan memenuhi kriteria distribusi Maxwell (N e > cm -3 dan suhu kt < 5 ev atau kt < K) dan kriteria Mcwhriter (N e > 1, T 1/2 (ΔE) 3 ) untuk plasma laser berada dalam keadaan kesetimbangan termal lokal (local thermal equilibrium, LTE). V. KESIMPULAN Plasma dapat dibangkitkan dari sampel daging kerang sungai baik dalam keadaan segar maupun dalam bentuk pelet menggunakan sebuah laser Nd-YAG berenergi relatif rendah, 36 mj dalam lingkungan udara pada tekanan rendah sekitar 5 Torr. Garis-garis emisi spektral dari unsur-unsur organik utama (C, H, O, N) dapat dideteksi dengan jelas. Garis-garis emisi spektral dari unsur-unsur lain seperti garam dan logam juga muncul dengan jelas. Profil spektrum emisi memperlihatkan bahwa spektrum emisi yang dideteksi dari sampel daging kerang dalam bentuk pelet lebih baik karakteristiknya dibandingkan dengan yang dideteksi dari sampel daging kerang segar. Garis-garis emisi spektral besi khususnya yang muncul dalam jangkauan panjang gelombang 370 nm sampai 380 nm, yaitu Fe I 371,99 nm, Fe I 373,71 nm, Fe I 373,49 nm, Fe I 374,95 nm, dan Fe I 375,82 nm,dapat digunakan untuk estimasi suhu plasma menggunakan metode plot Boltzmann. Hasil estimasi suhu dan densitas elektron plasma menunjukkan bahwa plasma memenuhi kriteria distribusi Maxwell dan Mcwhriter untuk plasma dalam keadaan kesetimbangan termal lokal. UCAPAN TERIMA KASIH Para penulis sangat berterimakasih atas pembiayaan penelitian oleh Program Pascasarjana melalui Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Universitas Syiah Kuala dalam skema insentif hibah penelitian pascasarjana dengan kontrak no. 1714/UN11/SP/PNBP/2016 tahun PUSTAKA [1] D. A. Cremers, Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Second Edition. Applied Research Associates, [2] Y. Lu, Y. Li, Y. Wang, S. Wang, Z. Bao, R. Zheng, Micro Spatial Analysis Of Seashell Surface Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy and Raman Spectroscopy, Spectrochimica. Acta Part B, vol. 110, 2015, hal [3] S. C. Jantzi, V. Motto-Ros, F. Trichard, Y. Markushin, N. Melikechi, A. De Giacomo, Sample Treatment and Preparation for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Spectrochimica. Acta Part B, vol 115, 2016, hal [4] S. Zhang, X. Wang, M. He, Y. Jiang, B. Zhang, W. Hang, and B. Huang, Laser-Induced Plasma Temperature, Spectrochimica. Acta Part B, vol. 97, 2014, hal [5] Z. Wang, L. Li, L. West, Z. Li and W. Ni, Spectrum Standardization for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Measurement, Spectrochimica. Acta Part B, vol. 68, 2012, hal [6] J. Feng, Z. Wang, W.D. Li, Study to Reduce Laser- Induced Breakdowns Spectroscopy Measurement Uncertanity Using Plasma Characteristic Parameters, Spectrochimica. Acta Part B, vol. 65, 2010, hal [7] V.K. Unnikrishnan, K. Alti, V.B. Kartha, C. Santhosh, G.P. Gupta, and B.M. Suri, Measurements of Plasma Temperature And Electron Density in Laser-Induced Copper Plasma by Time-Resolved Spectroscopy of Neutral Atom and Ion Emissions, Pramana Journal of Physics, vol. 74, No. 6, 2010, hal [8] A. Kramida, Y. Ralchenko, J. Reader, and NIST ASD Team (2015). NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.3), diakses 25 April National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD.