iv
PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa:
1. Tesis yang berjudul: “FABRIKASI DAN ANALISIS BIOCHEMICAL FIBER
SENSOR BERBASIS MEDAN EVANESCENT MENGGUNAKAN GLASS OPTICAL FIBER ” ini adalah karya penelitian saya sendiri dan tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis dengan acuan yang disebutkan sumbernya, baik dalam naskah karangan dan daftar pustaka. Apabila ternyata di dalam naskah tesis ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur plagiasi, maka saya bersedia menerima sangsi, baik Tesis beserta gelar magister saya dibatalkan serta diproses sesuai dengan peraturan perundang-undangan yang berlaku.
2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah harus
menyertakan tim promotor sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila
saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta, Mei 2017 Mahasiswa,
v BIODATA
a. Nama : EDI PRASETYO, S.Si
b. Tempat, tanggal lahir : Kudus 27 Agustus 1992
c. Profesi/jabatan : -
d. Alamat kantor : -
Tel. : -
Fax. : -
e-mail : -
e. Alamat rumah : Ngembal kulon, Rt 03/Rw 04, Jati, Kudus
Tel. : 08567663043
Fax. : -
e-mail : ediprasetyo19@student.uns.ac.id
f. Riwayat pendidikan di Perguruan Tinggi (dimulai dari yang terakhir)*:
No. Institusi Bidang Ilmu Tahun Gelar
1. Universitas Sebelas Maret Fisika 2010 S.Si
g. Daftar Karya Ilmiah (dimulai dari yang terakhir)*:
No. Judul Penerbit/Forum Ilmiah Tahun
1. Fiber Sensor Tipe Modulasi Intensitas Untuk Aplikasi Pengukuran Beban Kendaraan Berjalan (Weigh In Motion ): Fabrikasi Dan Analisis Sinyal Optik
Skripsi FMIPA UNS
2014
2. Pembuatan dan Pengujian Spektrometer Cahaya
Dengan Metode Celah Banyak Berbasis Komputer
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
2014
3. Analisis Pengukuran Perubahan Profil Cahaya yang
Keluardari Fiber Optik Terbengkokkan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
2014
4. Studi Awal Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik Prosiding Pertemuan Ilmiah
XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
2014
5. Vibration Measurement of Mathematical Pendulum
based on Macrobending-Fiber Optic Sensor as a Model of Bridge Structural Health Monitoring
Elsevier Procedia
Engineering,Engineering
Physics International Conference, EPIC 2016
vi
6. Biochemical fiber sensor based on evanescent field for
detection persistent organic pollutants (POPs)
IOP Publishing,
International Conference on Science and Applied Science (Engineering and
Educational Science) 2016
2017
7. Study of Evanescence Wave Absorption in Lindane IOP Publishing,
International Conference on Food Science and
Engineering 2016
2017
8. Spectroscopic study of Green Tea (camellia Sinensis)
Leaves Extraction
IOP Publishing,
International Conference on Food Science and
Engineering 2016
2017
Surakarta, Mei 2017
vii MOTTO
Kadang kita harus berlari untuk bisa berjalan (cuplikan dialog film “Iron man”)
The Real Warrior never quit. (Cuplikan dialog film “kugfu panda”)
Ketika kita bergerak semakin cepat, waktu akan bergerak samakin lambat, tetapi jika kita
bergerak semakin lambat waktu akan bergerak semakin cepat.
(Einstein)
Penderitaan ada karena keinginan ada
Waktu bagiku bukan sekedar hitungan angka yang tidak berguna, melainkan banyaknya
cerita pengalaman yang sudah dilalui.
viii
PERSEMBAHAN
Dengan segenap penuh rasa syukur kepada Allah SWT Kupersembahkan karya indah ini
kepada:
Orang yang menyakini bahwa ilmu pengetahuan bisa mengubah segalanya
Almarhum Bapak Santoso, Ibu Sutipah
dan
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah, inayah dan segala kenikmatan luar biasa banyaknya. Sholawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi kita Muhammad SAW, keluarganya, para sahabatnya dan umatnya yang selalu istiqomah dijalan kebenaran.
Tesis yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana sains ini penulis beri judul “Fabrikasi Dan Analisis Biochemical Fiber Sensor Berbasis Medan Evanescent Menggunakan Glass Optical Fiber ”. Terselesaikannya Tesis ini adalah suatu kebanggaan tersendiri bagi saya. Setelah sekitar lebih dari satu semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan Tesis. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya Tesis ini terselesaikan juga. Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Tesis ini penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses pengerjaan Tesis ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan kepada:
Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D selaku pembimbing satu yang banyak
mencurahkan waktu, tenaga dan pikiran beliau dalam menyelesaikan karya indah ini.
Ibu Venty Suryanti, S.Si., M.Phil., Ph.D. selaku pembimbing dua yang banyak
mendukung dalam menyelesaikan karya indah ini.
Keluarga tercinta Ibu Sutipah, Mbak Isma dan Mas Heri, atas semua kasih sayang
dan perhatian yang luar biasa kepada penulis.
Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Prodi Ilmu Fisika PPS UNS yang telah banyak
memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.
Hibah Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Dana PNBP Universitas
Sebelas Maret Surakarta tahun 2015 no: 632/UN27.21/LT/2016 yang telah mendanai penelitian ini.
Sahabat- sahabat di Laboratorium Optics & Photonics yang banyak memberikan
x
Sahabat – sahabat penulis di Ilmu Fisika PPS yang selama ini selalu menemani dan
memberikan motivasi bagi penulis.
Sahabat – sahabat terbaik penulis di Inersia 2010
Semoga amal baik mereka mendapat balasan dari ALLAH SWT dengan berlipat ganda Perlu disadari bahwa dengan segala keterbatasan, dalam penulisan Tesis ini masih jauh dari sempurna, sehingga masukan dan kritikan yang membangun sangat penulis harapkan demi kedepan yang lebih baik dan semoga karya ini bermanfaat
Surakarta, Mei 2017
xi
FABRIKASI DAN ANALISIS BIOCHEMICAL FIBER SENSOR BERBASIS
MEDAN EVANESCENT MENGGUNAKAN GLASS OPTICAL FIBER
Edi Prasetyo
Program Studi Ilmu Fisika, Program Pasca Sarjana, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Kesehatan merupakan suatu hal yang sangat penting dalam kelangsungan sebuah
kehidupan mahluk hidup. Makanan dan minuman yang dikonsumsi manusia hendaknya
sehat dan mengandung berbagai zat atau senyawa kimia yang berguna untuk tubuh. Faktor yang menyebabkan makanan dan minuman menjadi tidak sehat yaitu kandungan senyawa kimia yang ada tidak bermanfaat dan bahkan membahayakan untuk dikonsumsi. Berbagai metode dilakukan untuk mendeteksi keberadaan senyawa kimia. Dalam penelitian ini dibuat biochemical fiber sensor dengan menggunakan serat optik sebagai sensing element. Prinsip
kerja biochemical fiber sensor adalah dengan memanfaatkan fenomena serapan evanescent
dalam serat optik untuk mendeteksi senyawa kimia berdasarkan spektrum serapan khas.
Penelitian ini membuat biochemical fiber sensor untuk mendeteksi senyawa kimia dengan cara
menghilangkan cladding dan sebagian core serat optik dengan di-polish. Sampel yang
digunakan adalah lindane dan ekstrak khloroform teh hijau. Hasil yang diperoleh menunjukkan
puncak panjang gelombang spektrum serapan khas senyawa lindane yang diukur adalah 920
nm dan 1004 nm. Puncak panjang gelombang spektrum serapan khas ekstrak khloroform teh hijau ditemukan pada 630 nm. Hubungan konsentrasi senyawa lindane dan teh hijau adalah sebanding dengan absorbansi evanescent.
xii
FABRICATION AND ANALYSIS OF BIOCHEMICAL FIBER SENSOR BASED ON EVANESCENT FIELD USING GLASS OPTICAL FIBER
Edi Prasetyo
Physical Department of Post Graduate Program Sebelas Maret University
ABSTRACT
Health is a very important thing in the continuity of living creatures. Food and beverages for human consumption should be healthy and containing various substances or chemical compounds that are useful for the body. Some factors that cause food and drink become unhealthy is chemical compounds that contained were useless and even harmful for consumption. Various methods performed to detect the presence of chemical compounds. In this study, biochemical fiber sensors using optical fiber as the sensing element. Principle of biochemical fiber sensor is to utilize the evanescent absorption phenomena in fiber optics to detect chemical compounds based on the characteristic absorption spectrum. In this study, biochemical fiber sensor for detecting chemical compounds was fabricated by removing cladding and polishing some of core optical fiber. The samples that used are lindane and extract chloroform green tea. The results showed that the wavelength characteristics of absorption spectrum of lindane compounds that measured was 920 nm and 1004 nm. Wavelength characteristic of absorption spectrum extract chloroform green tea was found at 630 nm. Compound concentrations of lindane and green tea was proportional to evanescent absorbance.
xiii DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN PERYATAAN ... iv
HALAMANBIODATA ... v
HALAMAN MOTTO ... vii
HALAMAN PERSEMBAHAN ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
HALAMAN ABSTRAK ... xi
HALAMAN ABSTRACT ... xii
DAFTAR ISI ... xiii
DAFTAR TABEL ... xvi
DAFTAR GAMBAR ... xvii
DAFTAR SIMBOL ... xx
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang Masalah ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 4
1.3. Tujuan Penelitian ... 4
1.4. Batasan Masalah ... 5
1.5. Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
A. Tinjauan Pustaka ... 6
1. Teori Dasar Serat Optik ... 6
a. Pemantulan dan Pembiasan Cahaya ... 6
b. Pengungkungan Cahaya di dalam Serat Optik ... 11
c. Apertur Numerik (NA) ... 13
d. Modus Serat Optik ... 14
2. Medan Evanescent ... 14
3. Spektroskopi Radiasi ... 15
a. Absorption Atom dan Molekul ... 16
b. Spektrum Emisi ... 20
4. Sensor kimia berbasis Optik ... 20
5. Senyawa POPs ... 22
6. Teh (camellia Sinensis) ... 24
a. Kafein ... 24
b. Katekin ... 25
B. Kerangka Berpikir ... 25
xiv
BAB III METODE PENELITIAN ... 28
A. Tempat Penelitian ... 28
B. Waktu Penelitian ... 28
C. Tatalaksana Penelitian ... 28
1. Alat – alat Peneltian ... 29
a. Sumber Cahaya ... 29
b. Spektrofotometer ... 30
c. PersonalComputer (PC) ... 31
d. UV- Vis Lamda 25 ... 31
e. Polishing Machine... 31
f. Alat Kimia ... 32
1) Seperangkat Alat Buchner Vacuum Filtration ... 32
2) Rotary Vacuum Evaporator ... 32
2. Bahan – bahan Penelitian ... 32
a. Serat Optik ... 32
b. Senyawa Lindane ... 32
c. Daun Teh Hijau kering ... 33
d. Larutan Kimia ... 33
3. Software yang Digunakan ... 33
a. Origin ... 33
b. Ocean View ... 33
c. Excel ... 33
D. Metode Penelitian ... 33
1. Persiapan ... 35
2. Pembuatan Biochemical Fiber Sensor ... 35
3. Pembuatan Larutan Teh Hijau ... 35
4. Pembuatan larutan Lindane ... 37
5. Proses Pengambilan Data ... 37
a. Data Spektrum Biochemical fiber Sensor ... 37
b. Data Biochemical Fiber Sensor Ketika Dikenai Larutan Kimia ... 37
6. Analisis ... 37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 38
1. Penyesuaian Spektrum Panjang Gelombang Spektrofotometer Ocean Optics dengan Kaca Nd... 38
2. Biochemical Fiber Sensor ... 40
3. Absorbsi Medan Evanescent Biochemial Fiber sensor pada Lindane dan teh Hijau ... 43
a. Perambatan Cahaya Pada Biochemical Fiber Sensor dan Medan Evanescent ... 50
4. Repeatability biochemical Fiber Sensor... 54
5. Perbandingan Pengujian Biochemial Fiber Sensor dengan Pengujian UV-Vis ... 56
xv
b. Perbandingan pengujian Biochemical Fiber Sensor dengan Pengujian
UV-Vis pada Ekstrak Khloroform Teh Hijau ... 59
BAB V PENUTUP ... 60
5.1. Kesimpulan ... 60
5.2. Saran ... 60
DAFTAR PUSTAKA ... 61
xvi
DAFTAR TABEL
xvii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Prinsip pemantulan cahaya ... 6
Gambar 2.2. Grafik reflektansi TE dan TM ... 7
Gambar 2.3. Muka gelombang cahaya bergerak maju ... 8
Gambar 2.4. Perubahan kecepatan cahaya ... 8
Gambar 2.5. Mekanisme pembiasan cahaya ... 9
Gambar 2.6. Grafik Transmitansi TE dan TM ... 10
Gambar 2.7. Pemantulan dan pembiasan cahaya ... 11
Gambar 2.8. Pemantulan internal sempurna ... 12
Gambar 2.9. Perambatan cahaya di dalam serat optik ... 13
Gambar 2.10. Sudut penerimaan di dalam serat optik ... 13
Gambar 2.11. Fenomena Evanescent di dalam Serat Optik ... 15
Gambar 2.12. Distribusi Energi Evanescent ... 15
Gambar 2.13. Tingkatan energi sub kulit elekron ... 16
Gambar 2.14. Absorbsi atom ... 17
Gambar 2.15. Model pegas pada ikatan kimia ... 18
Gambar 2.16. Diagram tingkat energi molekul ... 18
Gambar 2.17. Skema Lambert-Beer ... 19
Gambar 2.18. Proses emisi atom melepaskan energi cahaya. ... 20
Gambar 2.19. (a) skema fiber sensor (b) fiber sensor ... 21
Gambar 2.20. Grafik absorbansi evanescentlindane ... 22
Gambar 2.21. Rumus struktur lindane ... 23
Gambar 2.22. Rumus molekul kafein ... 25
Gambar 2.23. Rumus molekul katekin ... 25
Gambar 3.1. Skema perangkat alat penelitian ... 29
Gambar 3.2. Proses difraksi pada celah banyak ... 30
Gambar 3.3. Skema spektrometer cahaya ... 31
Gambar 3.4. Diagram alur penelitian ... 34
xviii
Gambar 4.1. Hasil pengukuran kalibrasi panjang gelombang kaca Nd ... 39
Gambar 4.2. (a). sketsa Biochemical fiber sensor, (b) biochemical fiber sensor yang berhasil dibuat. ... 41
Gambar 4.3. Spektrum keluaran serat optik Ocean ... . 42
Gambar 4.4. Spektrum absorbsi silica ... 42
Gambar 4.5. Distribusi energi foton yang merambat di dalam biochemical fiber sensor ... 43
Gambar 4.6. Grafik spektrum keluaran biochemical fiber sensor senyawa lindane ... 44
Gambar 4.7. Grafik spektrum keluaran biochemical fiber sensor pada senyawa teh hijau ... 45
Gambar 4.8. Grafik absorbsi evanescent senyawa lindane ... 46
Gambar 4.9. Grafik absorbansi ekstrak khloroform teh hijau ... 46
Gambar 4.10. Grafik absorbansi evanescent sebagai fungsi konsentrasi lindane pada panjang gelombang 600, 910, dan1002 nm ... 48
Gambar 4.11. Grafik absorbansi evanescent sebagai fungsi konsentrasi ekstrak khloroform teh hijau pada panjang gelombang 640 nm ... 48
Gambar 4.12. Profil Indeks bias serat optik kaca infinicor300 ... 52
Gambar 4.13. Grafik perhitungan nilai dp sebagai fungsi panjang gelombang ... 53
Gambar 4.14. Grafik perhitungan nilai dp sebagai fungsi sudut datang ... 54
Gambar 4.15. Grafik repeatability hasil absorbansi evanescent teh hijau dengan 3 kali perulangan pada panjang gelombang: (a) 640 nm dan (b) 500 nm ... 55
Gambar 4.16. Grafik repeatability hasil absorbansi evanescent lindane dengan 3 kali perulangan.pada panjang gelombang: (a) 910 nm, (b) 1002 nm dan (c) 600nm ... 55
xix
Gambar 4.18. Grafik absorbansi sebagai fungsi panjang gelombang yang diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada teh hijau dengan 5
variasi konsentrasi ... 57
Gambar 4.19. Perbandingan pengujian biochemical fiber sensor dengan
pengujian uv-vis pada lindane ... 58
Gambar 4.20. Perbandingan pengujian biochemical fiber sensor dengan
xx
DAFTAR SIMBOL
Satuan
𝑛1 = Indeks bias medium pertama
𝑛2 = Indeks bias medium kedua
𝜃1 = Sudut sinar datang dengan garis normal Radian Atau Derajat
𝜃2 = Sudut sinar bias dengan garis normal Radian Atau Derajat
𝜃𝑐 = Sudut kritis Radian atau Derajat
Nm = Jumlah modus
𝜆 = Panjang gelombang nm
𝜋 = 3,14
dcore = Diameter core fiber m
𝑁𝐴 = Numerical aperture
𝜃𝑐𝑜 = Sudut maksimum Radian Atau Derajat
𝑛 = Indeks bias
𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒 = Indeks bias core
𝑛𝑐𝑙𝑎𝑑𝑑𝑖𝑛𝑔 = Indeks bias cladding
𝑉 = Parameter fiber optik
𝐸𝑍 = Medan gelombang pada sumbu z J
𝐸𝑂 = Medan gelombang awal J
𝑧 = Jarak penjalaran gelombang cahaya m
𝑑𝑝 = Depth penetration nm
𝐼0 = Intensitas sinar masuk 𝑚𝑉
𝐼𝑡 = Intensitas sinar yang diteruskan 𝑚𝑉
𝑇 = Transmitansi %
𝛼 = Koefisien absorbsi
t = Ketebalan bahan cm
𝑑𝐵 = Decibel / rugi-rugi fiber optik
𝑃𝑟𝑒𝑓 = Daya referensi 𝑊
𝑃𝑚𝑜𝑑 = Daya modulasi 𝑊
L = Panjang zona sensing fiber cm
𝑃 = Daya yang ditransmisikan pada media
penyerapan 𝑚𝑉
𝑃0 =
Daya yang ditransmisikan tanpa adanya
media penyerapan 𝑚𝑉
γ = Koefisien absorbsi evanescent
𝑟 = Total daya cladding rata-rata
𝐴 = Absorbansi
𝐶 = Konsentrasi dari sampel M
𝑛 = Pola terang ke (....-2, -1, 0, 1, 2,...)
𝑑 = Lebar celah m
sin𝜃 = Sudut pola interferensi terhadap terang
xxi
𝑙 = Jarak media penyerapan cm
𝑚 = Slope
M = Jumlah mode
Pclad =
Intensitas gelombang evanescent dalam
cladding 𝑚𝑉
Ptot =
Total intensitas cahaya pada core dan
