Jurnal Fisika Indonesia No: 54, Vol XVIII, Edisi Desember 2014

## Pengukuran Konsentrasi Gas Aseton (C
3 H 6 O) dari Gas Hembus Relawan Berpotensi Penyakit Diabetes Mellitus dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser
Mitrayana, 1 M.A.J. Wasono, 1 M.R. Ikhsan 2
1. Lab. Atom-Inti Jurusan Fisika FMIPA UGM
2. Bagian Penyakit – Dalam RSU Sardjito, FKU UGM
Email: mitrayana@ugm.ac.id
Abstrak  – Telah  dilakukan  pengukuran  konsentrasi  gas  biomarker  berupa  gas  aseton  dari  gas  hembus  pernafasan  relawan sehat  dan  pasien  diabetes  mellitus  di  bangsal  penyakit  dalam  Rumah  Sakit  Umum  Dr.  Sardjito  Yogyakarta.  Pengukuran dilakukan menggunakan alat Spektrometer Fotoakustik Laser CO 2 yang dibangun di Lab. Fisika Atom dan Inti Jurusan Fisika FMIPA UGM. Hasil dari pengukuran konsentrasi gas aseton tersebut dapat dilihat secara jelas perbedaan antara relawan sehat dan pasien.
Kata kunci: Gas aseton (C 3 H 6 O), Spektrokopi fotoakustik laser, dan Diabetes mellitus.
Abstract  –  The  gas  concentrations  of  acetone  as  a biomarker  gas  have  measured  from  exhaled  gas  of  breathing  of  healthy volunteers  and  diabetes  mellitus  patient’s  in  the  disease  in  ward  General  Hospital  of  Dr.  Sardjito  Yogyakarta.  The measurement  was  made  using  a  CO 2 laser  based  photoacoustic  spectrometer  that  has  been  built in  Lab. of  Atomic-Physics, Physics  Dept.  UGM.  The  Results  from  the  measurement  of  concentrations  of  gas  acetone  can  be  seen  clearly  differences between volunteers healthy and patients
Key words: Acetone gas, Laser photoacoustic spectroscopy, and Diabetes mellitus.
I. Pendahuluan Aseton ( propylketone )  (C 3 H 6 O)  merupakan  satu  dari sebagian  besar  senyawa  yang  berlimpah  dalam  pernafasan manusia.  Aseton  dihasilkan  oleh heptocytes melalui decarboxylation dari kelebihan Acetyl-CoA . Aseton dibentuk  oleh decarboxylation  acetoacetate ,  yang  berasal dari  lipolisis  atau  peroksidasi  lipid. Ketone  bodies seperti aseton  dioksidasi  melalui  siklus  Krebs  dalam  jaringan peripheral. Ketone bodies dalam darah (termasuk acetoacetate dan  -hydroxybutyrate)  meningkat  dalam subjek  ketonemic  ketika  puasa  atau  kelaparan  atau  selama diet.  Konsentrasi  aseton  dalam  pernafasan  meningkat  pada pasien diabetes mellitus yang tak terkontrol [1].
Metode spektroskopi fotoakustik laser dalam menganalisis  gas lacakan dengan  memanfaatkan  potensinya untuk  menyelidiki  komposisi  hembusan  udara via pernafasan  mulut  memberikan  informasi  penting  tentang bermacam-macam  proses  yang  terjadi  pada  tubuh  manusia [2,3]. Dari segi medis, hal ini sangat menarik karena metode itu  sangat  berpotensi  untuk  memonitor  berbagi  proses metabolisme  itu  secara noninvasive dengan  waktu  tanggap yang cepat.
Kasus-kasus  kelainan  metabolisme  manusia  terjadi antara  lain  pada  penderita  penyakit  diabetes  yang  tidak terkontrol  yang  menimbulkan  bau  uap  badan  seperti  buah- buahan manis; penderita lever parah menghasilkan bau amis dan pengap; begitu pula penderita paru-paru bernanah, gagal ginjal, dan tumor ganas [4](Deng dkk . , 2004). Spektrum gas hembusan  para  penderita  jika  dibandingkan  dengan  gas
hembusan  orang  normal  dapat  untuk  mendeteksi  adanya kelainan dan menentukan stadiumnya.
Kondisi  tertentu  (panas,  trauma,  radiasi  dan  lain-lain) memacu  gangguan  terhadap  kesetimbangan  pembentukan radikal  bebas  sehingga  jaringan  tubuh  mengalami  stress secara  oksidatif.  Stress  oksidatif  merupakan  asal  mula  atau penyebab terjadinya  peroksidasi lipida  yang  mengakibatkan terjadinya bermacam-macam penyakit ( patho physiological ) [5]. Peroksidasi lipid menyebabkan timbulnya radikal bebas yang  mengurangi  asam-asam  lemak  tidak  jenuh  sehingga biomembran dan sel tubuh terganggu yang bisa menyebabkan  kerusakan  dan  kematian  sel.    Sebagai penanda  kerusakan  tubuh  manusia  akibat  radikal  bebas maka  pengukuran  hembusan  gas-gas  hidrokarbon  seperti ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ),  dan pentane (C 2 H 12 )  dapat dilakukan  dengan  metode  spektroskopi  fotoakustik  laser secara noninvasive dan nonintrusive [6].
Dalam makalah ini akan diselidiki konsentrasi gas aseton (C 3 H 6 O)  secara real  time dan in-situ dari  pernafasan manusia  untuk  menentukan fingerprints potensi  penyakit diabetes mellitus , sehingga masalah pendeteksian dini gejala awal serta bantuan diagnosa dini dapat diatasi.
Jurnal Fisika Indonesia No: 54, Vol XVIII, Edisi Desember 2014

## II. METODE EKSPERIMEN
Gas hembus didapat dari pernafasan lewat mulut dengan skema  pengambilan  gas ditunjukkan  pada  Gb.    (1).  Seperti terlihat  pada  gambar  tersebut  seluruh  gas  sampel  yang hendak diselidiki dialirkan ke sel FA melalui scrubber KOH dan  CaCl 2 .  Hal  ini  dilakukan  guna  menyerap  uap  air  dan CO 2 yang  dapat  menggangu  kinerja  serapan  gas biomarker pada  laser  CO 2 .  Data  yang  terekam  kemudian  diproses secara off-line .  Setelah  masing-masing  konsentrasi  gas hembus  diperoleh,  baik  dari  gas  hembus  relawan  sehat maupun  relawan  sakit  (pasien)  maka  pemetaan  kadar penentuan  batas  ambang  suatu  penyakit  tertentu  dapat ditentukan.  Untuk  validitas  data  maka  data  dari  SFA  ini dicek  dengan  membuat  korelasi  positip  terhadap  variabel konvensional  dari  uji  darah  setiap  relawan  (klinik  Prodia Yogyakarta).
Jumlah  relawan  yang  diuji  gas  hembus  pernafasannya adalah sekitar 6 orang usia muda (usia antara 20 – 30 tahun) untuk  kategori  sehat  bagi  pria  dan  wanita,  12    orang  usia lanjut  (usia  diatas  50  tahun)  untuk  kategori  sehat  bagi  pria dan  wanita,    dan  12  orang  relawan  sakit  (yang  lagi menginap  di  Rumah  Sakit  Sardjito).  Jumlah  pengukuran dilakukan  dua  kali  (bolak-balik)  dalam  pemayaran  garis laser  untuk  melihat  konsistensi  pola  serapan  laser.  Namun untuk  pengambilan  nafas  dari  relawan  (untuk  satu  orang relawan)  hanya  dilakukan  satu  kali.  Hal  ini  dikarenakan keterbatasan  dana,  kondisi  relawan  dan  waktu  eksperimen. Setiap  cuplikan  biasanya  memerlukan  waktu  kurang  lebih 15 menit  pengukuran, sehingga  untuk pengukuran  30 orang kurang lebih memerlukan waktu    450 menit.
Pengukuran  konsentrasi  gas  aseton  dari  gas    hembus manusia itu dilakukan melalui dua tahap eksperimen. Tahap pertama  adalah  kalibrasi  alat  terhadap  aseton  pada  garis laser  10P20.  Tahap  kedua  adalah  penerapan  alat  SFA  laser untuk  langsung  mengukur  gas  hembusan  pernafasan relawan.  Hasil  dari  eksperimen  kedua  ini  adalah  melihat apakah  ada  perbedaan  pola  keluaran  sinyal  dari  relawan sehat dan relawan sakit.
Gambar 1    Skema pengambilan dan pengukuran gas hembus pernafasan orang dengan SFA laser CO 2 .

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  (2A)  menunjukkan  contoh  grafik  pemayaran SFA untuk cuplikan  gas dari relawan sakit kompliksi antara diabetes  mellitus dan  gagal  ginjal.  Nampak  bahwa  terdapat serapan  pada  garis  10R24  dan  juga  ada  serapan  pada  grup 9P.  Dari  grafik  tersebut  dan  dari  kalibarsi  diperoleh konsentrasi asetonnya sebesar 400 ppbv.
Gambar  (2B)  menunjukkan  contoh  grafik  pemayaran SFA untuk cuplikan gas dari relawan sakit diabetes mellitus saja.  Nampak  bahwa  serapan  yang  kuat  hanya  terjadi  pada garis  10R24.  Dari  grafik  tersebut  dan  dari  kalibarsi diperoleh konsentrasi asetonnya sebesar 300 ppbv.
Gambar  (2C)  menunjukkan  contoh  grafik  pemayaran SFA untuk cuplikan gas dari relawan sehat. Nampak bahwa sinyal  pada  semua  grup  hampir  sama  dengan  sinyal  latar. Dari  grafik tersebut dan  dari kalibarsi diperoleh konsentrasi asetonnya sebesar 30    ppbv.
Dari  sekitar  12  orang  relawan  pasien  berpenyakit komplikasi  yaitu  berpenyakit  diabetes  Mellitus  dan  gagal ginjal  diperoleh  nilai  rata-rata  konsentrasi  gas  aseton  yang terukur  adalah  sebesar   80 290  ppbv.  Dari  sekitar  12 orang  relawan  pasien  yang  hanya  berpenyakit  diabetes Mellitus diperoleh nilai rata-rata konsentrasi gas aseton yang terukur  adalah  sebesar   30 126  ppv.  Sedangkan  dari sekitar  6  orang  relawan  sehat,  diperoleh  nilai  rata-rata konsentrasi  gas  aseton  yang  terukur  adalah   4 28  ppbv.
Dari  data-data  terseut  di  atas,  dapat  disimpulkan  bahwa Spektrometer Fotoakustik Laser CO 2 Mobile yang dibangun sudah  terbukti  dapat  mendeteksi  perbedaan  konsentrasi  gas aseton  yang  dihembuskan  melalui  pernafasan  untuk  bergai kondisi relawan.
Jurnal Fisika Indonesia No: 54, Vol XVIII, Edisi Desember 2014
4 6 8 10 12 14 16 18 20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Posisi Gratting (a.u) K e lu ar an D ay a Las er C O 2 ( W ) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 S iny al ak u sti k gas s eton ( mV )
Gambar  2.  A.  Grafik  pemanyaran  untuk  pasien  komplikasi yaitu    berpenyakit  diabetes  Melitus  dan  gagal  ginjal, nampak  dari  grafik  bahwa  puncak  tidak  hanya  terjadi  di grup  10R  akan  juga    berada  di  9R  dan  9P  ;  B.  Grafik pemanyaran  untuk  pasien  berpenyakit  diabetes  Melitus, nampak  dari  grafik  bahwa  puncak  hanya  terjadi  di  grup 10R24;  C.  Grafik  pemanyaran  untuk  relawan  sehat (mahasiswa  berumur  21  th),  nampak  dari  grafik  bahwa puncak  di  semua  grup  hampir  tidak  nampak  dan  hanya seperti sinyal latar.

## IV. KESIMPULAN
Spektrometer  Fotoakustik  Laser  CO 2 Mobile  yang dibangun  di  Lab.  Fisika  Atom  dan  Inti  Jurusan  Fisika FMIPA  UGM  telah  terbukti  dapat  mendeteksi  kadar konsentrasi  gas  aseton  untuk  relawan  sehat,  berpenyakit diabetes mellitus dan komplikasi (yaitu berpenyakit diabetes mellitus dan gagal ginjal). Kadar konsentrasi yang terdeteksi cukup signifikan perbedaannya yaitu   4 28  ppbv untuk realawan  sehat,   30 126  ppv  untuk  relawan  pasien
berpenyakit  diabetes  mellitus,  dan   80 290  ppbv untuk relawan pasien komplikasi (yaitu berpenyakit diabetes mellitus dan gagal ginjal). Nampak kadar konsentrasi  untuk pasien  komplikasi  memiliki  kadar  konsentrasi  gas  aseton yang  lebih  tinggi  kemungkinan  selain  karena  keton  body yang tidak terkontrol juga  masih disumbang oleh kerusakan metabolisme tubuh lainnya.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan  terimakasih  kami  haturkan  kepada  Jurusan  Fisika FMIPA  UGM  yang  telah  membiaya  pelaksanaan  seminar ini,  dan  kepada  Kelompok  Kesenian  UGM  yang  telah menginjinkan penggunaan gamelan untuk bahan penelitian.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Kalapos,  M.P.,  2003,  On  the  mammalian  acetone metabolism: from chemistry to clinical implications. Biochimica et Biophysica Acta, 1621: 122-139.
[2] Miekisch,  W.,  and  Schubert,  J.K.,  2006,  “From highly  sophisticated  analytical  techniques  to  life- saving  diagnostics:  Technical  developments  in breath  analysis”, Trends  in  Analytical  Chemistry , Vol. 25, No. 7.
[3] Navas,  M..J.,  Jimenez,  A.M.  and  Ausero.,  A.G. 2012, “Human biomarkers in breath by photoacoustic  spectroscopy”, Clinical  Chimica Acta, 413(2012) 1171-1178 .
[4] Deng, C., Zhang, J., Yu, X., Zhang, W., dan Zhang, X.,  2004,  Determination  of  acetone  in  human breath  by  gas  chromatography-mass  spectrometry and  solid-phase  microextraction  with  on-fiber derivatization. Journal  of  Chromatography B , 810:269-275.
[5] Miekisch,  W.,  Schubert,  J.K.,  and  Noeldge- Schomburg, G.F.E., 2004, “Diagnostic  potential of breath  analysis  –  focus  on  volatile  organic compounds,” Clinica Chimica Acta 347 (2004) 25- 39.
[6] Harren, F.J.M., Cotti, G., Oomens, J., and Hekkert, S.L.,  2000, Photoacoustic  Spectroscopy  in  Trace Gas  Monitoring ,  Encyclopedia  of  Analytical Chemistry edited by R.A. Meyer, p. 2203 – 2226. .
B
C