## PISTON
Journal of Technical Engineering:
Deteksi Gas Aseton sebagai Biomarker dalam Napas Manusia dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser

## Ananta Kusuma Yoga Pratama
Jurusan teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas 17 Agustus 1945 banyuwangi Jl. Laksada Adicipto, Taman Baru, Kec. Banyuwangi, Kabupaten Banyuwangi, Jawa Timur 68416.
E-mail: ananta.untag@gmail.com
Masuk : 29 Maret 2017
Direvisi : 20 April 2017 Disetujui : 10 Mei 2017
Abstrak: Dalam penelitian ini, telah dilakukan deteksi dan pengukuran konsentrasi gas aseton dalam gas hembus pernapasan manusia menggunakan spektrometer fotoakustik sensitifitas tinggi. Laser CO 2 kontinyu dengan panjang gelombang 9 sampai dengan  11  m  sebagai  sumber  radiasi  digunakan  untuk  medeteksi  gas  aseton.  Pada  penggunaannya,  laser  dikombinasikan dengan  teknik  spektroskopi  fotoakustik  konfigurasi  intrakavitas.    Optimasi  daya  laser  CO 2 menghasilkan  daya  intrakavitas terukur  53 watt.  Batas deteksi terendah (BDT)  secara teoritisnya didapatkan sebesar 2,2 ± 0,04 ppb. Deteksi gas biomarker pada gas hembus pernapasan manusia telah berhasil mengukur konsentrasi gas aseton sebesar 540±6 ppb.
Kata kunci: gas aseton, spektroskopi fotoakustik, laser
Abstract : In this study, the detection and measurement of acetone gas concentrations in human respiratory bladder gas using a high sensitivity photoacoustic spectrometer was performed. The continuous CO 2 lasers with wavelengths of 9 to 11 μm as radiation  sources  was  used  to  detect  acetone  gas.  In  its  applications,  the  continuous  CO 2 lasers  was  combined  with photoacoustic spectroscopy techniques of intracavity configuration. The optimization of CO 2 laser power produces a measured 53 watts intracavity power. The lowest detection limit (BDT) is theoretically obtained at 2.2 ± 0.04 ppb. Detection of biomarker gas in human respiratory human bladder gas has successfully measured the concentration of acetone gas by 540 ± 6 ppb.
Keyword: acetone gas, photoacoustic spectroscopy, laser

## PENDAHULUAN
Deteksi penyakit melalui analisis gas hembus napas manusia secara modern sudah dikembangkan sejak lama yang diawali pada tahun 1971 oleh penemuan Pauling tentang senyawa organik yang mudah menguap ( volatile organics compound ) [1]. Udara pernapasan yang dihembuskan manusia antara lain mengandung gas H 2 O, CO 2 , N 2 yang nilai konsentrasinya relatif tinggi, serta beberapa senyawa volatile organic compounds ( VOC ) antara lain aseton,  isoprene,  propanol  dan  lain-lain  (lebih  dari  1000  jenis)  pada  tingkat ppm sampai  dengan ppt [2]. Pembentukan  senyawa-senyawa  tersebut  disebabkan  oleh  reaksi  biokimia  yang  terjadi  di  dalam  tubuh  sebagai bagian dari proses metabolisme. Oleh karenanya, konsentrasi senyawa gas VOC dalam hembusan napas manusia dapat mencirikan karakteristik individu seseorang bahkan menunjukkan gejala penyakit tertentu [3]. Hingga saat ini, sekitar 35 jenis VOC tersebut telah diidentifikasi sebagai gas penanda biologis ( biomarker ) untuk gangguan metabolisme dan gejala penyakit tertentu [4].
Pelacakan  gas  biomarker  pada  gas  hembus  napas  manusia  merupakan  hal  yang  tidak  mudah.  Hal  ini disebabkan  karena  selain  senyawa-senyawa  gas  biomarker  pada  gas  hembus  sangat  bervariasi  level konsentrasinya (dari ppm , ppb , sampai ppt ), spektrum molekul yang ada juga sangat berdekatan dan berpotensi saling berinterferensi destruktif [5]. Hal yang diperlukan dalam pengukuran konsentrasi gas biomarker dalam gas hembus  napas  adalah  detektor  yang  memiliki  sensitifitas  dan  selektivitas  yang  sangat  tinggi  disamping  dapat mengukur secara on-line dan real time . Metode spektroskopi laser yang selektif dan sensitifitasnya tinggi memiliki banyak kelebihan seperti bersifat non invasive , mudah digunakan, mudah diulangi, dapat melakukan pengukuran
secara real  time ( online  measurement ),  meminimalkan  gangguan  pada  pasien,  dan  memiliki  kemampuan mendeteksi perubahan pada tingkat molekuler [6].
Spektroskopi fotoakustik (SFA) sebagai salah satu teknik spektroskopi laser dalam beberapa tahun terakhir ini telah terbukti cepat dan akurat dalam aplikasinya untuk mengukur konsentrasi gas penanda biologis pada gas hembus napas manusia. Teknik SFA telah digunakan secara spesifik untuk menentukan kandungan etilen, amonia, nitrogen oksida dan beberapa senyawa potensial lain dalam napas manusia [7]. Prinsip SFA adalah mendeteksi gelombang  suara  (akustik)  yang  timbul  akibat  serapan  radiasi  foton  (laser)  oleh  sampel  gas.  Sensitivitas spektrometer FA dalam deteksi gas semakin baik dengan dikenalkannya konfigurasi intrakavitas dan perbaikan desain sel FA. Konfigurasi spektrometer FA intrakavitas yakni menempatkan sel FA dalam rongga laser. Dengan konfigurasi  tersebut,  akan  membuat  penggunaan  daya  radiasi  bertambah  tinggi  sehingga  akan  meningkatkan sinyal serapan. Untuk beberapa gas seperti etilen dan SF 6 diperoleh batas deteksi terendah (BDT) mencapai orde ppt, sementara untuk beberapa gas lainnya BDT-nya lebih tinggi akibat kurang tepatnya antara frekuensi laser dan sifat serapan molekular gasnya [8] .
Di dalam sel, radiasi menghasilkan modulasi tekanan dan direkam oleh mikrofon sebagai sinyal akustik S, yang  diproses  dan  dikuatkan  oleh lock-in amplifier.  Absorpsi  ternormalisasi  kemudian  dapat  disimpulkan sebanding  dengan  rasio S/I .  Sinyal  listrik  yang  ditangkap  oleh  mikrofon S (mV)  akan  sebanding  dengan  daya tanggap sistem deteksi (mikrofon) R (mV/Pa) dan sejumlah besar daya yang diserap oleh gas [9].
𝑆 ∝ 𝐼 𝑎𝑏𝑠 𝑅 . (1)
Pengenalan  suatu  faktor  kesebandingan  yang  menyatakan  tetapan  sel F ,  menyebabkan  sinyal  listrik  dapat dinyatakan sebagai
𝑆 = 𝐹𝑅𝐼 0 𝛼𝐶 . (2)
Tetapan sel F mencakup besaran-besaran geometri sel. Tetapan sel tidak bergantung pada daya laser 𝐼 0 dan koefisien serapan, tetapi merupakan perbandingan tetap antara tekanan dengan koefisien serapan dan daya laser.
Pada penelitian ini, metode SFA dengan sumber radiasi laser CO 2 diaplikasikan untuk mengukur konsentrasi gas aseton pada sampel gas hembus napas. Laser CO 2 menghasilkan panjang gelombang pada daerah inframerah yaitu antara 9 sampai 11 𝜇 m. Aseton (C 3 H 6 O) memiliki susunan molekul yang lebih besar dibandingkan dengan senyawa-senyawa organik yang mudah menguap lainnya. Secara umum telah diketahui bahwa molekul yang lebih besar memliki sifat serapan yang lebar dikarenakan sejumlah besar transisi-transisi vibrasionalnya dan garis-garis rotasional yang berjarak dekat. Oleh karenanya, merupakan sebuah tantangan untuk mengukur senyawa organik yang  lebih  besar  seperti  aseton  dengan  spektroskopi  serapan  laser  pita  sempit  [10].  Dengan  menerapkan konfigurasi intrakavitas, daya yang diradiasikan ke dalam sel fotoakustik sebagai tempat interaksi antara sampel gas dan radiasi laser akan semakin besar, sehingga sinyal FA yang dihasilkan akan semakin tinggi. Pengukuran yang dilakukan pada penelitian ini bertujuan untuk mengetahui daerah serapan laser CO 2 terkuat untuk gas aseton. Kemudian kinerja spektrometer FA laser CO 2 akan diuji dalam mendeteksi dan mengukur konsentrasi gas aseton pada sampel napas pasien

## METODOLOGI
Dalam  menerapkan  metode  SFA  untuk  mengukur  konsentrasi  gas  aseton  pada  sampel  napas  dilakukan dengan konfigurasi sebagaimana pada Gambar (1). Pada metode eksperimen ini, bisa dikelompokkan menjadi dua tahap yaitu, karakterisasi spektrometer FA dan penerapan metode SFA untuk mendeteksi konsentrasi gas aseton pada gas hembus napas. Sebelum dilakukan pengukuran sampel, terlebih dahulu dihidupkan laser CO 2 sampai terjadi proses  lasing  yang  optimal,  ditandai  dengan  terbacanya  daya  keluaran  pada  power  meter.  Untuk  mendapatkan kinerja  spektrometer  FA  yang  optimal,  dilakukan  optimasi  daya.  Besar  tegangan  opersaional  laser  CO 2 yang dipakai berkisar antara 7,69 sampai 8,2 kV dengan arus sekitar 11,66 sampai dengan 12,2 mA. Hasil optimasi, daya laser intrakavitas yang terukur mencapai 53 watt. Selanjutnya ditentukan garis serapan panjang gelombang terkuat untuk memudahkan dalam pengukuran dengan cara scanning (pemayaran) garis laser CO 2 dan pembuatan spektrum  serapan  garis  laser  untuk  gas  aseton  standar.  Karena  hasil  pengukuran  merupakan S/I ,  maka  dibuat kurva  linearitas  dengan  memvariasi  nilai  konsentrasi  sampel  gas  aseton  standar,  kemudian  dicatat  sinyal ternormalisasinya (sinyal/daya). Pembuatan kurva linearitas untuk mendapatkan faktor kalibrasi yang diperoleh dari nilai gradien m kurva.
Pada tahap pengukuran, sampel napas dilewatkan scrubber KOH dan CaCl 2 , lalu dialirkan ke dalam sel FA dan dikenai radiasi laser CO 2 termodulasi. Gelombang akustik yang timbul di dalam sel FA akan ditangkap oleh
mikrofon. Sinyal FA yang dihasilkan diperkuat menggunakan penguat lock-in dan dikonversi menjadi data digital oleh ADC, kemudian dicatat dan direkam oleh komputer.
Gambar 1. Skema rangkaian alat spektrometer fotoakustik laser CO 2 intrakavitas.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil scanning serapan  garis  laser  CO 2 yang  tampak  pada  Gambar  2  untuk  gas  aseton.  Pada  Gambar  2 menunjukkan bahwa serapan garis laser CO 2 terkuat untuk gas aseton sebesar 100 ppm berada pada garis 9P32. Gas  aseton  standar  yang  sudah  diencerkan  dimasukkan  dalam  sel  fotoakustik  dengan  jumlah  volume  ≤  10  ml. Kemudian saluran masuk dan keluar gas sel FA ditutup. Frekuensi chopper diatur pada frekuensi resonansi sel FA  (1640-1650  Hz).  Dengan  bantuan stepper motor, grating mirror pada  sistem  laser  digerakkan  dengan kecepatan 0,05 sehingga semua garis-garis laser bisa muncul seluruhnya. Hasil spektrum garis laser serta spektrum serapan gas aseton direkam dan dapat dilihat pada komputer.
Gambar 2. Spektrum daya intrakavitas laser CO 2 dan sinyal serapan garis laser aseton.
Gambar 3 menunjukkan linearitas spektrometer FA ditentukan berdasarkan hubungan dari variasi konsentrasi gas  aseton  standar  dan  sinyal  fotoakustik  ternormalisasi.  Linearitas  spektrometer  FA  ditentukan  berdasarkan hubungan dari variasi konsentrasi gas aseton standar dan sinyal fotoakustik ternormalisasi.
Gambar 3. Kurva linearitas spektrometer FA laser CO 2 .
Variasi konsentrasi gas aseton dipilih mulai dari 100 ppb sampai 800 ppb. Pemilihan variasi nilai konsentrasi yang cukup kecil ini dimaksudkan untuk mendapatkan faktor kalibrasi yang akurat sekaligus memeriksa linearitas spektrometer  FA  laser  CO 2 pada  rentang  nilai  konsentrasi  gas  aseton  dalam  sampel  napas  manusia  dengan mengacu pada literatur maupun hasil penelitian lain pada metode yang berbeda yaitu 0,39 sampai 0,85. Diperoleh faktor kalibrasi yang merupakan gradien ( m ) grafik sebesar 0,18. Batas deteksi terendah (BDT) spektrometer FA secara teoritisnya didapatkan sebesar 2,2 ± 0,04 ppb . Gambar 4 menunjukkan scanning spektrometer FA untuk sampel gas napas dari pasien diabetes mellitus tipe 2. Hasil tersebut menunjukkan bahwa sistem detektor gas aseton menggunakan spektrometer FA laser CO 2 ini terbukti mampu melakukan pengukuran dan pengamatan gas aseton dari gas hembus pernapasan dengan tingkat sensitifitas yang diinginkan. Konsentrasi gas aseton pada sampel napas pasien sebesar 540±6 ppb.
Gambar 4. Pengukuran sampel napas relawan pasien DM tipe 2.

## KESIMPULAN
Secara  kualitatif  dan  kuantitatif,  hasil  yang  diperoleh  membuktikan  bahwa  spektrometer  fotoakustik  laser CO 2 konfigurasi  intrakavitas  bisa  digunakan  untuk  mengukur  konsentrasi  gas  aseton  dalam  sampel  hembusan napas  manusia  dengan  tingkat  sensitivitas  mencapai  orde ppb .  Metode  ini  telah  terbukti  dapat  mendeteksi  gas aseton dalam sampel napas pasien penderita diabetes mellitus tipe 2. Sistem ini memiliki peluang yang cukup baik untuk dikembangkan sebagai detektor gas jenis lain atau diaplikasikan pada penyelidikan biomedis.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. W. Miekisch, J. K. Schubert, Noeldge-Schomburg, G.F.E. “Diagnostic Potential of Breath Analysis-Focus on Volatile Organic Compounds,” J. Clinica Chimica Acta, vol. 347, hal. 25-39, 2004.
[2]. J. Mikołajczyk, J. Wojtas, Zbigniew Bielecki, Tadeusz Stacewicz, Dariusz Szabra, Paweł Magryta, Artur Prokopiuk, Arkadiusz Tkacz, Małgorzata Panek, “System Of Optoelectronic Sensors For Breath Analysis. Metrol. Meas. Syst .,” vol. 23, no. 3, hal. 481–489, 2016.
[3]. J. Wojtas, Z. Bielecki, T. Stacewicz, J. Mikołajczyk, M. Nowakowski, “Ultrasensitive Laser Spectroscopy for Breath Analysis,” Opto-Electronics Review, vol 20, no. 1, hal. 26-39, 2012.
[4]. C. Wang, P. Sahay, “Breath Analysis Using Laser Spectroscopic Techniques: Breath Biomarkers, Spectral Fingerprints, and Detection Limits,” Sensors, hal. 8230-8262, 2009.
[5]. R.  Widiatmono,  Julien  Mandon,  Frans  J.  M.  Harren,  M.  Kusminarto,  A.  Joko  Wasono, Mitrayana,  “Pengembangan  Sistem Deteksi Gas CO pada  Gas Hembus Manusia Berbasis Spektroskopi ICOS,” Jurnal Fisika Indonesia , vol. 18, no. 52, 2014.
[6]. Mitrayana,  Muslim,  M.  A.  J.  Wasono,  W.  Rohmahdan  F.  J.  M.  Harren,  “Kajian  Awal  Dekteksi  Dini Penyakit Dalam Dengan Metode Non-Invasive Spektroskopi Fotoakustik Laser,” Berkala MIPA , vol. 15, no. 3, 2005.
[7]. M. J. Navas, A. M. Jimenez, A. G. Asuero, “Human Biomarkers in Breath by Photoacoustic Spectroscopy,” Clinica Chimica Acta , vol. 413,  hal.1171–1178, 2012.
[8]. Frans  J.M.  Harren,  Julien  Mandon,  Simona  M.  Cristescu,  “Photoacoustic  Spectroscopy  in  Trace  Gas Monitoring,” In Encyclopedia Of Appl. Phys Ed. RA. Meyers, JWS, Chicester .
[9]. Dumitras, DC, CO 2 Laser - Optimisation and Application, Croatia: InTech, 2012.
[10]. Denis D. Arslanov, Koen Swinkels, Simona M. Cristescu, and Frans J. M. Harren, “Real-time, subsecond, multicomponent breath analysis by Optical Parametric Oscillator based Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy,” Optics Express , vol. 19, hal. 24, hal. 24078-24089, 2011.