## ARTIKEL RISET
Penentuan Parameter Difusi Gas Buah Tomat dengan Spektrometer Fotoakustik Laser CO 2 Menggunakan Pelacak Gas SF 6
M.A.J. Wasono * and Y.A. Kholishoh

## Ringkasan
Telah dilakukan monitoring beberapa parameter difusi (waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi) gas SF 6 di dalam buah tomat ( Lycopersicon esculentum ) dengan menggunakan metode spektroskopi foto-akustik (SFA) laser CO 2 . Gas SF 6 menyerap paling kuat pada garis 10P16 dan etilen pada garis laser 10P14 dengan frekuensi resonansi sebesar 1650 ± 5 Hz . Batas deteksi terendah (BDT) yang dihasilkan oleh SFA untuk gas SF 6 diperoleh 2 , 6 ± 0 , 4 ppt dan untuk etilen sebesar 0 , 32 ± 0 , 03 ppb . Monitoring difusi gas SF 6 pada buah tomat dan pengukuran emisi etilen dalam kurun waktu 15 hari menghasilkan pola karakteristik waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisen difusi terhadap emisi etilen. Dalam proses pematangan, waktu relaksasi dan koefisien resistansi buah tomat mengalami penurunan masing-masing dari 2 , 85 ± 0 , 07 menit ke 0 , 86 ± 0 , 01 menit dan dari (5 , 95 ± 0 , 27) × 10 2 detik cm − 1 ke (1 , 53 ± 0 , 06) × 10 2 detik cm − 1 .Sedang koefisien difusi mengalamai kenaikan dari (1 , 73 ± 0 , 01) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 ke (6 , 70 ± 0 , 03) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 . Dari hasil tersebut dapat direkomendasikan kepada pengelola pengendalian pematangan buah tomat untuk mendapatkan optimasi parameter difusi sehingga diperoleh pematangan sesuai dengan kebutuhan pasar.
Kata Kunci : Spektroskopi fotoakustik, waktu relaksasi, koefisien resistensi & difusi, buah tomat.

## Abstract
Monitoring of diffusion parameters (relaxation time, resistance coefficient and diffusion coefficient) has been carried out by SF 6 gas in tomato fruit ( Lycopersicon esculentum ) using CO 2 laser photoacoustic spectroscopy (PAS) method. SF 6 gas absorbs the strongest on the 10P16 and ethylene lines on the 10P14 laser line with a resonant frequency of 1650 ± 5 Hz . The lowest limit detection (LLD) produced by PAS for SF 6 gas was 2 . 6 ± 0 . 4 ppt and for ethylene was 0 . 32 ± 0 , 0 . 03 ppb . Monitoring of diffusion of SF 6 gas in tomatoes and measurement of ethylene emissions within 15 days resulted in a characteristic pattern of relaxation time, resistance coefficient and diffusion coefficient on ethylene emissions. In the ripening process, the relaxation time and the tomato resistance coefficient decreased respectively from 2 . 85 ± 0 . 07 minutes to 0 . 86 ± 0 . 01 minutes and from (5 . 95 ± 0 . 27) × 10 2 seconds cm − 1 to (1 , 53 ± 0 , 06) × 10 2 seconds cm − 1 . While the diffusion coefficient has increased from (1 . 73 ± 0 . 01) × 10 − 2 cm 2 seconds − 1 to (6 . 70 ± 0 . 03) × 10 − 2 cm 2 seconds − 1 . From the results, it can be recommended to the manager of control of ripening of tomatoes to get optimization of diffusion parameters so that maturation can be obtained according to market needs.
Keywords: Photoacoustic spectroscopy; relaxation time; resistance & diffution coeficient; tomatoes fruit.

## PENDAHULUAN
Buah tomat ( Lycopersicon esculentum ) merupakan jenis buah yang diproduksi dalam skala besar dan
* Correspondence: m alijoko @ ugm.ac.id Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada, Sekip Utara Bulaksumur, Sinduadi, Mlati, Kota Yogyakarta, Daerah Istimewa Yogyakarta, Indonesia Full list of author information is available at the end of the article † Equal contributor
banyak dikonsumsi dalam kehidupan sehari-hari. Buah paska petik masih mengalami respirasi (butuh O 2 ) dan mengeluarkan CO 2 (Wasono dkk., 2002)[ 14 ]. Karakteristik transport gas pada buah belum terungkap secara detail a.l. disebabkan oleh keterbatasan detektor gas kelumit. Proses metabolisme ditentukan oleh sifat transport gas pada buah (Groot, 2002)[ 5 ].
Deteksi gas kelumit selama ini menggunakan kromatografi gas yang mempunyai kekurangan dalam hal sensitivitas, proses deteksi perlu waktu lama bisa order hari. Metode spektroskopi fotoakustik dengan sumber radiasi laser infra merah menawarkan kelebihan dalam hal sensitivitas yang tinggi hingga orde ppb ( part per billion ) dan dapat mendeteksi untuk sistem mengalir ( flowing ) serta waktu tanggap cepat berorder menit. Spektrometer fotoakustik menggunakan sumber radiasi laser CO 2 yang memiliki jangkau panjang gelombang infrared 9 − 11 µm dan jarak garis 0 , 5 − 2 cm − 1 serta mempunyai kelebihan mampu membangkitkan daya laser 1 − 100 W att hanya dengan lucutan gas relatif kecil (Harren dkk., 2000).
Pada penelitian ini digunakan gas SF 6 sebagai pelacak ( tracer ) untuk menentukan koefisien difusi gas oksigen dan karbondioksida yang terjadi pada proses respirasi buah tomat. Gas SF 6 secara fisika bersifat lembam dan inert, tidak dapat terbakar dan mempunyai serapan yang kuat pada garis 10P16 laser CO 2 dengan koefisien serapan 564 atm − 1 cm − 1 . Secara biologis gas tsb sensitif untuk dideteksi serta secara kimiawi bersifat non-toksik dan memiliki kestabilan kimia yang tinggi (Groot dkk., 2005; Pereira dkk., 2009; Sugiarto dan Wasono, 2010)[ 9 ][ 12 ].

## Disfusi Gas
Menurut hukum Fick pertama bahwa rapat aliran ( J ) molekul yang berdifusi berbanding langsung dengan gradien konsentrasi (misal ke arah x) dengan konstanta kesebandingan yang disebut koefisien difusi ( D ) (Banks, 1985)[ 2 ].
J = − D ∂C ∂x (1)
∂C ∂x merupakan gradien konsentrasi, yaitu perubahan konsentrasi per satuan panjang. Tanda negatif menunjukkan arah difusi searah dengan pengurangan konsentrasi. Sedang laju pertukaran gas atau laju difusi dS dt sebanding dengan rapat aliran ( J ) dan luas penampang ( A ) yang dilalui gas yang dapat dirumuskan
ds dt = J A = − DA ∂C ∂x (2)
Gradien konsentrasi tsb dapat didekati dengan mengambil ∆ C merupakan selisih konsentrasi di luar bahan ( C t e ) dan konsentrasi gas di dalam bahan ( C t i ) yang masing-masing disebut sebagai konsentrasi eksternal dan internal.

## Waktu tukar gas
Konsentrasi internal gas pelacak di dalam buah mengalami peluruhan secara eksponensial dengan waktu relaksasi gas τ f (Groot, 2002)[ 5 ]:
C f = C 0 e − t τf (3)
dengan C 0 = C f ( t = 0). Adapun waktu tukar gas atau waktu relaksasi merupakan waktu yang dibutuhkan buah sehingga konsentrasi gas pelacak internal C f tinggal sebesar 1/e dari konsentrasi gas pelacak awal C 0 . Nilai waktu tukar gas diperoleh dari persamaan
ln C f C 0 = − t τ f (4)

## Koefisien resistansi pada buah
Koefisien difusi pada buah menunjukkan laju pertukaran gas difusi. Koefisien difusi D ( cm 2 detik − 1 ) dalam hubungannya dengan resistansi bahan ( ρ s ) adalah:
D = ∆ x ρ s (5)
maka persamaan (2.2) dapat ditulis
dS dt = − A ∆ x ρ s ∂C ∂x = − A∂C ρ s (6)
Persamaan diferensial difusi gas melalui kulit dari suatu volume tertutup adalah (Groot,2002)[ 5 ] :
ds dt = − A f C f ( t ) − C e ( t ) ρ s (7)
dengan ds dt adalah perubahan jumlah gas pelacak internal terhadap dt ( m 3 /s ), C e ( t ) adalah konsentrasi gas pelacak eksternal, S f adalah lus total permukaan kulit buah dan ρ s adalah resistansi kulit terhadap difusi. Pada pengukuran yang dilakukan tidak ada nilai konsentrasi gas pelacak eksternal karena penyentoran gas pelacak yang bagus di dalam kolektor oleh udara tekan, maka C e ( t ) = 0 , sehingga (Groot, 2002)[ 5 ]
dS dt = − A f C f ( t ) ρ s (8)
Jumlah gas pelacak di dalam buah s terhubung dengan konsentrasi di dalam buah C f sebagai:
s = θ f V f C f (9)
dengan V f adalah volume buah dan θ f adalah fraksi gas internal yang didapat dari
θ f = V meas − m/d V meas (10)
dengan V m eas adalah volume terukur buah, m massa buah dan d adalah kerapatan spesifik daging buah (Groot, 2002)[ 5 ]. Dengan demikian konsentrasi eksternal sebagai fungsi waktu diperoleh sebagai berikut,
C f = C 0 e − Af t θf Vf ρs (11) dengan C 0 adalah konsentrasi awal dari buah. Resistansi kulit terhubung dengan waktu tukar gas dapat ditentukan (Groot,2002)[ 5 ]
ρ s = A f τ f θ f V f (12)

## METODE PENELITIAN
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. Gas CO 2 , He dan N 2 dengan konsentrasi 99% sebagai medium aktif laser. Gas N 2 untuk membersihkan sel fotoakustik dan menentukan sinyal latar. Gas SF 6 ( Sulfur Heksafluorida ) yang digunakan sebagai pelacak. KOH dan CaCl 2 yang masing-masing untuk menyerap CO 2 dan H 2 O . Sampel buah tomat hijau yang diselidiki.
Adapun rangkaian alat penelitian pendeteksian gas difusi SF 6 pada buah tomat menggunakan SFA laser CO 2 intrakavitas ditunjukkan pada Gambar 1 .

## Proses Deteksi
Sampel buah tomat sebelumnya disimpan dalam kuvet volume 500 ml yang tertutup kemudian dialiri gas SF 6 standar 100 ppm dan dibiarkan selama 4-5 jam. Sesudah proses pemuatan tsb, sampel buah tomat dipindah ke kuvet lain volume 500 ml yang menuju sel FA. Gas SF 6 yang keluar dari buah ( discharge ) dimasukkan ke dalam sel FA dengan cara menyentorkan udara tekan dan dikenai radiasi laser CO 2 termodulasi. Sinyal fotoakustik yang timbul di dalam sel FA ditangkap oleh mikrofon diperkuat oleh lock-in dan diubah menjadi data digital oleh ADC ( analog to digital converter ), kemudian dicatat dan direkam oleh komputer.
Pengukuran konsentrasi gas SF 6 pada buah tomat utuh dilakukan melalui sebuah kuvet berkolektor seperti dapat dilihat pada Gambar 2 . Kolektor disentor dengan udara tekan dengan tekanan 50 − 60 mb agar gas SF 6 hasil emisi buah tomat dapat mengalir menuju sistem deteksi fotoakustik. Kolektor
ditempatkan pada diameter terbesar buah tomat menggunakan wax agar tidak ada udara keluar masuk. Emisi SF 6 dari kolektor diukur selama 25 hingga 45 menit.
Diketahui bahwa SF 6 juga mempunyai serapan pada garis 10P14 dan etilen juga mempunyai serapan pada garis 10P16, berlak persamaan (Wasono, 2002)[ 14 ]
S I 10 P 16 = F R ( α 10 P 16 etilen C etilen
+ α 10 P 16 SF 6 C SF 6 ) + B 10 P 16 (13) S I 10 P 14 = F R ( α 10 P 14 etilen C etilen
+ α 10 P 14 SF 6 C SF 6 ) + B 10 P 14 (14) dengan S
I 10 P 16 merupakan sinyal ternormalisasi dari campuran kedua gas tersebut pada garis
10P16, S I 10 P 14 sinyal ternormalisasi campuran kedua gas tersebut pada garis 10P14, F konstanta sel yang didapatkan dari eksperimen ( F teori 3 , 7 × 10 3 P acm/W ), R konstanta mikrofon yang digunakan ( R = 11 mV /P a ), dan α koefisien serapan masing-masing gas untuk tiap-tiap garis laser.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada hasil pemayaran untuk SF 6 standar diperoleh sinyal ternormalisasi pada garis 10P16 sebesar 11 , 9 mV /W dan pada garis 10P14 terbaca sinyal ternormalisasi 4 , 8 mV /W . Hal ini menunjukkan bahwa di garis 10P14 juga menyerap SF 6 . Sementara pada hasil pemayaran untuk etilen standar diperoleh sinyal ternormalisasi pada garis 10P14 sebesar 0 , 278 V /W dan pada garis 10P16 terbaca sinyal ternormalisasi 0 , 028 V /W . Hal ini juga menunjukkan bahwa di garis 10P16 juga menyerap etilen.
Difusi Gas SF 6 pada Buah Tomat
Waktu relaksasi merupakan waktu yang diperlukan buah tomat untuk mengosongkan gas SF 6 yang telah berdifusi ke dalam buah tomat. Selanjutnya waktu relaksasi ini digunakan untuk menentukan koefisien resistansi kulit buah tomat. Gambar 3 . menunjukkan karakteristik waktu relaksasi terhadap produksi etilen buah tomat. Diperoleh hasil bahwa selama proses pematangan, waktu tukar gas mengalami penurunan dari 2 , 85 ± 0 , 07 menit ke 0 , 86 ± 0 , 01 menit . Begitu pula dengan karakteristik koefisien resistansi terhadap produksi etilen yang ditunjukkan pada Gambar 4 . mengalami penurunan dari (5 , 95 ± 0 , 27) × 10 2 detik cm 6 − 1 ke (1 , 53 ± 0 , 06) × 10 2 detik cm − 1 .
Hal ini dikarenakan koefisien resistansi berbanding langsung dengan waktu relaksasi, dimana dalam penelitian ini buah tomat yang diteliti menggunakan buah yang sama, sehingga tidak ada perubahan nilai besaran volume maupun luas permukaan. Dari karakteristik tersebut menunjukkan bahwa kulit buah tomat mengalami penurunan resistansi seiring proses pematangan.
Jika dibandingkan antara penurunan waktu relaksasi dan koefisien resistansi, penurunan koefisien resistansi lebih besar. Hal ini dikarenakan buah mengalami penurunan massa, sehingga fraksi gas antar sel meningkat seiring pematangan. Selanjutnya koefisien resistansi menurun dikarenakan berbanding terbalik dengan fraksi gas antar sel. Sementara penurunan massa secara kimiawi disebabkan prosesrespirasi yang menggunakan substrat-substrat (cadangan makanan) pada buah selama respirasi (Anna dkk., 2012).
Gambar 5 menunjukkan karakteristik koefisien difusi terhadap produksi etilen. Jika koefisien resistansi mengalami penurunan, maka koefisien difusi mengalami kenaikan yaitu dari (1 , 73 ± 0 , 01) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 ke (6 , 70 ± 0 , 03) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 . Koefisien difusi menunjukkan laju pertukaran gas, sehingga jika resistansi kulit buah menurun, maka laju pertukaran gas semakin cepat. Selama pematangan akan terjadi peningkatanlaju respirasi (Murtadha dkk., 2012). Respirasipada buah mengalami peningkatan CO 2 padasaat pematangan dan kemudian pada saatkemasakan menjelang sempurnadan telah lewatnya kemasakan, maka aktivitasrespirasi akan semakin menurun (Murtadha, 2012). Jika oksigen dalam buah telah habis maka selanjutnya akan terjadi pembusukan/fermentasi (Groot, 2002)[ 5 ]. Pada penelitian ini pengambilan data tidak mencapai masa masak yang sempurna, sehingga tidak terlihat pola penurunan laju respirasi.
Gambar 6 adalah aktivitas pematangan buah tomat berdasarkan perubahan warna kulit buah. Pada penelitian ini, pola pematangan buah diamati pada produksi etilen dan warna kulit buah.Produksi etilen pada buah menunjukkan pola buah klimakterik yaitu kecenderungan emisi etilen naik kemudian mencapaipuncak dan turun (Wasono dkk, 2002)[ 14 ].Pola produksi etilen dari hasil pengamatan ada dua data yang mengalami penyimpangan cukup jauh. Dikarenakan sampel buah yang diamati adalah sama, maka dicurigai penyimpangan tersebut berasal dari sampling (udara tekan, kuvet, scrubber )dan aliran gas yang kurang rapat atau terjadinya kebocoran. Dapat juga penyimpangan data berasal dari alat ukur SFA, yaitu menempelnya debu pada jendela ZnSe sehingga keluaran laser tidak optimal, atau pengaturan posisi
grating halus yang kurang tepat karena sangat sensitif terhadap getaran. Pada perlakuan normal, buah tomat hijau paska panen membutuhkan waktu 7 hari untuk matang (Saltveit, 2005)[ 11 ]. Pada penelitian ini buah tomat membutuhkan waktu 15 hari untuk menjadi merah-matang. Hal ini dikarenakan buah mengalami kedap udara selama perendaman gas SF 6 , sehingga menghambat laju produksi etilen.
Sementara penyimpangan data pada pola waktu relaksasi, koefisien resistansi dan koefisien difusi, diasumsikan berasal dari ralat pengenceran yang dilakukan secara manual. Ralat pengenceran berasal dari pengambilan volume suntikan ke kuvet dua kali serta pengisian nitrogen pada kuvet dan sample bag dengan pengukuran laju melalui flowmeter yang kurang stabil.

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut:
Waktu relaksasi buah tomat mengalami penurunan dari 2 , 85 ± 0 , 07 menit ke 0 , 86 ± 0 , 01 menit terhadap tingkat kematangan yang ditunjukkan oleh pola klimaterik produksi etilen. Koefisien resistansi buah tomat mengalami penurunan dari (5 , 95 ± 0 , 27) × 10 2 detik cm − 1 ke (1 , 53 ± 0 , 06) × 10 2 detik cm − 1 terhadap tingkat kematangan yang ditunjukkan oleh pola klimaterik produksi etilen. Koefisien difusi buah tomat mengalami kenaikan dari (1 , 73 ± 0 , 01) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 ke (6 , 70 ± 0 , 03) × 10 − 2 cm 2 detik − 1 terhadap tingkat kematangan yang ditunjukkan oleh pola klimaterik produksi etilen.
Dengan metode spektorkopi fotoakustik laser yang digandeng dengan sistem gas mengalir dapat dipakai untuk memantau besaran difusi gas yang keluar masuk sampel buah. Hasil yang diperoleh dapat direkomendasikan kepada pengelola buah tomat pasca panen.

## PENULIS
1 M.A.J. Wasono Dari :
(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada
2 Y.A. Kholishoh Dari :
(1) Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada
Pustaka 1. Amin, M.N., 2012, Kinerja Spektrometer Fotoakustik dalam Karakterisasi Scrubber Gas C 2 H 4 , Tesis , Jurusan Fisika FMIPA UGM,
Yogyakarta.
2. Banks, N.H, 1985, Estimating Skin Resistance to Gas Diffusion in Apples and Potatoes, Journal of Experimental Botany , Vol. 36, No. 173, Hal. 1842-1850.
3. Cameron, A.C. dan Yang, S.F., 1982, A Simple Method for the Determination of Resistance to Gas Diffusion in Plant Organs, Plant Physiol , 70, 21-23. 4. Costa, J.M. dan Heuvelink, E., 2005, Introduction: The Tomato Crop and Industry , Heuvelink, E. Tomatoes, CABI Publishing, United Kingdom. 5. Groot, T.T., 2002, Trace Gas Exchange by Rice, Soil and Pears , Ph.D Thesis, University of Nijmegen,
The Nedherlands. 6. Harren, F.J.M., 1988, The Photoacoustic Effect,
Refined and Applied to Biological Problems , Ph.D
Disertation, University of Catholic, Nijmegen,The
Netherlands.
7. Mayasari, M.H., 2010, Penentuan Koefisien Difusi Batang Padi terhadap Pertukaran Gas O 2 dan CO 2 Menggunakan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO 2 dengan Gas SF 6 Sebagai Pelacak, Skripsi , Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.
8. Mitrayana, Muslim dan Wasono, M.A.J., 2002,
Spektrometer Fotoakustik Laser Intrakavitas Berkepekaan Tinggi, Prosiding Pertemuan dan Presentasi limiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002, 34-38.
9. Pereira, T., Almeida, P.S.G., Azevedo, I.G., Cunha, M., Oliveira, J.G., Silva, M.G. dan Vargas, H., 2009, Gas Diffusion in ‘Golden’ Papaya Fruit at Different Maturity Stages, Postharvest Biology and Technology , 54, 123-130. 10. Rahmawati, R.U., 2006, Penentuan Koefisien Resistansi Kulit Buah Apel Terhadap Difusi Gas SF 6 Menggunakan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO 2 , Skripsi , Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta. 11. Saltveit, M.E., 2005, Postharvest Biology and
Handling , Heuvelink, E. Tomatoes , CABI Publishing, United Kingdom
12. Sugiarto, I.T. dan Wasono, M.A.J., 2010,
Penentuan Koefisien Difusi Gas SF 6 pada Tanah Sawah dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO 2 , Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH , 27, 8-14. 13. Syaikhu, A., 2017. Kinerja Spektrometer Fotoakustik Laser CO 2 Konfigurasi Intrakavitas dan Aplikasinya pada Deteksi Gas Etilen ( C 2 H 4 ) Tomat
Berlapis Kitosan pada suhu Dingin. Skripsi , Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.
14. Wasono, M.A.J., Muslim dan Tranggono, S., 2002, Penerapan Spektrometer Fotoakustik Laser CO 2 Semi Sealed-Off pada Penentuan Koefisien Resistensi Buah Tertentu Terhadap Difusi C 2 H 4 Menggunakan Gas SF 6 sebagai Pelacak, Prosiding Pertemuan dan Presentasi limiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002, 241-248.

## DAFTAR GAMBAR
Gambar 1: Konfigurasi alat deteksi gas difusi SF 6 pada buah tomat menggunakan spektrometer fotoakustik laser CO 2 konfigurasi intrakavitas dengan sistim gas aliran
Gambar 2: Skema kolektor pada sampel
Gambar 3: Karakteristik waktu relaksasi terhadap produksi etilen buah tomat
Gambar 4: Karakteristik koefisien resistansi terhadap produksi etilen buah tomat
Gambar 5: Karakteristik koefisien difusi terhadap produksi etilen buah tomat
Gambar 6: Perkembangan warna tomat selama 15 hari