DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.021.03

## IDENTIFIKASI KANDUNGAN UNSUR-UNSUR VARIETAS SERBUK KOPI DENGAN TEKNIK LASER INDUCED SHOCK WAVE PLASMA SPECTROSCOPY
Rani Septiani 1, a) , Mangasi A. Marpaung 1 , Maria M. Suliyanti 2
1 Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Negeri Jakarta Jl. Pemuda No 10, Jakarta 13220.
2 Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Selatan 15314. Email: a) raniseptiani219@gmail.com

## Abstrak
Telah dilakukan penelitian untuk mengidentifikasi kandungan unsur- unsur varietas kopi dengan teknik Laser  Induced  Shock  Wave  Plasma  Spectroscopy (LISPS).  Varietas  kopi  yang  digunakan  adalah  kopi luwak,  kopi  jawa  dan  kopi  toraja.  Ketiga  sampel  kopi  semula  berbentuk  serbuk  dan  diberi  perlakuan awal  dengan  dibentuk  pellet  agar  serbuk  kopi  menjadi  padat.  Sampel  pellet  kopi  diletakkan    dalam sebuah  ruang  vakum  yang  bisa  diatur  tekanan  udaranya.  Agar  dihasilkan  emisi  plasma,  sampel  pellet kopi  ditembak  oleh  laser  Nd:YAG  (1064  nm)  dengan  variasi  energi  12  mJ  dan  45  mJ.  Untuk  setiap variasi  energi  dilakukan  variasi  tekanan  udara  yaitu  5,  15  dan  35  torr.  Emisi  plasma  yang  dihasilkan ditangkap  oleh  spektrometer  dan  ditransmisikan  ke  monitor.  Gambar  spektrum  emisi  ditampilkan  di monitor.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  teknik  ini  bisa  digunakan  untuk  mengidentifikasi kandungan  unsur-unsur  kopi  dan  memberikan  hasil  analisa  yang  cepat  dan real  time .  Untuk  energi terendah 12 mJ dan 45 mJ garis spektrumnya sudah terlihat cukup tajam. Elemen yang dikandung ketiga varietas  kopi  yaitu  Ca(Kalsium),  K(Kalium),  Mg  (Magnesium)  dan  H(Hidrogen).  Hasil  eksperimen menunjukkan bahwa spektrum emisi paling tajam terlihat pada (45 mJ, 5torr).   Dan dari ketiga sampel, kopi luwak memiliki spektrum paling tajam.
Kata  Kunci  : Laser  Induced  Shock  Wave  Plasma  Spectroscopy  (LISPS),  Teknik  Ablasi  Laser, Identifikasi Unsur Kopi

## Abstract
Research to  identify the elements of varieties of coffee powder with Laser Induced Shock Wave Plasma Spectroscopy LISPS have done. Varieties of coffees used are civet coffee, java coffee and toraja coffee. The  samples  were  originally  in  powder  and  those  made  into  pellets.  Sample  were  put  in  a  vacuum chamber  that  can  be  set  the  air  pressure.  Laser  Nd:YAG(1064  nm)  irradiated  sample  and  produce plasma with energy variation 12 mJ and 45 mJ. For each energy variation is given pressure variation 5, 15  and  35  Torr.  Plasma  emission  recorded  by  spectrometer  and  spectrum  emission  shown  on  the monitor.  The  result  of  research  show  that  this  method  can  be  used  for  identify  the  elements  of  coffee powder and gives a fast and real time analysis. Spectrum emission already look good at 12 mJ and 45 mJ.  Elements  of  the  three  varieties  of  coffee  are  Ca  (calcium),  K  (Potassium),  Mg(  Magnesium)  and H(Hydrogen).  The  result  of  this  research  showed  that  the  best  spectrum  emission  shown  at  (45  mJ,5 Torr), and the best spectrum emission among three samples of coffe is civet coffee.
Keywords: Laser  Induced  Shock  Wave  Plasma  Spectroscopy  (LISPS),  Laser  Ablation  Technique, Identify the elements of coffee.

## 1. PENDAHULUAN
Dalam  bidang  material,  sebuah  material  terdiri  tiga  bagian  yaitu  padat,  cair  dan  gas.  Serbuk merupakan  bagian  dari  zat  padat,  bahan  serbuk  baik  yang  kasar  maupun  halus,  merupakan  bahan dasar  yang  banyak  dijumpai  di  industri  kimia,  fisika,  farmasi  dan  industri  lainnya.  Berbagai  bahan serbuk  kimia  murni  dicampur  dengan  berbagai  komposisi  campuran  dan  komposisi  campuran tersebut akan menentukan kualitas hasil akhir produk tersebut [8].
Salah satu produk dengan bahan serbuk yang sangat populer di dunia adalah Kopi. Berdasarkan keragaman indikasi geografisnya, Indonesia menjadi negara ketiga sebagai penghasil kopi terbanyak di  dunia.  Pemanfaatannya  berupa  biji  kopi,  biji  kopi  ini  disangrai  dan  dihaluskan  menjadi  bahan serbuk. Menurut survei looplife , ada tujuh varietas kopi Indonesia yang sangat diminati di Indonesia dan  mendunia  yaitu  kopi  luwak,  kopi  jawa,  kopi  toraja,  kopi  sumatera,  kopi  bali,  kopi  lanang  dan kopi  wamena.  Tiga  diantaranya  yaitu  kopi  luwak,  kopi  toraja  dan  kopi  jawa  yang  akan  digunakan dalam  penelitian  ini.  Untuk  menikmati  ketiga  kopi  ini,  kini  bisa  ditemukan  dengan  mudah  karena sudah banyak industri kopi yang memproduksi kopi instan yang kemudian dijual dipasaran. Analisis komposisi dan sifat kimia suatu bahan sangat diperlukan dalam proses industri. Berbagai penelitian untuk  menganalisa  komposisi  dan  sifat  kimia  dalam  suatu  bahan  sudah  banyak  dilakukan.  Metode analisa sifat kimia serbuk kopi pernah dilakukan sebelumnya, metode yang digunakan yaitu dengan metode  kimia.  Data  yang  diperoleh  berupa  kadar  air,  kadar  lemak  dan  kadar  kafein  untuk  tiga varietas kopi  [6]. Pada tahun 2005, Laboratorium FAO di Laos pernah melakukan penelitian untuk mengetahui unsur utama yang menyusun bagian tanaman kopi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ada 6 unsur utama yang menyusun bagian tanaman kopi.
Penelitian  terakhir  telah  diperkenalkan  sebuah  metode  yang  tidak  memerlukan  perlakuan  awal sampel  yang  rumit  dalam  tekniknya.  Teknik  ini  sangat  tepat  terutama  untuk  analisa  elemen berdasarkan  pada  emisi  atomik  dari  plasma  laser  hasil  pembangkitan  dengan  memfokuskan  laser pada  permukaan  sampel.  Metode  ini  disebut Laser  Atomic  Emission  Spectrochemical  Analysis (LAESA). LAESA terdiri dari dua teknik yaitu Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) dan Laser  Induced  Shock  Wave  Plasma  Spectroscopy (LISPS).  LIBS  merupakan  metode  LAESA  yang menggunakan gas lingkungan dengan tekanan tinggi sedangkan LISPS menggunakan gas lingkungan dengan  tekanan  rendah.  Beberapa  analisis  kandungan  unsur  suatu  material  dengan  menggunakan metode  LAESA  sudah  pernah  dilakukan  sebelumnya  dengan  metode  LIBS  dimana  sampel  yang digunakan  yaitu  kalium  bromide  dan  pati.  [4].  Sebelumnya  juga  pernah  dilakukan  Studi  penelitian tentang aplikasi laser untuk analisa unsur dalam hard fossil dengan mengunakan LISPS [14].
Analisis  kandungan  unsur  kopi  dengan  menggunakan  teknik  LISPS  belum  pernah  dilakukan sebelumnya. Oleh karena itu, pada paper ini akan digunakan teknik LISPS untuk analisis kandungan unsur dari tiga varietas sampel kopi.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Pada eksperimen ini varietas kopi yang digunakan adalah kopi luwak, kopi jawa dan kopi toraja. Ketiga sampel kopi semula berbentuk serbuk dan diberi perlakuan awal dengan dibentuk pellet agar serbuk kopi menjadi padat. Berikut tahap pembuatan sampel pellet kopi:
1. Membuat perekat dengan mencampur serbuk PVA dan Aqua B-des.
2. Menuangkan empat takaran serbuk kopi dalam sebuah wadah kecil.
3. Menambahkan perekat sekitar 1/4 sendok spatula ke dalam kopi dan mengaduknya sampai rata.
4. Jika serbuk kopi dan perekat sudah tercampur rata, sampel kopi siap di buat pellet dengan alat pellet.
5. Jika sampel kopi sudah berbentuk pellet, sampel siap digunakan untuk eksperimen.
Untuk  analisa  unsur  kopi  digunakan  laser  pulsa  Nd:YAG  1064  nm  dengan  energi  yang  diatur pada 12 mJ dan 45 mJ. Berkas laser difokuskan dengan lensa pemfokus (f =100 mm) melalui jendela quartz ke permukaan sampel. Sampel pellet kopi ditempatkan pada chamber yang terbuat dari logam berukuran (11x11x25 cm3), yang dapat divakumkan dengan pompa vakum dan dapat diisi gas sesuai dengan tekanan yang diinginkan. Aliran gas dalam ruang vakum diatur oleh needle valve dan tekanan dalam  ruang  vakum  dimonitor  dan  diukur  dengan  digital  pirani  meter.  Variasi  tekanan  yang
digunakan untuk setiap variasi energi adalah 5, 15 dan 35 torr. Set-up eksperimen analisa unsur tiga varietas sampel kopi ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Set Up Eksperimen
Cahaya  plasma  dideteksi  oleh  fiber  optik  dan  ditransmisikan  ke  spektrometer  yang  telah dihubungkan  dengan  komputer  dan  akan  diperoleh  spektrum  hubungan  panjang  gelombang  dan intensitas  yang  ditampilkan  pada  layar  komputer.  Data  spektrum  emisi  disimpan  dengan  format  txt dan diinput ke program matlab untuk dibuat grafik dan dideteksi kandungan unsurnya.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini, digunakan laser pulsa dengan daya tinggi. Jenis laser yang digunakan adalah laser Nd:YAG dengan panjang gelombang 1064 nm untuk diiradiasi kearah sampel kopi yang telah dibentuk  pellet  dengan  tekanan  gas    dan  energi  yang  divariasikan.  Iradiasi  laser  difokuskan  pada sampel,  sehingga  interaksi  laser  dengan  bahan  akan  mengevaporasi  sebagian  kecil  dari  sampel, evaporasi  (penguapan)  ini  merupakan  perubahan  fase  dari  material  padat  menjadi  gas  dengan temperatur  tinggi,  gas  inilah  yang  merupakan  plasma  [10]. Cahaya  plasma  yang  dihasilkan ditransmisikan  menggunakan  fiber  optik  ke  spektrometer  dan  akan  diperoleh  spektrum  emisi hubungan panjang gelombang dan intensitas yang ditampilkan pada layar komputer.
Gambar  2,3  dan  4  menunjukkan  spektrum  emisi  ketiga  sampel  kopi  pada  kondisi tekanan  udara yang  divariasikan  yaitu  5,15  dan  35  torr.  Dari  gambar  terlihat  bahwa  semakin  kecil  tekanan  udara yang diberikan  maka spektrum emisi terlihat lebih bagus hal ini dikarenakan pada dasarnya prinsip kerja  LISPS    bekerja  pada  tekanan  gas  rendah.  Jika  kerapatan  gas  penyangga  semakin  kecil  maka plasma  yang  mengembang  menekan  gas  sekitarnya  dengan  mudah  sehingga  plasma  merambat dengan  cepat  dan  saat  tereksitasi  akan    terlihat  emisinya  dan  spectrum  emisi  yang  dihasilkan  lebih bagus [12].
Gambar 2. Spektrum emisi Kopi luwak pada kondisi tiga variasi tekanan udara, kiri: energi (45 mJ), kanan: energi (12 mJ).
Gambar 3. Spektrum emisi Kopi jawa pada kondisi tiga variasi tekanan udara, kiri: energi (45 mJ), kanan: energi (12 mJ).
Gambar 4. Spektrum emisi Kopi Toraja pada kondisi tiga variasi tekanan udara, kiri: energi (45 mJ), kanan: energi (12 mJ).
Perubahan energi yang diberikan juga berpengaruh terhadap spektrum emisinya. Dari gambar 2,3 dan  4  Spektrum  yang  paling  bagus  ditunjukkan  oleh  energi  45  mJ.  Pada  prinsipnya  laser  memiliki ambang batas energi yang  dipompakan, jadi dalam penggunaannya harus mempertimbangkan batas ambangnya.  Jika  energi  yang  berikan  terlalu  besar  maka  sampel  akan  lebih  cepat  rusak  dan  akan memperpendek usia penggunaannya laser. Sebaliknya, jika energi yang diberikan terlalu kecil maka emisi  yang  dihasilkan  tidak  akan  cukup  atau  kurang  bagus.  Oleh  karena  itu,  diperlukan  optimasi
batas  minium  energi  yang  dipompakan  (lasing  threshold),  sehingga  berkas  laser  yang  dihasilkan cukup  signifikan  dengan  umur  pemakaian  yang  panjang.  Maka  dapat  disimpulkan  dari  ketiga gambar, spektrum emisi yang paling bagus terlihat pada energi 45mJ dan tekanan udara 5 Torr.
Pada  Gambar  5  disajikan  hasil  eksperimen  untuk  karakterisasi  ketiga  sampel  kopi  berupa spektrum emisi pada daerah panjang gelombang 300-800 nm. Spektrum emisi yang ditunjukkan pada gambar  5  merupakan  spektrum  emisi  paling  tajam  dari  ketiga  sampel  kopi  (45mJ,5torr).  Spektrum emisi  ketiga  sampel  menunjukkan  bahwa  kopi  luwak  memiliki  spektrum  yang  paling  tajam dibandingkan  dengan  kopi  toraja  dan  jawa,meskipun  antara  kopi  jawa  dan  kopi  luwak  perbedaan spektrumnya  tidak  signifikan.  Ketiga  sampel  kopi  memiliki  kandungan  unsur  yang  sama  yaitu,  K (388,342 nm),K (465,938 nm), Mg  (516,732 nm) dan H (656,285 nm).
a b c
Gambar 5 . Spektrum emisi tiga sampel kopi (45mJ,5torr) a.) Spektrum emisi kopi luwak b.) Spektrum emisi kopi jawa c.)

## Spektrum emisi kopi toraja
Kandungan  unsur  Ca  (387,048  nm)  pada  kopi  luwak  dan  kopi  jawa  terlihat  cukup  jelas. Sedangkan, pada kopi toraja  kandungan unsur Ca sebenarnya terdeteksi pada program matlab hanya saja peaknya sangat kecil. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kadar kandungan unsur Ca, K Mg dan H pada kopi luwak paling tinggi dibandingkan dengan kopi jawa dan kopi toraja.

## 4. SIMPULAN
Hasil penelitian menunjukkan bahwa teknik ini bisa digunakan untuk mengidentifikasi kandungan unsur-unsur kopi dan memberikan hasil analisa yang cepat dan real time . Untuk energi terendah 12 mJ dan 45 mJ garis spektrumnya sudah terlihat cukup tajam. Elemen yang dikandung ketiga varietas kopi  yaitu  Ca(Kalsium),  K(Kalium),  Mg  (Magnesium)  dan  H(Hidrogen).  Hasil  eksperimen menunjukkan  bahwa  spektrum  emisi  paling  tajam  terlihat  pada  (45  mJ,  5torr).    Dan  dari  ketiga sampel, kopi luwak memiliki spektrum paling tajam dan memiliki kadar kandungan unsur Ca, K, Mg dan H paling tinggi.

## UCAPAN TERIMAKASIH
1. Dr.Mangasi Alion Marpaung , M.Si. selaku pembimbing dari jurusan Fisika UNJ.
2. Dr.Maria Margaretha Suliyanti, M.T. selaku pembimbing dari Pusat Penelitian LIPI Fisika.
3. Teman-teman Fisika Murni UNJ 2012.

## DAFTAR ACUAN
[1] Anshori, Jamaludin.(2005). Spektrometri  Serapan Atom .Bandung:Universitas Padjadjaran.
[2] Fransisca.,dkk.(2009). Spektroskopi Atomik dan Molekuler .Depok:Universitas Indonesia.
[3] Fuferti,Megah.,dkk.(2013). Perbandingan Karakteristik Fisis Kopi Luwak (Civet coffee) dan Kopi Biasa Jenis Arabika .Pillar of Physics, pp.68-75.
[4] Gondal, M.A., Hussain, T., Yamani, Z.H., Baig, M.A. (2007). The Role of Various Binding Materials for Trace Elemental Analysis of Powder Samples Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy , Talanta, 72, 642.
[5] Gultom,Vina.(2015). Laser  Induced  Shock  Wave  Plasma  Spectroscopy  dan  Aplikasinya . Jurnal Optik dan Laser.
[6] Hayati,Rita.,dkk.(2012). Sifat  Kimia  dan  Evaluasi  Sensori  Bubuk  Kopi  Arabika .Jurnal Floratek, hal 66-75.
[7] Khumaeni,A.,dkk.(2011). Rapid  Analysis  of  Tiny  Amount  of  Powder  Samples  Using Transversely  Excited  Atmospheric  CO2  Laser-induced  He  Gas  Plasma  with  the  Aid  of HighVacuum  Silicon  Grease  as  a  Binder  on  Metal  Subtarget .  Applied  Spectroscopy,  65, 236-241.
[8] Madjid,  Syahrun  Nur  .(2012). Studi  Analisis  Serbuk  dengan  Teknik  Krim  Silikon Menggunakan Plasma Tekanan Tinggi yang Diinduksi oleh Laser Nd: YAG .Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan, Vol. 9, No. 2, hal. 74 – 80.
[9] Marpaung,Mangasi.(2013). Pembangkitan  Plasma  dengan  Laser  Pulsa  Daya  Tinggi .Jurnal Seminar Nasional Fisika UNJ.Jakarta:Universitas Negeri Jakarta.
[10] Marpaung,Mangasi.,dkk.(1995). Analisis  Spektrokimia  dengan  Spektroskopi  Plasma Gelombang  Kejut  oleh  Laser  dengan  Sumber  Radiasi  Laser  Nitrogen .  Laporan  Penelitian. Jakarta:  Universitas Negeri Jakarta.
[11] Muchiar.(2007). Pembuatan  Model  Laser  Nd-YAG  Gelombang  Kontinyu  Daya  Rendah . Jurnal Fisika dan Aplikasinya,Vol 3, No. 2.
[12] Pardede,Marincan.(1998). Efek  Penguapan  Selektif  pada  Plasma  Gelombang  Kejut  Iradiasi Laser . Tesis Program Studi Elektronika dan Aplikasi Laser .Jakarta:Universitas Indonesia.
[13] Setiabudi,Wahyu  .  (1998). Interaksi  Plasma  Laser dengan  Material  Padat  dan Aplikasinya untuk Spektrokimia . Jakarta:Dewan Riset Nasional.
[14] Suliyanti,M.M.(2010). Aplikasi  Laser  dalam  Analisa  Unsur  dengan  Teknik  Pembangkitan Plasma dan Metode Pelapisan . Jurnal Himpunan Fisika Indonesia,Vol. 10, No. 1.