Spektrofotometer UV-Vis untuk Estimasi UkuranNanopartikel Perak

Junaidi∗

Jurusan Fisika FMIPA Universitas LampungJl. Prof. Dr. Soemantri Brojonegoro No.1 Gedung Meneng Bandar Lampung 35145

email: junaidi.1982@fmipa.unila.ac.id

ABSTRACTWe present a simple technique to estimate the size of silver nanoparticles (AgNPs) based onuv-vis spectra computationally. To have the nanoparticles, the AgNPs colloid was prepared bychemical reduction technique using 40 mM of tri-sodium citrate dihydrate (Na3C6H5O7.2H2O)and silver nitrate (AgNO3) at different concentrations of 2.5 and 5.0 mM. The colloid wasthen analyzed by using UV-Vis spectrophotometer. For comparison of the size estimation, asmall amount of AgNPs was also analyzed using transmission electron microscopy (TEM). Byfitting the model and the UV-Vis spectra of these colloids, the set fitting parameters can beobtained including the absorption coefficient, the full width at half maximum (FWHM), thewavelength and absorbance of peaks. It is assumed that the shape of nanoparticle is spherical,so that its diameter can be estimated using the values of scattered absorbance and FWHM.Based on the model it is found that the size of AgNPs are (28 ±8) nm and (15 ±7) nm forsamples prepared with concentration of 2.5 and 5.0 mM, respectively. On the other hand, fromstatistically estimation using images from TEM, it is found that the size of AgNPs are (17 ±4)nm and (8 ±3) nm for samples prepared with concentration of 2.5 and 5.0 mM, respectively. Thisdiscrepancy occurs may be due to non-homogenous of the particles. It indicates, however, thiscomputationally simple method can be used as a first step to estimate size of the AgNPs colloidprior to measurement and calculation using advanced equipments and techniques.

Keywords: matlab, (AgNPs), spectrophotometer, TEM, UV-Vis

PENDAHULUAN

Preprasi dan karakterisasi nanopartikelperak (AgNPs) diminati banyak akademisidan industri dalam dekade terakhir. Berba-gai metode digunakan untuk mensinte-sis perak nitrat (AgNO3) menjadi AgNPs,seperti metode reduksi kimia (Moudir etal., 2013), metode poliol (Nghia et al., 2012),dan proses radiolitik (Udapudi et al., 2012).Metode reduksi kimia telah banyak di-gunakan karena lebih mudah tanpa ter-jadi agregasi untuk sintesis AgNPs (Xia et

al., 2012). Pembentukan AgNPs menggu-nakan metode reduksi kimia sangat dipe-ngaruhi oleh banyak faktor, seperti konsen-trasi AgNO3, rasio molar redukdor/AgNO3,dan konsentrasi pelarut. Untuk mem-prediksi ukuran nanopartikel digunakanbanyak metode karakterisasi dan perhitun-gan. Salah satu metode sederhana un-tuk memprediksi ukuran nanopartikel emasdari hasil pengukuran spektrum UV-Vistelah dilaporkan oleh (Haiss et al., 2007)dan (Amendolaet al., 2010). Hasil penelitianmenunjukkan ada korelasi antara puncak-

∗Penulias korespondensi

97

98 Junaidi: Spektrofotometer UV-Vis untuk Estimasi Ukuran Nanopartikel Perak

puncak serapan yang dihasilkan denganukuran nanopartikel emas.

Pada penelitian ini, kami mengem-bangkan metode sederhana untuk mem-prediksi ukuran partikel dari dari hasil pen-gukuran spektrum UV-Vis dengan perhi-tungan komputasi sederhana. Perhitun-gan dilakukan untuk mengestimasi uku-ran partikel dari AgNPs. Metode inipenting dilakukan untuk meminimalisasiproses karakterisasi sampel sebelum di-lakukan proses analisis berikutnya. Selainitu, metode analisis ukuran partikel ini jugadapat memberikan informasi kepada parapeneliti terkait keberhasilan dalam prosessintesis. Dengan metode ini para penelitidapat menentukan jenis sampel yang akandilakukan karakterisasi lebih lanjut sepertiScanning Electron Microscopy (SEM) maupunTransmission Electron Microscopy (TEM) yangmemerlukan biaya relatif mahal.

Spektroskopi merupakan suatu teknikpengukuran serapan cahaya dengan men-gaplikasikan hukum Lambert-Beer. Hukumini menyatakan bahwa absorbansi cahaya(A) sebanding dengan konsentrasi (c) danketebalan media/cuvet (d), yang dinyatakandalam persamaan 1.

A = −logId

I0= −log(T) = αcd (1)

dengan I0 dan Id adalah intensitascahaya datang dan diteruskan. Koefisienabsorpsi (α) dapat diperoleh dengan per-samaan 2. Dimana Qext adalah nilai efisiensicahaya terhambur, ε adalah refractive index(ε = 0,04-0,05 untuk logam perak pada λ

= 400-450 nm) (Schubert, 2004), N adalahrapat partikel dan λ adalah panjang gelom-bang pada puncak maksimum. Untuk par-tikel yang berbentuk bola, rapat partikelmerupakan jumlah partikel yang terdis-tribusi dalam ruang sampel (CV) per satuan

volume seperti dituliskan dalam Persamaan3 (Chamberlin, 2008).

α =1cd

logId

I0= − 1

cdlog(T)

=NQext =4πε

λ

(2)

Cv =43

πR3N (3)

Absorbansi cahaya terhambur (scatter-ing) atau Asca merupakan fungsi eksponen-sial dari panjang gelombang cahaya yangterhambur (λre f ) dan nilai Full Width at HalfMaximum (FWHM). Fungsi Gaussian darinilai absorbansi terhambur dapat dituliskanpada persamaan 4.

Asca = Aexp{(λre f − λ

)2

2( FWHM

2

) } (4)

Untuk logam perak, nilai extinctioncoefficient pada panjang gelombang 400-450nm adalah ∼2.432. Dimana A dan λ adalahnilai absorbansi dan panjang gelombangmaksimum serta k merupakan bilangan vec-tor gelombang (k = 2π/λ). Jari-jari (R) danukuran partikel (x) dapat dihitung denganmenggunakan persamaan 5 dan 6 (Owen,1995).

R =(

2, 303Asca

πNQextd

)1/2

=(

2, 303Asca

παd

)1/2

(5)

x = |k̄|R (6)

METODE PENELITIAN

Material

Bahan yang digunakan dalam penelitianadalah: perak nitrat (AgNO3) yang diper-oleh dari PT. Aneka Tambang, Indonesia

99 Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika, Vol. 5, No. 1, 2017: 97-102

dengan Mw. 169.87, tri-sodium sitrat di-hidrid (Na3C6H5O7.2H2O) atau NaCi diper-oleh dari Wako Pure Chemical Industries.LTD., China dengan Mw. 294.10, dan airuntuk pelarut.

Preparasi Larutan AgNPs

Serbuk perak nitrat dengan massa 0,0212gr; 0,0425 gr; and 0,0849 gr dicampur de-ngan 100 mL air untuk mendapatkan kon-sentrasi AgNO3 sebesar 1,25 mM, 2,5 mM,dan 5 mM. Sebanyak 50 mL AgNO3 dima-sukan ke dalam tabung Erlenmeyer beruku-ran 100 mL dan diaduk pada suhu 90 ◦Cdengan kecepatan 700 rpm. Selanjutnya, 5mL larutan NaCi 40 mM diinjeksikan setetesdemi setetes dengan menggunakan syringberukuran 10 mL selama 2 menit. Larutankemudian diaduk selama 15 menit sampaiberwarna kuning terang.

Metode Estimasi dan Karakterisasi

Larutan AgNPs yang dihasilkan diujitingkat absorbansinya dengan menggu-nakan spekrometer UV-Vis merek Shimadzu(UV-1700) pada range panjang gelombang350-600 nm. Data hasil pengukuran tingkatabsorbasi dan panjang gelombang dari laru-tan AgNPs kemudian dikomputasi denganmenggunakan Matlab dengan teknik fittinguntuk mengestimasi ukuran AgNPs. Prosesperhitungan dilakukan dengan memasukannilai konsentrasi dari larutan AgNPs dantebal cuvet yang digunakan. Selanjutnyahasil pengukuran absorbansi dan panjanggelombang hasil uji spektrofotometer UV-Vis dimasukan ke secara otomatis dalambentuk file notepad (*.txt). Dari keempat pa-rameter tersebut, maka diperoleh nilai koe-fisien absorpsi, FWHM, absorbansi, dan pan-jang gelombang maksimum. Langkah selan-jutnya adalah menghitung nilai absorbansi

cahaya terhambur (Asca), jari-jari, dan diam-eter atau ukuran dari AgNPs. Hasil pen-gukuran secara komputasi kemudian diveri-fikasi dengan data pengukuran TEM. Soft-ware ImageJ digunakan untuk menganali-sis ukuran AgNPs yang dihasilkan dari ujiTEM. Hasil pengukuran secara komputasidan TEM kemudian dibandingkan untukmenentukan tingkat akurasi perhitungan se-cara komputasi.

HASIL DAN DISKUSI

Gambar 1 menunjukan grafik pengukuranpanjang gelombang dan absorbansi darihasil pengukuran dengan menggunakanspektrofotometer UV-Vis.

Pada Gambar 1, hasil pengukuran se-cara eksperimen dengan spektrofotometerUV-Vis dari koloid AgNPs menghasilkandua parameter, yaitu panjang gelombangdan absorbansi. Hasil pengukuran spek-trofotometer UV-Vis dari koloid AgNPsmenghasilkan dua parameter, yaitu panjanggelombang dan absorbansi (λ, A) masing-masing sampel adalah (412; 0,137), (418;0,241), dan (424; 0,541). Secara komputasidiperoleh nilai (417; 0;234), (420; 0,319), dan(427; 0,413). Kedua parameter ini kemudiandimasukkan ke dalam program komputasiyang dibuat menggunakan Matlab untukmenentukan nilai panjang gelombang danabsorbansi maksimum. Hasil dari panjanggelombang dan absorbansi maksimum de-ngan metode komputasi ada sedikit perbe-daan. Hal ini karena beberapa parameter un-tuk memasukkan dalam perhitungan dibuatkonstan. Nilai yang diperoleh dari perhi-tungan kedua parameter di atas adalah in-deks bias (n) sebesar 0,04-0,05 dan koefisienekstensi (extinction coefficient) ∼2,432 padapanjang gelombang 400-450 nm seperti yangtertulis dalam persamaan 2 dan 5.

100 Junaidi: Spektrofotometer UV-Vis untuk Estimasi Ukuran Nanopartikel Perak

Gambar 1: Spektrum UV-Vis dari Larutan AgNPs dengan variasi konsentrasi.

Dari panjang gelombang dan ab-sorbansi maksimum, kemudian ditentukkanparameter lainnya, seperti koefisien absorpsidan FWHM. Proses akhir dari metode kom-putasi ini adalah mengestimasi nilai ab-sorbansi terhambur (Asca), jari-jari, dan uku-ran AgNPs. Metode perhitungan menun-jukkan bahwa hasil dari puncak gelombangdan absorbansi dari hasil eksperimen dankomputasi adalah linier (Gambar 2a - 2b).Absorbansi cahaya yang terhambur berband-ing terbalik dengan kuadrat dari panjanggelombang. Nilai absorbansi akan mengeciljika panjang gelombang cahaya yang diserapoleh sampel tinggi (Owen, 1995). Hasil daripanjang gelombang maksimum, absorbansimaksimum, dan ukuran AgNPs koloid oleheksperimental dan komputasi seperti yangditunjukkan pada Tabel 1.

Transmisi mikroskop elektron (TEM)digunakan untuk memverifikasi hasil perhi-tungan dari metode komputasi yang digu-nakan. Dua Sampel dari AgNPs koloid padakonsentrasi 2,5 mM dan 5 mM diuji denganmenggunakan TEM seperti terlihata padaGambar 3. Hasil eksperimental dan kom-

putasi untuk memperkirakan ukuran Ag-NPs ada sedikit perbedaan. Perbedaan inidisebabkan karena ada beberapa parameter,seperti indeks bias dan koefisien absorpsidibuat konstan. Selain itu, banyak faktor ke-salahan saat menghitung dan menganalisisuntuk estimasi ukuran AgNPs dari gambarTEM menggunakan software ImageJ. Dalamproses ini, ukuran AgNPs dihitung satu persatu secara manual.

Hasil estimasi ukuran AgNPs meng-gunakan metode komputasi untuk setiapsampel masing-masing (28 ±8) nm dan (15±7) nm. Pada Gambar 3 diperoleh hasil ujiTEM dari sampel AgNPs masing-masing(17 ±4) nm dan (8 ±3) nm. Meskipunterdapat sedikit perbedaan ukuuran Ag-NPs dari hasil pengukuran secara kom-putasi dan TEM namun metode komputasiyang dikembangkan dapat digunakan untukkarakterisasi awal sampel AgNPs. Metodekomputasi yang dikembangkan dapat di-gunakan sebagai langkah awal untuk mem-prediksi ukuran partikel dari larutan AgNPssebelum dilakukan karakterisasi lebih lan-jut.

101 Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika, Vol. 5, No. 1, 2017: 97-102

(a) (b)

Gambar 2: Grafik kurva hubungan antara perubahan konsentrasi (a) terhadap panjanggelombang dan (b) terhadap puncak serapan, secara eksperimen dan komputasi.

Tabel 1: Hasil estimasi ukuran AgNPs secara eksperimen dan perhitungan dari spektrumUV-Vis larutan AgNPs.

Konsentrasi (mM)Panjang gelombangmaksimum (nm)

Absorbansi maksi-mum (a.u)

Ukuran AgNPs(nm)

Eksperimen Komputasi Eksperimen Komputasi TEM Komputasi1,25 412 417 ±3 0.1 0.2 ±0.1 No test 612,50 418 420 ±3 0.2 0.3 ±0.1 17 ±4 28 ±85,00 424 427 ±3 0.5 0.4 ±0.1 8 ±3 15 ±7

(a) Konsentrasi 2,5 nM (b) Konsentrasi 5 mM

Gambar 3: Foto TEM sampel AgNPs dengan distribusi ukuran.

102 Junaidi: Spektrofotometer UV-Vis untuk Estimasi Ukuran Nanopartikel Perak

KESIMPULAN

Penelitian ini merupakan suatu metode es-timasi untuk memprediksi ukuran dari Ag-NPs dari hasil uji spektrum uv-vis denganmenggunakan Matlab. Metode ini dihara-pkan dapat membantu para peneliti padaproses pengujian awal sehingga dapat men-gurangi efek kegagalan dan biaya dalamproses karakterisasi sampel. Hasil perhitun-gan secara komputasi untuk sampel AgNPsdapat dijadikan acuan untuk melakukan ujikarakterisasi berikutnya.

REFERENSI

Amendola V.A., O.M. Bakr., & F. 2010. Stal-lacci. Size Evaluation of Gold Nanopar-ticles by UV-Vis Spectroscopy. Journal ofPhysical Chemistry C. Vol. 113. pp 4277-4285.

Chamberlin D. 2008. Physics of Particle SizeSpectrophotometry. Agilent Technologies.USA.

Haiss W., T.K.T. Nguyen, J. Aveyard, &D.G. Fernig. 2007. Determination of Sizeand Concentration of Gold NanoparticlesFrom UV-Vis Spectra. Analytical Chem-istry. Vol. 79. pp 4215-4221.

Moudir N., Y. Boukennousb, N. Moulaï-

Mostefa, I. Bozetine, M. Maoudj, N.Kamel, Z. Kamel, & D. Moudir. 2013.Preparation of Silver Powder Used for So-lar Cell Paste by Reduction Process, En-ergy Procedia. Vol. 36. pp 1184-1191.

Nghia N. V., N. N. K. Truong, N. M.Thong, & N. P. Hung. 2012. Synthesis ofNanowire-Shaped Silver by Polyol Processof Sodium Chloride. International Journalof Materials and Chemistry. Vol. 2. No. 2. pp75-78.

Owen A.J. 1995. Quantitative uv-visible analy-sis in the presence of scattering, Agilent Tech-nologies. USA.

Schubert E. F. 2004. Materials Refractive Indexand extinction Coefecient - Refractive Indexand Extinction Coefficient of Materials, Rens-selaer Polytechnic Institute. NY - USA.

Udapudi B., P. Naik, S.T. Savadatti, R.Sharma, & S. Balgi. 2012. Synthesis andCharacterization of Silver Nanoparticles.International Journal of Pharmacy and Biolog-ical Sciences. Vol. 3. pp 10-14.

Xia B., Q. Cui, F. He, & L. Li. 2012. Prepara-tion of Hybrid Hydrogel Containing AgNanoparticles by a Green In Situ Reduc-tion Method. Langmuir. Vol. 28. pp 11188-11194.