Makalah Kristalografi :))

Deteksi konsentrasi unsur gigi manusia dengan menggunakan X-ray Fluorescence (XRF) Spectrometry

Arindha Reni Pramesti (080810115), Miranda Zawazi ichsan, Nurul Istiqomah

Teknobiomedik Universitas Airlangga

Pendahuluan.

Konsentrasi dari beberapa elemen dan juga beberapa mikeoelement pada sampel beberapa gigi diukur menggunakan XRF.  Penentuan tingkat konsentarsi yang akurat sangat penting dalam bidang ilmu biomedis agar dapat digunakan untuk kepentingan aplikasinya serta untuk mengetahui tingkat kesehatan penduduk di daerah tersebut. Dalam makalah ini akan dibahas penentuan konsentasi unsur dalam gigi manusia dengan menggunakan X-ray fluorescence dengan sumber radioisotop ¹⁰⁹Cd (E_Kα=22.16 keV) dan ²⁴¹Am (E_ϒ=59.57 keV). XRF ini digunakan untuk menganalisis unsur gigi manusia , baik dalam hal bentuk, serta tebal sampel gigi , dan secara terpisah menggunakan bagian dari enamel, dentin, dan sementum untuk analisisnya.

Eksperimen.

Teknik fluoresensi sinar-X (XRF) merupakan suatu teknik analisis yang dapat menganalisa unsur-unsur yang membangun suatu material. Teknik ini juga dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi unsur berdasarkan pada panjang gelombang dan jumlah sinar X yang dipancarkan kembali setelah suatu material ditembaki sinar-X berenergi tinggi. Sampel yang digunakan biasanya berupa serbuk hasil penggilingan atau pengepressan menjadi bentuk film.  Namun, sampel tidak hanya dalam bentuk serbuk saja tapi juga dapat berupa padatan atau cairan dengan syarat sebagai berikut :

à Serbuk.

·         Ukuran serbuk < 4.00 mesh

à Padatan.

·         Permukaan yang dilapisi akan meminimalisir efek penghamburan.

·         Sampel harus datar untuk menghasilkan analisis kuantitatif yang optimal.

à Cairan.

·         Sampel harus segar ketika dianalisis dan analisis dilakukan secara cepat jika sampel mudah menguap.

·         Sampel tidak boleh mengandung endapan.

Prinsip dasar dari XRF :

Dasar analisis alat X-Ray Fluorescent ini adalah pencacahan sinar x yang dipancarkan oleh suatu unsur akibat pengisian kembali kekosongan elektron pada orbital yang lebih dekat dengan inti (karena terjadinya eksitasi elektron) oleh elektron yang terletak pada orbital yang lebih luar.

Ketika sinar x yang berasal dari radioisotop sumber eksitasi menabrak elektron dan akan mengeluarkan elektron kulit dalam, maka akan terjadi kekosongan pada kulit itu. Elektron dari kulit yang lebih tinggi akan mengisi kekosongan itu. Perbedaan energi dari dua kulit itu akan tampil sebagai sinar X yang dipancarkan oleh atom. Spektrum sinar X selama proses tersebut menunjukan peak/puncak yang karakteristik, dimana setiap unsur akan menunjukkan peak yang karakteristik yang merupakan landasan dari uji kualitatif untuk unsur-unsur yang ada dalam sampel.

Tahap 1 :

Ketika photon X-Ray memiliki energy yang cukup untuk menabrak atom,  ini menyebabkan electron terlepas dari kulitnya (dalam hal ini Kulit K)

Tahap 2:

Atom akan mengisi kekosongan pada kulit K dengan electron dari kulit L; sebagai penurunan electron ke tingkat energy rendah dan melepaskan energy yang disebut K alfa X-Ray.

Tahap 3:

Atom mengisi kekosongan kulit K dengan electron dari kulit M, sebagai penurunan electron ke tingkat energy rendah, dan melepaskan energy yang disebut K betha X-ray.

Prinsip Dasar XRF

Box diagram dari XRF :

·         X-ray Source (Tabung Sinar-X)

Electron energy tinggi ditembakkan pada anoda (biasanya terbuat dari Ag atau Rh). Energy eksitasi dapat bervariasi dari 15-50 kV dan arusnya 1-200 µA.

·         Silicon Drift Detector (SDD) and digital pulse processor

Energy dispersive, multi channel analyzer tidak monokromatik , inilah yang diperlukan. Energy foton dalam keV adalah terkait dengan jenis elemen. Tingkat emisi (cps) berhubungan dengan konsentrasi unsur.

·         Perangkat lunak analyzer mengkonversi data spectral untuk pembacaan hasil secara langsung.

Konsentrasi unsur ditentukan dari data kalibrasi pabrik, ketebalan sampel seperti yang diperkirakan dari sumber backscatter , dan parameter lainnya.

Jenis – Jenis XRF

Jenis XRF yang pertama adalah WDXRF (Wavelength-dispersive X-ray Fluorescence) dimana dispersi sinar-X didapat dari difraksi dengan menggunakan analyzer yang berupa cristal yang berperan sebagai grid. Kisi kristal yang spesifik memilih panjang gelombang yang sesuai dengan hukum bragg (PANalytical, 2009).

Keuntungan menggunakan WDXRF spektrometer (PANalytical, 2009):

·      Aplikasinya luas dan beragam.

·      Kondisi pengukuran yang optimal dari tiap – tiap elemen dapat diprogram.

·      Analisa yang sangat bagus untuk elemen berat.

·      Sensitivitas yang sangat tinggi dan limit deteksi yang sangat rendah

Gambar berikut menggambarkan prinsip kerja WDXRF(Gosseau,2009.)

Sampel yang terkena radiasi sinar-X akan mengemisikan radiasi ke segala arah. Radiasi dengan dengan arah yang spesifik yang dapat mencapai colimator. Sehingga refleksi sinar radiasi dari kristal ke detektor akan memberikan sudut θ. Sudut ini akan terbentuk jika, panjang gelombang yang diradiasikan sesuai dengan sudut θ dan sudut 2θ dari kisi kristal. Maka hanya panjang gelombang yang sesuai akan terukur oleh detektor. Karena sudut refleksi spesifik bergantung panjang gelombang, maka untuk pengukuran elemen yang berbeda, perlu dilakukan pengaturan posisi colimator, kristal serta detektor (Gosseau,2009).

Jenis XRF yang kedua adalah EDXRF. EDXRF (Energy-dispersive X-ray Fluorescence) spektrometri bekerja tanpa menggunakan kristal, namun menggunakan  software yang mengatur seluruh radiasi dari sampel kedetektor (PANalytical, 2009). Radiasi Emisi dari sample yang dikenai sinar-X akan langsung ditangkap oleh detektor. Detektor menangkap foton – foton tersebut dan dikonversikan  menjadi impuls elektrik. Amplitudo dari impuls elektrik tersebut bersesuaian dengan energi dari foton – foton yang diterima detektor. Impuls kemudian menuju sebuah perangkat yang dinamakan MCA (Multi-Channel Analyzer) yang akan memproses impuls tersebut. Sehingga akan terbaca dalam memori komputer sebagai channel. Channel tersebut yang akan memberikan nilai spesifik terhadap sampel yang dianalisa. Pada XRF jenis ini, membutuhkan biaya yang relatif rendah, namun keakuratan kurang. (Gosseau,2009).

Gambar berikut mengilustrasikan prinsip kerja EDXRF (Gosseau,2009):

Ilustrasi prinsip kerja EDXRF

Kelebihan dan kekurangan XRF

Setiap teknik analisa memiliki kelebihan serta kekurangan, beberapa kelebihan dari XRF :

·      Cukup mudah, murah dan analisanya cepat

·      Jangkauan elemen Hasil analisa akurat

·      Membutuhan sedikit sampel pada tahap preparasinya(untuk Trace elemen)

·      Dapat digunakan untuk analisa elemen mayor (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) maupun tace elemen (>1 ppm; Ba, Ce, Co, Cr, Cu, Ga, La, Nb, Ni, Rb, Sc, Sr, Rh, U, V, Y, Zr, Zn)

·      Akurasi yang tinggi

·      Dapat menentukan unsur dalam material tanpa adanya standar

·      Dapat menentukan kandungan mineral dalam bahan biologik maupun dalam tubuh secara langsung

Beberapa kekurangan dari XRF :

·      Tidak cocok untuk analisa element yang ringan seperti H dan He

·      Analisa sampel cair membutuhkan Volume  gas helium yang cukup besar

·      Preparasi sampel biasanya membutuhkan waktu yang cukup lama dan memebutuhkan perlakuan yang banyak

·      tidak dapat mengetahui senyawa apa yang dibentuk oleh unsur-unsur yang terkandung dalam material yang akan kita teliti. 

·      tidak dapat menentukan struktur dari atom yang membentuk material itu.

Pada makalah ini kami akan menganalisa unsur-unsur apa saja yang terkandung dalam gigi penduduk (kota Oradea, Eropa*sesuai jurnal yang kami bahas*)  dengan menggunakan XRF. Bagian gigi yang akan di analisis meliputi enamel, dentin, dan sementum.

Skema diagram gigi yang dibelah, menunjukkan berbagai jaringan gigi

Karakteristik spectrum sinar X telah dicatat oleh Si(Li) X-ray detector yang memiliki ketebalan 3mm dan luas 30 mm2 (gambar dibawah ini). Detektor Si (Li) merupakan detektor semikonduktor untuk jenis radiasi sinar X dan bekerja optimum pada suhu – 196^o C. Detektor ini lebih effesien dibandingkan dengan detektor isian gas, karena terbuat dari zat padat serta mempunyai resolusi yang lebih baik dari pada detektor scintilasi . Resolusi energy yang diukur dari system detector 200 eV FWHM pada garis 5,9 keV Mn garis K_α. Lainnya, komponen jendela detector Be, sampel kaca pemegang dan perlindungan Pb dan Ag dimaksudkan untuk menyerap secara memadai efek hamburan Compton. Foton 22,16 keV dari ¹⁰⁹Cd dan foton 59,57 keV dari ²⁴¹Am digunakan untuk eksitasi dari target sinar X. Pemilihan sumber sinar x untuk pengeksitasi didasarkan pada jenis unsur yang akan dianalisis.

(1)   Si (Li) detector; (2) sumber ¹⁰⁹Cd; (3) sumber ¹⁰⁹Cd standart annular; (4) Al; (5) Perisai Pb; (6) Perisai Ag; (7) Kaca Sampel; (8) baskom dari kaca khusus dan bawah polietilen (5µm, S= 3cm²); (9) Jendela Be.

Pengukuran analisis kuantitatif dari spectrum dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak yang digunakan untuk menghitung intensitasnya.

Karakteristik spectrum sinar-X yang dihasilkan dari penyinaran irisan gigi dentin manusia oleh sumber ¹⁰⁹Cd

Hasil XRF pada uji kualitatif setiap unsur biasanya akan muncul dua peak untuk meyakinkan keberadaan unsur itu yaitu K_α dan K_β. Setiap unsur mempunyai K_α dan K_β yang berbeda-beda sehingga kita dapat menebak unsur apa saja yang terkandung didalamnya. Tapi tidak semua unsur mempunyai dua energy karakteristik (K_α dan K_β) contohnya Ni, Cu, dan Sr pada grafik diatas yang hanya terlihat satu energy karakteristik yaitu K_α. Sedangkan apabila kita ingin mengetahui kuantitas dari masing-masing unsur tersebut dengan cara manual adalah Peak area unsur (missal Ca) yang dihasilkan sample dibandingkan dengan peak area standart Ca kemudian dikalikan dengan kadarnya sehingga akan diperoleh kadar Ca dalam sampel gigi ini. Dalam eksperimen penentuan konsentrasi unsur gigi ini analisa kuantitatifnya dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak sehingga bisa langsung diketahui hasilnya.

Hasil dan Diskusi.

Unsur utama pembentuk gigi adalah Ca dan P. Penyinaran dengan sumber ¹⁰⁹Cd menentukan unsur nomor atom yang rendah seperti K, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Bi(Pb), Se, Br dan dengan menggunakan sumber ²⁴¹Am dapat ditentukan konsentrasi unsur dengan nomor atom tinggi seperti Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, In(Cd), Sn, Te, I, Ba, La, Ce, Nd. Pada tabel dibawah ini menunjukkan konsentrasi tiap unsur dari gigi yang terdeteksi dengan XRF sumber ²⁴¹Am.

Biasanya konsentrasi unsur lebih tinggi pada permukaan daripada pada gigi massal. Urutannya adalah sebagai berikut : sementum > enamel > dentin, terutama untuk Mn, Fe, Cu, dan Nb. Lebih lanjut kemudian dianalisis logam-logam yang ditemukan dalam gigi. Fe dan Cr pada gigi sampel menunjukkan konsentrasi menengah sampai tinggi. Mereka berkorelasi dengan tingkat degradasi (karies/ non karies)pada gigi yang dianalisis. Hasil ini dapat dihubungkan dengan fakta bahwa penduduk tersebut terkena polusi lokal (exposure/asupan makanan). Mungkin, kontaminasi Fe dan Cr tersebut berasal dari emisi pabrik dan polusi jalan raya. Konsentasi Zn dan Cu lebih rendah pada gigi dari donor perempuan. Hal ini berkaitan dengan fisiologi khusus perempuan.

Kesimpulan

·      XRF (X-ray fluorescence spectrometry) digunakan untuk identifikasi serta penentuan konsentrasi elemen yang ada pada padatan, bubuk ataupun sample cair.

·       X-Ray Fluorescent Spectroscocy (XRF) mempunyai banyak keuntungannya yaitu analisis tidak merusak, cepat, multi elemen dan murah.

·      Pada aplikasi yang kami bahas yaitu mengetahui konsentrasi unsur gigi didapatkan hasil terdapat kandungan logam berat yaitu Fe dan Cr pada sampel gigi penduduk karena pengaruh polusi dan emisi pabrik.

Daftar Pustaka

C. Oprea, P.J. Szalanski, M.V. Gustova, I.A. Oprea, V. Buzguta , XRF detection limits for dental tissues of human teeth , www.elsevier.com