12

energi celah semikonduktor TiO2. Hal ini berkaitan erat dengan perubahan ukuran

partikel-partikel TiO2.

Berdasarkan hasil plot kurva (Gambar 7) diketahui bahwa nilai energi celah

menurun terhadap peningkatan suhu kalsinasi. Gao et al. (2003) dan Ge et al.

(2006) menyatakan bahwa perubahan energi celah disebabkan oleh perubahan

ukuran pertikel karena adanya efek ukuran kuantum (quantum size effect). Hal ini

disebabkan oleh perubahan nilai quantum confinement yang menyebabkan

peningkatan energi kinetik pada medan kuantum yang diiluminasi, sehingga

energi celah meningkat seiring dengan penurunan ukuran partikel. Peristiwa

tersebut dikenal sebagai efek ukuran quantum. Beberapa penelitian sebelumnya

dilaporkan bahwa nilai energi celah TiO2 anatase yaitu 3,78 (Karabay et al. 2012),

3,6 eV (Gonz´alez dan Santiago 2007), 3,67 eV (Li et al. 2000), variasi suhu

kalsinasi 400oC sampai 700

oC masing-masing 3,67 eV , 3,40 eV, 3,80 eV, 3,65

eV (Gao et al. 2003), 3,36 eV (Reddy et al. 2002), dan 3,5-3,8 eV (Hasan et al.

2008).

Simpulan

Peningkatan suhu kalsinasi menyebabkan perubahan struktur TiO2, terjadi

transformasi fase serta semakin kristal. Ukuran kristal sangat dipengaruhi oleh

lebar puncak difraksi yang tertinggi dari setiap fase. Selain itu, peningkatan suhu

sangat berpengaruh pada ukuran butir dan keterikatan antar butir TiO2. Semakin

tinggi suhu maka ukuran butir semakin meningkat, demikian halnya dengan

ukuran makin bertambah besar. Sifat optik TiO2 menunjukkan berada pada daerah

UV, dengan koefisien absorpsi yang mengindikasikan terjadinya transisi langsung.

Nilai energi gap sangat bergantung pada jenis transisi elektroniknya. Setiap

perubahan kenaikan suhu menyebabkan energi gap menjadi semakin berkurang.

3 POTENSI FIKOSIANIN DARI MIKROALGA Spirulina

platensis SEBAGAI SENSITISER PADA DSSC

Pendahuluan

Fikosianin dapat dihasilkan dari beberapa jenis mikroalga yang

mengandung pigmen biru yaitu kelas mikroalga Cyanophyceae. Fikosianin dan

allofikosianin terdapat di dalam group Cyanobacteria yang mempertahankan

hidupnya pada lapisan permukaan danau, rawa, kolam dan perairan laut. Lebih

lanjut Hall dan Rao (1992) menyatakan bahwa fikosianin merupakan salah satu

dari tiga pigmen (klorofil dan karotenoid) yang mampu menangkap radiasi yang

tersedia dari matahari paling efisien dan bermanfaat dalam proses fotosintesis.

Fikosianin merupakan kompleks pigmen protein yang saling berhubungan dan

13

terlibat dalam pemanenan cahaya, energi transduksi dan dapat bertindak sebagai

bahan penyimpan nitrogen dan asam amino karena konsentrasi fikosianin tinggi

bila ditumbuhkan dalam kondisi nitrogen yang optimal. Protein kompleks yang

terdapat dalam Spirulina platensis lebih dapat dijadikan sumber kehidupan bagi

makhluk hidup dan merupakan prekursor bagi klorofil dan hemoglobin karena

mengandung magnesium dan besi yang merupakan pigmen biru yang secara

struktural mirip dengan karoten, yang telah diketahui mampu meningkatkan aksi

sistem kekebalan dan berperan aktif melindungi tubuh dari penyakit tertentu.

Pigmen ini mempunyai fungsi sebagai pewarna alami untuk makanan (Yoshida et

al. 1996), kosmetik (Cohen 1986), penelitian biomedis (Glazer 1994) dan obat-

obatan khususnya sebagai pengganti pewarna sintetik dan mampu mengurangi

obesitas (Bhat dan Madyastha 2001).

Fikosianin adalah pigmen yang paling banyak pada Spirulina (alga hijau

biru) dan jumlahnya lebih dari 20% berat kering alga (Vonshack 1997).

Fikosianin mempunyai absorbansi cahaya maksimum pada panjang gelombang

546 nm. Berat bobot molekul fikosianin (C-fikosianin) adalah sebesar 134 kDa,

namun ditemukan bobot molekul yang lebih besar (262 kDa) dari ekstrak

fikosianin segar pada banyak spesies. Bobot molekul yang lebih besar ini diduga

disebabkan oleh keberadaan fragmen fikobilisom (Ó Carra et al. 1976).

Spirulina sp. merupakan organisme multiseluler yang merupakan alga hijau-

biru. Tubuhnya berupa filamen berwarna hijau-biru berbentuk silinder dan tidak

bercabang dan mengandung protein dalam jumlah yang cukup tinggi. Kandungan

protein Spirulina bervariasi dari 50%, hingga 70% dari berat keringnya. Hasil

analisis asam amino dari Spirulina mexican yang dikeringkan dengan spray dryer

ditemukan 18 asam amino (Oliverira et al. 2009). Spirulina sp. memiliki membran

tilakoid. Pada membran tilakoid terdapat struktur granula berupa fikobilisom yang

terdiri dari fikobiliprotein yang berfungsi untuk menyerap cahaya dan diduga

dapat melindungi pigmen fotosintesis lainnya dari oksidasi pada cahaya

berintensitas tinggi.

Spirulina dapat hidup di perairan tawar (S. fusiformis) maupun di air laut

(S.platensis, S.maxima, dll). Jenis Spirulina tersebut dapat menghasilkan pigmen

klorofil dan fikosianin. Pigmen fikosianin berwarna biru tua yang dapat

memancarkan warna merah tua. Biliprotein atau biasa dikenal dengan

fikobiliprotein adalah kelompok pigmen yang ditemukan pada Rhodophyta (alga

merah), Cyanophyta (alga hijau-biru) dan Cryptophyta (alga crytomonad). Pigmen

ini berfungsi sebagai penyerap cahaya pada sistem fotosintesis. Fikosianin

termasuk golongan biliprotein. Kelompok pigmen ini diantaranya adalah R-

phycoerythrin, C-phycoerythrin, B-phycoerythrin, allofikosianin, R-phycocyanin

dan C-phycocyanin. Bentuk lain dari fikosianin adalah allofikosianin, yang

merupakan pelengkap biliprotein dalam jumlah sedikit pada mikroalga merah dan

hijau-biru, sebagai penyalur energi di lokasi antara lamella klorofil-a dan

fikobilisom lainnya. Energi cahaya yang diterima fikobilisom siap ditransmisikan

oleh allofikosianin ke pusat reaksi. Allofikosianin dan C-fikosianin terdapat dalam

semua jenis mikroalga yang mengandung fikobiliprotein (Li et al. 2007).

14

Gambar 8 Struktur molekul fikosianin (Kathiravan dan Renganathan 2009)

Keberadaan gugus kromofor dan kemampuan fikosianin dalam menangkap

cahaya matahari yang tinggi serta gugus karboksil fikosianin (-COOH) yang

berperan penting untuk berikatan dengan permukaan semikonduktor tertentu

(misalnya TiO2). Kedua faktor ini mendorong penelitain lebih lanjut untuk

menjadikan fikosianin sebagai salah satu komponen dye sensitiser dalam

pembuatan DSSC.

Bahan dan Metode

Bahan

Bahan yang digunakan untuk proses kultivasi dan pemanenan alga Spirulina

platensis adalah air laut, NaOCl (klorin), Na2C2O3 (Natrium thiosulfat), media

Zarrouk teknis modifikasi (MgSO4, CaCl2, FeCl3, EDTA/ Ethylenediaminetetra

acetic, Urea, ZA, NaHPO4, Vitamin B12), larutan bufer sodium fosfat 10 mM

pH7 (Na2HPO4 dan NaH2POH2O), aluminium foil, inokulum kultur Spirulina

platensis, etanol, aquades.

Metode

Proses kultivasi diawali dengan persiapan air meliputi penyaringan air laut

menggunakan filter (50µm), penurunan salinitas air laut menjadi 15 ppt

menggunakan water quality measurement (WQM) sambil ditambahkan air tawar

untuk memperoleh salinitas yang diinginkan. Air laut yang telah diturunkan

salinitasnya diaerasi 24 jam setelah ditambahkan NaOCl 60 ppm. Kemudian

NaOCl dinetralkan kembali dengan menambahkan Na2C2O3 20 ppm sambil tetap

diaerasi selama 24 jam.

Kultivasi Spirulina platensis dilakukan di dalam ruangan (di Laboratorium

Bioteknologi Hasil Perairan II), menggunakan pupuk yang terdiri dari MgSO4,

CaCl2, FeCl3, EDTA, Urea, ZA, NaHPO4,Vitamin B12. Kultivasi dilakukan pada

suhu ruang. Selama kultivasi dilakukan pengukuran rapat optis (optical density

(OD)) kultur menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang

670 nm. Pengukuran rapat optis dilakukan setiap hari pada jam yang sama untuk

menentukan waktu pemanenan.

15

Pemanenan Spirulina platensis. dilakukan saat kepadatan sel sudah cukup

tinggi (rapat optis kultur >0,5). Pemanenan dilakukan dengan cara menyaring

biomasa menggunakan kain nylon mesh dengan kerapatan 20 μm. Pengeringan

biomasa S. platensis. dilakukan pada suhu ruang (25-300C).

Fikosianin diekstraksi (metode Lorenz) dari biomassa Spirulina sp.

menggunakan larutan buffer fosfat 10 mM pH 7. Prosedur ekstraksi dilakukan

dengan cara menambahkan larutan buffer fosfat ke dalam biomassa kering S.

platensis. yang akan diekstraksi. Campuran biomassa dan buffer fosfat dengan

perbandingan 0.04 gr/1 ml (Lorenz 1998) dikocok menggunakan vorteks agar

homogen. Sampel disimpan dalam lemari pendingin pada suhu 10oC selama 24

jam. Selanjutnya disentrifugasi untuk memisahkan fikosianin dari biomasa

Spirulina sp dengan kecepatan minimum 12.000 rpm selama 15 menit pada suhu

10oC. Kemudian memisahkan supernatan (bagian atas) cairan fikosianin berwarna

biru dan natan (bagian bawah) berupa padatan. Fikosianin dikeringkan dengan

cara freeze drying sampai pada suhu -50oC selama ± 104 jam, bentuk akhir berupa

serbuk kering siap digunakan sebagai dye dalam perakitan sel surya.

Fikosianin hasil ekstraksi dengan massa 0,2 gram diencerkan dalam buffer

posfat 2 ml sebanyak 3 kali pengenceran. Selanjutnya sampel tersebut diukur

menggunakan spektrofotometer pada panjang gelombang 615 nm dan 620 nm,

nilai optical density (OD) yang diperoleh pada masing-masing panjang gelombang

untuk mengetahui konsentrasi fikosianin (PC) dengan menggunakan persamaan

Bennet dan Bogorad (1973), yaitu:

𝑃𝐶 =(𝑂𝐷615 ) − 0,474 𝑂𝐷620

5,34 (4)

PC adalah konsentrasi fikosianin (mg/ml), OD615 adalah nilai absorbansi

pada panjang gelombang 615 nm, dan OD620 adalah nilai absorbansi pada

panjang gelombang 620 nm. Selanjutnya mengukur absorbansi dan emisi

fikosianin menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Diagram alir proses kultivasi

dan ekstrak fikosianin disajikan pada Gambar 9.

Pengukuran fluoresensi menggunakan spektrofotometer (Ocean Optics USB

4000), dirangkai terlebih dulu dengan menghubungkan spektrofotometer ke

komputer yang telah diinstal program SpectraSuite. Setelah itu tempat kuvet

dihubungkan ke spektrofotometer, lalu dihubungkan juga dengan sumber cahaya.

Proses pengukuran ini merupakan lanjutan dari pengukuran absorbansi (Gambar

1), akan tetapi sumber cahaya yang digunakan adalah laser. Laser disinari

langsung terhadap kuvet yang berisi larutan klorofil tersebut, sehingga diperoleh

kurva fluoresensi yang terbentuk pada komputer. Kurva fluoresensi yang

terbentuk ditandai dengan adanya pendaran cahaya merah pada larutan fikosianin

yang terkena laser tersebut. Data yang diperoleh adalah nilai fluoresensi dari

konsentrasi fikosianin yang terukur.

16

Gambar 9 Diagram alir kultivasi dan ekstrak fikosianin mikroalga S. platensis

Inokulum Spirulina

Kultivasi

Pemanenan dan penyaringan

Biomassa basah

Pengeringan (suhu oven=300C; waktu=48 jam)

Penambahan buffer fosfat

(10 mM,0.04 gr/1ml)

Ekstraksi dengan sentrifuse

(12.000 rpm; waktu=15 menit)

Penggerusan

Pengadukan dengan vortex

(waktu=20 menit)

Pengeringan dengan freeze dryer

(suhu= -500C; waktu =104 jam)

Fikosianin (kering)

Karakterisasi (UV-Vis)

17

Hasil dan Pembahasan

Rendemen Fikosianin S. platensis

Kultivasi dilakukan dengan media MT (media teknis modifikasi Hastuti)

dengan pemberian aerasi serta intensitas cahaya 3000 lux. Salinitas air laut yang

digunakan sebesar 15 ppt. Kandungan garam yang terlalu tinggi dapat

menyebabkan inokulum tidak mampu untuk bertahan hidup. Pertumbuhan kultur

ditandai dengan perubahan nilai optical density (OD) yang meningkat dan

mengindikasikan jumlah sel yang semakin padat. Kandungan nutrien dari media

MT yang digunakan berupa nitrogen (berasal dari urea) merupakan salah satu

faktor yang memicu pertumbuhan sel.

Gambar 10 Sel fikosianin Spirulina platensis

Waktu (Hari)

0 2 4 6 8 10 12

OD

67

0 n

m (a

.u)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Gambar 11 Pertumbuhan S.platensis pada media MT

18

Bentuk sel berupa benang yang memanjang, filamen berwarna hijau-biru

berbentuk silinder dan tidak bercabang (Gambar 10). Pengamatan kepadatan sel

dilakukan setiap 24 jam pada jam yang sama dengan menggunakan

spektrofotometer. Kepadatan sel optimum ( fase stasioner) pada hari ke-8 dengan

nilai OD > 0,5. Pada keadaan tersebut, kultur dapat dipanen dengan menggunakan

nylon mesh.

Pemisahan pigmen fikosianin dari biomassa tersebut dilakukan melalui

proses yang disebut ekstraksi. Achmadi (1992) menyatakan bahwa proses

ekstraksi bertujuan untuk memperoleh ekstrak murni atau ekstrak yang hanya

terdiri dari satu komponen tunggal. Ekstraksi dapat dilakukan dengan

menggunakan aquades dan bufer posfat. Pada penelitian ini digunakan bufer

posfat 10 mM dengan pH 7 dengan cara organic phase. Hal ini bertujuan untuk

menentukan konsentrasi fikosianin (PC) dan kemurnian fikosianin (Silveira et al.

2007). Inokulum S.platensis yang dikultur dari 80 liter dihasilkan berat kering

biomassa 10,46 gram dan bobot fikosianin dalam bentuk bubuk kering 5,50 gram.

Berdasarkan jumlah bobot kering yang dihasilkan menunjukkan bahwa metode

MT cukup optimum untuk menghasilkan fikosianin. Bahan yang digunakan

cenderung lebih murah (bahan teknis) serta kultivasi dapat dilakukan di dalam

ruangan.

Sifat Optik Fikosianin

Fikosianin adalah penyimpan cadangan nitrogen dan asam amino serta

merupakan pigmen fotosintetik utama pada Spirulina. Fikosianin merupakan

protein yang bersifat larut air yang dapat dibebaskan secara sederhana yaitu oleh

penghancuran mekanis, seperti perlakuan pembekuan kemudian dicairkan (freeze-

thaw). Fikosianin banyak digunakan sebagai pewarna alami untuk bahan pangan.

Keberadaan pigmen fikosianin ini mampu menyerap cahaya yang datang.

Pigmen fikosianin merupakan kelompok pigmen fikobiliprotein yang

dipisahkan menjadi dua kelompok utama berdasarkan warnanya. Kelompok

pertama adalah fikoeritrin, yaitu pigmen berwarna merah bila terkena cahaya dan

memancarkan cahaya pendar berwarna kuning-oranye. Kelompok kedua adalah

fikosianin, yaitu pigmen berwarna biru dan memancarkan cahaya pendar merah

kuat. Pigmen ini di Spirulina berfungsi sebagai pigmen asesoris yang membantu

klorofil sebagai penyerap cahaya pada sistem fotosintesis (Ó Carra & Ó hEocha

1976).

Serapan merupakan kuantitas yang menyatakan kemampuan bahan dalam

menyerap cahaya. Senyawa organik mampu menyerap cahaya karena

mengandung elektron valensi yang dapat dieksitasi ke tingkat energi yang lebih

tinggi. Salah satu senyawa organik tersebut adalah fikosianin. Spektrum serapan

yang diperoleh dari hasil ekstrak fikosianin dengan warna biru pekat ditunjukkkan

pada Gambar 12.

19

Panjang gelombang (nm)

400 500 600 700 800 900

Abso

rban

si (

a.u)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Em

isi (

a.u)

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000Absorbsi

Emisi619,36

708,55

Gambar 12 Perbandingan spektrum absorpsi dan emisi fikosianin

Ketika fikosianin diiluminasi cahaya maka akan menyerap foton sehingga

terjadi eksitasi elektron ke level LUMO. Elektron kembali ke keadaan dasar

sambil mengemisikan cahaya (fluoresensi). Gambar 12 memperlihatkan serapan

dan emisi sampel larutan pigmen fikosianin yang diukur dari panjang gelombang

400 nm hingga 700 nm. Pada gambar tampak jelas bahwa karakteristik puncak

serapan berada pada wilayah spektrum cahaya tampak (visible). Spektrum serapan

(absorpsi) dan emisi (fluoresens) ekstrak fikosianin ditunjukkan pada Gambar 12.

Soret band fikosianin berada pada panjang gelombang 619,36 nm dan Q band

maksimum pada panjang gelombang 708,55 nm. Soret band merupakan keadaan

fikosianin yang mampu menyerap foton dan bergeser pada panjang gelombang

yang lebih pendek atau energi yang lebih besar. Q band adalah keadaan

maksimum ketika fikosianin bergeser pada panjang gelombang yang lebih besar

atau energi yang lebih kecil. Hal ini disebabkan adanya perbedaan keadaan

elektronik fikosianin ketika diiluminasi cahaya.

Gambar 13 memperlihatkan perbedaan energi relaksasi antara keadaan

absorpsi dan emisi fikosianin. Nilai pergeseran Stokes berdasarkan perbedaan

transisi absorpsi dan emisi fikosianin adalah 0,152 eV. Keadaan absorpsi dengan

energi relaksasi 2,945 eV dan spektrum emisi tertinggi yang bersesuaian dengan

energi relaksasi 2,793 eV. Pergeseran Stokes ini terjadi karena struktur relaksasi

fikosianin pada keadaan dasar (ground state) berbeda jika dibandingkan dengan

struktur relaksasi pada keadaan tereksitasi. Nilai pergeseran panjang gelombang

tersebut menunjukkan bahwa fikosianin mampu memanen cahaya tampak yang

paling banyak dipancarkan oleh sinar matahari. Berbeda dengan dye sintetis yang

mampu menyerap sampai panjang gelombang infra merah, sehingga akumulasi

elektron juga lebih besar.

20

Energi (eV)

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Inte

nsi

tas

Flu

ore

sens

(a.u

)

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000A

bso

rbansi

(a.u

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Emisi

Absorbsi

2,793

2,945

Gambar 13 Plot energi (hv) vs absorbansi dan flouresens fikosianin

Transisi elektronik merupakan penyebab terjadinya transisi absorpsi

tersebut. Lebar spektrum ditentukan transisi elektron dari satu keadaan energi ke

keadaan yang lain, serta meliputi beberapa keadaan vibrasi. Peristiwa ini terjadi

karena perbedaan energi antara dua keadaan yang berdekatan karena keadaan

vibrasi yang lebih kecil jika dibandingkan dengan keadaan elektroniknya. Kedua

karakteristik ini menunjukkan bahwa fikosianin mampu menyerap cahaya yang

datang serta memancarkan kembali cahaya yang diterima. Hal ini merupakan

salah satu karakteristik pigmen yang cocok digunakan sebagai sensitiser dalam sel

surya.

Simpulan

Fikosianin yang dikarakterisasi berdasarkan sifat optiknya, diperoleh bahwa

daerah absorpsi dan emisi berada pada daerah cahaya tampak. Jenis fikosianin

tersebut adalah C-fikosianin sehingga menyerap kuat pada panjang gelombang

kuning dan orange serta memancarkan cahaya pendar merah. Hasil karakterisasi

menunjukkan bahwa fikosianin merupakan salah satu pigmen yang mampu

dijadikan sebagai dye sensitiser dalam pembuatan sel surya DSSC.