Konversi energi berbasis fotokatalisis menggunakan Photo Fuel Cells

Konversi energi berbasis fotokatalisis menggunakan Photo Fuel Cells

Di era sekarang, sains dan tegnologi sudah meramba kemana-mana dalam setiap aspek kehidupan manusia. Penelitian dan pengembangan tegnologi terus dilakukan dalam berbagai bidang untuk memenuhi kehidupan manusia. Sejalan dengan perkembangan dan pertumbuhan penduduk yang meningkat maka kebutuhan energi juga mengikuti. Melalui sains banyak hal yang dapat dimanfaatkan, salah satunya adalah energi, yang dapat dikonversi yang berbasis fotokatalisis menggunakan PhotoFuelCells.

            Istilah Fotokatalisis terdiri dari dua arti yaitu fotokimia dan katalis. Pada proses reaksi fotokimia melibatkan cahaya (foto).  Fotokatalisis itu sendiri berarti suatu reaksi yang dibantu oleh katalis dan cahaya. Katalis adalah suatu bahan yang dapat mempercepat atau memperlambat reaksi tanpa berubah secara kimia. Konsep fotokatalisis tidak berbeda jauh dari konsep fotosintesis. Pada fotosintesis energi cahaya diserap oleh klorofil, pada fotokalisis energi cahaya digunakan untuk mengaktisipasi semikonduktor, biasanya berupa TiO2, CdS, ZnO dan lain-lain.

            Fotokatalisis dapat digunakan sebagai pendegrasi limbah, penjernian limbah tekstil, pengolahan limbah organik dan anorganik, pengolahan limbah cair, produksi H2O dan lain-lain. Di Indonesia penggunaan fotokatalisis sangat bagus digunakan mengingat Indonesia memiliki iklim tropis yaitu banyaknya sinar matahari sepanjang tahun dengan efektifitas 50-80%, kelembaban rata-rata 60-90%, serta curah hujan  selama 150-220 hari dalam setahun. Kondisi ini bisa dimanfaatkan untuk mengubah energi matahari jadi berguna bagi kehidupan.

            Untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi kimia dan listrik dapat dilakukan dengan sel fotoelektrokimia. Konfigurasi standar untuk sel fotoelektrokimia melibatkan sebuah photoanode electrode yang membawa fotokatalis semikonduktor tipe-n, dan sebuah elektroda counter membawa elektrokatalis dan elektrolit. Cahaya diserap oleh fotokatalis yang menghasilkan pasangan lubang elektron. Elektron dipandu melalui sirkuit eksternal ke elektroda katoda (counter), di mana mereka mengambil bagian dalam reaksi reduksi sementara lubang dikonsumsi melalui reaksi oksidasi. Dalam surya regeneratif sel-sel, elektrolit melibatkan pasangan redoks, yang direduksi pada elektroda counter dan dioksidasi pada elektroda photoanode dengan demikian mengisi ulang lubang dan mengubah energi foton menjadi listrik. Di kedua jenis sel, energy foton dan energi kimia dari agen pengorbanan, yaitu, dari “bahan bakar”, dikonversi menjadi listrik dan/atau disimpan dalam bentuk energi kimia yang bermanfaat, misalnya  memproduksi hidrogen. Untuk alasan ini, sel fotoelektrokimia yang beroperasi dengan konsumsi bahan bakar disebut PhotoFuelCells (PFC) (Robert, Stavroula, dan Panagiotis, 2014).

Gambar 1 : (A) Desain PFC memproduksi listrik (B) Distribusi geometrik fotokalis (lingkaran kecil) dan elektrokalis (area hitam) pada “daun fotoelektrokalitik” dan (C) Produksi Hidrogen menggunakan “daun fotoelektrokalitik” (Sumber: researchgate)

Konfigurasi dasar sel fotoelektrokimia standar, dapat dibuat dengan mudah dan memungkinkan pilihan substansial bahan baik untuk pembangunan fotoanode maupun elektroda katoda. Titania nanopartikulat adalah fotokatalis tidak terbantahkan, untuk bahan penyerap cahaya tampak baru. Materi tersebut dapat menunjukkan potensi yang kuat untuk aplikasi di PhotoFuelCells secara parallel aplikasi fotokatalitik lainnya.

Prospek penerapan fotokatalisis di Indonesia menjanjikan melihat sumber energi melimpah yang sudah ada di depan mata. Hal itu dapat digunakan untuk memproduksi energi terbarukan karena, misalnya energi fosil yang semakin meningkat dan pasokannya juga menipis dimana sisi lainnya dapat mencemari udara (hujan asam dan pemanasan global) yang berimbas pada manusia sendiri. Oleh karena itu, sangat penting penggunaan fotokatalisis mengingat sumber energi terbarukan yang beragam dan mempunyai potensi untuk dimanfaatkan. Dengan begitu kerusakan alam dapat diminimalisir.

Referensi :

Fotokatalis Semikonduktor Doping Logam

Fotokatalis Semikonduktor Doping Logam

Keberadaan  industri  dan  produk  tekstil  di  suatu  negara  telah  banyak memberikan suatu keuntungan bagi negara itu sendiri,  antara lain berkurangnya angka pengangguran yang ada di masyarakat, meningkatnya pendapatan, dan hasil output dari industri itu sendiri. di Indonesia, baik industri tekstil maupun produk tekstil telah menjadi  industri  yang penting dan terbukti  mampu meningkatkan nilai perekonomian Indonesia

Dengan berkembangnya industri tekstil yang ada di Indonesia, produksi limbah zat warna tekstil pun semakin meningkat. Limbah ini memiliki peran yang besar  dalam  masalah  pencemaran  air  jika  limbah  tidak  diolah  terlebih  dahulu sebelum  dibuang  (Riswiyanto,2010).  Limbah  tekstil  tersebut  berasal  dari  proses pencelupan industri tekstil. Pada saat proses tersebut berlangsung, setidaknya zat warna menghasilkan sekitar 10-15% limbah. Pengolahan limbah industri tekstil sebelum  sampai  ke  saluran  pembuangan  akhir  sangat  penting  karena  akan berpengaruh dari segi estetika maupun perlindungan lingkungan.

Saat ini berbagai teknik atau metode penanggulangan limbah tekstil telah dikembangkan, diantaranya adalah metode adsorpsi. Namun metode ini ternyata kurang begiti efektif karena zar warna tekstil yang diadsopsi tersebut masih terakumulasi di dalam adsorben yang pada suatu saat nanti akan menimbulkan persoalan baru. Sebagai alternatif dikembangkan metode fotodegradasi dengan menggunakan bahan fotokatalis dan radiasi sinar ultraviolet. Dengan metode fotodegradasi ini, zat warna akan diurai menjadi komponen-komponen yang lebih sederhana yang lebih aman untuk lingkungan (Alinsafi ddk., 2007).

Fotokatalisis dimulai dengan terbentuknya pasangan elektron-hole (e dan h+) akibat adanya eksitasi dari pita valensi menuju pita konduksi. Eksitasi ini terjadi akibat adanya energi foton dari cahaya matahari. Eksitasi akan terjadi ketika panjang gelombang dari cahaya matahari tersebut sama atau melebihi dari energi celah pita yang dimiliki oleh material katalis tersebut. Penyinaran permukaan material yang bersifat semikonduktor, dalam hal ini TiO2 dan ZnO, akan menghasilkan pasangan elektron dan hole positif pada permukaannya (Dennie Widya, 2012)

Hal ini seperti yang terlihat pada Gambar.1 di bawah ini, yaitu skema sederhana terjadinya eksitasi elekron pada material semikonduktor ZnO doping  logam.

Capture.PNG

Gambar 1. Skema sederhana eksitasi yang terjadi pada bahan semikonduktor

Jika suatu semikonduktor dikenai cahaya dengan energi (hv) yang sesuai, maka electron (e) pada pita valensi akan berpindah menuju pita konduksi, dan meninggalkan lubang positif (hole/h+) pada pita valensi. Sebagian besar pasangan elektron-hole (edan h+) akan rekombinasi kembali, baik dipermukaan ataupun di dalam bulk partikel. Namun, sebagian lain dari pasangan edan h+ dapat bertahan sampai permukaan semikonduktor dan pada akhirnya h+ dapat menginisiasi reksi oksidasi dan dilain pihak e akan menginisiasi reaksi reduksi zat kimia yang ada disekitar permukaan semikonduktor.  Reaksi oksidasi pada permukaan semikonduktor dapat berlangsung melalui donor elektron dari substrat ke h+. Reaksi oksidasi yang terjadi akan mengakibatkan terbentuknya gugus hidroksil radikal. Hidroksil radikal tersebut memiliki sifat oksidator kuat.

Doping merupakan salah satu teknik yang digunakan untuk mengontrol sifatsemikonduktor,dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor (dopan) ke dalam struktur semikonduktor, yaitu pada permukaan semikonduktor. Dopan dapat mempengaruhi sifat optik, magnetik, dan elektronik dari semikonduktor (Norris D., Efros, 2008). Beberapa logam dari jenis logam transisi mulai dikembangkan untuk modifikasi fotokatalis. Selain lebih menguntungkan secara ekonomis, logam dari jenis ini ternyata menunjukkan hasil yang sebanding dengan logam mulia. A. Bonanni (2007) menyatakan bahwa penggunaan logam transisi sebagai dopan dalam semikonduktor dapat meningkatkan sifat kemagnetan semikonduktor karena unsur-unsur tersebut memiliki elektron tidak berpasangan. Sehingga elektron dan hole yang dihasilkan akan semakin banyak. Seperti dopan Cu yang dapat berlaku sebagai sumber elektron sehingga meningkatkan produksi elektron sehingga dapat meningkatkan aktivital fotokatalis.

DAFTAR PUSTAKA

  • Alinsafi, A., F. Evenou, E.M. Abdulkarim, M.N. Pons, O. Zahraa, A. Benhammou, A.Nejmeddine. 2007. Treatment of textille of Industry Waste Water by Supported Photocatalysis. Dyes and pigments-Dye Pigment. 74(2): 439-445.
  • Bonanni A. 2007. Ferromagnetic nitride-based semiconductors doped with transition metals and rare earths. Semiconductor Science and Technology. 22: 41–56.
  • Norris D J., Efros A L., & Erwin S C. 2008. Doped Nanocrystals . Science , 319.
  • Riswiyanto, S., R. Bakri, and A. Titis. 2010. Degradasi fotokatalitik zat warna direct yellow dan direct violet dengan katalis tio2/agi -sinar UV. Valensi 2 (1) : 319 –324

Sintesis dan Karakterisasi Nano N-ZnO Doped Carbon-Dots dengan Metode Microwave Irradiation-Spray Coating sebagai Fotokatalis untuk Degradasi Malachite Green Dye

OLEH NOVITA INDAH PRATIWI

Berkembangnya industri batik di Indonesia memberikan dampak negatif bagi kualitas lingkungan. Salah satunya adalah pencemaran air akibat limbah cair industri batik. Limbah batik biasanya mengandung senyawa kimia berbahaya serta logam berat. Salah satu produk yang dihasilkan dari industri batik adalah kain finished atau kain grey yang melalui proses pemasakan, pemutihan, pencelupan dan pencapan (Sukmawati, 2014). Proses pencelupan kain pada zat warna ini menghasilkan limbah cair yang masih mengandung zat warna yang tidak terserap seluruh warna ke dalam kain sehingga mencemarin lingkungan perairan. Hal ini sangat terasa dampaknya bagi masyarakat, salah satunya adalah zat warna limbah cair industri batik yang susah didegradasi secara alami. Sehingga sering dijumpai warna sungai bahkan air sumur tercemar dengan warna pekat. Salah satu zat warna celup yang sering dijumpai sebagai buangan limbah di perairan  yaitu malachite green (Sharma, 2017).

Malachite green merupakan zat warna dasar untuk celup. Pewarna kimia ini terutama digunakan untuk pewarna sutra, kulit dan kertas. Zat warna malachite green bersifat stabil dan beracun bagi lingkungan perairan dan biota-nya, karena diketahui memiliki sifat toksik dan karsinogenik (Srivastava, 2004). Untuk mengatasi hal tersebut, beberapa metode dapat digunakan untuk mendegradasi limbah cair pewarna antara lain adsorbsi dan koagulasi, AOP (Advance Oxidation Processes) yang melibatkan pereaksi UV/H2O2, UV/Fenton’s sebagai zat pengoksidasi limbah cair pewarna dan menggunakan material fotokatalis seperti TiO2, ZnO, CdS, WO3 dll (Carp dkk, 2004). ZnO merupakan salah satu semikonduktor yang paling efektif dan populer digunakan sebagai fotokatalis terutama untuk reduksi polutan air dan limbah batik yang bekerja pada cahaya UV. Sifat fotokatalis ZnO dalam lingkungan yang berupa air terjadi melalui aktivitas fotokatalis material yang memutus ikatan air (H2O) dan menghasilkan radikal hidroksil (OH+) berenergi tinggi sehingga dapat mereduksi zat warna batik (Piva dkk, 2016).

Gambar 1. Reaksi fotokatalis oleh ZnO

Fenomena fotokatalis diawali dengan fotoeksitasi. Cahaya yang mengenai nanopartikel ZnO akan mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi sekaligus menghasilkan hole+ pada pita valensi. Energi yang dihasilkan dari elektron yang tereksitasi ini menyebabkan elektron berada pada pita konduksi dan menghasilkan pasangan elektron bermuatan negatif (e) dan hole+ yang disebut sebagai semikonduktor photo-excitation state (Reddy, 2013). Pada gambar 1 reaksi fotokatalis, terbentuk senyawa superoksida yang melepaskan O2 dan OH radikal yang dapat mendegradasi malachite green dye. Sehingga zat warna pada air  dapat tedegradasi dan hasilnya air menjadi jernih.

Untuk meningkatkan produksi radikal hidroksil pada aktivitas fotokatalisis diperlukan adanya pengotor akseptor. Salah satu unsur yang berperan sebagai akseptor pada semikonduktor ZnO adalah Nitrogen (N) (Fan dkk, 2013). Hasil dari penelitian yang dilakukan oleh Irwanto (2017) menyebutkan bahwa pemberian doping N pada ZnO menyebabkan serapannya bekerja pada cahaya tampak dan mampu meningkatkan efektifitas degradasi zat warna malachite green.

Kajian intensif terhadap material carbon nanodots terus berkembang sangat pesat hingga saat ini. Carbon Dots (C-Dots) merupakan bahan karbon baru yang berukuran ~10 nm. Ikatan rantai karbon merupakan kajian utama dalam pembuatan C-Dots yang dikembangkan dalam berbagai aplikasi. Para peneliti telah mensintesis C-Dots dari berbagai sumber karbon seperti Sahu dkk. (2012) menggunakan sari jeruk, Zhu dkk. (2012) menggunakan sumber karbon dari susu kedelai dan Zhai dkk. (2012) menggunakan sumber karbon dari citric acid. C-Dots memiliki optis yang baik seperti fotoluminesens yang kuat, fotostabilitas tinggi serta mampu difungsikan dengan molekul yang berbeda berdasarkan aplikasinya (Mirtchev, 2012). C-dots dapat dimanfaatkan dalam berbagai aplikasi seperti bioimaging, fotokatalis, konversi energi dan sensor. Metode pembuatan C-Dots dapat menggunakan pemanasan sederhana akan tetapi hasilnya berupa gel (Rahmayanti, 2014). Maka dari itu dalam pembuatan C-Dots dapat menggunakan metode microwave  irradiation  yang tidak menghasilkan C-Dots berupa gel. Sehingga lebih mudah untuk diaplikasikan (Rahmayanti, 2015). Berdasarkan penelitian Zhang (2014), C-Dots yang dikombinasikan dengan N-ZnO mempunyai efisiensi fotokatalis yang tinggi karena mampu menghasilkan elekron, hole dan radikal hidroksil yang banyak untuk degradasi malachite green dye.

Maka dari hasil kajian tersebut menarik untuk melakukan sintesis N-ZnO/C-Dots dan diaplikasikan untuk mendegradasi malachite green. Pembuatan material N-ZnO/C-Dots dilakukan dengan metode microwave irradiation dan spray coating. Hasil yang terbentuk berupa lapisan tipis N-ZnO/C-Dots akan diuji efisiensi degradasinya terhadap malachite green di bawah paparan cahaya tampak serta karakterisasi lapisan tipis N-ZnO/C-Dots berupa SEM, UV-Vis dan XRD.

Daftar Pustaka

  • Carp, O., Huisman, C.L. dan Reller, A., 2004, Photoinduced Reactivity of Titanium Dioxide, Progress in Solid State Chemistry, 32, 33-177.
  • Fan, J., Sreekanth, K. M., Xie, Z., Chang, L., dan Rao, K.V., 2013, p-Type ZnO Materials: Theory, Growth, Properties, and Devices. Progress in Materials Science, 58, 874-985.
  • Irwanto, M., 2017, Studi Perbandingan Aktivitas Fotokatalitik ZnO Terdoping N (ZnO-N) dan ZnO Terdoping Ag (ZnO-Ag) yang Dideposisi di Atas Substrat Kaca dalam Proses Fotodegradasi Bakteri Coliform di Bawah Radiasi Cahaya UV, Departemen Fisika, Universitas Diponegoro, Semarang.
  • Piva, dkk. 2016. Antibacterial and photocatalytic activity of ZnO nanoparticles from Zn(OH)2 dehydrated by azeotropic distillation, freeze drying, and ethanol washing. Japan : Elsevier and The Society of Powder Tecnologi.
  • Rahmayanti, H.D., Aji, M.P., dan Sulhadi. 2015. “Effect of Sulfur Particles on Absorbance and the Band Gap Energy of Carbon Dots”. Prosiding International Conference on Advanced Materials and Technology (ICAMST 2014) 16-17 September 2014, Solo.
  • Reddy, Sankara, Venkatramana Reddy, Koteeswara Reddy and Pramoda Kumari,2013, Synthesis, Structural, Optical Properties and Antibacterial activity of co-doped (Ag, Co) ZnO Nanoparticles, Research Journal of Material Sciences, Vol. 1(1), 11-20,February (2013).
  • Sahu, S., Birendra, B., Tapas K., Maiti dan Mohapatra, S. 2012. “Simple one-step synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice: application as excellent bio-imaging agents”, Chem. Commun. 48 : 8835–8837.
  • Sharma. S, 2017. N doped ZnO/C-dots nanoflowers as visible light driven photocatalyst for the degradation of malachite green dye in aqueous phase. India : Elsevier
  • Srivastava, Shivaji., Sinha, Ranjana. And Roy,D. 2004. Toxicological effecys of Malachite Green. Review. India. dalam www.elsevier.com/locate/aquatox diakses tanggal 25 November 2018.
  • Sukmawati P, 2014. Adsorbsi Zat Warna Tekstil Malachite Green Menggunakan Adsrben Kulit Buah Kakao Teraktivasi HNO3. Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Pendidika Fisika Vol 5 No.1
  • Zhai, X.,  Zhang, P., Liu, C., Bai, T., Li, W., Dai, L and L,nWenguang. “Supporting Information – Highly luminescent carbon nanodots by microwave-assisted pyrolysis,” Chem. Commun., vol. 48, no. 64, pp. 7955–7957, 2012.
  • Zhang, J. dan Yu, S. H. 2016. “Carbon dots: large-scale synthesis, sensing and bioimaging”, Materials Today. Elsevier Ltd., 19(7), pp. 382–393. doi: 10.1016/j.mattod.2015.11.008.
  • Zhu, C., Junfeng Z. dan Shaojun D. 2012. “Bifunctional fluorescent carbon nanodots: green synthesisviasoy milk and application as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction”, Chem. Commun. 48 : 9367–9369.

Fotokatalis Semikonduktor Titanium Dioksida (TiO2) sebagai Solusi Pencemaran

Fotokatalis Semikonduktor Titanium Dioksida (TiO2) sebagai Solusi Pencemaran

Ditulis oleh Rey Saputra 

Indonesia merupakan negara tropis yang banyak ditumbuhi berbagai jenis tanaman. Sebagian besar daerah Indonesia masih penuh dengan zona hijau yang artinya masih banyak lahan untuk tanaman seperti hutan ataupun kebun tempat masyarakat bercocok tanam. Kebanyakan masyarakat di Indonesia juga berprofesi sebagai petani terutama masyarakat yang tinggal di dataran tinggi. Kelangsungan hidup seorang petani bergantung dengan sebuah harapan pada tanaman yang mereka tanam. Tanaman yang tepenuhi kebutuhannya seperti unsur hara, air dan klorofil yang dapat bekerja dengan bantuan sinar matahari. Selain tanaman yang membutuhkan sinar matahari, manusiapun membutuhkannya untuk berbagai kegiatan yang mereka lakukan. Salah satunya sinar matahari atau cahaya matahari di manfaatkan dalam sebuah penelitian. Cahaya matahari mampu memberikan prospek penelitian dengan menghasilkan suatu ide baru yaitu fotokatalisis. Fotokatalis merupakan cara atau metode mempercepat suatu reaksi dengan menggunakan cahaya matahari.

Melihat kondisi kita saat ini, Indonesia mengalami perkembangan yang sangat pesat terutama bidang industrinya namun hal ini tidak menghasilkan hal yang positif sepenuhnya justru menyebabkan pencemaran lingkungan diberbagai daerah. Pencemaran yang terjadi harus diolah atau diatasi agar tidak memperburuk keadaan lingkungan. Beberapa proses pengolahan limbah  seperti zat warna, metode yang sedang berkembang adalah proses fotokatalis yang menjadi alternatif berpotensi untuk pengolahan limbah maupun fotodegradasi senyawa organik seperti zat warna metilen biru dengan skala besar dan dengan biaya yang relatif murah. Fotokatalisis mampu mengurangi pencemaran sekitar 90% dengan menggunakan katalis yang bersifat reusable (penggunaan berkali-kali) (Aliah H, 2015).

Proses fotokatalisis dapat dibagi menjadi dua berdasarkan jenis katalisnya yaitu fotokatalisis homogen dan fotokatalisis heterogen. Fotokatalisis homogen yaitu proses yang terjadi pada satu fasa dengan bantuan okasidator seperti ozon dan hydrogen peroksida, sedangkan proses fotokatalisis heterogen terjadi pada dua fasa atau lebih dan biasanya dibantu cahaya atau katalis padat. Proses fotokatalitik heterogen merupakan teknologi berdasarkan iridiasi fotokatalisis semikonduktor seperti titanium dioksida (TiO2), seng oksida (ZnO) ataupun cadmium sulfida (CdS) (Sirhan Bey, 2009).

Fotokatalitik semikonduktor dengan menggunakan senyawa titanium dioksida (TiO2) adalah proses yang sering digunakan untuk mengatasi pencemaran karena sangat efisien sesuai mekanisme yang di ilustrasikan pada gambar berikut:

Gambar Mekanisme Fotokatalitik Titanium diokasida (TiO2)

Berdasarkan mekanisme di atas maka susunan reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

TiO2 + hv  → ecb + h+vb

h+vb + H2O → H+ + HO*

ecb + O2 → O-*2

O2-* + H+ → HO2*

HO2* + HO2* → H2O2 + O2

H2O2 + ecb → HO* + HO

H2O2 + hv → 2HO*

R + HO* → CO2 + H2O

Ketika TiO2 semikonduktor diterangi dengan energi lebih besar dari band gap, elektron akan bergerak dari pita valensi ke pita konduksi ke lubang hasil (h+vb) Di pita valensi dan elektron   (ecb) di pita konduksi. Elektron akan berinteraksi dengan oksigen dan menghasilkan superoksida radikal sekitarnya (O2-*) Sedangkan lubang akan berinteraksi dengan air sekitarnya untuk menghasilkan radikal hidroksil (HO*). Kedua radikal bebas akan berinteraksi dengan senyawa yang larut dalam air di sekitarnya, terutama senyawa organik atau polimer. Ini radikal hidroksil akan terurai senyawa organik atau polimer ke dalam air (H2O) dan karbon dioksida (CO2). Superoksida radikal (O2-*) akan berinteraksi dengan air (H2O) untuk menghasilkan hidrogen peroksida (H2O2). maka hidrogen peroksida ini akan bereaksi dengan elektron yang akan menghasilkan radikal hidroksil, peroksida (H2O2) bereaksi dengan energi cahaya (hʋ) yang juga akan menghasilkan radikal hidroksil (HO*). Hidroksil ini radikal (HO*) akan terurai polimer organik (R) ke dalam air (H2O) dan karbon dioksida (CO2) (Nasikhudin et al, 2018).

Referensi:

  • Aliah, H., & Karlina, Y. (2015). Semikonduktor TiO2 Sebagai Material Fotokatalis Berulang. Jurusan FIsika UIN SGD Bandung, IX(1), 185–203.
  • Bey, S. (2009). Pengujian Kinerja Fotokatalis Berbasis TiO 2 Untuk Produksi Hidrogen Dari Air.
  • Nasikhudin, Diantoro, M., Kusumaatmaja, A., & Triyana, K. (2018). Study on Photocatalytic Properties of TiO2 Nanoparticle in various pH condition. Journal of Physics: Conference Series, 1011(1). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1011/1/012069

Kembangkan Metode Perbaikan DNA Rusak llmuwan ini jadi Muslim Kedua Peraih Nobel Kimia (Bagian 1)

Kembangkan Metode Perbaikan DNA Rusak llmuwan ini jadi Muslim Kedua Peraih Nobel Kimia (Bagian 1)

ilustrasi perbaikan DNA (https://www.asianscientist.com)

Sahabat warstek yang semoga selalu dalam keadaan sehat, saya akan memulai tulisan ini dengan sebuah pertanyaan sederhana….

Berapa jumlah saudara kandung anda? Jika tak punya saudara kandung coba perhatikan anggota keluarga terdekat anda. Tetangga anda, orang-orang di sekitar lingkungan anda, desa maupun kota dimana anda tinggal. Pernahkah muncul pertanyaan dalam benak anda mengapa tidak pernah ditemukan dua individu yang memiliki bentuk fisik dan sifat yang sama persis. Bahkan untuk saudara kembar pun pasti akan diketemukan letak perbedaannya. Ada yang punya mata sipit, besar, rambut lurus, keriting, bentuk muka bulat, lonjong serta beragam bentuk anggota tubuh yang lainnya.

Lalu siapa yang bertanggung jawab atas semua itu? apa yang menjadi penyebabnya?

Pertama, kita harus yakin bahwa Allah Subahanahu Wa Ta’ala lah yang telah memberi kita bentuk tubuh dan mengatur segala proses di dalamnya sedemikian rupa. Kedua, kita juga harus yakin bahwa Allah Subahanahu Wa Ta’ala punya cara tersendiri untuk memberikan bentuk fisik terhadap mahkluk ciptaannya. Dan itu dapat dijelaskan dengan Ilmu Pengetahuan (Science).

Setelah Avery-MacLeod-McCarty melakukan eksperimen , ditemukan adanya materi berupa rantai molekul polimer di setiap susunan sel tubuh kita dan bertanggung jawab atas semua itu. Rantai molekul tersebut dinamakan asam deoksiribonukleat/deoxyribonucleic acid (DNA). Dibentuk oleh 4 molekul kecil yang tersusun secara berulang yang terdiri dari Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), dan Sitosin (C). Kita dapat menyebutnya nukleotida atau basa nitrogen [1].

Gambar 1. Struktur DNA (Johan Jarnested/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Urutan nukleotida akan menentukan sifat seperti apakah yang akan dibawa DNA. Misalnya urutan nukleotida A-G-T-C-G-T-A-C-G dan seterusnya… (sampai ribuan basa nukleotida) akan menginstruksikan sifat hidung pesek. Selain bertanggung jawab terhadap sifat yang nampak, ternyata DNA juga bertindak sebagai instruktur terhadap segala proses yang tidak nampak dalam tubuh kita. Misalnya suatu kode DNA (urutan nukleotida) dapat memberikan instruksi bagaimana cara membuat protein hemoglobin pada sel darah merah, myosin pada sel otot, dan melanin pada sel pigmen kulit [1].

Lalu apa yang akan terjadi apabila rantai molekul yang juga dikenal sebagai biopolimer tersebut mengalami gangguan? Misalnya ada perubahan struktur nukleotida atau adanya molekul lain yang bereaksi dengan DNA.

Kedua gangguan yang telah disebutkan diatas dapat saja menyebabkan cacat/penyakit bagi penderitanya. Xeroderma Pigmentosum adalah jenis kanker kulit yang menjadikan penderitanya sangat sensitif terhadap sinar matahari bahkan pada cahaya lampu listrik sekalipun [2]. Kelainan ini ditandai dengan gagalnya perbaikan DNA yang menyebabkan hipersensitivitas klinis dan seluler terhadap radiasi ultraviolet dan agen karsinogenik [3]. Tulisan kali ini akan mencoba memaparkan tentang perubahan struktur basa nitrogen yang diakibatkan oleh paparan sinar UV.

Gambar 2. Penderita Xeroderma Pigmentosum [2]

Radiasi Ultra Violet (UV) menyebabkan perubahan struktur basa nitrogen penyusun DNA. Dimer Timin adalah molekul baru yang terbentuk dari reaksi antara dua basa nitrogen yang sama. Molekul ini terbentuk akibat terpapar sinar UV dan memiliki potensi menyebabkan penyakit kanker bahkan kematian pada organisme [2]. Atas temuan ini, hingga pada tahun 2015 muncul istilah ” bengkel molekuler ” dan enzim sebagai montirnya. Temuan tersebut membawa tiga ilmuwan dunia, yaitu Aziz Sancar, Tomas Lindahl, dan Paul Modrich diganjar Nobel Kimia yang diumumkan pada 7 Oktober 2015 lalu oleh The Royal Swedish Academy of Sciences. Menurut panitia perhelatan Nobel, riset ketiga ilmuwan tersebut telah memberikan pengetahuan yang fundamental tentang bagaimana sel yang hidup bekerja dan itu dapat berguna misalnya untuk pengembangan obat anti-kanker [4].

Azis Sancar yang merupakan ilmuwan muslim berkebangsaan Turki dan Amerika berhasil mengembangkan dua cara memperbaiki DNA dan menjelaskan bagaimana mekanisme perbaikannya. Beliau merupakan Profesor di Departemen Biokimia dan Biofisik di University of North Carolina Amerika Serikat. Pada dokumen Nobel Lecture yang dipresentasikannya pada 8 Desember 2015 beliau menyebut perbaikan DNA menggunakan Photolyase (Fotoliase) dan Excision Nuklease (Pemotongan Nukleotida).

Photolyase (Fotoliase)

Fotoliase atau dikenal juga dengan fotoreaktivasi merupakan enzim yang dapat memperbaiki DNA rusak menggunakan energi sinar tampak untuk memutus cincin siklobutana dimer. Enzim ini berbobot 50-60 kg/mol (kilo Dalton) yang memiliki dua kofaktor non kovalen. Kedua kofaktor tersebut yaitu Flavin Adenin Dinukleotida (FADH) dan Meteniltetrahidrofolat (MTHF) atau 8-hidroksi-5-deazariboflavin (8-HDF) [5].

Gambar 3. Struktur 3D Fotoliase [2]

Enzim ini ditemukan oleh mentor Azis Sancar ketika menjalani program doktor Claud S. Rupert pada tahun 1958. Penemuan ini menandai dimulainya bidang perbaikan DNA sebagai sebuah disiplin ilmu yang baru. Sebelum ditemukannya fotoliase, telah diketahui bahwa sinar UV dapat membunuh bakteri dengan sangat efektif. Pada tahun 1949 Albert Kelner dari Cold Spring Harbor, membuat sebuah observasi dan menemukan bahwa bakteri yang telah dimatikan dengan sinar UV secara menakjubkan dapat hidup kembali. Meskipun begitu dia belum juga dapat menjelaskan fenomena ini, yang pada akhirnya disebut sebagai proses fotoreaktivasi. Rupert kemudian melakukan analisis lebih lanjut terkait fenomena ini hingga akhirnya menemukan adanya enzim fotoliase yang berperan dalam perbaikan DNA [2].

Gambar 4. Aziz Sancar bersama mentornya Claud S. Rupert (https://alumni.utdallas.edu/nobel-alumnus)

Proses fotoreaktivasi diawali dengan sinar UV yang mengkonversi basa nitrogen Timin (basa pirimidin) yang berdekatan menjadi Siklobutana Pirimidin Dimer (CPD). Adanya enzim fotoliase yang menggunakan energi cahaya tampak (UV-visible) berwarna biru untuk memutus dua ikatan Timin Dimer dan mengkonversinya menjadi dua basa nitrogen Timin yang terpisah (hanya disatukan ikatan fosfat) [2].

Gambar 5. Reaksi fotoreaktivasi [2]

Ketika bergabung pada tahun 1974, Azis Sancar mendapat tantangan dari sang mentor untuk mengkloning gen fotoliase,
memproduksi enzim dan memurnikannya. Setelah beberapa minggu bekerja beliau berhasil menaklukkan tantangan dari sang mentor. Keberhasilan tersebut dikonfirmasi dengan sebuah hasil analisis plasmid menggunakan elektron mikrograf. Setelah dimurnikan, Azis Sancar menemukan bahwa larutan enzim tersebut memiliki warna biru cerah. Atas penemuan tersebut, peneliti menyimpulkan bahwa enzim tersebut memiliki kemampuan untuk menyerap cahaya. Selanjutnya dilakukan identifikasi lebih lanjut untuk mengetahui komponen dalam enzim yang menyerap cahaya. Hasil temuannya begitu menakjubkan, tidak hanya satu tapi enzim fotoliase memiliki dua komponen (kofaktor) yang bertanggung jawab terhadap penyerapan cahaya (MTHF dan FADH) [2].

Gambar 6. Elektron mikrograf dari plasmid fotoliase, Pemurnian fotoliase bakteri E. coli dari strain yang memiliki kemampuan memproduksi protein dan Enzim fotoliase yang telah dimurnikan (Gambar dari kiri ke kanan) [2].

Pada dekade sebelumnya, Azis Sancar telah berkolaborasi dengan peneliti Ohio State University untuk mengukur konstanta mikroskopik perbaikan DNA oleh fotoliase. Para peneliti telah dapat melakukan pengukuran kecepatan energi transfer, elektron transfer, pemutusan dan pembentukan ikatan secara real time pada resolusi pico detik (10-12). Fotoliase pada era sekarang ini adalah salah satu bahan terbaik untuk memahami enzim [2]. Imbuh beliau diakhir presentasinya.

Nah sahabat warstek yang budiman, demikian pemaparan singkat tentang perbaikan DNA dengan enzim fotoliase pada bagian pertama ini. Insyaallah pada bagian kedua akan dibahas perbaikan dengan teknik Excision Nuklease (Pemotongan Nukleotida).

Referensi

1. Burhan, A., 2018, https://www.zenius.net/blog/19924/mengapa-kita-bisa-mirip-dengan-orang-tua-kita, diakses pada 28 Januari 2020 pukul 08.40 WITA

2. Sancar, A., 2015, Mechanisms of DNA Repair by Photolyase and Excision Nuclease, Nobel Lecture

3. Zulkarnain, I., 2019, http://fk.unair.ac.id/mengatasi-xeroderma-pigmentosum-penyakit-kulit-langka-pada-anak-anak/, diakses pada 28 Januari 2020 pukul 10.50 WITA

4. Ramadhani, Y., 2017, https://www.google.com/amp/s/amp.tirto.id/aziz-sancar-pemain-sepakbola-yang-menang-nobel-kimia-cpzD, diakses pada 30 Januari 2020 pukul 13.18 WITA

5. Sancar, A., 1994, Structure and Function of DNA Photolyase (Review Article), Biochemistry