Perbandingan Teknologi Positive Material Identification (PMI) antara XRF, OES dan LIBS

 Positive Material Identification (PMI) tidak lepas dari pekerjaan engineer teknik di bidang material-metallurgi. Teknologi PMI dari tahun ke tahun selalu mengalami perkembangan lewat inovasi-inovasi yang ditujukan untuk mencapai keakuratan analisa, portable ringan, ringkas dan safety baik bagi human or environment. Pada satu abad ini sudah terdapat 3 teknologi PMI yang berkembang seperti:

1. X-Ray Fluorescence (XRF)
2. Optical Emission Spectrometers (OES)
3. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

Dari lieteratur tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Miziolek et al., 2006)

Berdasarkan Standard API 578 sebagai berikut:

Berdasarkan pembahasan tersebut bisa didapatkan informasi sebagai berikut: (Question & Answer Researchgate, 2018)

• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS digunakan untuk meningkatkan sinyal (sensitivitas) karena ketika LIBS running ditembakkan pada sampel maka akan terjadi pengeluaran plasma high temperature sehingga bisa meng-excitasi atom dan temperature ini sebisa mungkin dijaga jangan terserap oleh atmosfer sehingga digunakan gas Argon (Ar) untuk mengisolasi plasma. Temperatur plasma dan density/intensitas adalah kunci higher LIBS signal (Rai, 2018; Biswas, 2018)

Berdasarkan artikel di Vericheck (2022) sebagai berikut:

Berdasarkan artikel tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Vericheck, 2022)

• Fungsi gas Argon (Ar) pada OES adalah untuk menganalisa light-element (C, P, S, N) dimana semuanya memiliki wavelength <200 nm. Gas Argon (Ar) mampu membantu spectrometer pada wavelength dari 200 nm bahkan dibawahnya (sinar UV)
• Perhatian pada gas Argon (Ar) meliputi: (i) purity Argon ada 2 yaitu 4.8 setara 99.998& dan 5.0 setara 99.999%, dimana pure gas Argon (Ar) harus meminimalisir gas CO₂ dan H₂O karena kedua senyawa tersebut merusak wavelength dari 200 nm dan dibawahnya, sehingga tingkat purity gas Argon (Ar) sengat berpengaruh terhadap akurat/tidaknya analisa pada OES

Berdasarkan artikel dari Pyromation (2022):

Berdasarkan artikel tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Hitachi, 2022)

• Carbon Equivalent (CE) adalah konsep menghitung perkiraan jumlah C umumnya di ferrous material (steel dan cast iron) yang menggunakan convert persentase unsur lain pada alloy yang diuji
• Carbon content adalah hasil pembacaan riil detektor alat yang didasarkan pada tingkat energi excitasi yang dipancarkan (pada teknologi XRF, OES, LIBS)
• XRF, OES dan LIBS adalah teknologi yang sangat berguna namun masing-masing memiliki kelebihan dan kelemahan
• Kelebihan XRF adalah: (i) teknologi yang telah digunakan >40 tahun; (ii) menguji komponen tanpa meninggalkan luka/goresan/roughness dan baik untuk uji di industri otomotif dan pesawat terbang; (iii) tingkat kekuratan pembacaan yang tinggi. Kelemahan XRF adalah: (i) tidak bisa membaca unsur Carbon (C); (ii) dibutuhkan operator khusus karena bahaya radiasi X-ray
• Kelebihan OES adalah: (i) sangat baik digunakan untuk mengukur semua unsur bahkan light element (C, B, P, N); (ii) tingkat kekurasian sangat tinggi. Kelemahan OES adalah: (i) meninggalkan luka/goresan pada sampel yang diuji; (ii) menggunakan energi yang lebih besar dibandingkan  XRF dan LIBS; (iii) masih menggunakan gas Argon (Ar); (iv) membutuhkan preparasi sampel yang bersih dari pengotor
• Kelebihan LIBS adalah: (i) teknologi ter-update dan terbaru di abad 21; (ii) merupakan pengembanga teknologi, dimana laser memancarkan kecil namun energi yang ditransfer ke sampel sangat besar; (iii) sangat baik digunakan untuk mengukur Al alloy; (iv) walaupun tekniknya menembak sampel mirip OES namun luka yang tergores sangat kecil bahkan diamplas sedikit sudah hilang. Kelemahan LIBS adalah: (i) membutuhkan preparasi sampel yang bersih dari pengotor

Berdasarkan jurnal dari Noll et al (2018) sebagai berikut:

Berdasarkan jurnal tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Noll et al., 2018)

• Tidak ada teknologi sampai saat ini yang bisa menyamai tingkat kemampuan dalam membaca banyak unsur kimia sebaik LIBS, dimana metodenya yang menggunakan pengukuran jarak antara last optic dengan jarak objek

Berdasarkan jurnal dari Afgan et al (2017) sebagai berikut:

Berdasarkan jurnal tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Afgan et al., 2017)

• Kelemahan LIBS adalah akurasi dan presisi rendah sehingga peneliti harus effort lebih mengulang-ulang pengukuran untuk mendapatkan sensitiftas dan keakuratan yang baik
• Pengukuran unsur Carbon (C) pada steel merupakan tantangan peneliti  pada peralatan LIBS baik benchtop maupun portable karena hasil pengukuran quantitative Carbon (C) content pada wavelength setara UV light terserap oleh udara atmosfer
• Berdasarkan penelitian di jurnal disebutkan bahwa hasil dari LIBS lebih mendekati keakuratan (parameter rata-rata deviasi standard) daripada XRF bahka tingkat rata-rata validasi error LIBS lebih rendah dibandingkan XRF

Berdasarkan jurnal Switzner et al (2020) sebagai berikut:

Berdasarkan jurnal tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Switzner et al., 2020)

• Dari hasil pengujian beberapa teknologi terdapat karakteristik kemampuan dari masing-masing teknologi seperti: (i) LIBS mampu membaca semua unsur kecuali S dan P; (ii) XRF mampu membaca semua unsur kecuali C dan V; (iii) Filling mampu membaca semua unsur kecuali Nb; (iv) OES mampu membaca semua unsur

Berdasarkan tabel periodik unsur ini yang disebut "LIGHT ELEMENT" adalah unsur dengan nomor atom dibawah Mg (Z=12) yaitu Na (Z=11), O (Z=8), N (Z=7), C (Z=6) dan B (Z=5)

Berdasarkan jurnal tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Griinberger et al., 2019)

• Gas Argon (Ar) pada LIBS digunakan untuk mengisolasi plasma sehingga meningkatkan emission intensity

Berdasarkan jurnal dari Rajavelu et al (2021) sebagai berikut:

Berdasarkan jurnal tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Rajavelu et al., 2021)

• LIBS adalah tipe dari AES yang menggunakan pembangkit laser pada high pulse
• Kelebihan LIBS adalah: (i) analisa cepat; (ii) pengukuran yang simultan pada banyak unsur, (iii) mampu dioperasikan jarak jauh; (iv) sedikit (bahkan tidak ada) preparasi sampel
• LIBS bisa digunakan pada sampel solid, liquid dan gas
• Penggunaan LIBS yang kontak dengan udara atmosfer menyebabkan gangguan pada plasma yang dihasilkan laser sehingga mengganggu emision analysis yang menyebabkan pengukuran quantitative unsur menjadi error
• Ketika menggunakan LIBS maka harus menjauhi kontak dengan udara atmosfer
• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS menggunakan prinsip blow gas over sehingga lingkungan tempat plasma terbentuk menjadi inert atmosphere. Tujuan isolasi dari plasma ini adalah menghalangi interaksi plasma dengan udara atmosfer yang bisa mempengaruhi terbentuknya oksida dan fragment molekul yang bisa mengurangi intensitas emision plasma
• Wavelength cahaya terbagi menjadi 3 yaitu: (i) <400 nm masuk kategori UV radiation; (ii) 400-800 nm masuk kategori visible radiation (light); (iii) 800 nm-1 mm masuk kategori infrared radiation
• Wavelength unsur Carbon (C) pada kisaran 193 nm masuk kategori UV radiation
• Selain menggunakan gas Argon (Ar), LIBS bisa menggunakan metode vacuum untuk disekeliling plasma yang dimaksudkan sama untuk mengisolasi plasma agar tidak terserap oleh udara atmosfer

Berdasarkan jurnal dari Dong et al (2012):

Berdasarkan jurnal tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Dong et al., 2012)

• Karakteristik dari spektrum emisi atom Carbon (C) tergantung pada gas environment karena perbedaan chemical dan physical properties plasma
• Berdasarkan grafik terlihat bahwa wavelength gas Argon (Ar) jauh lebih tinggi dari Helium (He) kemudian diikuti oleh udara atmosfer sehingga gas Ar dan He bisa digunakan sebagai isolasi plasma LIBS
• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS karena Ar memiliki kecenderungan membentuk konsentrasi elektron yang besar yang bisa meningkatkan intensitas emisi plasma sehingga urutan tingkat natara paremeter intensitas, temperatur dan jumlah electron density secara berurutan adalah Ar > He > Air
• Udara atmosfer memiliki pengaruh pada emisi atom dan molekul
• Temperatur eksitasi plasma adalah faktor utama yang mempengaruhi emisi atom Carbon (C) di setiap gas di atmosfer

Berdasarkan artikel di Sciaps (2022):

Berdasarkan artikel tersebut didapatkan informasi sebagai berikut: (Sciaps, 2022)

• LIBS mendeteksi quantitative unsur dengan cara ketika plasma mendingin maka atom yang ter-excitasi akan kembali ke orbital dengan mengeluarkan berkas cahaya (bisa dalam bentuk  UV, optical atau IR) dan wavelength itulah yang akan teridentifikasi pada detektor karena setiap unsur memiliki karakteristik masing-masing
• Penggunaan gas Argon (Ar) bisa meningkatkan sinyal sampai 10x sehingga detection limit juga meningkat dan keakuratan dalam quantitative result bisa lebih baik
• Unsur Carbon (C) memiliki wavelength 193.1 nm sehingga mudah terserap oleh UV (udara atmosfer) dan dengan penggunaan gas Argon (Ar) bisa menutup sampai 100x sedangkan jika tanpa gas Argon (Ar) tidak mungkin mencapai detection limit atau kepresisian pengukuran pada unsur C, Si, Cr

EXECUTIVE SUMMARY dari kajian beberapa literatur sebagai berikut:

• Teknologi XRF digunakan sudah lebih dari 40 tahun yang lalu (Hitachi, 2022)
• Kelebihan XRF adalah: (i) menguji komponen tanpa meninggalkan luka/goresan/roughness dan baik untuk uji di industri otomotif dan pesawat terbang; (ii) tingkat kekuratan pembacaan yang tinggi. Kelemahan XRF adalah: (i) tidak bisa membaca unsur Carbon (C); (ii) dibutuhkan operator khusus karena bahaya radiasi X-ray (Hitachi, 2022)
• Teknologi Optical Emission Spectrometry (OES) terbagi menjadi 3 kelas yaitu: (i) KELAS I: skala laboratorium yang masih manual mengandalkan operator skill dan pengalaman. Output dari alat masih semi-qualitative dan  harus menganalisis berdasarkan visible light spectra yang didapatkan untuk dicocokkan dengan literatur. Kemampuan reading hanya sampai 16 unsur; (ii) KELAS II: portable untuk analisis di lapangan atau laboratorium dengan menggunakan big cyclinder gas Argon (Ar) dimana desain yang semakin kesini menjadi small cylinder gas Argon (Ar) dengan kelebihan bisa membaca unsur Carbon (C). Kelas ini tidak membutuhkan subjective dari interpretasi operator karena langsung ter-display quantitaive result. Kelas ini menggunakan metode arc (busur) dan spark (percikan); (iii) KELAS III: teknologi LIBS yang menggunakan high pulse sehingga membentuk plasma high temperature pada sampel dan atom di sampel kemudian ter-eksitasi dan pada proses pendinginan maka atom akan kembali ke orbital-nya masing-masing dengan mengeluarkan cahaya (bisa UV, optic atau infrared), cahaya tersebut ditangkap detector kemudian dibaca sesai wavelength karakteristik masing-masing unsur. Kelas ini memiliki kelebihan yaitu dapat membaca low carbon analysis (Standard API 578)
• OES adalah HANYA metode yang handal untuk mengukur unsur Carbon (C) seperti pada stainless steel, Magnesium (Mg) dan Silicon (Si) dimana semuanya adalah light-element (Pyromation, 2022)
• LIGHT ELEMENT adalah unsur dengan nomor atom dibawah Mg (Z=12) yaitu Na (Z=11), O (Z=8), N (Z=7), C (Z=6) dan B (Z=5)
• Kelebihan OES adalah: (i) sangat baik digunakan untuk mengukur semua unsur bahkan light element (C, B, P, N); (ii) tingkat kekurasian sangat tinggi. Kelemahan OES adalah: (i) meninggalkan luka/goresan pada sampel yang diuji; (ii) menggunakan energi yang lebih besar dibandingkan  XRF dan LIBS; (iii) masih menggunakan gas Argon (Ar); (iv) membutuhkan preparasi sampel yang bersih dari pengotor (Hitachi, 2022)
• Teknologi laser awal mulai ditemukan Tahun 1960 dan Tahun 1980 dikembangkan laser untuk LIBS. Dalam perjalanan ke Abad 21 LIBS merupakan teknologi terupdate/termodern di dunia ini sejak pengembangan dan penyempurnaan di Tahun 2004 (Miziolek et al., 2006) (Pyromation, 2022) (Hitachi, 20220) (Rajavelu et al., 2021) (Sciaps, 2022) (Switzner et al., 2020)
• LIBS menggunakan metode Atomic Emission Spectroscopy (AES) dengan langkah kerja: (i) atomization; (ii) excitation; (iii) detection; (iv) callibration; (v) determination (Miziolek et al., 2006)
• LIBS adalah tipe dari AES yang menggunakan pembangkit laser pada high pulse (Rajavelu et al., 2021)
• LIBS bisa digunakan untuk menguji komposisi kimia pada logam, batu, tanah, serbuk, liquid, gigi, tulang, gas (Miziolek et al., 2006) (Rajavelu et al., 2021) (Noll et al., 2018) (Afgan et al., 2017) (Switzner et al., 2020)
• LIBS yang mengusung metode AES memiliki kelebihan dibandingkan teknologi non-AES sebagai berikut: (i) kemampuan mendeteksi seluruh unsur kimia; (ii) ringkas; (iii) real-time analysis; (iv) tidak ada preparasi sampel (atau sedikit preparasi); (v) bisa digunakan untuk uji sampel solid, liquid dan gas; (vi) sensitifitas yang baik pada unsur tertentu (Cl, F) yang tidak bisa dideteksi oleh teknologi non-AES (Miziolek et al., 2006)
• Tidak ada teknologi sampai saat ini yang bisa menyamai tingkat kemampuan dalam membaca banyak unsur kimia sebaik LIBS, dimana metodenya yang menggunakan pengukuran jarak antara last optic dengan jarak objek (Noll et al., 2018)
• Berdasarkan penelitian di jurnal disebutkan bahwa hasil dari LIBS lebih mendekati keakuratan (parameter rata-rata deviasi standard) daripada XRF bahka tingkat rata-rata validasi error LIBS lebih rendah dibandingkan XRF (Afgan et al., 2017)
• XRF, OES dan LIBS adalah teknologi yang sangat berguna namun masing-masing memiliki kelebihan dan kelemahan (Hitachi, 2022)
• Dari hasil pengujian beberapa teknologi terdapat karakteristik kemampuan dari masing-masing teknologi seperti: (i) LIBS mampu membaca semua unsur kecuali S dan P; (ii) XRF mampu membaca semua unsur kecuali C dan V; (iii) Filling mampu membaca semua unsur kecuali Nb; (iv) OES mampu membaca semua unsur (Switzner et al., 2020)
• Kelebihan LIBS adalah: (i) teknologi ter-update dan terbaru di abad 21; (ii) merupakan pengembanga teknologi, dimana laser memancarkan kecil namun energi yang ditransfer ke sampel sangat besar; (iii) sangat baik digunakan untuk mengukur Al alloy; (iv) walaupun tekniknya menembak sampel mirip OES namun luka yang tergores sangat kecil bahkan diamplas sedikit sudah hilang. Kelemahan LIBS adalah: (i) membutuhkan preparasi sampel yang bersih dari pengotor (Hitachi, 2022)
• Kelebihan LIBS adalah: (i) analisa cepat; (ii) pengukuran yang simultan pada banyak unsur, (iii) mampu dioperasikan jarak jauh; (iv) sedikit (bahkan tidak ada) preparasi sampel
• Kelemahan LIBS adalah akurasi dan presisi rendah sehingga peneliti harus effort lebih mengulang-ulang pengukuran untuk mendapatkan sensitiftas dan keakuratan yang baik (Afgan et al., 2017)
• Pengukuran unsur Carbon (C) pada steel merupakan tantangan peneliti  pada peralatan LIBS baik benchtop maupun portable karena hasil pengukuran quantitative Carbon (C) content pada wavelength setara UV light terserap oleh udara atmosfer (Afgan et al., 2017)
• Penggunaan LIBS yang kontak dengan udara atmosfer menyebabkan gangguan pada plasma yang dihasilkan laser sehingga mengganggu emision analysis yang menyebabkan pengukuran quantitative unsur menjadi error (Rajavelu et al., 2021)
• Ketika menggunakan LIBS maka harus menjauhi kontak dengan udara atmosfer (Rajavelu et al., 2021)
• Temperatur eksitasi plasma adalah faktor utama yang mempengaruhi emisi atom Carbon (C) di setiap gas di atmosfer (Dong et al., 2012)
• Karakteristik dari spektrum emisi atom Carbon (C) tergantung pada gas environment karena perbedaan chemical dan physical properties plasma (Dong et al., 2012)
• Fungsi gas Argon (Ar) pada OES adalah untuk menganalisa light-element (C, P, S, N) dimana semuanya memiliki wavelength <200 nm. Gas Argon (Ar) mampu membantu spectrometer pada wavelength dari 200 nm bahkan dibawahnya (sinar UV) (Vericheck, 2022)
• Pengukuran di OES dapat dicapai juga TANPA gas Argon (Ar) tetapi tingkat keakuratan dan  kepresisian yang kurang dan harus dilakukan terus pengulangan agar didapatkan rata-rata hasil yang stabil (Pyromation, 2022)
• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS memiliki manfaat mengurangi interferensi molekul, meningkatkan intensitas spark dan cocok untuk observasi wavelength unsur di kisaran 200 nm  (Miziolek et al., 2006)
• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS digunakan untuk meningkatkan sinyal (sensitivitas) karena ketika LIBS running ditembakkan pada sampel maka akan terjadi pengeluaran plasma high temperature sehingga bisa meng-excitasi atom dan temperature ini sebisa mungkin dijaga jangan terserap oleh atmosfer sehingga digunakan gas Argon (Ar) untuk mengisolasi plasma. Temperatur plasma dan density/intensitas adalah kunci higher LIBS signal (Rai, 2018; Biswas, 2018)
• Gas Argon (Ar) pada LIBS digunakan untuk mengisolasi plasma sehingga meningkatkan emission intensity (Griinberger et al., 2019)
• LIBS mendeteksi quantitative unsur dengan cara ketika plasma mendingin maka atom yang ter-excitasi akan kembali ke orbital dengan mengeluarkan berkas cahaya (bisa dalam bentuk  UV, optical atau IR) dan wavelength itulah yang akan teridentifikasi pada detektor karena setiap unsur memiliki karakteristik masing-masing (Sciaps, 2022)
• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS menggunakan prinsip blow gas over sehingga lingkungan tempat plasma terbentuk menjadi inert atmosphere. Tujuan isolasi dari plasma ini adalah menghalangi interaksi plasma dengan udara atmosfer yang bisa mempengaruhi terbentuknya oksida dan fragment molekul yang bisa mengurangi intensitas emision plasma (Rajavelu et al., 2021)
• Data menunjukkan bahwa wavelength gas Argon (Ar) jauh lebih tinggi dari Helium (He) kemudian diikuti oleh udara atmosfer sehingga gas Ar dan He bisa digunakan sebagai isolasi plasma LIBS (Dong et al., 2012)
• Penggunaan gas Argon (Ar) pada LIBS karena Ar memiliki kecenderungan membentuk konsentrasi elektron yang besar yang bisa meningkatkan intensitas emisi plasma sehingga urutan tingkat natara paremeter intensitas, temperatur dan jumlah electron density secara berurutan adalah Ar > He > Air
• Udara atmosfer memiliki pengaruh pada emisi atom dan molekul (Dong et al., 2012)
• Penggunaan gas Argon (Ar) bisa meningkatkan sinyal sampai 10x sehingga detection limit juga meningkat dan keakuratan dalam quantitative result bisa lebih baik (Sciaps, 2022)
• Selain menggunakan gas Argon (Ar), LIBS bisa menggunakan metode vacuum untuk disekeliling plasma yang dimaksudkan sama untuk mengisolasi plasma agar tidak terserap oleh udara atmosfer (Rajavelu et al., 2021)
• Carbon Equivalent (CE) adalah konsep menghitung perkiraan jumlah C umumnya di ferrous material (steel dan cast iron) yang menggunakan convert persentase unsur lain pada alloy yang diuji (Hitachi, 2022)
• Carbon content adalah hasil pembacaan riil detektor alat yang didasarkan pada tingkat energi excitasi yang dipancarkan (pada teknologi XRF, OES, LIBS) (Hitachi, 2022)
• Wavelength cahaya terbagi menjadi 3 yaitu: (i) <400 nm masuk kategori UV radiation; (ii) 400-800 nm masuk kategori visible radiation (light); (iii) 800 nm-1 mm masuk kategori infrared radiation (Rajavelu et al., 2021)
• Wavelength unsur Carbon (C) pada kisaran 193 nm masuk kategori UV radiation (Rajavelu et al., 2021)
• Unsur Carbon (C) memiliki wavelength 193.1 nm sehingga mudah terserap oleh UV (udara atmosfer) dan dengan penggunaan gas Argon (Ar) bisa menutup sampai 100x sedangkan jika tanpa gas Argon (Ar) tidak mungkin mencapai detection limit atau kepresisian pengukuran pada unsur C, Si, Cr (Sciaps, 2022)

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2022). Perbandingan Teknologi Positive Material Identification (PMI) antara XRF, OES dan LIBS. www.caesarvery.com

[7] Afgan, M.S., Hou, Z., and Wang, Z. (2017). Quantitative Analysis of Common in Steel Using a Handheld µ-LIBS Instrument. Journal of Analytical Atomic Spectrometry

[8] Switzner, N., Liong, M., Veloo, P., Gould, M., and Rovella, T. (2020). Nondestructive Testing of Pipeline Materials: Further Evaluation of Portable OES, XRF, LIBS, and Fillings to Estimate Chemical Composition. Pipeline Pigging and Integrity Management Conference

[9] Miziolek, A.W., pallesschi, V., and Schechter, I. (2006). Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS): Fundamentals and Application. Cambridge University Press

[10] Griinberger, S., Watzl, G., Huber, N., and Fuchs, S.E. (2019). Chemical Imaging with laser Ablation-Spark Discharge-Optical Emission Spectroscopy (LA-SD-OES) and Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). J. of Optics and Laser Technology

[11] Rajavelu, H., Vasa, N.J., and Seshandri, S. (2021). LIBS Tecghique Combined with Blow Gas and Vacuum Suction to Remove Particle Cloud and Enhance Emission Intensity during Characterization of Powder Samples. J. of Atomic Spestroscopy, pp. 181

[12] Dong, M., mao, X., Gonzales, J.J., Lu, J., and Russo, R.E. (2012). Time-Resolved LIBS of Atomic and Molecular Carbon from Coal in Air Argon and Helium. J. of Analytical Atomic Spectrometry

Related Posts: