Pengembangan Spektrofotometer Portabel Webcam untuk Pengujian Cepat Produk Pangan dan Herbal

Abstract

Kualitas dan keamanan produk herbal dan pangan tetap menjadi perhatian utama bagi para pemangku kepentingan seperti pemerintah, industri, dan konsumen. Menjamin standar ini membutuhkan kolaborasi bersama termasuk konsumen dan petani sebagai bagian dari industri yang lebih luas. Keterlibatan keduanya memunculkan keperluan akan perangkat analitik yang mudah diakses untuk memantau kualitas dan keamanan tersebut. Kebutuhan ini dapat dipenuhi dengan mengembangkan instrumen analitik yang terjangkau, portabel, dan mudah digunakan berbasis elektronik konsumen. Penelitian ini berfokus pada pengembangan spektrofotometer berbasis webcam untuk analisis kimia di bidang herbal dan pangan. Penelitian dilakukan dalam tiga tahap: pertama, merancang spektrofotometer webcam tipe transmisi menggunakan komponen elektronik konsumen dan mengevaluasi sifat kuantitatif sinyal spektra dengan standar komponen tunggal; kedua, merancang spektrofotometer webcam tipe reflektansi dan menilai kinerjanya dengan standar komponen tunggal dan sampel tumbuhan obat untuk analisis kualitatif dan kuantitatif; dan ketiga, mengembangkan spektrofotometer tipe transmisi dengan sistem akuisisi data mandiri dan luring serta mengevaluasi kinerjanya dengan standar dan sampel tumbuhan obat. Hasil dari setiap tahap dibandingkan dengan spektrofotometer komersial. Tahap pertama, penelitian difokuskan pada pembuktian sifat kuantitatif dari sinyal spektra yang dihasilkan oleh spektrofotometer webcam. Spektrofotometer webcam tipe transmisi dibuat menggunakan komponen elektronik konsumen, misalnya LED sebagai sumber cahaya dan kamera web sebagai detektor serta perangkat lunak berbasis web (Spectral Workbench) sebagai pengolah sinyal. Kinerja analitik spektrofotometer webcam dievaluasi menggunakan parameter seperti linearitas, batas deteksi dan kuantifikasi, serta presisi untuk menganalisis standar merah metil dan kalium dikromat. Hasil penelitian menunjukkan untuk merah metil, spektrofotometer webcam memberikan rentang linearitas sebesar 0,9638 dengan batas deteksi dan batas kuantifikasi masing-masing 0,69 dan 2,11 ppm, dan presisi sebagai sinpangan baku relatif sekitar 5%. Standar kalium dikromat memberikan rentang linearitas 0,9991 dengan batas deteksi dan batas kuantifikasi masing-masing 0,12 dan 0,41 ppm, dan presisi sebagai simpangan baku relatif di bawah 5%. Kinerja analitik ini sebanding tetapi tidak lebih baik daripada kinerja analitik dari dua spektrofotometer komersial yang digunakan sebagai pembanding. Aplikasi spektrofotometer webcam untuk mengukur kandungan rhodamin B dalam sampel makanan tradisional, pacar cina, juga memberikan kinerja analitik yang setara dan kemampuan pengukuran analit Rhodamin B tidak berbeda secara signifikan dari spektrofotometer komersial tersebut. Pada tahap kedua, penelitian diarahkan untuk pengembangan spektrofotometer webcam tipe reflektans yang dapat digunakan untuk mengukur sampel dalam bentuk padatan secara langsung. Sebuah model spektrofotometer webcam reflektans sederhana telah dikonstruksi dan digunakan untuk mengklasifikasikan kualitas temulawak (Curcuma xanthorrhiza Roxb.). Kinerja spektrofotometer dievaluasi menggunakan senyawa standard Sudan III dan sampel C. xanthorrhiza dari dua kelas kualitas (A dan B). Data spektra dianalisis menggunakan analisis komponen utama (PCA) dan regresi kuadrat terkecil parsial (PLS). PCA berhasil mengelompokkan sampel Sudan III berdasarkan konsentrasi dan mengklasifikasikan C. xanthorrhiza berdasarkan kandungan kurkuminoid. Model regresi PLS dikembangkan untuk mengukur Sudan III, menghasilkan nilai R² sebesar 0,9909 untuk kalibrasi dan validasi silang, dengan RMSE masing-masing sebesar 0,3821% dan 0,4152%. Hasilnya sesuai dengan hasil dari spektrofotometer komersial. Model klasifikasi analisis diskriminan PLS (PLS-DA) untuk C. xanthorrhiza juga dikembangkan, yang mencapai nilai sensitivitas dan spesifisitas sebesar 1. Selain itu, parameter semi-kuantitatif model PLS-DA seperti batas keputusan (26,15% B), kemampuan deteksi (41,06% B), dan rentang ketidakandalan (26,15–41,06% B) juga dihitung. Model klasifikasi menunjukkan sensitivitas, spesifisitas, dan kemampuan deteksi yang baik dalam batas yang dapat diterima. Berdasar hasil yang diperoleh, spektrofotometer reflektans dikombinasikan dengan metode kemometrik, menjanjikan sebagai alat praktis untuk pengendalian kualitas bahan baku herbal. Tahap ketiga, penelitian ditujukan untuk pengembangan spektrofotometer webcam tipe transmisi yang dikontrol oleh software luring Theremino spectrometer. Sistem spektrofotometer dibangun dengan komponen yang sama seperti tahap pertama dengan modifikasi sumber sinar compact fluorescent lamp (CFL) untuk kalibrasi yang terintegrasi pada alat dan menerapkan metode kemometrik untuk evaluasi data. Kinerja analitik spektrofotometer dievaluasi melalui parameter seperti linearitas dan persen perolehan kembali (% recovery) menggunakan standar kalium permanganat. Selain itu, perangkat ini juga digunakan untuk membedakan sampel daun kumis kucing (Orthosiphon aristatus) dari dua wilayah, yaitu Bogor dan Sukabumi. Hasil menunjukkan bahwa kinerja analitik spektrofotometer webcam setara dengan kinerja analitik instrumen komersial (Hitachi U-2800), dengan koefisien determinasi (R²) sebesar 0,9905 dan persen perolehan kembali sebesar 100,33%, yang menunjukkan akurasi yang tinggi. Selain itu, spektrofotometer digunakan untuk menghasilkan spektrum ekstrak kumis kucing dari Sukabumi dan Bogor, yang kemudian dianalisis menggunakan teknik kemometrik. Berdasarkan spektrum tersebut, asal sampel kumis kucing dapat dikelompokkan dengan baik menggunakan metode analisis komponen utama (PCA) dan komponen utama dapat memberikan informasi sebesar 93% dari total varians Penelitian yang dilakukan dalam tiga tahap ini menunjukkan bahwa spektrofotometer dapat dibangun menggunakan komponen elektronik konsumen untuk berbagai tipe pengukuran. Alat ini sesuai untuk berbagai aplikasi, termasuk dalam bidang pangan, herbal, dan lainnya. Selain itu, kinerja analitiknya—dilihat dari segi presisi, akurasi, dan parameter semi-kuantitatif lainnya—memenuhi standar kualitas yang dapat diterima dan setara dengan kinerja spektrofotometer komersial. Spektrofotometer webcam menyediakan solusi yang terjangkau, portabel, dan mudah diakses untuk pendidikan, penelitian, perawatan kesehatan, dan pemantauan lingkungan, dan integrasinya dengan machine learning dapat semakin memperluas akurasi dan aplikasinya.

The quality and safety of herbal and food products are critical concerns for stakeholders such as government, industry, and consumers. Ensuring these standards requires collaboration, with consumers and farmers playing key roles in the process. Their involvement highlights the need for accessible tools, particularly analytical instruments, to monitor quality and safety. This demand can be addressed by developing affordable, portable, and user-friendly devices based on consumer electronics. This study focuses on creating a webcam spectrophotometer for chemical analysis in the field of herbal and food. The research was conducted in three stages: first, designing a transmission-type webcam spectrophotometer using electronic consumer components and evaluating its quantitative performance with single-component standards; second, designing a reflectance-type webcam spectrophotometer and assessing its performance with both single-component standards and medicinal plant samples for qualitative and quantitative analysis; and third, creating a transmission-type spectrophotometer with standalone, offline data acquisition and evaluating its performance with standards and plant samples. Results from each stage were compared with those of a commercial spectrophotometer. The first stage focused on proving the quantitative properties of the spectral signals produced by the webcam spectrophotometer. The transmission-type webcam spectrophotometer was constructed using consumer electronics components, such as an LED as the light source and a webcam as the detector, along with web-based software (Spectral Workbench) for signal processing. The analytical performance of the webcam spectrophotometer was evaluated using parameters such as linearity, limit of detection, quantification, and precision to analyze methyl red and dichromate standards. The research results showed that, for methyl red, the webcam spectrophotometer provided a linear range of 0.9638 with detection and quantification limits of 0.69 and 2.11 ppm, respectively, and precision as a relative standard deviation of about 5%. The dichromate standard provided a linear range of 0.9991 with detection and quantification limits of 0.12 and 0.41 ppm, respectively, and precision as a relative standard deviation below 5%. This analytical performance is comparable but not superior to the analytical performance of two commercial spectrophotometers used as comparators. The application of the webcam spectrophotometer to measure the rhodamine B content in traditional food samples, pacar cina, also provided equivalent analytical performance, and the measurement capability for rhodamine B did not differ significantly from that of the commercial spectrophotometers. In the second stage, the research focused on developing a reflectance-type webcam spectrophotometer that could be used to directly measure solid samples. A simple, portable visible reflectance spectrophotometer was developed for classifying the quality of Curcuma xanthorrhiza Roxb. The device was assembled using consumer electronic components: an LED as the light source, a DVD optical layer as the diffraction grating, and a webcam as the detector, with web-based software (Spectral Workbench) as the signal processor. The spectrophotometer's performance was evaluated using standard Sudan III samples and powdered C. xanthorrhiza samples from two quality classes (A and B). Spectral data were analysed using principal component analysis (PCA) and partial least squares (PLS) regression. PCA successfully grouped Sudan III samples by concentration and classified C. xanthorrhiza by curcuminoid content. A PLS regression model was developed for quantifying Sudan III, yielding R² values of 0.9909 for both calibration and cross-validation, with RMSEs of 0.3821% and 0.4152%, respectively. The results closely matched those from a commercial spectrophotometer. A PLS-discriminant analysis (PLS-DA) classification model for C. xanthorrhiza was also developed, achieving sensitivity and specificity values of 1. Additionally, semi-quantitative parameters such as decision limit (26.15% B), detection capability (41.06% B), and unreliability range (26.15–41.06% B) were calculated. The classification model showed strong sensitivity, specificity, and detection capabilities within acceptable limits. These findings suggest that this low-cost reflectance spectrophotometer, combined with chemometric methods, holds promise as a practical tool for the quality control of raw herbal materials. The final stage of the research focused on developing a transmission-type webcam spectrophotometer controlled by offline software, Theremino Spectrometer. The spectrophotometer system was built with the same components as the first stage, with modifications to the CFL light source for calibration integrated into the device, and chemometrics methods were applied for data evaluation. The analytical performance of the spectrophotometer was evaluated through parameters such as linearity and percent recovery (% recovery) using permanganate standards. Additionally, the device was used to differentiate kumis kucing (Orthosiphon aristatus) leaves from two regions, Bogor and Sukabumi. The results showed that the analytical performance of the webcam spectrophotometer was equivalent to the analytical performance of a commercial instrument (Hitachi U-2800), with a coefficient of determination (R²) of 0.9905 and a percent recovery of 100.33%, indicating high accuracy. Furthermore, the spectrophotometer was used to generate spectra of kumis kucing extracts from Sukabumi and Bogor, which were then analyzed using chemometric techniques. Based on the spectra, the origin of the kumis kucing samples could be well-grouped using principal component analysis (PCA), with the principal components providing 93% of the total variance. This research, conducted in three stages, demonstrates that a spectrophotometer can be built using consumer electronic components for different types of measurements. The device is suitable for various applications, including food, herbal, and other fields. Additionally, its analytical performance—measured in terms of precision, accuracy, and other semi-quantitative parameters—meets acceptable quality standards and is comparable to that of commercial spectrophotometers. Webcam spectrophotometers provide affordable, portable, and accessible solutions for education, research, healthcare, and environmental monitoring, and their integration with machine learning can further expand their accuracy and applications.