PERANCANGAN BATANG PULTRUSI GFRP UNTUK BANGUNAN SIPIL DjokoSetyanto 1)
LASER DIODA SEBAGAI SUMBER PADA SENSOR KIMIA OPTIS BERDASARKAN EFEK RESONANSI PLASMON PERMUKAAN
Bambang Cholis Su’udi 1) , Harumi Yuniarti 2)
1) Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti, Jl. Kyai Tapa Grogol, Jakarta. .
Email : [email protected]
2) Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti, Jl. Kyai Tapa Grogol, Jakarta. Email : [email protected]
Abstrak
Laser Dioda sebagai sumber pada Sensor Kimia Optis SPR (Surface Plasmon Resonance) yang bekerja berdasarkan Efek Plasmon permukaan telah dibuat untuk menentukan harga indeks bias larutan organik dengan hasil yang cukup memadai bila dibandingkan dengan pengukuran secara konvensional menggunakan refraktometer ABBE. Sumber cahaya Laser Dioda yang digunakan untuk mengeksitasi plasmon permukaan mempunyai panjang gelombang 780 nm dengan daya sebesar 0,1 mW. Kepala sensor dibuat dari lapisan logam perak tipis setebal kurang lebih 600Ao yang dideposisikan pada bagian bawah alas prisma gelas segitiga sama sisi berukuran luas alas (sisi) 30x30 mm2
Kata Kunci : Sensor Kimia Optis, Plasmon Permukaan, Resonansi SPR, Refraktometer ABBE.
dengan kotak tempat cuplikan diletakkan langsung tersambung dibawahnya. Detektor untuk mengukur intensitas cahaya terpantul menggunakan PMT yang ditutup dengan pinhole yang dapat digeser sepanjang bidang fokus lensa kolimator yang diletakkan dibelakang titik pantul bidang alas prisma pada jarak sama dengan jarak fokus lensa. Hasil pengukuran indeks bias untuk cuplikan larutan acetone dengan beberapa nilai konsentrasi yang berbeda telah dibandingkan dengan dengan hasil-hasil pengukutan menggunakan Refraktometer ABBE. Hasil-pengukuran yang diperoleh mempunyai nilai kesesuaian yang cukup baik antara pengukuran menggunakan Refraktometer ABBE dan menggunakan sensor SPR dengan sumber laser dioda.
Pendahuluan
Beberapa metoda untuk menentukan kadar air dalam suatu larutan organik antara lain adalah penggunaan reagen Carl Fischer dan pengukuran dengan menggunakan spesifik gravity, tetapi kedua metoda ini masih kurang akurat hasilnya serta tidak dapat dilakukan sebagai pengendali proses secara on-line dalam suatu proses pemurniannya karena hanya dapat digunakan untuk sejumlah kecil cuplikan. Sensor SPR (Surface Plasmon Resonance) adalah jenis sensor yang dapat bekerja secara langsung, sehingga sensor ini dapat memenuhi kebutuhan sebagai pengendali selama proses pemurnian. Prinsip kerja dari sensor ini adalah dengan menggunakan prinsip efek resonansi plasmon permukaan yang dapat ditimbulkan dengan eksitasi cahaya pada lapisan logam yang bersentuhan langsung dengan cuplikan berupa larutan organik. Gagasan pertama kali dari sensor SPR ini diusulkan oleh Nylander et al dan dilanjutkan dengan lebih sempurna oleh Flanagan dan Pantell (Anna, 2007).
Eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya adalah menentukan indeks bias larutan acetone dengan prinsip resonansi plasmon permukaan menggunakan sumber laser Helium Neon (He-Ne). Untuk mengeksitasi Plasmon permukaan digunakan perangkat sensor dan cuplikan yang ditempatkan diatas piringan dan dapat diputar dengan ketelitian 0,1o
Untuk eksperimen berikut ini, sumber cahaya yang digunakan adalah sinar Laser Dioda dengan panjang gelombang 780 nm dan daya 0,1 mW. Mengingat bahwa sifat sinar laser Dioda adalah divergen, maka detektor yang digunakan untuk mengukur intensitas cahaya terpantul adalah PMT yang ditutup dengan pinhole yang dapat digeser sepanjang bidang fokus lensa kolimator yang ditempatkan di belakang pusat bidang pantul prisma yang telah dideposisikan lapisan tipis perak setebal kurang lebih 600A
, sementara detektor yang digunakan adalah power meter yang dipasang pada dudukan tetap. (Bambang, 2010).
o .
Prinsip kerja SPR (Surface Plasmon Resonance)
Gelombang surface Plasmon adalah gelombang elektromagnetik berpolarisasi-p atau transver magnetik (TM) yang merambat di sepanjang bidangb batas dua medium yang berbeda (logam-dielektrik) yang saling berhubungan. Resonansi gelombang ini telah digunakan untuk menghasilkan beragam variasi sensor optic. Surface Plasmon dapat dihasilkan melalui interaksi antara elektron pada berbagai macam permukaan seperti pada sebuah logam dengan sebuah muatan
partikel atau dengan sebuah foton. Hal ini merupakan Osilasi terkuantisasi kolektif dari ektron konduksi dekat permukaan logam (Ngurah, 2012).
Jika pada permukaan logam dikenakan gelombang elektromagnetik polarisasi-p dengan arah polarisasi sejajar bidang datar, maka SPR dapat tereksitasi. Hal ini dapat terjadi karena plasmon permukaan hanya memiliki komponen medan listrik yang tegak lurus pada permukaan. Apabila frekuensi cahaya yang dikenakan pada permukaan logam bersesuaian dengan frekuensi karakteristik plasmon permukaan, maka plasmon permukaan yang bersangkutan akan mengalami eksitasi (Anna, 2007).
Vektor gelombang plasmon permukaan (ksp)pada batas antara lapisan logam dan cuplikan yang besesuaian dengan frekuensi sudut ω dapat dituliskan sebagai berikut:
ksp = (ω/c)[(εm ns
2) / (εm + ns 2
) ]½……….(1)
Dimana εm adalah nilai bagian nyata dari permitivitas logam (perak) dan ns Vektor gelombang sumber cahaya yang dikenakan pada permukaan logam k
adalah indeks bias cuplikan yang akan diukur.
s yang merambat melalui medium dengan frequensi sudut ω memenuhi persamaan:
ks = [ks] = (ω/c) ns ……….(2)
Kurva dispersi plasmon permukaan ω(ksp) dan sumber cahaya yang dikenakan pada permukaan logam ω(ks), dapat dilihat pada gambar-1 berikut:
Dari kurva pada gambar-1 diatas terlihat bahwa nilai dispersi sumber cahaya ω (ks), dalam cuplikan selalu berada di sebelah kiri dari kurva dispersi plasmon permukaan ω (ksp) dan tidak berpotongan. Hal ini disebabkan karena nilai permitivitas logam εm selalu mempunyai nilai lebih kecil dari 1 (εm < 1), akibatnya nilai frekuensi sudut plasmon permukaan ω(ksp) selalu lebih besar dari frekuensi sudut sumber cahaya ω(ks
Untuk dapat mengeksitasi SPR, digunakan metode Kretschmann yaitu dengan gelombang evanescen (gelombang lenyap) yang terjadi pada kondi si pemantulan internal sempurna. Cara yang dapat dilakukan untuk maksud tersebut adalah dengan mendatangkan cahaya pengeksitasi melalui prisma berindeks bias tinggi. Konfigurasi yang diusulkan oleh Kritschmann yaitu dengan cara melapisi sisi bawah bidang alas prisma berindeks bias tinggi dengan logam tipis setebal beberapa ratus Angstrom. Bagian lapisan logam tipis ini bersentuhan langsung dengan cuplikan yang akan diukur. Skema konfigurasi usulan Kretschmann dapat dilihat pada gambar-2 diatas. Apabila besar sudut datang berkas cahaya pada permukaan batas prisma dengan logam tipis melebihi besar sudut
θ
), sehingga sumber cahaya dalam medium cuplikan tidak pernah dapat mengeksitasi SPR secara alami (Kumar, 2007).
Kurva-kurva dispersi plasmon permukaan dan gelombang sumber cahaya diperlihatkan pada gambar-3.
Nilai vektor gelombang evanescen (gelombang lenyap) kev sama dengan nilai komponen lateral vektor gelombang cahaya datang pada prisma, dituliskan:
kev = kg sin θ = (ω/c) sin θ ………...(3)
Untuk nilai sudut datang tertentu (θsp) dimana vektor gelombang evanescen (gelombang lenyap) kev bernilai sama dengan vektor gelombang plasmon permukaan (ksp) atau ksp = kev , maka plasmon permukaan akan tereksitasi yang berarti bahwa energi sinar datang terserap oleh plasmon permukaan. Apabila plasmon permukaan dieksitasi oleh gelombang evanescen (gelombang lenyap), maka intensitas cahaya yang dipantulkan kembali ke dalam prisma akan sangat berkurang (Iwase, 2006). Sehingga saat terjadi eksitasi pada plasmon permukaan terjadi intensitas cahaya terpantul akan mengalami penurunan. Jadi intensitas plasmon permukaan dapat diamati melalui pengukuran intensitas cahaya terpantul atau reflektansi (R) sebagai fungsi sudut datang.
Dengan menggabungkan persamaan-persamaan diatas, nilai indeks bias larutan dalam cuplikan (ns) dapat dituliskan menurut persamaan sebagai berikut:
ns 2
= [εm(ng)2 sin2θsp]/[εm – (ng)2 sin2θsp] ……….(4)
dimana ng adalah indeks bias prisma pada susunan Kretschmann, εm adalah permitivitas lapisan perak yang didepositkan pada prisma dan θsp adalah sudut datang pada prisma sinar datang mengalami resonansi dengan dengan Plasmon permukaan.
Sistem Deteksi dan detektor
Laser dioda adalah sumber cahaya yang tidak terkolimasi dan cahaya yang dipancarkan bersifat divergen. Keuntungan penggunaan sumber cahaya LD dengan sifat divergen tersebut adalah tidak perlu dilakukan mekanisme perputaran pada cuplikan untuk mengetahui intensitas cahaya terpantul oleh permukaan Plasmon. Dengan tetap menggunakan konfigurasi Kretschmann pada kepala sensor, hanya gelombang dengan sudut pantul tertentu saja yang memenuhi kondisi resonansi untuk mengeksitasi Plasmon permukaan.
Skema diagram pada eksperimen yang dilakukan dapat dilihat pada gambar berikut ini:
Gambar-4 Susunan Eksperimen dengan sumber sinar Laser Dioda
Polarisasi berkas sinar divergen dari cahaya LD diolah oleh polarisator P menjadi polarisasi linear p dan difokuskan oleh lensa L1 ke lapisan perak tipis untuk mengeksitasi Plasmon permukaan. Berkas cahaya terpantul dikolimasikan oleh lensa L2 dan diarahkan ke detektor yang diletakkan pada bidang focus belakang lensa L2
Laser dioda yang digunakan dalam ekperimen ini adalah model LT024MFO, Sharp Corp dengan panjang gelombang 780 nm dan daya sebesar 0,1 mW. Jarak fokus kedua lensa L
. Reflektansi oleh SPR diperoleh dengan menghitung harga relative intensitas terpantul dengan polarisasi p dengan intensitas terpolarisasi s.
1 danL2 yang digunakan masing-masing sebesar 90 mm. Detektor untuk menangkap sinar terpantul
menggunakan Photo Multiplier Tube (PMT) yang ditutup dengan pinhole dan diatur sedemikian sehinga dapat digeser sepanjang bidang fokus lensa L2. Untuk pengukuran keluaran sinyal dari detektor diamati melalui oscilloscope.
Sensor dan tempat cuplikan
Kepala sensor terbuat dari prisma sama sisi dengan bahan berindeks bias tinggi (BK-7 dengan n = 1,52) dengan luas masing-masing bidang sisi berukuran 30 x 30 cm2. Lapisan perak dengan ketebalan ± 600 Ao diendapkan secara vakum pada salah satu sisi prisma. Kotak cuplikan dengan ukuran 30x30x20 mm3
Susunan optiknya diatur sedemikian rupa sehingga cahaya yang memasuki prisma terfokus tepat di tengah-tengah lapisan tipis perak. Pengaturan ini dimaksudkan untuk penentuan hubungan antara sudut dating pada Plasmon permukaan dan posisi detektor. Dengan mengetahui jarak fokus lensa L
yang telah diisi dengan larutan organik yang akan diukur indeks biasnya dilekatkan dibawah lapisan perak yang telah diendapkan pada salah satu sisi prisma. Dipilih lapisan perak sebagai sensor plasma karena faktor redaman (bagian imaginer tetapan dielektrik) perak memiliki nilai paling kecil dibandingkan dengan jenis logam-logam lain, sehingga akan diperoleh penurunan tajam pada reflektansi saat terjadi eksitasi plasmon permukaan (Kazuyoshi, 2002).
2, harga indeks bias prisma serta menelusuri cahaya terpantul dari lapisan tipis perak ke posisi lensa L2, dapat ditentukan hubungan antara besar sudut datang pada Plasmon permukaan dengan posisi-posisi detektor.
Hasil-hasil Pengukuran
Sebelum pengukuran dilakukan untuk cuplikan larutan acetone dengan berbagai konsentrasi, terlebih dahulu dilakukan pengukuran untuk cuplikan akuades.
Nilai permitivitas lapisan logam perak (εm) dan indeks bias bahan prisma (ng) untuk panjang gelombang Laser Dioda dengan panjang gelombang 780 nm, masing-masing bernilai (-28,01 + i0,91) dan 1,52. Besar sudut datang pada plasmon permukaan (θsp
Grafik reflektansi untuk berbagai konsentrasi larutan acetone sebagai fungsi besar sudut saat terjadi resonansi pada Plasmon (θ
) dapat diamati ketika intensitas refleksi sinar laser dioda mengalami nilai minimum, dan pada kondisi tersebut nilai indeks bias cuplikan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan-4 diatas.
sp) dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar-5. Grafik reflektansi sebagai fungsi sudut datang pada permukaan Plasmon, masing-masing untuk larutan acetone 5%, 10% dan 15%
Hasil-hasil pengukuran untuk akuades dan beberapa konsentrasi dari larutan acetone yaitu masing-msing untuk konsentrasi berturut-turut 5%, 10% dan 15% dapat dilihat pada tabel-1, sedangkan persen perbedaan jika dibandingkan dengan pengukuran menggunakan Refraktometer ABBE dapat dilihat pada table-2.
Konsentrasi Acetone
θeksp Indeks bias (ns)
0% 61,14o 1,300
5% 62,38o 1,332
10% 63,62o 1,341
15% 64,57o 1,346
Tabel-2. Perbandingan hasil pengukuran dengan hasil Refraktometer ABBE. Konsentrasi
Acetone
Nilai Indeks bias cuplikan
SPR Ref. Abbe Perbedaan
0% 1,300 1,333 2,48%
5% 1,305 1,334 2,18%
10% 1,308 1,338 2,24%
15% 1,314 1,340 1,94%
Kesimpulan
Perbadingan hasil pengukuran untuk berbagai nilai konsentrasi dari larutan acetone menggunakan SPR dibandingkan dengan pengukuran menggunakan refraktometer ABBE dapat dilihat pada tabel-2.
Dari data-data pada tabel-2 terlihat adanya kesesuaian nilai yang cukup baik antara hasil pengukuran SPR dengan hasil pengukuran menggunakan refraktometer ABBE. Disamping itu juga terlihat adanya konsistensi dalam pola perubahan nilai indeks bias terhadap konsentrasi larutan, yaitu bahwa semakin besar konsentrasi larutan semakin besar nilai indeks biasnya.
Perbedaan nilai yang terjadi antara pengukuran dengan menggunakan prinsip SPR dan dengan menggunakan refraktometer ABBE antara lain disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut:
1. Proses pembuatan larutan aceton dengan mengunakan gelas ukur yang memiliki nilai skala terkecil sebesar 1 cc, dapat menyumbangkan nilai ketidakpastian indeks bias larutan sebesar kurang lebih 0,2%.
2. Pengaturan prisma sebagai kepala sensor dan cuplikan yang ditempatkan diatas piringan serta arah sinar laser diode yang bersifat divergen ke pusat dasar prisma yang bersentuhan dengan cuplikan dapat meberikan ketidakpastian cukup berarti pada pengukuran sudut saat terjadi resonansi yang pada akhirnya memberikan penyimpangan pada nilai indeks bias larutan yang diukur.
3. Fluktuasi daya sinar laser dioda yang tertangkap oleh detektor berkisar sekitar 0,02 µW. Nilai ini memberikan ketidakpastian pembacaan kira-kira sebesar 2o, yang dapat menyumbangkan ketidakpastian pada nilai indeks bias cuplikan sebesar 1%.
Dengan semua keterbatasan peralatan yang digunakan dalam pengukuran serta ketepatan pengaturan posisi piringan berputar, kesesuaian masih dapat dicapai dalam batas lebih kurang dari 5%. Hal ini berarti bahwa akurasi hasil pengukuran dapat lebih ditingkatkan dengan menggunakan peralatan-peralatan yang lebih baik.
Daftar Pustaka
Anna, J., T., Richard, BM., 2007., Introductionto Surface Plasmon Resonance, Institute for nanotechnology, Biomedical Technology Institute, Faculty of Science and Engineering, Univ of
Bambang C., Harumi Y., Sensor Kimia Optis berdasarkan Efek Resonansi Plasmon permukaan dengan sumber sinar Laser He-Ne, Prosiding SNTI, FTI Usakti Jakarta, 2010.
Kazuyoshi, K., Koji, S., 2002, Theoritical understanding of an Absorbtion-Based Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Kritchmann’s Theory, Anal. Chem., 74(3), pp.696-701, DOI:10.1021/ac010820.
Kumar, S., G., Tarasankar, P., 2007, Interpartikel Coupling Effect on the Surface Plasmon Resonance of Gold nanopartikel: From theory to aplications, Chem.Rev, 107 (11)., pp.4797-4802. Ngurah Ayu, Kuat T., Kamsul A., Fenomena SPR pada lapisan tipis Polyaniline Terkonduksi Penuh, Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng dan DIY, Purworejo, 2012.