PEMBUATAN PROBE SENSOR SERAT OPTIK UNTUK MENGUKUR
DERAJAT KEASAMAN (pH) MENGGUNAKAN
METHYL VIOLET
SEBAGAI DYE INDIKATOR
Oleh :
DIDIT ADITHYA
G74102036
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
ABSTRAK
DIDIT ADITHYA. Sensor Serat Optik untuk Mengukur Derajat Keasaman (pH) Menggunakan
Methyl Violet Sebagai Dye Indikator. Dibimbing oleh AKHIRUDDIN MADDU, M.Si
Fiber Optic Sensor (FOS) adalah perkembangan dari penggunaan serat optik yang memiliki keunggulan dalam beberapa hal seperti: berukuran kecil, cepat dan akurat dalam trasmisi data, tidak berinterferensi dengan gelombang elektromagnet, tahan terhadap suhu tinggi, memiliki sensitivitas yang tinggi, serta memiliki bandwith yang besar. FOS banyak digunakan dalam aplikasi industri khususnya untuk berbagai macam pengukuran, salah satunya adalah pengukuran derajat keasaman (pH).
pHmeter konvesional, yaitu dengan elektroda, telah banyak digunakan tetapi memiliki beberapa kekurangan, seperti: mahal, kurang praktis, dapat berinterferensi dengan mediumnya, dan lain-lain. Untuk itu dikembangkanlah sensor pH berbasis serat optik yang memiliki kelebihan tersendiri, terutama jika digunakan untuk penganalisa dan pengukuran larutan pH di tempat-tempat yang berbahaya, sulit dan jauh.
Dalam penelitian ini telah berhasil dibuat sensor pH berbasis serat optik plastik untuk mengukur derajat keasaman suatu larutan dengan menggunakan larutan gel Tetraethoxysilane (TEOS) yang didoping dye indikator pH, Methly Violet, sebagai sensing coating. Pelapisan larutan gel pada cladding serat optik menggunakan teknik dip-coating. Metode penelitian yang telah digunakan adalah metode absorbansi akibat adanya absorbsi dari gelombang evanescent. Uji awal karakterisasi sensivitas lapisan gel dilakukan dengan melapisi gel pada kaca preparat dan hasil dari karakterisasi ini menjadi gambaran hasil yang akan didapat pada karakterisasi probe sensor serat optik. Dari hasil karakterisasi kaca preparat didapatlah dua daerah linier sensivitas yang tinggi yaitu untuk pengukuran larutan pH1 hingga pH4 dan pH9 hingga pH12.
Selanjutnya karakterisasi dilakukan pada probe sensor yang telah dilapisi gel. Karakterisasi probe sensor yang dibuat menghasilkan sensivitas yang hamp ir sama dengan sensivitas pada kaca preparat, yaitu memiliki dua daerah linier sensivitas yang tinggi untuk pengukuran larutan pH1 hingga pH4 dan pH8 hingga pH12. Kurva histerisi dari karakterisasi probe ini menunjukkan keakuratan yang baik jika digunakan antara pH2 hingga pH12. Probe sensor yang dibuat memiliki waktu respone dan waktu balik (recovery time) yang berbeda ntuk kondisi pengukuran dari larutan sangat asam (pH2) ke larutan sangat basa (pH10) dan pengukuran sebaliknya, yaitu selama 90 detik untuk waktu respone dan 40 detik untuk waktu recovery. Probe sensor ini tidak terjadi pelepasan gel (leaching) yang menyebabkan kesensivitas probe berkurang kecuali jika diuji pada pH yang sangat asam, yaitu untuk larutan dengan derajat keasaman dibawah pH1. Hasil penelitian ini memberikan manfaat, yaitu probe yang dibuat dapat untuk pengukuran larutan pH2 hingga pH12.
PEMBUATAN PROBE SENSOR SERAT OPTIK UNTUK MENGUKUR
DERAJAT KEASAMAN (pH) MENGGUNAKAN
METHYL VIOLE
SEBAGAI
DYE INDIKATOR
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
Pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
DIDIT ADITHYA
G74102036
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul : Pembuatan Probe Sensor Serat Optik Untuk Mengukur Derajat Keasaman
(pH) Menggunakan
Methyl Violet
Sebagai Dye Indikator
Nama : Didit Adithya
NRP : G74102036
Menyetujui,
Akhiruddin Maddu, M.Si
NIP. 132 206 239
Mengetahui,
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S
NIP. 131 473 999
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 10 April 1984 sebagai anak ketiga dari lima bersaudara dari pasangan Wahyudi Santoso dan Sriwindari.
Tahun 1996 penulis lulus dari SD Negeri 03 Kebayoran Lama Jakarta, melanjutkan di SMPN 161 Jakarta Selatan dan lulus pada tahun 1999, selanjutnya melanjutkan di SMU Negeri 70 Bulungan Jakarta dan lulus pada tahun 2002. Pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Seleksi Peneriman Mahasiswa Baru (SPMB) dan diterima di Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Pada semester 6 penulis memilih bidang minat Material dan Instrumentasi Fis ika.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi penghuni Asrama IPB Sukasari pada tahun 2003-2006. Selain itu, penulis aktif dalam berbagai organisasi intra maupun ekstrakulikuler seperti menjadi Staff Departemen Infokom dan Staff Departemen Kewirausahaan Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) IPB 2002-2004, Anggota BEM FMIPA IPB 2003-2004 dan Badan Pengurus Harian Komisi Asrama IPB Sukasari 2004-2006.
Pada semester 3 hingga semester 6 penulis juga mengajar privat dibeberapa lembaga privat Bogor. Dan pada semester 3 hingga 7 penulis mendapat kesempatan menjadi Asisten Lab Fisika Dasar-Umum dan Elektronika Jurusan Fisika.
PRAKATA
Puji syukur penulis persembahkan kepada Allah SWT atas segala rahmat, kekuatan, dan karunia yang telah diberikan sehingga skripsi yang berjudul “Sensor Serat Optik Untuk Mengukur Derajat Keasaman (pH) Menggunakan Methyl Violet Sebagai Dye Indikator” dapat terselesaikan.
Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada beberapa pihak yang telah membantu penulis selama ini, antara lain:
1. Bapak Akhiruddin Maddu, M.Si dan keluarga atas segala nasehat, fasilitas, bantuan dan bimbingannya yang sangat berharga. Semangat dan dedikasi Bapak kepada penulis tidak akan pernah terlupakan dan merupakan kenangan yang terindah yang pernah ada.
2. Papa dan Mama tersayang yang tak kenal henti-hentinya memberikan nasehat, fasilitas, dan doa yang senantiasa mengalir dalam lantunan akhir shalatnya yang telah menyemangati dan menghilangkan banyak kejemuan diwaktu kesulitan…terimakasih dan terimakasih…
3. Seluruh dosen Fisika IPB yang telah mengarahkan dan membentuk pola pikir ini...terimakasih atas jasa dan dedikasi yang telah diberikan...
4. Bapak Musiran yang senantiasa membantu dan menemani dalam kegagalan selama penelitian. Brothers Elvo yang telah menunjukkan sebuah kerja sama yang erat dan penuh pengertian, terutama Brother Teddy Kodin yang menjadi sahabat karib dan teman seperjuangan penulis, yang telah memberikan masukan, bantuan dan contoh tauladan berupa kerja keras dan kemauan yang tinggi. Cayooo semua…
5. Teman-teman di jurusan Fisika, Luthfan, Budi S, Teguh, Ima, Risna, Dwi, Fera, Wahyu, Reni, Opi brothers, Laina, Farida, Rince, dan seluruh teman-teman angkatan 39, 38 dan 40 yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Kalian semua adalah teman dalam arti yang sebenarnya.
6. Seluruh penghuni Asrama IPB Sukasari yang telah membentuk diri dan karakter penulis selama kuliah. Kalian adalah rekan-rekan tersayang.
7. Para atasan tercinta, rekan-rekan baik para TL (mba Ria, mba Made, mas Meidy, mas Dadan, mas Mojo) maupun SP21-ers serta pa Indra-pa Beni di PSN, yang senantias a memberi masukan, dorongan dan wawasan tentang arti keprofesionalan dan kehidupan ini. Terimakasih atas segalanya.
8. Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan diatas namun telah memberikan masukan kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa usulan penelitian ini masih jauh dari sempurna sehingga segala kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kemajuan ilmu pengetahuan.
Jakarta, Juli 2006
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... vii
PENDAHULUAN Latar Belakang ... 1
Tujuan ... 1
Hipotesis ... 1
Manfaat ... 1
Waktu Dan Tempat Penelitian ... 1
TINJAUAN PUSTAKA Pantulan Internal Total ... 2
Serat Optik (Optical Fiber) ... 2
Serat Optik Plastik... 2
Struktur Serat Optik ... 2
Propagasi Cahaya Pada Serat Optik ... 3
Pengaruh Profil Indeks Bias Inti (Gore) pada Serat Optik ... 3
1.Profil Serat Optik Step Indeks ... 3
a.Singlemode Step-Indeks ... 3
b.Multimode Step-Indeks ... 4
2.Profil Serat Optik Granded-Indeks ... 4
Sensor Serat Optik ... 4
Gelombang Evanescent ... 4
Spektroskopi Optik ... 4
Dye Indikator pH ... 5
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat... 5
Metode Penelitian ... 5
Pembuatan Gel ... 5
Pembuatan Lapisan Gel pada Kaca Preparat ... 5
Pembuatan Probe Sensor Serat Optik dan Pelapisan Gel pada Serat Optik ... 6
Karakterisasi Sifat Absorbansi Lapisan Gel pada Kaca Preparat... 6
Karakterisasi Absorbansi Probe Sensor terhadap Variasi pH ... 6
Pengukuran Respone Probe Sensor ... 7
HASIL PENELITIAN Pengelupasan Cladding ... 8
Pembuatan dan Pelapisan Gel ... 8
Karakteristik Gel pada Kaca Preparat yang Didoping dengan Methly Violet ... 9
Karakteristik Absorbansi Probe Sensor terhadap Variasi pH ... 10
Respone Probe Sensor ... 13
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 13
Saran ... 14
DAFTAR PUSTAKA ... 14
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Pemantulan Internal Total ... 2
2. Struktur Internal Serat Optik... 2
3. Propagasi Cahaya pada Core ... 3
4. Konsep Kerucut Penerima Untuk Sudut Maksimum... 3
5. Tiga Tipe Dasar Serat Optik ... 3
6. Gelombang Evanescent... 4
7. Probe Sensor ... 6
8. Skema pengukuran pH pada kaca preparat... 6
9. Skema Pengukuran pH pada probe sensor... 7
10.Skema pengukuran respone probe senor... 7
11.Diagram Alir Penelitian ... 8
12.Serat optik yang telah dikelupas bagian cladding ... 9
13.Spektrum absorbsi gel TEOS pada kaca preparat yang telah Didopping dye methly violet terhadap variasi pengukuran larutan pH ... 9
14.Kurva absorbsi gel TEOS pada kaca preparat yang telah didoping dye methly violet terhadap variasi pengukuran larutan pH untuk panjanggelombang 544.27 nm 10
15.Spektrum absorbsi probe sensorterhadap variasi pengukuran larutan pH ... 11
16.Kurva absorbansi probe sensorterhadap variasi pengukuran larutan pH untuk panjanggelombang 580.06 nm... 11
17.Kurva respone spektrum absorbsi probe sensorpada variasi pengukuran larutan pH ... 12
18.Kurva respon probe sensor pada 2 dan pH10 ... 13
19.Kurva recovery time dan Kurva respone time probe sensor pada pH2 dan pH10 ... 13
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman 1.Tabel spektrum absorbsi methly violet pada kaca preparat terhadap variasi pengukuran larutan pH12 hingga pH1... 162.Table absorbansi kaca preparat yang didoping methl violet terhadap variasi pengukuran larutan pH1 hingga pH12 pada panjanggelombang 544.27 nm ... 17
3.Tabel spektrum absorbsi methly violet pada probe sensor terhadap variasi pengukuran larutan pH12 hingga pH1... 18
4.Tabel spektrum absorbsi methly violet pada probe sensor terhadap variasi penukuran pH1 hingga pH12 ... 19
5.a) Table absorbansi probe sensor yang didoping methly violet terhadap variasi pengukuran larutan pH12 hingga pH1 pada panjanggelombang 580.06 nm ... 20
b) Table absorbansi probe sensor yang didoping methly violet terhadap variasi pengukuran larutan pH1 hingga pH12 pada panjanggelombang 580.06 nm ... 20
6.Tabel data respone probe sensor pada pH2dan pH10 ... 21
7.Tabel dye indikator pH... 22
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Di abad ke-20, pandangan terhadap teknologi telekomunikasi telah mengalami banyak perubahan. Banyak penemuan-penemuan revolusioner didasari dari perkembangan teknologi ini, salah satunya adalah serat optik. Serat optik adalah teknologi alternatif yang dapat menggantikan fungsi kabel konvensional sebagai pengalir isyarat elektrikal. Teknologi ini memiliki keunggulan dalam beberapa hal yaitu pengiriman data yang lebih cepat, lebih akurat, dan relatif lebih stabil terhadap perubahan kondisi cuaca dibandingjkan kabel konvensional. Teknologi ini dikenal sebagai pemandu cahaya atau pemandu gelombang. Serat optik memiliki keunggulan lain yang menjanjikan, seperti: berukuran kecil, tidak berinterferensi dengan gelombang elektromagnet, tahan terhadap suhu tinggi, memiliki sensitivitas yang tinggi, serta memiliki bandwit h yang besar.
Kini serat optik tidak hanya digunakan sebagai penghubung sistem komunikasi tetapi telah berkembang menjadi sistem sensor yang dikenal dengan Fiber Optic Sensor (FOS). Dalam perkembangannya, FOS banyak digunakan dalam aplikasi industri untuk berbagai macam pengukuran, salah satunya adalah pengukuran derajat keasaman (pH).
Dalam proses pengontrolan hasil produksi industri, keakuratan dan kesinambunganan pemaparan data tentang status perubahan pH suatu produk adalah hal yang paling serius untuk diperhatikan. Idealnya, parameter ini diukur dan dimonitoring secara berkesinambungan dengan metode in situ. Alat ukur pH meter konvesional, yaitu dengan elektroda, telah banyak digunakan, namun memiliki beberapa kekurangan seperti: kurang praktis (khusu snya dalam beberapa ketentuan seperti tekanan yang diperbolehkan), berinterferensi dengan mediumnya dan lain-lain. Untuk itu dikembangkanlah sensor pH berbasis serat optik yang memiliki kelebihan tersendiri, terutama jika digunakan untuk penganalisaan dan pengukuran pH di tempat-tempat yang berbahaya dan sulit. Kelebihan lainnya yaitu memiliki kemampuan untuk pengukuran jarak jauh yang akurat, memonitoring secara berkesinambungan pada suatu proses kimia
(seperti fermentasi), tidak memerlukan elektroda, dan yang terpenting tidak terpengaruh terhadap gangguan gelombang elektromagnetik.[ Thomas, Lee S et al.2001]
Terdapat banyak sensor dan metode yang dikembangkan untuk mengukur pH suatu cairan, diantarannya adalah dengan menggunakan metode absorbansi, reflekt ansi, dan fluorescens [Choudury PK et al.2003]. Dalam penelitian ini telah digunakan serat optik plastik (optical fiber plastic) berdasar metode absorbansi akibat adanya absorbsi gelombang evanescent. Metode ini memiliki kelebihan daripada metode lainnya yaitu sensor yang digunakan memiliki desain yang lebih sederhana, mudah, dan biaya pembuatan yang murah.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan merancang dan membuat probe sensor serat optik yang sensitif untuk mengukur pH suatu larutan dengan menggunakan metode absorbansi akibat adanya absorbsi gelombang evanescent.
Hipotesis
Perubahan sinyal optik yang direfleksikan ketika diberi perubahan pH akan mempunyai hubungan quasilinier terhadap perubahan absorbansi pada probe sensor yang didoping dye. Perubahan sinyal optik yang direfleksikan ini dapat menggambarkan pH suatu larutan, yaitu dengan melihat hubungan absorbansi sinyal optiknya.
Manfaat
Manfaat penelitian ini adalah untuk mengetahui dan mempelajari hubungan antara perubahan sinyal optik yang direfleksikan dan terjadi absorbsi gelombang evanescent pada gel dengan perubahan pH larutan yang diberikan.
Manfaat lainnya, yaitu untuk mengetahui keakuratan pengukuran pH dari sensor serat optik plastik yang dibuat dibandingkan dengan pH meter konvensional.
Waktu dan Tempat
Gambar 1. Pemantulan internal total penelitian pendahuluan, pembuatan larutan gel, pembuatan probe sensor, pelapisan gel pada kaca preparat dan probe sensor, karakterisasi lapisan gel, analisis output, pengolahan data, dan penyusunan laporan.
TINJAUAN PUSTAKA
Pantulan Internal Total
Pantulan internal total adalah suatu fenomena optik yang terjadi manakala cahaya dipantulkan secara sempurna pada bidang batas medium, seperti halnya pemantulan yang terjadi pada cermin.
Ketika cahaya melewat i material dengan indeks bias berbeda, sebagian dari berkas cahaya akan dibiaskan di permukaan batas, dan sebagian lainnya akan dipantulkan.
• Jika sudut datang lebih kecil (semakin dekat kepada garis normal) dibanding sudut kritis (? < ?c), cahaya datang akan dipantulkan kembali ke medium dan sebagian lainnya akan dibiaskan keluar medium.
• Jika sudut datang sama dengan sudut kritis (? = ?c) maka sebagian dipantulkan ke dalam medium dan sebagian lainnya dibiaskan sepanjang batas permukaan.
• Jika sudut datang lebih besar dari sudut kritisnya (? > ?c), cahaya datang akan sepenuhnya dipantulkan kembali ke medium. Ini yang disebut dengan fenomena Pantulan Internal Total. Hal ini semua hanya dapat terjadi jika cahaya menjalar dari suatu medium berindeks bias besar ke medium berindeks bias yang lebih kecil. Sebagai contoh, fenomena ini hanya akan terjadi manakala cahaya melewat dari air ke udara tidak sebaliknya. (Gambar 1)
Sifat fisis ini dimanfaatkan dalam pembuatan serat optik.[Halliday, D.1985]
Serat Optik (Optical Fiber)
Aplikasi yang paling umum dari fenomena Pantulan Internal Total terdapat pada teknologi kabel serat optik. Serat optik adalah pemandu gelombang optik dalam tabung yang sangat kecil yang dibuat menyerupai kabel, dimana terdapat satu atau lebih serat kaca yang digunakan untuk menghantarkan cahaya.
Serat Optik Plastik
Perkembangan untuk mengefektifkan biaya pemeliharaan dan pemasangan kabel serat optik (handling and installing) maka industri serat optik mencari alternatif serat yang tidak berbasis silikon dan memiliki kemampuan yang serupa dengan serat kaca. Serat optik plastik adalah serat optik dengan
core yang dibuat dari plastik, merupakan
solusi alternatif dari pekembangan tersebut. Dalam perkembangannya, serat optik plastik dibuat dari Polymethylmethacrylate (PMMA) dengan attenuation yang rendah. Serat jenis ini khusus digunakan untuk aplikasi kabel jaringan LAN, dan sensor optik.[Kolimbris,2004]
Struktur Serat Optik
Struktur serat optik terdiri dari tiga komponen utama yaitu inti (core), kulit serat (cladding), dan mantel (coating/buffer) (Gambar 2). Inti serat merupakan batang silinder terbuat dari bahan dielektrik (Silica, SiO2) ataupun dari bahan plastik yang merupakan medium pemandu gelombang. Cladding merupakan pelindung inti yang terbuat dari bahan polimer atau plastik. Cladding dapat juga berfungsi sebagai pengurang loss intensitas cahaya dari inti ke udara luar. Buffer berfungsi sebagai pelindung core dan cladding dari kondisi lingkungan yang merusak seperti asam dan basa. Selain itu ada pula bagian penting lain
n
cladding< n
core?
i> ?
cGambar 5. Tiga tipe dasar serat optik: a) multimodestep
-index b) singlemodestep-index c) multimodegraded-index
Gambar 4. Konsep kerucut penerima untuk sudut maksimum yang dapat menerima sinar datang
Gambar 3. Propagasi cahaya pada core
dari serat optik yaitu jacket dan strengthening fiber.
Jacket merupakan bagian terluar yang
berhubungan langsung dengan lingkungan sedangkan strengthening fiber merupakan bahan Kevlar yang berfungsi sebagai penguat kabel serat optik dari tarikan.[Kolimbris,2004]
Propagasi Cahaya Pada Serat Optik
Core dan cladding adalah media
terjadinya fenomena pantulan internal total (Gambar 3). Agar terjadi fenomena pantulan internal total di dalam serat optik maka haruslah dirancang dengan indeks bias cladding lebih kecil dan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritisnya yaitu
Untuk mengukur kemampuan serat optik dalam mengumpulkan cahaya/sinar datang (agar terjadi pemantulan internal total di dalam inti serat) maka digunakanlah besaran celah numerik (Numerical Aperture). NA dirumuskan sebagai
(
2 2)
max
sin
n
coren
claddingNA
=
θ
=
−
(1)Nilai NA serat optik dapat ditentukan dengan mengukur sudut divergent kerucut cahaya yang dapat memasuki inti serat (Gambar 4).
[Kolimbris,2004] Pengaruh Profil Indeks Bias Inti (Core)
pada Serat Optik
Profil indeks bias inti (core) pada serat optik menentukan ragam rambatan cahaya didalamnya. Jenis -jenis dari profil tersebut (Gambar 5) adalah:
1.Profil Serat Optik Step Index a). Singlemode Step -Index
Singlemode step-index hanya dapat
5-Gambar 6. Gelombang Evanescent 10 µm sehingga memungkinkan untuk
mendapatkan lebar pit a yang besar. Kelemahan serat jenis ini adalah dispersi cahaya yang sangat besar. Oleh karena pada
singlemode step-index, ncore > ncladding maka
semua sinar optik tidak terbiaskan, melainkan menembus lurus inti serat.
b). Multimode Step-Index
Multimode step-index mempunyai indeks
bias yang seragam di seluruh bagian core tetapi memiliki transisi yang drastis diperbatasan inti dengan cladding. Serat tipe ini dapat memandu lebih dari satu moda propagasi. Diameter intinya adalah berkisar 50-100 µm. Keuntungan tipe ini adalah mudah dalam pembuatan dan persambungannya. Kerugiannya adalah banyak dispersi dan kapasitas lebar frekuensinnya kecil.
2.Profil Serat Optik Graded-Index
Multimode Graded-Index memiliki indeks
bias inti yang bervariasi dan semakin mengecil secara radial ketika mendekati cladding tetapi masih lebih besar daripada indeks bias cladding. Sinar-sinar yang terpandu akan dipantulkankan oleh pembiasan sehingga melengkung ke arah dalam sumbu. Keuntungan serat jenis ini adalah dispersi cahaya lebih sedikit dan kapasitas lebar pita lebih besar, sedangkan kerugiaanya yaitu mahal dan sulit dalam pembuatannya.
Untuk menghitung banyaknya modus yang mungkin dari serat optik maka digunakan persamaan 2 2 1
= d NA
m
λ
π (2)
dengan m adalah banyaknya modus yang mungkin, d adalah diameter core serat optik. Dari persamaan ini dapat disimpulkan bahwa modus bergantung terhadap diameter serat optik. Semakin besar diameter core dari suatu serat optik maka akan semakin banyak modus yang terjadi.[Ko limbris,2004]
Sensor Serat Optik
Pengukuran perubahan sifat-sifat fisis dan kimia seperti: mekanik, panas, elektrik, dan konsentrasi bahan kimia dapat diukur dengan sensor dan transdusers. Sensor adalah piranti yang sensitif terhadap perubahan keadaan yang terukur, seperti; temperatur, posisi, atau konsentrasi kimia. Transduser merupakan piranti yang mengkonversi pengukuran suatu perubahan
menjadi isyarat elektrik yang kemudian diperkuat. Sensor dan transducers dapat beroperasi di tempat yang sulit terjangkau dan berbahaya.
Sensor serat optik merupakan piranti yang dapat mengukur perubahan modulasi cahaya yang terpandukan akibat adanya gangguan -gangguan, baik intrinsik maupun ekstrinsik. Sensor serat optik intrinsik merupakan sensor yang mengukur peruba han penjalaran gelombang yang disebabkan dari dalam serat, seperti: perubahan indeks bias pada cladding, adanya kisi pada core dan lain-lain. Sedangkan sensor serat optik ekstrinsik merupakan sensor yang mengukur perubahan penjalaran gelombang yang disebabkan oleh lingkungan seperti cahaya yang masuk ke dalam serat selain sumber cahaya. [Donlagic,2000]
Gelombang Evanescent
Sinar dalam serat optik menjalar dengan prinsip pemantulan internal total, tetapi pada kenyataannya terdapat sedikit radiasi elektromagnetik yang memasuki cladding dan membentuk medan elektromagnetik yang disebut gelombang evanescent. Energi gelombang ini menurun secara eksponensial dari batas antara core dan cladding. Medan gelombang yang ditransmisikan pada
cladding dirumuskan dengan
−
=
E
z
dp
E
z 0exp
(3)dengan z adalah jarak penjalaran sinar, E0 adalah medan gelombang mula-mula dan dp adalah penetration depth.
Penetration depth dirumuskan dengan
(
)
2 2sin 2 n n dp − = θ π λ (4)
Spektroskopi Serat Optik
Perilaku absorbsi bahan dapat digambarkan dengan hukum Beer-Lambert yang d irumuskan dengan
LC
T
p
p
=
010
−ε (5)dengan e absorbsivitas molar dari zat pengabsorsi (yaitu lapisan gel dengan dye sebagai indikator pH) dengan satuan Lcm
-1mol-1, L adalah panjang absorbsi, dan C
adalah konsentrasi zat pengabsorbsi. Gelombang evanescent dapat berinteraksi dengan gelombang lain jika
cladding dilepaskan. Jika gelombang
evanescent ini diabsorbsi oleh medium lain di sekitar core maka atenuasi dari pemantulan internal total akan meningkat sehingga sinar yang keluar dari serat akan mengalami penurunan daya yang berhubungan dengan besarnya absorbsi tertentu.
Daya yang ditransmisikan pada serat optik yang telah dikelupas claddingnya dan digantikan dengan bahan lain, akan memberikan modifikasi pada persamaan Beer-Lambert:
)
exp(
0
l
p
p
T=
−
γ
(6)dengan l adalah panjang serat yang dikelupas, ? adalah koefisisen absorbsi bahan. Karena ? = ra maka persamaan (6) menjadi:
)
exp(
0
r
l
p
p
T=
−
α
(7)dengan a adalah koefisien absorbsi bulk dan r adalah fraksi daya yang ditransmisikan melewati cladding.
Fraksi daya yang ditransmisikan melewati cladding dirumuskan dengan
=
core claddingP
P
r
(8)Absorbansi bahan dirumuskan dengan
L
LC
P
P
A
Tα
ε
0
.
434
log
010
=
=
−
=
(9)dari persamaan (9) ini akan didapat bahwa absorbsi berbanding langsung dengan konsentrasi. [Thomas, Lee S et al .2001]
Dye Indikator pH
Dye adalah molekul pigmen atau senyawa kimia yang dapat menyerap cahaya, sedangkan dye indikator pH adalah dye yang berubah warna ketika berada dalam larutan asam atau basa. Karena dye mengalami perubahan warna maka sifat absorsinya akan berubah juga. Masing-masing dye memiliki karakteristik panjang
gelombang yang berbeda -beda. Dye yang berubah warnanya walau hanya sedikit akan merubah absorbsinya menjadi lebih tinggi atau lebih rendah. Pada penelitian ini digunakanlah dye methyl violet sebagai indikator pH.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah
1. Serat optik plastik 1000/960 µm
2. Dye Methyl Violet
3. Aquades 4. Ethanol 5. Aseton
6. Asam klorida (HCL) 5 M 7. NaOH 5 M
8. Hydrogel yaitu Tetraethyl Ortho
Silicate (TEOS)
9. Buffer pH 10, pH 7 dan pH 4
10. Silver paint
Alat yang digunakan yaitu 1. Oaktun pH meter
2. Magnetic stirrer hotplate
3. Oven
4. High Sensitivity Light Sensor
(PASCO)
5. LS-1 Tungsten Halogen Light
Sources
6. Bundle fiber optik
7. USB2000 VIS-NIR Spectrophotometer
8. OOIBase32 Operating Sofware 9. Data Studio Software
10. Adapter SMA conector
11. Toolkit fiber optik
12. Silet
13. Cutter
14. Tisu kasar 15. Gelas Ukur
Metode Penelitian Pembuatan Gel
Pembuatan Lapisan Gel pada Kaca Preparat
Larutan gel yang telah dibuat kemudian dilapiskan pada kaca preparat. Penumbuhan pada substrat kaca dilakukan dengan teknik dip-coating. Sebelumnya, kaca yang akan dilapisi haruslah memiliki dimensi 1x6 cm agar kaca dapat dimasukkan ke dalam kuvet. Setelah terbentuk lapisan gel pada kaca, kaca preparat kemudian dikeringkan pada suhu dan tekanan ruang selama 3 hari. Setelah itu dipanaskan dengan oven pada suhu 100oC selama 4 jam dan dilanjutkan pemanasan kembali pada suhu 1500C selama 1 jam [Miled, Othman Belhadj et al,2004].
Pembuatan Probe Sensor Serat Optik dan Pelapisan Gel pada Serat Optik
Percobaan ini mengunakan serat optik plastik sepanjang 30 cm. Proses pembuatan probe dimulai dengan menghilangkan bagian jaket sepanjang 3.5 cm dari ujung serat optik menggunakan pemotong jaket fiber optic. Kemudian 2 cm dari ujung serat, cladding dikelupas dengan cara merendam bagian ini ke dalam larutan aseton selama ± 3 menit hingga tampak terkelupas. Cladding yang tampak terkelupas ini, dihilangkan dan dibersihkan dengan silet atau tisu. Sebelum direndam ke dalam aseton, sisa 2 cm jaket yang telah dilepas, dipasangkan kembali ke dalam serat optik untuk menutupi cladding bagian ujung probe agar cladding bagian ini tidak ikut terkelupas oleh aseton. Setelah itu, bagian core pada probe direndam dengan asam nitrit (HNO3) 30% selama 5 menit agar mudah untuk dilapiskan larutan gel. Ujung dari probe sensor kemudian ditutupi/dilapisi dengan silver paint secara merata sebagai reflektor. (Gambar 7).
Setelah bagian probe sensor sempurna dibuat, probe kemudian ditumbuhkan lapisan tipis pada permukaannya menggunakan larutan gel yang telah disiapkan sebelumnya. Penumbuhan lapisan pada probe dilakukan dengan teknik dip-caoting. Setelah ditumbuhkan lapisan, probe
didiamkan selama 3 hari pada suhu dan tekanan ruang. Setelah semua proses ini selesai maka sebelum probe digunakan haruslah terlebih dahulu direndam dalam air untuk menghilangkan kelebihan dye yang tersisa.[Moreno, Jokin et al,2004]
Karakterisasi Sifat Absorpsi Lapisan Gel pada Kaca Preparat
Gel yang telah dilapisi pada kaca preparat, dikarakterisasi sifat absorsinya dengan menggunakan spektrophotometer USB2000 VIS-Nir. Langkah-langkah karakterisasi yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Karakterisasi awal pada kaca preparat yang dijadikan sebagai data referensi
Untuk karaktersasi awal, kaca preparat yang telah ditumbuhkan lapisan gel dan telah dikeringkan, kemudian dikarakterisasi dengan spektrophotometer VIS-Nir. Untuk mengkarakterisasi kaca preparat ini pada setiap perubahan pengukuran larutan pH maka haruslah diset terlebih dahulu data
referensi dan data dark. Data referensi
merupakan data yang diambil ketika kaca preparat ditempatkan dalam wadah kuvet dan disinari cahaya namun tidak dimasukkan larutan pada kuvet. Data dark merupakan data yang diambil dengan kondisi yang sama seperti data referensi namun dengan sumber cahaya yang dimatikan. Pengambilan data ini dilakukan dengan susunan alat seperti Gambar 8. Hasil pengukuran ini nantinya menjadi data awalan dalam pengukuran selanjutnya.
2. Karakterisasi absorbansi kaca preparat yang telah dilapisi gel pada variasi larutan pH
Karakterisasi yang dilakukan adalah merendamkan kaca preparat pada kuvet
Gambar 8. Skema Pengukuran pH pada kaca preparat
yang telah dimasukkan larutan dengan pH yang berbeda -beda. Setelah direndam dalam wadah kuvet, kaca preparat kemudian dilewati sinar dan dianalisis dengan spektrophotometer (Gambar 8).
Perendaman kaca preparat pada larutan pH yang berbeda -beda dalam kuvet bertujuan untuk mendapatkan sifat absorbansi gel pada kaca dengan perubahan pH yang diberikan. Larutan pH yang digunakan adalah larutan pH1 hingga pH12. Larutan basa dan asam pada penelitian ini dibuat dengan teknik titrasi yaitu dengan mencampur aquades, NaOH, dan HCL dengan komposisi yang sesuai. Pengukuran dan keakuratan nilai pH larutan yang digunakan, diukur dengan menggunakan
Oakton pH meter.
Karakterisasi Absorbansi Probe Sensor terhadap Variasi pH
Pengukuran diawali dengan menentukan data referensi dan data dark untuk serat optik dengan settingan sistem pengukuran seperti Gambar 9. Data
reference merupakan data yang diambil saat
kabel serat optik dijalarkan sinar dan posisi probe sensor berada di udara, sedangkan data dark merupakan data yang diambil saat kabel serat optik tidak dijalarkan sinar atau sumber cahaya dimatikan.
Probe sensor dikarakterisasi dengan cara menjalarkan sinar pada kabel serat optik dan mencelupkan probe sensor pa da variasi larutan pH, yaitu pH1 hingga pH12. Pengukuran nilai absorbansi dilakukan dengan 3 cara pembagian pengukuran, yaitu: 1. Pengukuran pH12 hingga pH8 kemudian pengukuran dibalik yaitu dimulai dari pH8 hingga pH12
2. Pengukuran dilanjutkan mulai dari pH7 hingga pH4 kemudian pengukuran dibalik yaitu dari pH4 hingga pH7 3. Dan terakhir pengukuran dilakukan dari
pH3 hingga pH1 kemudian pengukuran dibalik yaitu dari pH1 hingga pH3 Hasil pengukuran dianalisa dengan software khusus yaitu OOIBase32 Operating Software untuk mengukur daya spektrum absorbsi probe sensor pada panjang gelombang cahaya tampak. Hasil pengukuran kemudian diolah dengan
software Excel dan didapatlah hubungan
antara nilai absorbansi atau transmitansi pada panjang gelombang cahya tampak terhadap perubahan pH. Analisis data secara keseluruhan diproses dengan menggunakan software Excel.
Pengukuran Respon Probe Sensor
Pengukuran waktu respon probe sensor dilakukan dalam dua kondisi larutan yaitu larutan dengan kadar pH rendah dan pH tinggi. Pengukuran yang dilakukan yaitu dengan cara merendam probe dan pH meter konvesional secara bersamaan ke dalam suatu wadah yang diisikan larutan pH awal, yaitu pH10 (Gambar 10). Setelah grafik pengukuran memperlihatkan kejenuhan probe kemudian dicelupkan ke dalam wadah berlarutan pH2 hingga jenuh. Pengukuran ini untuk mendapatkan waktu respon dari probe yang dibuat. Setelah probe sensor menunjukkna grafik kejenuhan , probe kemudian dipindahkan dan dicelupkan ke dalam larutan pH10 kembali. pH10 dijadikan sebagai larutan referensi karena pH ini adalah larutan pH buffer. Perubahan pH dikontrol dan diamati dengan pH meter agar derajat keasaman larutan stabil. Pengukuran kemudian dilanjutkan kembali, dengan mencelupkan probe ke wadah
Gambar 10. Skema pengukuran respon probe sensor
Gambar 11. Diagram alur penelitian Karakterisasi probe dengan Vis -Nir
Spektrofotometer larutan pH2. Pencelupan kembali ke wadah
pH2 ini bertujuan untuk mengetahui waktu reversible. Pengukuran respon probe dilakukan hingga didapatkanlah tiga siklus respon. Perubahan transimitansi yang terjadi diukur dengan Pasco Science Workshop 750
Interface dengan mengamati waktu yang
pengukuran dan cahaya transmitansi yang tercatat.
Alur Penelitian
Diagram alur penelitian dapat dilihat pada Gambar 11.
Pembuatan gel dengan doping Methylviolet
Penelusuran literatur dan penyusunan proposal
Karakterisasi gel pada kaca preparat dengan Vis-Nir pada Variasi pH
v
Pelapisan gel padakaca preparat
Pengeringan kaca preparat pada suhu ruangan selama 3 hari
Pengovenan kaca preparat pada suhu 1000C
Pembuatan dan pelapisan probe sensor dengan gel
Karakterisasi absorbansi probe sensor pada variasi pH
Pengukuran respon prob e sensor Pengeringan probe sensor pada suhu
ruangan selama 3 hari
HASIL PENELITIAN
Pengelupasan Cladding
Pengelupasan cladding pada serat optik merupakan hal yang paling penting dan paling menentukan kesensitifan dari sensor yang dibuat, oleh karena itu haruslah dikerjakan dengan sangat hati-hati. Pengelupasan cladding pada probe sensor dimulai dengan merendam probe ke dalam aseton selama ± 3 menit. Setelah cladding mulai tampak terkelupas kemudian dibersihkan dengan menggunakan tisu kasar atau silet hingga sisa cladding benar-benar hilang. Kesalahan dan ketidakhati-hatian dalam proses ini dapat mengakibatkan patah atau rusaknya bagian probe maupun core yang menyebabkan sinar tidak dapat menjalar pada serat optik. Pembuktian telah terkelupasanya bagian cladding adalah dengan menjalarkan sinar laser atau sinar polikromatik pada serat optik. Jika sudah terkelupas dengan sempurna maka akan tampak berkas -berkas cahaya yang keluar pada bagian probe sebagai hamburan sinar yang dijalarkan. (Gambar 12)
Pembuatan dan Pelapisan Gel
Gel yang digunakan dalam penelitian ini adalah mengunakan hidrogel TEOS (Tetraethyl Ortho Silicate). Awalnya TEOS berbentuk cairan, setelah dicampur bahan lain dan didiamkan selama beberapa menit maka terbentuklah larutan gel. Gel ini kemudian dicampurkan dengan dye sebagai bahan pengisi matriks yang sensitif terhadap perubahan pH dan diaduk dengan magnetic
stirrer selama 5 menit, 600C. Lama waktu
pengadukan dan besar suhu yang diperlukan untuk mengaduk memiliki peran penting dalam membentuk larutan gel. Larutan gel jika dipanaskan dan diaduk lebih lama dari waktu ini maka dye akan mengeras dan menempel pada wadah pengaduk. Jika diaduk dan dipanaskan kurang dari waktu ini maka lapisan gel yang akan dilapisi pada probe akan mudah lepas. Setelah terbentuk larutan gel, barulah ditumbuhkan pada kaca preparat dan serat optik dengan teknik dip-coating hingga terlapisi merata. Setelah terlapisi sempurna, barulah didiamkan selama 3 hari pada suhu dan tekanan ruang. Khusus untuk kaca preparat, setelah 3 hari dibiarkan dalam suhu dan tekanan ruang, kaca ini kemudian dipanaskan dengan oven pada suhu 1000C selama 4 jam dan dilanjutkan dengan suhu 1500C selama 1 jam agar gel pada kaca menjadi keras dan merekat kuat ikatannya.
Karakteristik Gel pada Kaca Preparat yang Didoping Methly Violet
Gel yang telah dibuat dan dilapisi pada kaca preparat kemudian dikarakterisasi dengan cara merendamkannya pada variasi larutan pH yaitu dari larutan pH12 sampai pH1. Hasil karakterisasi spektrum absorbsi pada kaca preparat dapat dilihat pada Gambar 13. Dari hasil pengukuran terlihat bahwa spektrum absorbansi yang terukur mengalami penurunan dengan semakin asamnya larutan yang diberikan. Perubahan spektrum absorbansi ini tidak merubah
Gambar 12. Serat optik yang telah dikelupas bagian cladding
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
400 500 600 700 800
Panjanggelombang (nm)
Abs
pH 1 pH 7 pH 12
Gambar 13. Spektrum absorbsi gel TEOS pada kaca preparat yang telah didopping dye methly violet terhadap variasi pengukuran pH
panjang gelombang puncak absorbansi dari setiap pengukurannya. Puncak panjang gelombang absorbansi yang terukur ini dapat dijadikan sebagai panjang gelombang daerah sensitif untuk analisis suatu pH larutan. Dari hasil karakterisasi ini terlihat bahwa untuk setiap pengukuran variasi larutan pH akan tampak suatu panjang gelombang puncak yaitu pada panjang gelombang 544.27 nm.
Jika dari hasil karakterisasi ini difokuskan pada satu panjang gelombang puncak, yaitu pada 544.27 nm, maka akan terlihat grafik seperti Gambar 14. Dari grafik dapat diketahui bahwa gel yang dilapisi pada kaca preparat memiliki tiga daerah sensitivitas, yaitu pada range pH1 hingga pH4 kemudian pada range pH5 hingga pH8 dan range pH9 hingga pH12.
Hasil karakterisasi ini menunjukkan bahwa absorbansi gel pada kaca preparat yang telah didoping dye mengalami penurunan pada pengukuran variasi larutan pH yang semakin asam (pH4 hingga pH1) dan sebaliknya pada pengukuran larutan pH yang semakin basa (pH9 hingga pH12) mengalami kenaikkan absorbansi (Gambar 14). Hal ini disebabkan karena dye methly
violet merupakan dye yang sensitif pada
asam tinggi, yaitu pada range pH 0-1, sehingga ketika dikarakterisasi pada larutan pH yang semakin asam, warna dye yang melekat pada kaca preparat akan berubah warna menjadi kuning cerah. Perubahan warna dye menjadi kuning cerah inilah yang menyebabkan kaca preparat memiliki absorbansi yang menurun akibat semakin
sedikitnya cahaya yang terserap dan semakin banyaknya yang diteruskan . Sebaliknya saat dikarakterisasi pada larutan pH yang semakin basa, warna dye menjadi semakin biru (sesuai dengan warna asal dye) sehingga absorbansinya menjadi semakin meningkat. Berbeda untuk pengukuran pada kisaran larutan pH netral yaitu dimulai dari pH5 hingga pH8. Pada variasi pH ini, absorbansi mengalami penurunan.
Jadi, dari hasil karakterisasi pengukuran pada kaca preparat dapat diketahui bahwa terdapat dua daerah linieritas yang tinggi dan dapat dijadikan daerah yang sensitif terhadap pengukuran larutan pH, yaitu pada pengukuran larutan pH1 hingga pH4 dan larutan pH9 hingga pH12.
Karakteristik Absorbansi Probe Sensor terhadap Variasi pH
Pada penelitian ini digunakanlah probe
sensor dari serat optik plastik 960/1000 µm yang telah dikelupas bagian cladding dan telah dilapisi dengan gel yang didoping dye
methly violet. Probe yang berbentuk lurus
dan telah dikeringkan selama 3 hari, kemudian dikarakterisasi dengan USB2000 VIS-NIR Spektrophotometer. Karakterisasi dilakukan dengan cara mencelupkan probe ke dalam variasi larutan pH dan diukur pada larutan yang timbal-balik yaitu dari pengukuran pH12 hingga pH8 kemudian pengukuran dibalik (pH8 hingga pH12); lalu pengukuran pH7 hingga pH4 dan pengukuran dibalik kembali (pH4 hingga pH7); dan terakhir pengukuran pH3 hingga pH1 dan kebalikannya. Tujuan pembalikkan dan pembagian dalam tiga pengukuran larutan pH yang berbeda ini adalah agar mendapatkan informasi yang akurat terhadap pengukuran sensor yang dibuat.
Probe sensor pada penelitian ini dibuat dengan bentuk lurus. Probe berbentuk ini mengalami dua kali absorbsi cahaya, yaitu absorbsi pertama saat melewati probe dan absorbsi kedua saat melewati probe setelah terpantulkan oleh reflektor. Nilai absorbansi yang diterima detektor untuk probe berbentuk ini merupakan hasil dari dua kali absorsi cahaya yang melewati probe sensor.
Hasil karakterisasi spektrum absorbsi probe sensor pada variasi pengukuran larutan pH dapat dilihat pada Gambar 15. Spektrum absorbansi yang terukur mengalami penurunan dengan semakin asamnya larutan yang diberikan (Gambar 15a) dan sebaliknya spektrum absorbansi probe meningkat dengan semakin basa Gambar 14. Kurva absorbsi gel TEOS pada kaca
preparat yang telah didoping dye methly violet terhadap variasi pengukuran pH untuk panjanggelombang 544.27 nm
y = 0,1346x - 0,162 y = -0,0383x + 0,5485
y = 0,1434x - 1,1817
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Panjanggelombang (nm)
larutan yang diberikan (Gambar 15b). Dari Gambar 15 dapat diketahui pula bahwa untuk setiap pengukuran larutan pH yang bervariasi muncul panjang gelombang puncak yang sama yaitu pada 580.06 nm. Panjang gelombang puncak ini mencerminkan nilai absorbansi maksimum. Nilai panjang gelombang puncak yang terukur pada probe berbeda dengan nilai panjang gelombang puncak pada kaca preparat namun masih dalam satu range panjang gelombang yang sama yaitu antara 500 nm samapi 600 nm. Hal ini disebabkan karena bahan tempat melapisi gel adalah
berbeda yaitu serat optik plastik dan kaca preparat.
Gambar 16 memperlihatkan kurva absorbansi yang difokuskan pada panjang gelombang puncak hasil karakterisasi probe, yaitu pada panjang gelombang 580.08 nm. Gambar 16a menunjukkan bahwa terdapat tiga daerah sensitif dan linier untuk setiap pengukuran variasi larutan pH yang semakin asam. Daerah tersebut yaitu daerah linier 1 untuk pengukuran pH12 hingga pH8, daerah linier 2 untuk pengukuran pH8 hingga pH4, dan daerah linier 3 untuk pengukuran pH4 hingga pH1. Ketiga daerah linier ini memiliki penurunan absorbansi yang
y = 0.0166x - 0.0205 y = 0.0013x + 0.0482 y = 0.0082x - 0.0054
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
1 3 5 7 9 11 13 Variasi pH
Abs
y = 0.0007x + 0.0469 y = 0.0054x + 0.021
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Variasi pH
Abs
(a)
(b)
Gambar 16. Kurva absorbansi probe sensor pada variasi pengukuran pH pada panjanggelombang 580.06nm: (a) pengukuran pada pH12 hingga pH1 dan (b) pengukuran pada pH4 hingga pH12
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
400 500 600 700 800
Panjanggelombang (nm) Abs pH 1 pH 7 pH 12 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
400 500 600 700 800
Panjanggelombang (nm) Abs pH 4 pH 9 pH 12 (a) (b)
Gambar 15. Spektrum absorbsi probe sensor pada variasi pengukuran pH: (a) pengukuran pada pH12 hingga pH1 dan (b) pengukuran pada pH4 hingga pH12
berbeda-beda. Untuk daerah linier 2 terjadi penurunan absorbansi yang sangatlah kecil sedangkan pada daerah linier 3 terjadi penurunan absorbansi yang lebih besar daripada daerah linier 1. Untuk kedua daerah linier ini, yaitu daerah linier 3 dan daerah linier 1, dapatlah dijadikan daerah sensivitas sensor karena memiliki linieritas yang tinggi. Pada Gambar 16b terdapat dua daerah sensitif dan linier untuk setiap pengukuran variasi larutan pH yang semakin basa, yaitu daerah linier 1 untuk variasi pengukuran pH4 hingga pH8, dan daerah linier 2 untuk variasi pengukuran pH8 hingga pH12. Untuk pengukuran variasi pH1 hingga pH4 pada Gambar 16b, tidak ditampilkan yang disebabkan karena ketika dikarakterisasi pada pH yang sangat asam, pH1, cladding yang dilapisi pada core menjadi lepas dan rusak, sehingga pengukuran setelah larutan pH1 menghasilkan data dengan nilai absorbansi yang negatif. Gambar 16b, menunjukkan pula bahwa terjadi kenaikan absorbansi ketika dilakukan pengukuran dengan variasi pH yang semakin basa. Hal ini dapat dilihat pada daerah linier 2.
Dari hasil analisis Gambar 15 dan 16 dapat disimpulkan bahwa probe ini memiliki dua daerah sensitif dan linier untuk pengukuran-pengukuran mulai dari pH2 hingga pH4 dan pH8 hingga pH12.
Kurva histerisis respon spektrum dari pengukuran variasi pH dapat dilihat pada Gambar 17. Kurva histerisi spektum
absorbansi memperlihatkan besarnya keakuratan pengukuran terhadap variasi larutan pH yang diukur. Kurva histerisi ini didapat dari penggabungan Gambar 16a dan 16b dengan teknik pengukuran seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Gambar 16a merupakan gambar yang didapat dengan pengukuran variasi larutan pH yang semakin asam dan Gambar 16b merupakan gambar yang didapat dengan pengukuran yang semakin basa. Dari kurva diketahui bahwa terdapat ketidakakuratan yang sangat besar pada pengukuran pH5, pH8 dan pH11. Hal ini ditandai dengan besarnya selang kurva histerisis pada grafik untuk pengukura n pH tersebut. Ketidakakuratan ini disebabkan karena probe ketika diukur pada pH ini larutan telah terkontaminasi dengan larutan pH sebelumnya.
Perubahan absorbansi pada probe ketika pengukuran variasi larutan pH, disebabkan karena methly violet yang didoping pada probe mengalami perubahan warna akibat perubahan pH. Methly violet adalah indikator pH yang merupakan asam organik lemah. Seandainya methly violet diberi simbol Hin maka ketika probe dicelupkan dalam larutan pH, methly violet ini akan mengion dan terjadi pergeseran keseimbangan yang letak keseimbangannya tergantung dari pH lingkungannya.
HIn↔H+ + In WarnaA WarnaB
Pada pH1, pengionan akan tertekan oleh ion-ion H+ dalam larutan asam sehingga lebih banyak molekul Hin yang terdapat dalam larutan daripada ion In-. Oleh karena itu warna methly violet lebih banyak ditentukan oleh warna molekul (warna A) daripada warna ion (warna B). Ketika larutan diubah menjadi pH2 maka warna molekul tetap mendominasi namun berkurang daripada saat pengujian pH1 sementara warna ion bertambah. Kondisi ini akan merubah absorbansi dari methly violet.
Perubahan indeks bias akibat perubahan warna pada cladding menyebabkan sebagian energi cahaya yang dijalarkan, diserap oleh
cladding dan keluar dari probe dengan besar
energi yang diteruskan menurun secara eksponensial. Penyerapan cahaya yang disebabkan oleh perubahan indeks bias
cladding berpengaruh terhadap besarnya
intensitas cahaya yang ditransmisikan secara tidak langsung diakibatkan oleh perubahan pH larutan tersebut. Energi cahaya yang diserap oleh cladding dinamakan gelombang Gambar 17. Kurva respon spektrum absorbsi probe
sensor terhadap variasi pengukuran pH pada panjanggelombang 580.06 nm
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Variasi pH
Absorbansi
Evanescent, perubahan gelombang inilah yang menjadi tolak ukur adanya perubahan pH larutan.
Respon Probe Sensor
Hasil karakterisasi waktu respon terlihat pada Gambar 18. Hasil pengukuran memperlihatkan bahwa probe memiliki waktu respon yang cepat. Kurva pertama memperlihatkan bahwa ketika transmitansi yang terukur stabil pada larutan pH2 dan kemudian tiba-tiba dicelupkan ke larutan pH10 maka terlihat penurunan yang drastis pada besar transmitansi yang terukur. Waktu yang dibutuhkan probe untuk stabil pada perubahahan kondisi ini disebut waktu respone dan besar waktu respone ini adalah selama 90 detik. Setelah probe mencapai titik jenuh pada kondisi ini, maka probe dipindahkan kembali kedalam larutan pH2. Waktu yang dibutuhkan probe untuk ke kondisi awalnya ini disebut dengan waktu
recovery. Besar waktu recovery untuk
kondisi ini adalah 40 detik.
Perubahan pH yang drastis menyebabkan probe membutuhkan waktu yang cukup lama untuk merespon perubahan tersebut secara sempurna. Dari hasil pengukuran ini dapat diketahui bahwa probe serat optik yang telah dikelupas bagian
cladding dan didoping dye methly violet
memiliki waktu respon dan waktu balik (recovery time) yang hampir sama untuk pengukuran larutan pH rendah ke pH tinggi (pH2 hingga pH10) dan pengukuran
sebaliknya (pH10 hingga pH2), yaitu selama 40-50 detik.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Telah berhasil dibuat dan dikarakterisasi sensor pH berbasis serat optik plastik den gan menggunakan larutan gel yang didoping dye methly violet sebagai sensing
coating (pengganti cladding) pada bagian
probe sensor melalui fenomena absorbsi gelombang evanescent. Hasil penelitian pada probe sensor menghasilkan karakteritik absorbansi yang quasilinier terhadap variasi pengukuran larutan pH8 hingga pH12 dan larutan pH2 hingga pH4. Semakin asam pH Gambar 18. Kurva respon probe sensor untuk larutan
pH2 dan pH10 pada panjag gelombang 550nm
Gambar 19 Grfik respon probe pada panjang gelombang 550nm a) Kurva respone time probe sensor pada pH2 dan pH10. b) Kurva recovery time probe sensor pada pH2 dan pH10.
50 51 52 53 54
5730 6230 6730 Waktu (s)
%Transmitansi pada 550nm
90% 10% 49 50 51 52 53 54
4860 5360 5860
Waktu (s)
%Transmitansi pada 550nm
90% 10% 49 49,5 50 50,5 51 51,5 52 52,5 53 53,5 54
3670 5670 7670 Waktu (s)
%Transmitansi pada 550nm
a)
suatu larutan yang diukur maka absorbansinya akan semakin menurun dan sebaliknya semakin basa pH larutan yang diukur maka akan semakin meningkat absorbansinya. Absorbansi optik yang dihasilkan dianalisis pada rentang panjang gelombang cahaya tampak namun perubahan absorbansi yang signifikan terjadi pada rentang panjang gelombang antara 450 nm sampai 650 nm. Panjang gelombang dengan absorbansi maksimum terjadi pada panjang gelombang 580.08nm. Waktu respon dan waktu balik probe sensor yang telah dibuat memiliki waktu responsibilitas yang sama yaitu selama 300 detik. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan USB2000 VIS-Nir
Spektrophotometer dan Pasco Science
Workshop 750 Interface.
Saran
Penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut yaitu dengan menggunakan prosedur yang sama namun menggunakan dye yang berbeda. Dan dapat pula dikembangkan dengan membuat rancangan alat pengukuran larutan pH yang telah terintegrasi dengan rangkaian elektronika sensor cahaya dan ditampilkan dengan sevent segment.
DAFTAR PUSTAKA
Choudury, PK, and Toshihito Yoshino. 2003. On The pH Response of Fiber Optic Evanescent Field Absorbtion Sensor Having a U-shaped Probe: an
Experimental Analysis. Journal Optik.
Vol.114: 13-18
Cisco Networking Academy. Copyright 2003. Module CCNA 1. Networking Media v3.1. New York: Cisco Systems, inc. www. Cisco.com.cisco.netacad.net (10 April 2006)
Donlagic, Denis. 2000. Fiber Optic Sensors: An Introduction and Overview. University of Maribor.
Halliday, D. & R. Resnick. 1985. Fisika
Jilid II (Terjemahan), Jakarta:
Erlangga
Kolimbris, Harold. 2004. Fiber Optics
Communications. New Jersey: Prentice
Hall.
Pedoman Praktikum Eksperiment Fisik a II. 2004. Bogor, Laboratorium Fisika Lanjut, Departement Fisika, Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Liu, Zhihong, Junfeng Liu, and Tianlu Chen. Phenol Red Immobilized PVA Membrane for an Optic pH Sensor with Two Determination Range and
Long-Term Stability. Sensor and Actuator B
107:311-316
Miled, Othman Belhadj., David Grosso, and Clement Sanchez. 2004. An Optikal Fiber pH Sensor Based On Dye Doped Mesostruktured Silica. Journal Physics and Chemistry of Solids. Vol. 65: 1757-1755.
Mendez, E Alvarado, R Rojas -Laguna, D Hernandez-Cruz, RA Lessard and JG Avina-Cervantes. 2004. Design and Characterization Of Ph Sensor Based On Sol -Gel Sikica Layer On Plastic Optical Fiber. Sensor and Actuator B 106:518-522.
Moreno, Jokin, Francisco J Arregui, and Ignacio R Matias. 2005. Fiber Optic Ammonia Sensing Employing Novel Thermoplastic Polyurethane
Membranes. Sensor and Actuator B
105:419-424
PASCO scientific. 1997. Intruction Sheet for the Pasco Model 6504A and CI-6604. Light Sensor and High Sensitivity
Light Sensor. PASCO scientific 10101
Foothills Blvd. Roseville.
Rayss, Jan, Grzegorz Sudolski. 2002. Ion Absorbtion In The Poros Sol-Gel Silica Layer In The Fiber Optic Ph Sensor. Sensor and Actuator B 87: 397-405. Thomas Lee, S, J.Gin, V.P.N. Nampoori, &
Lampiran 1
Tabel spektrum absorbsi methly violet pada kaca preparat terhadap variasi pengukuran larutan
pH1 hingga pH12
Panjang Gelombang(nm) pH1 pH2 pH3 pH4 pH5 pH6 pH7 pH8 pH9 pH10 pH11 pH12
Table absorbansi kaca preparat yang didoping methl violet terhadap variasi pengukuran larutan pH1 hingga pH12 pada panjanggelombang 544.27nm
pH Abs
1 0.00
2 0.07
3 0.23
4 0.40
5 0.32
6 0.30
7 0.38
8 0.27
9 0.14
10 0.19
11 0.43
Lampiran 3
Tabel spektrum absorbsi methly violet pada probe sensor terhadap variasi pengukuran larutan pH12
hingga pH1
Panjang
Lampiran 4
Tabel spektrum absorbsi methly violet pada probe sensor terhadap variasi pengukuran larutan
pH1 hingga pH12
Panjang Gelombang(nm) pH1 pH2 pH3 pH4 pH5 pH6 pH7 pH8 pH9 pH10 pH11 pH12
Lampiran 5
a) Table absorbansi probe sensor yang didopping methl violet terhadap variasi
pengukuran larutan pH12 hingga pH1 pada panjanggelombang 580.06 nm
b) Table absorbansi probe sensor yang didoping methly violet terhadap variasi pengukuran larutan pH1 hingga pH12 pada panjanggelombang 580.06 nm
pH Abs
1 0.001
2 0.009
3 0.022
4 0.052
5 0.057
6 0.056
7 0.056
8 0.059
9 0.069
10 0.078
11 0.085
12 0.092
pH Abs
4 0.052
5 0.047
6 0.051
7 0.053
8 0.067
9 0.07
10 0.072
11 0.074
Lampiran 6
Tabel data respone probe sensor pada pH2 dan pH10
Waktu(s) %Transmitansi Waktu(s) %Transmitansi Waktu(s) %Transmitansi
3050 52,1 5850 53,1 8600 50,5
3100 52,1 5900 53,1 8650 50,5
3150 52,1 5950 53,1 8700 50,5
3200 52,2 6000 53,1 8750 50,3
3250 52,3 6050 53,2 8800 50,3
3300 52,3 6100 50,8 8850 50,3
3350 52,3 6150 50,7 8900 50
3400 52,3 6200 50,7 8950 49,8
3450 52,4 6250 50,6 9000 49,7
3500 52,4 6300 50,7 9050 49,7
3550 52,4 6350 50,7 9100 49,7
3600 52,4 6400 50,6 9150 49,7
3650 52,5 6450 50,6 9200 49,7
3700 52,5 6500 50,6 9250 49,7
3750 52,6 6550 50,6 9300 49,8
3800 52,6 6600 50,6 9350 49,7
3850 52,6 6650 50,6 9400 49,7
3900 52,6 6700 50,6 9450 49,7
3950 52,6 6750 50,6 4000 50,8 6800 50,6 4050 50,4 6850 50,5 4100 50,2 6900 50,6 4150 50,1 6950 50,6
4200 50 7000 53,4
4250 49,9 7050 53,4
4300 50 7100 53,5
4350 49,8 7150 53,5
4400 50 7200 53,5
4450 49,9 7250 53,5 4500 49,9 7300 53,4
4550 50 7350 53,5
4600 49,8 7400 53,5 4650 49,8 7450 53,5 4700 49,8 7500 53,5 4750 49,8 7550 53,5 4800 49,7 7600 53,5 4850 49,6 7650 53,5 4900 49,6 7700 53,6 4950 49,7 7750 53,6 5000 49,7 7800 53,6 5050 49,8 7850 53,6 5100 49,6 7900 53,6 5150 52,7 7950 53,6 5200 52,8 8000 52,6 5250 52,9 8050 51,5 5300 52,8 8100 51,3
5350 52,9 8150 51
5400 53 8200 50,9
5450 52,9 8250 50,8 5500 52,9 8300 50,8
5550 53 8350 50,7
5600 53 8400 50,7
Lampiran 7
Lampiran 8
Gambar alat-alat ya ng digunakan
Thermometer Digital Gelas Ukur Neraca Analitik
Oakton pH Magnetic Strirerr Wadah Larutan pH
USB VIS -Nir Spectrophotometer
Bundle Fiber Optic Fiber Optic Plastic
Fiber Optic Tools Kit Sensor Cahaya Pasco Science Workshop
