© Kimia ITS – HKI Jatim 49 Akta Kimindo Vol. 1 No. 1 Oktober 2005: 49 - 54 AKTA KIMIA
INDONESIA
Deret Resonator Kristal SiO
2Terlapis Polimer
Sebagai Pengenal Jenis Uap Pelarut
Muhammad Rivai*,1,2, Ami Suwandi JS1, Mauridhi Hery Purnomo2
1MIPA-Program Pascasarjana, Universitas Airlangga, Surabaya 2Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,
Kampus ITS, Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111
ABSTRACT
It has been developed a vapor identification system consisted of three 10 MHz - SiO2 crystal
resonators coated with different polymers. The polymers were the stationery phases of gas chromatography column having different polarity (i.e. OV-101, OV-17 and PEG-1540). The results of the study showed that the resonant frequencies of the crystals decreased proportionally to the vapor concentrations and the system could produce a unique pattern to each of the solvent vapor detected (i.e. benzene, toluene, chloroform, diethyl ether, ethanol, methanol, and acetone). It was caused by different coefficient partitions among each of the sensor element and the vapors.
Keywords: solvent vapors, SiO2 crystals, pattern of resonant frequency changes.
ABSTRAK
Telah dibuat sebuah sistim pengenal jenis uap yang elemen sensornya terdiri dari tiga buah resonator kristal SiO2 berfrekuensi 10 MHz yang dilapis dengan polimer yang berbeda. Polimer yang
digunakan adalah bahan fasa diam pada kolom kromatografi gas yang mempunyai kepolaran yang berbeda (yaitu OV-101, OV-17 dan PEG-1540). Hasil percobaan menunjukkan bahwa frekuensi resonansi kristal akan menurun sebanding dengan konsentrasi uap dan sistim sensor ini dapat menghasilkan pola yang berbeda untuk tiap jenis uap pelarut yang dideteksinya (yaitu benzena, toluena, kloroform, dietil eter, etanol, metanol, aseton). Hal ini diakibatkan adanya koefisien partisi yang berbeda antara tiap elemen sensor terhadap uap yang dideteksinya.
Kata kunci: uap pelarut, kristal SiO2, pola perubahan frekuensi resonansi.
PENDAHULUAN
Uap pelarut sering dijumpai pada beberapa produk rumah tangga, seperti cat, perekat, kosmetik, pewangi ruangan, dan rokok. Beberapa lokasi dapat menghasilkan pencemar uap pelarut seperti pabrik kimia, pemurnian minyak, dan jalan raya. Paparan uap tersebut dapat mempengaruhi kesehatan dalam waktu pendek (seperti sakit kepala dan iritasi mata) dan dalam waktu panjang sebagai bahan karsinogen manusia atau penyebab kanker (seperti benzena). Untuk kepentingan keamanan,
pada penyimpanan bahan pelarut harus selalu dideteksi adanya kebocoran yang terjadi sehingga terhindar dari bahaya polusi dan kebakaran. Untuk itu sangat diperlukan suatu jenis sensor yang dapat mengenal jenis uap pelarut dan mengukur konsentrasinya.
Pendekatan klasik untuk pendetek-sian uap atau gas adalah dengan menggunakan rancangan “gembok dan kunci”, yang mana sensor yang spesifik dibuat agar mengikat jenis uap tertentu dengan kuat (berselektivitas sangat tinggi). Pendekatan ini memerlukan perancangan pembuatan sensor berpresisi tinggi dan memerlukan banyak sensor untuk tiap jenis uap yang akan dideteksi.
* Makalah ini disajikan pada Seminar Nasional Kimia
VII, di Surabaya 9 Agustus 2005
** Corresponding author : Telp.(031)5947302
Fax.(031)5931237 Email : [email protected]
52 © Kimia ITS – HKI Jatim
Pendekatan lain adalah perancangan yang meniru sistim penciuman mamalia, yang mana kriteria “gembok dan kunci” diabaikan. Sebagai gantinya, deret sensor (sekumpulan sensor) yang terdiri dari elemen-elemen sensor yang mempunyai tanggapan sedikit berbeda digunakan untuk merespon sejumlah uap kimia yang berbeda. Walaupun pengenalan jenis uap tidak dapat dikenali hanya dari sebuah elemen sensor, tetapi deret sensor ini akan menghasilkan pola yang berbeda untuk tiap jenis uap yang dideteksinya (Albert, 2000).
Beberapa peneliti telah mencoba untuk membuat perangkat yang dapat mendeteksi jenis uap dengan menggunakan berbagai jenis bahan sensor seperti semikonduktor (Takeaway, 2001), polimer (Shiratori, 2000; Kaneda, 2001), dan resonator kuarsa (Benyamin, 1998; Rivai, 2004) dengan hasil yang memuaskan. Pada makalah ini, pengarang telah membuat sistim pengenal jenis uap pelarut yang menggunakan deret resonator kristal SiO2 terlapis polimer. Hasil
karakterisasi perubahan frekuensi resonansi kristal terhadap ketebalan polimer, konsentrasi dan jenis uap pelarut dilaporkan disini.
METODOLOGI PERCOBAAN
Elemen sensor merupakan resonator kristal SiO2 potongan AT dengan frekuensi resonansi 10
MHz, ditunjukkan pada Gambar 1. Frekuensi resonansi menurun saat molekul uap sampel terserap di permukaannya, dan frekuensi resonansi akan kembali setelah molekul uap sampel dihilangkan. Perubahan frekuensi resonansi kristal (Δf) dinyatakan dengan
Δm A 2 SiO ρ 2 2f Δf ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ν − = (1)
dengan f frekuensi resonansi kristal, Δm massa total dari molekul uap sampel yang terserap di permukaan kristal,
2 SiO
ρ kerapatan kristal, ν kecepatan propagasi akustik pada kristal, dan A luas elektroda.
elektroda
SiO2
Gambar 1. Resonator kristal SiO2
Tiga buah kristal SiO2 masing-masing dilapis
dengan polimer yang sering digunakan sebagai fasa diam pada kolom kromatografi gas, yaitu OV-101 (non-polar), OV-17 (medium) dan PEG-1540 (polar). Polimer tersebut berperan sebagai bahan aktif yang dapat meningkatkan penyerapan uap sampel akibat dari kepolaran molekulnya.
Peralatan percobaan ditunjukkan pada Gambar 2. Elemen sensor tersebut dipasang pada atap sebuah tabung pengujian dan dihubungkan ke rangkaian osilator digital CMOS. Frekuensi osilator diukur dengan menggunakan rangkaian pencacah 32-bit secara paralel dan ditransfer ke komputer pribadi menggunakan mikrokontroler 89S51 melalui komunikasi serial RS232. Untuk menghilangkan molekul uap pada permukaan kristal, maka tabung pengujian dialiri gas nitrogen berkemurnian 99,999% dengan laju 1 L.min-1 sesaat sebelum pengukuran dimulai
sampai frekuensi resonansi semua kristal tersebut dalam keadaan stabil.
Pencacah Frekuensi
N2
Bak air yang suhunya terkendali
Flowmeter Katup
Deret sensor SiO2
terlapis polimer
Lubang injeksi Osilator
Gambar 2. Skematika peralatan percobaan
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polimer diencerkan dengan pelarut yang sesuai dan dilapiskan pada permukaan kristal SiO2.
Ketebalan polimer t dapat dihitung menggunakan persamaan:
© Kimia ITS – HKI Jatim 53 pol ρ 2 f 2 2 SiO ρ pol Δf t ν − = (2)
dengan Δfpol beda frekuensi resonansi kristal
antara sebelum dan sesudah pelapisan polimer, dan ρpol kerapatan polimer.
Pada percobaan pertama mengguna-kan 4 buah kristal yang dilapis dengan bahan polimer PEG-1540 dengan ketebalan yang berbeda. Perubahan frekuensi resonansi kristal terhadap perubahan waktu ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Perubahan frekuensi resonansi kristal saat pelapisan polimer
Gambar 4 menunjukkan bahwa semakin besar ketebalan polimer yang terbentuk, maka frekuensi resonansi kristal semakin tidak stabil bahkan terjadi pemadaman osilasi. Hal ini disebabkan adanya penyerapan energi akustik oleh adanya molekul uap yang terserap di permukaannya.
Pada percobaan kedua mengguna-kan 3 buah kristal yang dilapis dengan bahan polimer yang berbeda (OV-101, OV-17, PEG-1540). Tabung pengujian dialiri gas nitrogen (N2) sampai pada
saat perubahan frekuensi resonansi masing-masing kristal SiO2 menjadi stabil (fluktuasi
kurang dari 10 Hertz selama 100 detik). Rerata nilai perubahan frekuensi resonansi untuk 100 detik terakhir dicacat sebagai nilai frekuensi resonansi awal untuk masing-masing kristal SiO2
terlapis polimer. Kemudian aliran gas nitrogen dihentikan, larutan metanol dengan volume tertentu disuntikkan ke dalam tabung pengujian. Konsentrasi uap (C) yang terjadi dalam ruang pengujian dapat ditentukan dengan persamaan
(ppth) P lar M tab V T R lar V lar ρ (ppm) 3 10 P lar M tab V T R lar V lar ρ C = = (3)
dengan ρlar kerapatan larutan pelarut (g mL-1),
Vlar volume larutan pelarut (μL), R ketetapan gas
ideal (0,082L atm mol-1K-1 ), T suhu tabung
pengujian (K), Vtab volume tabung uji (L), Mlar
massa molekul pelarut (g mol-1), dan P tekanan
tabung pengujian (atm).
0 5000 10000 15000 20000 25000 0,08 0,98 3,87 > 4 Ketebalan (um) S im p a n ga n B a k u P e ru b a ha n Fr e k ue n s i ( H e rt z )
Gambar 4. Simpangan baku perubahan frekuensi resonansi kristal untuk ketebalan polimer yang berbeda
Perubahan frekuensi resonansi masing-masing kristal terlapis polimer saat pemaparan uap metanol ditunjukkan pada Gambar 5. Saat perubahan frekuensi mendekati nilai kestabilan, rerata nilai perubahan frekuensi resonansi untuk 100 detik terakhir dicacat sebagai nilai frekuensi resonansi akhir untuk masing-masing kristal terlapis polimer. Ruang pengujian dialiri kembali dengan gas nitrogen untuk melepaskan uap yang terserap kedalam polimer sehingga frekuensi resonansi kristal kembali ke frekuensi resonansi awalnya. Pada keadaan ini pengukuran berikutnya dapat dilakukan kembali.
52 © Kimia ITS – HKI Jatim Gambar 5. Perubahan frekuensi saat pemaparan uap
metanol
Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi uap dalam tabung pengujian maka semakin besar penurunan frekuensi resonansi kristal yang mempunyai fungsi linear, berkesesuaian dengan Pers. (1). Pola respon yang dihasilkan deret sensor dapat dinyatakan dengan frekuensi ternormalisasi (Δfn), yang
dinyatakan
1,2,3
i
3
1
j
j
Δf
/
i
Δf
n
i
Δf
∑
=
=
=
(4)Gambar 7 menunjukkan bahwa perubahan frekuensi ternormalisasi dari deret kristal tersebut mempuyai pola yang relatif sama untuk konsentrasi uap metanol yang berbeda.
Gambar 6. Pengaruh konsentrasi uap metanol terhadap perubahan frekuensi resonansi kristal
Uap Metanol
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Perubahan Frekuensi Ternormalisasi
OV-101 OV-17 PEG-1540
123,3 ppth 102,8 ppth 82,2 ppth 61,7 ppth 41,1 ppth 20,6 ppth 10,3 ppth
Gambar 7. Pengaruh konsentrasi uap metanol terhadap perubahan frekuensi resonansi kristal ternormalisasi.
Pada percobaan ketiga mengguna-kan beberapa jenis pelarut yang berbeda, yaitu benzena, toluena, kloroform, dietil eter, etanol, metanol, dan aseton. Volume larutan sampel yang disuntikkan ke ruang pengujian dipilih sehingga perubahan frekuensi terbesar diperkirakan melebihi 100 Hertz. Hal ini dimaksudkan agar perubahan frekuensi ini jauh lebih besar dari nilai fluktuasinya. Percobaan dilakukan tiga kali untuk setiap jenis sampel dan diulang kembali untuk dua bulan berikutnya. Hasil percobaan menunjukkan bahwa perubahan frekuensi deret resonator kristal SiO2 terlapis
polimer dapat memberikan pola yang khas untuk setiap jenis uap pelarut, ditunjukkan pada Gambar 8.
© Kimia ITS – HKI Jatim 53
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Perubahan Frekuensi Ternormalisasi
OV-101 OV-17 PEG-1540
aseton metanol etanol dietil eter kloroform toluena benzena
Gambar 8. Pengaruh jenis uap pelarut terhadap pola perubahan frekuensi kristal ternormalisasi. Secara umum dapat disimpulkan bahwa sistim ini dapat membedakan pelarut non-polar dari polar (seperti benzena atau toluena dari metanol atau aseton), dan dapat juga membedakan antar anggota dari suatu grup (seperti benzena dari toluena dan metanol dari etanol). Pada percobaan yang dilakukan saat ini pengarang menggunakan sistim sampling statis, yaitu dengan penyuntikan larutan sampel ke dalam tabung uji. Untuk penelitian mendatang akan dilakukan metoda sampling dinamik dengan aliran gas pembawa untuk mempersingkat tanggapan waktu dari sensor yang digunakan
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini didukung oleh Research Grant TPSDP Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS tahun anggaran 2005.
DAFTAR PUSTAKA
Albert KJ, Lewis NS, Schauer CL, Sotzing GA, Stizel SE, Vaid TP, 2000. Cross-reactive chemical sensor arrays. Chem Rev, 100, pp.2595-2626.
Benyamin K.P. and M. Rivai, 1998. Discrimination of fragrance odor by arrayed quartz resonator and neural network. Proc. of International Conference
on Computational, Intelligence and Multimedia Applications, Gippsland, Vic.,
Australia, pp.264-269.
Kaneda H., 2001. Beer Adsorption on a lipid membrane as related to sensor evaluation.
J.Am.Soc.Brew. Chem, pp.167-171
M. Rivai, Mauridhi H.P., and Ami Suwandi J.S., 2004. Improving the discrimination of fragrant smells using differential bulk acoustic wave sensor and neural network.
Third Saudi Technical Conference and Exhibition (STCEX), Riyadh, Saudi .
Shiratori S.S., Kohno K., and Yamda M., 2000. High performance smell sensor using spatially controlled LB films with polymer backbone. Sensors and Actuator, B 64, pp.70-75.
Takeaway T., Suzuki K., Takada T., Kobayashi T., and M. Egashira, 2001. Odor identification using a SnO2-based sensor array. Sensors and Actuators B 80, pp.51-58.
