RANCANG BANGUN SENSOR KADAR UREA MEMANFAATKAN RUGI DAYA ANTAR UJUNG DUA SERAT OPTIK
SAMIAN, MOH. YASIN, A. S. PRATIWI
Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya 60115
ABSTRACT
An urea sensor is presented using two optical fibers with different diameter. This sensor works based on the wavelength absorption principle of urea solution to red light (640 nm – 650 nm) between the two ends of the optical fibers with different sizes. The difference in diameter reduce the effect of the refraction of light in the urea solution. The device consist of a red LED, silicon detector, two fiber optics with diameter 0.5 mm and 1.5 mm, microvoltmeter and acrylic. Dissolved substance is pure urea. Urea is given reagent Urea CT-FS. Mechanism of this sensor is light from red LED is focused into the fiber optic transmitter and forwarded to the cuvette. As the light passed the urea solution, they loss their intensity (power). The reduction in power due to absorption phenomena. Then light forwarded to the fiber optic receiver and received by the detector. The detector converts light signal into electrical signal which is translated by microvolmeter as output voltage. The results of the experiment is the output voltage as a function of urea concentration. The characteristics of the sensor is the range from 0 mg/dL to 960 mg/dL. The sensor has a linear regions (areas of work). The work area has a detection range from 0 mg/dL to 310 mg/dL, the sensitivity is 0.514 mV/mgdL-1, and the resolution from 0.589 mg/dL.
Keywords: Absorption, Optical Fibers, Urea
ABSTRAK
Telah dirancang bangun sensor kadar urea menggunakan dua buah serat optik dengan ukuran diameter berbeda. Prinsip kerja sensor didasarkan atas prinsip serapan larutan urea terhadap cahaya merah (640 nm - 650 nm) diantara dua ujung serat optik yang berbeda ukuran. Perbedaan ukuran diameter dimaksudkan untuk mengurangi efek pembiasan cahaya dalam larutan urea, dimana perubahan daya optis karena serapan sampel bukan akibat pembiasan. Perangkat penelitian terdiri dari LED merah dengan rentang panjang gelombang 640 nm sampai 650 nm, detektor silikon, serat optik berdiameter 0,5 mm sebagai transmitter dan 1,5 mm sebagai receiver, serta mikrovoltmeter. Bahan yang dilarutkan adalah urea murni yang kemudian diberi reagen Urea CT-FS. Mekanisme deteksi kadar urea adalah cahaya dari LED merah
difokuskan masuk ke dalam serat optik transmitter dan diteruskan ke dalam kuvet. Pada saat mengenai sampel, terjadi pengurangan daya akibat serapan sampel. Kemudian cahaya transmisi dari sampel diteruskan ke serat optik receiver dan diterima oleh detektor. Detektor mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik yang selanjutnya dikonversi mikrovolmeter sebagai tegangan. Hasil penelitian berupa data tegangan keluaran dalam satuan mV sebagai fungsi kadar urea dalam satuan mg/dL. Karakteristik sensor yang dihasilkan antara lain jangkauan sebesar 0 mg/dL sampai 960 mg/dL. Daerah linear atau daerah kerja pada sensor ini memiliki rentang deteksi 0 mg/dL sampai 310 mg/dL, sensitivitas 0,514 mV/mgdL-1, dan resolusi 0,589 mg/dL.
Kata Kunci : Serapan, Serat Optik, Urea
PENDAHULUAN
Urea merupakan senyawa organik yang tersusun dari unsur karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen dengan rumus kimia (NH2)2CO. Dalam bidang pertanian, urea merupakan sumber pupuk nitrogen utama karena kandungan N yang tinggi, tingkat kelarutan tinggi, dan tidak bersifat polar. Dalam penggunaannya urea mudah hilang melalui beberapa proses antara lain volatisasi amonium, dan denitrifikasi. Pemberian pupuk urea secara berlebihan dapat mengakibatkan pencemaran tanah, air dan udara. Dalam tubuh makhluk hidup, urea adalah senyawa kimia yang terbentuk didalam hati dan merupakan produk ekskresi metabolisme protein yang utama. Kadar urea dinyatakan dalam BUN (Blood Urea Nitrogen). Konsentrasi normal urea dalam serum darah berkisar pada 2,5-6,7 mM. Pada pasien yang mengalami kegagalan ginjal kadar urea dalam serum darahnya berkisar pada konsentrasi 30-80 mM, sehingga pasien tersebut harus menjalani hemodialisis. Berdasarkan hal tersebut maka urea menjadi bagian dari analisis rutin dalam dunia kesehatan (Nazaruddin, 2007).
Dengan berkembangnya teknologi, beberapa cara ditemukan untuk menganalisis kadar urea baik untuk kepentingan industri, pertanian maupun uuntuk bidang medis. Urea dapat ditentukan dengan metode spektrofotometri. Prinsip kerja metode ini adalah berdasarkan pembentukan senyawa kompleks yang berwarna
kuning. Penentuan urea secara spektrofotometri cukup teliti, akan tetapi membutuhkan waktu yang relatif lama dan bahan kimia yang banyak. Selain itu dapat digunakan metode potensiometri dengan piranti biosensor menggunakan biopolimer khitin sebagai matriks immobilisasi (Nazaruddin, 2007), Optical Biosensor for Urea
with Improved Response Time (Kova´cs dkk., 2003), sensor serat optik dengan
metode Surface Plasmon Resonance (Bathia dkk., 2011), metode Colorimetri dan UV
Auto Fast Rate yang biasa dilakukan di laboratorium klinik. Pada penelitian ini, akan
dilakukan pengukuran kadar urea menggunakan dua serat optik berbeda diameter. Prinsip kerja sensor serat optik ada tiga yaitu modulasi intensitas, modulasi panjang gelombang, dan modulasi fase (Krohn, 2000). Metode rugi daya antar ujung dua serat optik berbeda diameter merupakan salah satu prinsip kerja sensor serat optik modulasi intensitas. Pada penelitian sebelumnya metode tersebut telah digunakan untuk mengukur konsentrasi ion Aluminium dan konsentrasi Amoniak dalam larutan. DESAIN SENSOR
Rancangan sensor pengukur kadar urea menggunakan prinsip hukum Lambert-Beer dan rugi daya antar ujung serat optik. Secara matematis, hukum Lambert-Beer mengemukakan bahwa intensitas berkas cahaya yang datang pada medium dinyatakan dengan I0 dan yang menembus bahan dengan I. Jumlah sinar yang diserap atau diteruskan oleh suatu bahan merupakan fungsi eksponensial dari konsentrasi bahan dan ketebalannya.
Hukum Lambert-Beer dalam persamaan :
𝐼 = 𝐼0𝑒−∝𝑥𝑐 (1)
Keterangan:
I : Intensitas cahaya yang diteruskan X : ketebalan bahan I0 : Intensitas cahaya datang C : konsentrasi larutan 𝛼 : koefisien absorbsi
Prosedur pertama untuk merancang bangun sensor kadar urea adalah membuat desain untuk ruang sampel.
Gambar 2. Desain Sensor dan Modifikasi Serat Optik dengan Diamater Core Berbeda
Ruang sampel (kuvet) merupakan tempat larutan urea yang memberikan perlakuan terhadap jalannya sinar laser dari sumber. Ruang sampel terbuat dari 3 papan akrilik. Dua buah papan diberi lubang tepat di tengah-tengah sesuai dengan
Teras Teras Pemancar Penerima a c-a c 2b R 2a 𝜃 𝜃 Sumber cahaya Detektor Mikrovolt meter Serat optik transmitter Serat optik receiver Kuvet Serat optik
transmitter Serat optik
diameter masing serat optik yaitu 0,5 mm dan 1,5 mm. Dimana serat optik dengan diameter kecil sebagai pemancar (transmiter) sedangkan diameter yang lebih besar sebagai penerima (receiver). Jarak antar dua ujung serat optik harus diatur sedemikian rupa sehingga rugi akibat coupling cahaya tidak ada artinya hanya ada perubahan tegangan akibat berkas cahaya yang mengalami absorbsi. Berdasarkan Gambar 2, jarak atau R dapat dihitung dengan persamaan 5.
Gambar 2 merupakan modifikasi sensor diamater dengan core berbeda, dimana serat optik dengan diameter kecil sebagai pemancar (transmiter) sedangkan diameter yang lebih besar sebagai penerima (receiver). Berdasarkan Gambar 1, hubungan antara daya optis cahaya yang diterima serat optik penerima (receiver) terhadap daya optis cahaya yang dipancarkan (Po) tanpa serapan sampel dengan mengasumsikan berkasnya seragam (uniform) , adalah sebagai berikut:
𝑃𝑖= 𝑃𝑜 𝑏2
(𝑎+𝑅 𝑡𝑔 𝜃)2 (2)
Jika diameter serat optik penerima lebih besar dari serat optik pemancar ( b= 3a), maka persamaan (2) akan menjadi seperti berikut:
𝑃𝑖 = 9𝑎2 𝑃𝑜
(𝑎+𝑅 𝑡𝑔 𝜃)2 (3)
Dari persamaan (3) nilai Pi = Po jika nilai (𝑎 + 𝑅 𝑡𝑔 𝜃)2 = 9𝑎2. Dimana nilai NA (Aperture Numeric) serat optik memiliki nilai :
𝑁𝐴 = √𝑛12 − 𝑛22 (4) Sehingga nilai θ sesuai dengan persamaan 2.13:
𝜃 = 𝑎𝑟𝑐 sin(𝑁𝐴
𝑛) (5) Dengan n adalah indeks bias medium antara kedua ujung serat optik dimana dalam hal ini adalah larutan urea. Dengan demikian, hubungan antar dua ujung serat optik terhadap indeks bias sampel adalah :
𝑅 = 2𝑎
Jika indeks bias sampel pada konsentrasi tertinggi dapat diperkirakan, maka jarak antar dua ujung serat optik dapat ditentukan sehingga rugi akibat coupling cahaya tidak ada artinya hanya ada perubahan tegangan akibat berkas cahaya yang mengalami absorbsi.
EKSPERIMEN
Alat-alat yang digunakan untuk pembuatan sampel adalah neraca digital, mikropipet, gelas ukur, shaker, tabung reaksi, tabung sentrifuge, pengaduk, dan gelas beker. Alat untuk mengukur panjang gelombang serapan sampel adalah Spektrofotometer UV-Vis 1800 Series Shimadzu. Sedangkan dalam set-up penelitian digunakan LED. Selain itu digunakan juga resistor, digital trainer, jumper, power
supply DC, detektor optik, mikrovoltmeter, kabel penghubung, plastisin, statif,
penyangga dan peniup. Bahan yang digunakan adalah serbuk urea Ultra Pure, reagen urea CT-FS, dan aquades. Sedangkan untuk membuat sensornya sendiri digunakan dua jenis serat optik multimode berbahan plastik keluaran Autonics tipe FD-620-15H1 dan tipe FD-320-05. Set up penelitian secara lengkap ditampilkan oleh Gambar 2 terdiri dari sumber cahaya LED merah, serat optik berdiameter 0,5 mm, ruang sampel, serat optik berdiameter 1,5 mm, detektor optik dan mikrovoltmeter.
Gambar 3. Set up penelitian untuk pengujian kadar urea
0,5 mm LED 1,5 mm kuvet mikrovoltmeter detektor
Preparasi sampel larutan urea pada penelitian ini menggunakan reagen urea CT-FS. Urea yang terlarut dalam aquades dan telah ditambahkan urease akan bereaksi membentuk amoniak dan karbondioksida. Ion-ion amonium bereaksi dengan
hypochlorit dan salicylate membuat larutan berwarna hijau (Diasys, 2012). Sampel
urea pada penelitian ini dibuat variasi kadar atau kadar dari 0-960 mg/dL. Peningkatan kadar urea dapat dilihat dari gradasi warna sampel dimana semakin tinggi kadar urea maka warna hijaunya semakin pekat.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini diperoleh data hasil uji spektrofotometri, data uji deteksi perubahan kadar urea menggunakan sumber cahaya LED merah dengan rentang panjang gelombang 640 nm sampai 650 nm dan sumber cahaya laser dioda berwarna hijau dengan panjang gelombang 532 nm dan data stabilitas sensor.
Gambar 4. Hasil uji spektrofotometri UV-Vis larutan urea pada kadar 50 mg/dL Berdasarkan kurva pada Gambar 3 diketahui bahwa larutan urea menyerap baik pada sumber cahaya merah sampai inframerah dekat atau panjang gelombang 630 nm sampai 770 nm. Puncak kurva yang ditunjukkan oleh merupakan panjang gelombang serapan maksimum dari larutan urea, yaitu pada panjang gelombang 702,21 nm. Setelah melakukan uji spektrofotometri ditentukan penggunaan LED merah sebagai sumber cahaya. Hasil uji deteksi kadar urea menggunakan LED merah
menunjukkan bahwa semakin tinggi kadar urea maka tegangan keluaran semakin turun seperti pada Gambar 5. Hal ini disebabkan sampel menyerap gelombang elektromagnetik yang ditransmisikan oleh LED sehingga cahaya yang diteruskan berkurang intensitasnya. Berkurangnya intensitas cahaya yang ditransmisikan ditandai dengan turunnya tegangan keluaran detektor. Seperti yang telah disebutkan diatas bahwa larutan urea menyerap baik pada panjang gelombang 630 nm sampai 770 nm sedangkan LED merah memiliki panjang gelombang 640 nm sampai 650 nm dimana panjang gelombang tersebut berada panjang gelombang serapan larutan urea.
Dari Gambar 5 juga diketahui bahwa intensitas cahaya yang diteruskan tidak turun secara linear terhadap kenaikan kadar larutan melainkan turun secara eksponensial. Hubungan intensitas cahaya yang diteruskan dan kadar sampel sesuai dengan hukum Lambert-Beer. Hasil fitting data yang ditampilkan oleh Gambar 4 membuktikan bahwa uji sensor kadar urea menggunakan sumber cahaya LED merah memenuhi hukum Lambert-Beer dimana persamaan yang dihasilkan adalah V = 192,34464e-0,00375c dengan koefisien korelasi (R) sebesar 0,987. Koefisien serapan larutan urea menggunakan reagen Urea CT-FS didapatkan sebesar 0,00375/mm.mgdL-1.
Gambar 5. Grafik Hasil Fitting Data Sensor Kadar Urea
Pada penelitian ini telah dilakukan uji stabilitas sensor untuk mencari nilai kestabilan sensor dengan mengukur nilai tegangan keluaran detektor pada kadar rendah, sedang, dan tinggi. Stabilitas sensor diukur dengan interval waktu 15 detik
V = 192,34464e-0,00375c R² = 0,97455 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 1200 Te ga n ga n K e lu ar an ( m V ) Kadar Urea (mg/dL)
selama 15 menit. Grafik plot tegangan keluaran detektor sebagai fungsi waktu untuk tiga keadaan kadar tersebut ditunjukkan oleh Gambar 6.
Gambar 6. Grafik tegangan keluaran detektor sebagai fungsi waktu
Pada ketiga kadar tersebut, kadar rendah memiliki standart deviasi yang paling besar, hal ini menandakan bahwa pada kadar tersebut sensor kurang stabil. Ketidakstabilan sensor pada kadar rendah disebabkan oleh alat pembaca tegangan keluaran atau mikrovoltmeter yang menggunakan penguatan 10 sehingga nilai yang tertera pada display dikali 10-1. Sedangkan pada kadar larutan urea yang tinggi menggunakan penguatan 102 atau 103, sehingga perubahan nilai digit terakhir pada
display bernilai lebih kecil.
Untuk mengetahui karakteristik dari sensor yaitu jangkauan, daerah linear, sensitivitas dan resolusi maka dilakukan uji karakterisasi sensor.
Gambar 7. Grafik Uji linearitas sensor kadar urea (0 - 310) mg/dL
0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 Te ga n ga n K e lu ar an ( m V ) waktu (s) 15 mg/dL 460 mg/dL 960 mg/dL V = -0,514c + 203,5 R² = 0,991 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 Te ga n ga n K e lu ar an ( m V ) Kadar Urea (mg/dL)
Dari hasil uji linearitas diperoleh daerah kerja. Hasil uji linear diperlihatkan pada Gambar 7. Rentang daerah linear adalah 0 mg/dL sampai 310 mg/dL. Berdasarkan Gambar 7, terlihat bahwa gradien garisnya sebesar -0,514 pada daerah linear 0 mg/dL sampai 310 mg/dL. Hal ini menunjukkan bahwa sensitivitas dari sensor sebesar 0,514 mV/mgdL-1. Nilai resolusi dari sensor diperoleh dari nilai sensitivitas sensor dibagi standart deviasi stabilitas sensor. Nilai standart deviasi sebesar 0,30 mV sehingga resolusi atau perubahan terkecil yang dapat dideteksi adalah 0,589 mg/dL.
Dalam sistem instrumentasi, besaran masukan dan keluaran sensor yang berbentuk logaritma dapat dikompensasi menggunakan penguat logaritmik. Hubungan logaritma data antara logaritma natural dari tegangan keluaran detektor dibagi tegangan mula-mula (ln V/V0) dan kadar. Grafik hubungan data logaritma sensor kadar urea kemudian diuji dengan uji linearitas. Pada Gambar 9, terlihat bahwa grafik memiliki koefisien korelasi mendekati satu, dengan daerah linear 0 mg/dL sampai 910 mg/dL. Dibandingkan dengan hasil uji karakterisasi yang pertama, grafik hubungan data logaritma sensor kadar urea mempunyai daerah linear yang sangat lebar. Hasil uji linearitas data logaritmik ditampilkan dalam Gambar 8.
Gambar 8. Grafik hubungan data logaritma sensor kadar urea setelah diuji linearitas y = -0.004x - 0.0225 R² = 0.9869 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 200 400 600 800 1000 ln ( V /V o ) Kadar Urea (mg/dL)
KESIMPULAN
Serat optik berbeda diameter dapat digunakan sebagai sensor kadar urea. Dari hasil penelitian rancang bangun sensor kadar urea memanfaatkan rugi daya antar ujung dua serat optik diperoleh beberapa nilai karakteristik sensor antara lain jangkauan sebesar 0 mg/dL sampai 960 mg/dL dan daerah linear (daerah kerja). Daerah kerja memiliki rentang deteksi 0 mg/dL sampai 310 mg/dL, sensitivitas 0,514 mV/mgdL-1, dan resolusi 0,589 mg/dL.
DAFTAR PUSTAKA
Bathia, Priya dan Banshi D. Gupta, 2011, Fabrication and Characterization of a
Surface Plasmon Resonance Based Fiber Optic Urea Sensor for Biomedical Applications, Sensors and Actuators B 161 (2012), hal. 434-438
Fraden, Jacob, 2004, Handbook of Modern Sensors, Physics, Designs, and
Applications, 3rd Edition, Springer, California Katalog Urea CT-FS DiaSys, 2012
Keiser, G., 1991, Optical Fiber Communication, 2nd Edition, Mc-Graw-Hill, New York
Krohn, D.A., 2000, Fiber Optic Sensor Fundamental and Applications, 3rd Edition, ISA, New York
Latifi, Hamid dkk, 2012, Nonadiabatic Tapered Optical Fiber for Biosensor
Applications, Photonic Sensors Vol. 2, No. 4: 340-356
Mas’ud, Zainal Alim dkk, 2012, Pola Pelepasan Urea dari Urea Enriched Soil Conditioner, Prosiding InSINas, hal. 248-252
Nazaruddin, 2007, Biosensor Urea Berbasis Biopolimer Khitin sebagai Matriks Immobilisasi, Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan, Vol.6 hal. 41-44, ISSN 1412-5064
Niemz, Markolf H., 2007, Laser-Tissue Interactions, Fundamental and Applications.
Third, Enlarged Edition, Springer, New York.
Prasad, Paras N., 2003, Introduction to Biophotonics, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, New Jersey.
