Deteksi Uap Etanol Berbasis Serat Optik dengan Cladding Termodifikasi Kitosan/pva-
indigo
carmine
Nurul Fuadi
1 1Program Studi Fisika Fakultas Sainstek
Univ.Islam Negeri Alauddin Makassar
Sari
Pemanfaatan dan produksi etanol telah banyak digunakan pada bidang klinik, biokimia dan industri terutama dalam industri fermentasi. Penelitian ini bertujuan untuk membuat sensor etanol berbasis serat optik dengan teknik cladding termodifikasi dan untuk mengetahui waktu respon dan waktu pemulihan secara bervariasi terhadap uap etanol, Metode yang digunakan untuk deteksi uap etanol dengan cara Cladding Termodifikasi. Cladding asli diganti dengan bahan polimer berupa bahan gel kitosan /PVA- dye indigo Carmine yang dapat mendeteksi uap etanol. Uji respon dilakukan dengan memasukkan elemen sensing kedalam wadah uap etanol. Pengambilan dan pemrosesan data menggunakan Sofware Data Studio (PASCO). Hasil uji respon berupa kurva waktu respon dan waktu pemulihan. Waktu respon uap etanol 10-1%, 1 %, dan 5 % berturut-turut adalah 15,4 menit, 13,7 menit dan 13,1 menit. Sedangkan waktu pemulihan cukup singkat, masing-masing sebesar 1,3 menit, 1,2 menit, dan 1 menit. Waktu pemulihan sensor memiliki waktu yang singkat daripada waktu responnya. Berdasarkan kurva respon menunjukkan sensor serat optik etanol memiliki kemampuan yang dapat balik (reversibility) dan kemampuan perulangan
(repeatability) sehingga sensor serat optik dapat diaplikasikan secara real time.
Kata Kunci : Sensor Serat Optik, Kitosan, Indigo Carmine, Waktu Respon, waktu pemulihan, Uap Etanol.
Pendahuluan
Alkohol atau alkanol adalah istilah yang umum dalam ilmu kimia, untuk senyawa organik yang memiliki gugus hidroksil (-OH) yang terikat pada atom karbon dimana atom karbon itu sendiri juga terikat pada atom hidrogen atau atom karbon yang lain. Dalam istilah umum, yang disebut alkohol adalah etanol atau grain alcohol. Etanol tidak terlalu beracun karena tubuh dapat menguraikannya dengan cepat. Etanol dalam minuman memiliki bentuk cairan yang tak berwarna, tidak berasa namun beraroma khas. Etanol umumnya dijual sebagai spirit (minuman keras) bermetil yang diproduksi dalam skala industri. Alkohol bersifat mudah menguap karena rentang rantai karbon C1 sampai C5 mempunyai titik didih 0°C - 50°C.
Pada saat ini, kadar etanol paling tinggi yang ada di pasaran adalah 96% untuk konsentrasi teknis [1].
Etanol merupakan pelarut dan digunakan dalam produksi parfum, cat, pernis dan bahan peledak. Etanol juga bisa digunakan sebagai bahan bakar aditif atau sumber hidrogen pada fuel cell [2]. Etanol dapat diproduksi melalui fermentasi buah, jagung, beras ketan, gandum dan turunan sintetik dari acetildehid atau etilen. Sehubungan dengan pemanfaataan dan produksi etanol dalam berbagai bidang, sehingga jelas diperlukan metode yang dapat dipercaya untuk mengukur dan mengontrol etanol. Beberapa metode analitik telah dikembangkan selama beberapa tahun untuk megukur etanol dan jenis-jenis alkohol yang lain. Metode pengukuran etanol yang umum digunakan adalah metode kromatografi, enzimatik dan optik [3,4]. Pendekatan sederhana untuk menentukan etanol adalah metode sensor optik. Sistem serat optik merupakan medium yang efektif untuk mendeteksi spesies kimia. Kehadiran spesies kimia dapat mengatur sifat cahaya seperti intensitas, phase atau polarisasi dalam serat optik. Serat optik dapat diaktifkan dalam mekanisme sensing dengan cara memodifikasi struktur serat optik pada fungsi sensing. Tipe sensor ini dikatakan sebagai sensor serat optik instrinsik. Serat optik dapat juga digunakan sebagai elemen pemandu cahaya pada sebuah transduser eksternal, tipe sensor ini dikenal sebagai sensor serat optik ekstrinsik [5,6,].
Penggunaan serat optik dalam teknologi sensor merupakan alternatif yang sangat menjanjikan dengan berbagai kelebihannya dalam hal sensitivitas, selektivitas, reversibilitas, akurasi yang tinggi, gangguan rendah karena sinyal optik tidak berinterferensi dengan gelombang elektromagnetik, ukurannya kecil dan diperuntukkan untuk penggunaan monitoring real time dan in situ [7,8,9]. Pada bidang lingkungan, infrastruktur dan industri, serat optik digunakan pada sistem penginderaan (sensing) dan pendeteksian yang dikenal dengan sensor serat optik. Sistem sensor serat optik memiliki keuntungan melebihi sistem konvensional. Serat optik merupakan medium yang efektif untuk mendeteksi spesies kimia[10]. Sistem serat optik dibuat dengan mengganti cladding asli serat optik dengan material yang sensitif terhadap analit yang akan diukur. Cladding termodifikasi ini akan berubah sifat optiknya ketika berinteraksi dengan analit yang akan dideteksi, sehingga intensitas cahaya yang terpandu di dalam serat optik akan berubah, sehingga mempengaruhi sifat transmisi serat optik [11].
Pada sistem ini mekanisme transduksi signal didasarkan pada perubahan spektra absorbansi gelombang evanescent
pada bidang batas core-cladding serat optik. Perubahan medan evanescent ini bergantung pada perubahan nilai indeks bias cladding relatif terhadap indeks bias inti serat optik. Perubahan indeks bias cladding akan menentukan kedalaman penetrasi medan evanescent. Peningkatan indeks bias cladding akan meningkatkan kedalaman penetrasi dp yang mengakibatkan absorbs medan
evanescent meningkat dan sebaliknya intensitas berkas cahaya yang diteruskan melalui serat optik akan menurun [11]. Intensitas medan evanescent I(z) meluruh eksponensial terhadap jarak z terhadap bidang batas diberikan pada Persamaan (1) [12]
:
(
)
(1)
Serat Optik adalah pandu gelombang optik dalam tabung yang sangat kecil yang dapat dibuat menyerupai kabel, dimana terdapat satu atau lebih tabung serat kaca atau serat plastik yang digunakan untuk menghantarkan cahaya. Struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri dari 2 bagian : core (inti), cladding (kulit). Core terbuat dari bahan silica (SiO2) dan ada juga yang terbuat dari plastik.
Cladding terbuat dari bahan polimer atau plastik yang memiliki indeks bias lebih rendah dari core, sehingga lapisan ini dapat memantulkan cahaya kembali ke dalam
core, sehingga cahaya tetap merambat dalam core tanpa gangguan. Komponen lain yang terdapat dalam serat optik adalah buffer/coating untuk melindungi core dan cladding
serat optik yang dapat merusak bagian utama serat optik tersebut. Selain itu ada bagian lain yang penting yaitu
strengthening fiber yang berfungsi menguatkan kabel serat optik dari tarikan dan jacket berfungsi melindungi fisik serat optik dari lapisan-lapisan di bawahnya dari abrasi, guncangan hebat dan kontaminasi dengan lingkungan luar.
Jacket ini tidak memiliki bahan-bahan yang bersifat optik sehingga sinar di dalamnya tidak akan menembus lapisan ini sedikit pun [13,14].
Dasar Transmisi Cahaya dalam serta Optik
Ketika cahaya menjalar dalam bahan transparan hingga bertemu permukaan bahan transparan lain, maka dua hal yang akan terjadi. Yaitu sebagian cahaya akan di pantulkan dan sebagian cahaya lagi akan diteruskan ke dalam bahan transparan kedua. Jika cahaya masuk dengan sebuah sudut normal pada permukaan bahan, maka cahaya yang ditransmisikan biasanya berubah arah (dibelokkan) ketika memasuki bahan kedua. Pembelokan cahaya ini timbul karena adanya pembiasan yang bergantung pada kecepatan cahaya dalam suatu bahan dan kecepatan ini bergantung perbedaan indeks bias dalam suatu bahan [15]. Fenomena pembiasan cahaya ini memenuhi hukum snellius yaitu:
(2)
dimana n1 adalah indeks bias medium datang (medium
pertama), n2 indeks bias medium bias (medium kedua), θ1
adalah sudut datang, θ2 adalah sudut bias.
Pada kasus pemantulan internal total hukum snellius termodifikasi menjadi :
( ) (3)
dimana adalah sudut kritis yang menghasilkan sudut bias 90o sehingga sin θ2 = 1. Jadi dapat didefinisikan
pemantulan internal total terjadi ketika indeks bias medium pertama harus lebih besar daripada indeks bias medium kedua, dan sudut datang θ1 harus lebih besar atau sama
dengan sudut kritis [16].
Kitosan merupakan polimer alami yang berpotensi digunakan sebagai matriks dalam pembuatan komposit. Kitosan dapat diekstrak dari kulit kepiting, kulit kerang, dan kulit udang [17]. Sifat Kitosan antara lain tidak larut dalam air, pelarut organik dan larutan alkali, tetapi cepat larut dalam asam organik encer seperti asam asetat, asam sitrat, asam formiat dan asam mineral lain kecuali sulfur. Kitosan dalam larutan asam memiliki kemampuan membentuk gel yang stabil dan membentuk dua muatan kutub, yaitu muatan positif pada gugus NH dan muatan negatif pada gugus karboksilat [18]. Penelitian tentang karakteristik ikatan yang terjadi pada film kitosan dan PVA menemukan bahwa interaksi ikatan hidrogen antara kitosan
dan PVA membuat struktur kimia film yang dihasilkan sangat kokoh [19].
Dye merupakan molekul pigmen atau senyawa kimia yang dapat menyerap cahaya. Dye akan mengalami perubahan warna ketika berada dalam larutan asam atau basa. Dye indigo carmine memiliki rumus molekul C6H8N2Na2O8S2,
memiliki massa molal 466,36g/mol, kelarutan dalam air10 g/l, titik leleh diatas suhu 30oC [20,21].
Data dan Metode Alat dan Bahan
Alat – alat yang digunakan adalah pathcord serat optik plastic, bundle serat optik bifurkasi (Ocean Optics) serat optik plastik, Tungsten-Halogen Light Source (Ocean Optics), Komputer (PC) beserta Sofware Data Studio (PASCO) dan Spectrasuite (Ocean Optics), hot plate,
magnetic stirrer, fiber toolkit, manometer digital, timbangan analitik, peralatan gelas kimia. Bahan-bahan yang digunakan adalah kitosan, polivinil alcohol (PVA),
Dye Indigo Carmine, larutan asam asetat, aseton, aquades dan etanol absolute 90% dari Merck.
Metode Penelitian 1. Persiapan Serat Optik
Kabel pathcord serat optik plastik moda jamak diameter inti 960µm dipotong sepanjang 60 cm, salah satu ujungnya dilengkapi konektor, dan ujung yang lain tanpa konektor. Sekitar 3 cm dari ujung tanpa konektor, sepanjang 2 cm dilepas jaketnya kemudian melepas cladding aslinya menggunakan larutan aseton dengan metode etsa kimia. Bagian tanpa cladding ini akan dilapisi dengan gel kitosan yang ditaut silang dengan PVA dan dye indigo carmine
sebagai cladding termodifikasi dan menjadi elemen sensing sensor uap etanol. Tepat pada ujung serat optik ini dilapisi dengan cat perak sebagai reflector. Dapat dilihat gambar dibawah ini.
2. Pembuatan dan pelapisan Kitosan/PVA-dye Indigo Carmine
Cladding Termodifikasi merupakan Cladding asli diganti dengan bahan polimer berupa bahan gel kitosan /PVA- dye indigo carmine yang dapat mendeteksi uap etanol. Pelapisan (coating) inti serat optik dilakukan dengan teknik
dip-coating yaitu dengan mencelupkan bagian inti tanpa
cladding tadi ke dalam gel kitosan/PVA-dye indigo carmine kemudian ditarik pelan-pelan keluar dari wadah
gel. Selanjutnya probe serat optik ini dibiarkan mengering pada suhu kamar selama sehari semalam.
3. Uji Respon Dinamik Sensor Serat Optik Terhadap Uap Etanol
Karakterisasi untuk melihat respon dinamik sensor terhadap uap etanol dilakukan dengan cara menghubungkan ujung bundel serat optik bifurkasi (berbentuk Y) dengan menggunakan adapter konektor ke sumber cahaya, sedangkan ujung serat bifurkasi yang lain dihubungkan dengan high sensitivity light sensor. Ujung lain serat bifurkasi dihubungkan dengan probe sensor serat optik yang telah dilengkapi konektor SMA. Selanjutnya probe sensor optik dimana terdapat elemen sensing dimasukkan ke wadah uap etanol. Pengambilan dan pemrosesan data dilakukan secara otomatik pada computer menggunakan software Datastudio (PASCO). Data yang ditampilkan dalam bentuk kurva respon dinamik, yaitu kurva siklus perubahan intensitas cahaya terhadap waktu. Dari kurva tersebut dapat ditentukan waktu respon, waktu pemulihan (recovery), kemampuan balik (reversibility) dan kemampuan perulangan (repeatability) sensor serat optik.
Adapun alur penelitian dapat dilihat sebagai berikut :
Hasil dan Diskusi
Respon Dinamik Probe Sensor Terhadap Uap Etanol Hasil uji respon dinamik serat optik terhadap uap etanol ditunjukkan pada gambar 6 berupa siklus yang
merepresentasikan perubahan intensitas relatif (%) cahaya yang ditransmisikan melalui sistem sensor serat optik terhadap waktu. Kurva siklus ini merupakan respon sensor akibat perubahan sifat optik cladding termodifikasi gel kitosan/PVA yang didoping dye indigo carmine terhadap kehadiran atau ketidakhadiran uap etanol. Respon dinamik probe sensor terhadap tiga variasi konsentrasi etanol pada gambar 6 memperlihatkan keadaan stationer yang meningkat terhadap kenaikan variasi uap etanol. Tiga variasi uap etanol tersebut yaitu uap larutan etanol 10-1 %, 1 % dan 5 %.
Tampak pada kurva, sebelum diekspos uap etanol intensitas transmisi (%) sensor serat optik tetap, karena cladding kitosan/PVA didoping dye indigo carmine belum berubah sifat optiknya. Namun, sesaat setelah probe sensor dimasukkan kedalam wadah uap etanol (ON), intensitas cahaya transmisi naik dan menuju nilai stabil (stationer) hingga beberapa saat kemudian, bagian ini disebut bagian respon kurva respon sensor. Penurunan indeks bias meningkatkan moda propagasi di dalam serat optik sehingga juga berperan dalam meningkatkan intensitas transmisi. Sebaliknya saat probe serat optik dikeluarkan dari wadah uap etanol (OFF), intensitas cahaya yang ditansmisikan melalui sistem sensor serat optik menurun dengan sangat cepat menuju nilai stationer awal seperti sebelum dimasukkan ke dalam wadah uap, bagian kurva ini disebut bagian pemulihan (recovery).
Waktu Respon dan Waktu Pemulihan Uap Etanol Untuk menentukan waktu respon dan waktu pemulihan, maka dilakukan analisis pada bagian respon dan bagian pemulihan dari kurva respon. Berdasarkan definisi, waktu respon ditentukan dari waktu interval antara 10% dan 90% diukur dari kondisi suatu stationer hingga stationer berikutnya[15]. Tiga konsentrasi uap yang berbeda, menghasilkan waktu respon yang berbeda pula. Perbedaan waktu respon ketiga konsentrasi dapat dilihat pada gambar 7.
Pada kasus ini penentuan waktu respon diambil dari kurva bagian respon yang meningkat dalam rentang peningkatan intensitas transmisi hingga 90 %. Sedangkan waktu pemulihan ditentukan dari kurva bagian pemulihan dengan intensitas yang menurun menuju keadaan stationer awal hingga 90 % dari intensitas transmisi. Hasilnya dapat dilihat pada gambar 8.
Hasil analisis waktu respon dan waktu pemulihan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 dan 8, diperoleh bahwa waktu respon uap etanol 10-1 %, 1 %, dan 5 % berturut-turut adalah 15.4 menit, 13.7 menit dan 13.1 menit. Sedangkan waktu pemulihan cukup singkat, masing-masing sebesar 1.3 menit, 1.2 menit, dan 1 menit. Waktu respon sedikit lebih besar dari waktu pemulihan karena ketika merespon kehadiran uap etanol, cladding gel kitosan/PVA yang didoping dye indigo carmine memiliki waktu yang lebih lama dalam proses perubahan konformasi ketika berinteraksi dengan uap etanol. Hal ini juga terjadi karena pada saat diekspos dengan uap etanol kemungkinan terjadi pembengkakan (swelling) pada gel kitosan/PVA. Pembengkakan pada gel kitosan/PVA menyebabkan kerapatan gel berkurang , sehingga mempengaruhi indeks bias. Penelitian sensor serat optik uap etanol dengan
cladding termodifikasi gel kitosan/PVA-dye indigo carmine ini memperlihatkan semakin tinggi konsentrasi uap etanol, nilai waktu responnya semakin cepat. Begitupula waktu pemulihan sensor memiliki waktu yang singkat dari pada waktu responnya. Dengan adanya siklus waktu respon dan waktu pemulihan ini menunjukkan bahwa sensor serat optik uap etanol ini memiliki kemampuan dapat balik (reversibility) dan kemampuan perulangan (repeatability). Penutup
Kesimpulan
Hasil uji respon berupa kurva waktu respon dan waktu pemulihan. Waktu respon uap etanol 10-1%, 1 %, dan 5 % berturut-turut adalah 15,4 menit, 13,7 menit dan 13,1 menit. Sedangkan waktu pemulihan cukup singkat,
masing-masing sebesar 1,3 menit, 1,2 menit, dan 1 menit. Waktu pemulihan sensor memiliki waktu yang singkat daripada waktu responnya. Berdasarkan kurva respon menunjukkan sensor serat optik etanol memiliki kemampuan yang dapat balik (reversibility) dan kemampuan perulangan
(repeatability) sehingga sensor serat optik dapat diaplikasikan secara real time.
Saran – Saran
1.Penelitian ini dapat dikembangkan dengan menggunakan metode yang sama, yaitu cladding termodifikasi tetapi menggunakan bahan gel atau dye
yang berbeda.
2.Panjang dan ketebalan cladding perlu dioptimasi untuk meningkatkan sensitivitas sensor serat optik.
Daftar Pustaka
[1]...,KadarPersentaseAlkohol,http://tech.groups.yahoo.co m/group/kimiaindonesia/message/7765, September 2014
.
[2] Arnold SA, Harvey LM, McNeil B, Hall JF.2003. Employing nearinfrared spectroscopic methods of analysis for mentation monitoring and control, Part 2 : implementation strategies, Bio Pharm Int : 47-49. [3] Arico AS, Creti P, Antonucci PL, Antonucci V.1998.
Comparison of ethanol and methanol oxidation in a liquid-feed solid polymer electrolyte fuel cell at high temperature. Electrochem Solid-State Lett. 1:66-68. [4] Buttler T, Johansson KAJ, Gorton LGO, Marko-Varga
GA. 1993. On-line fermentation process monitoring of carbohydrates and ethanol using tangensial-flow filtration and column liquid chromatography. Anal. Chem. 65: 2628-2636.
[5] Mohr GJ, Lehmann F, Grummt UW, Spichiger- Keller UE. 1997 . Fluorescent ligands for oftical sensing of alcohols synthesis and characterization of p-N, N-dialkylamino- trifluoroacetylstilbenes, Anal. Chim. Acta 344: 215-225.
[6] Mohr GJ, Spichiger- Keller UE. 1997. Novel fluorescent sensor membranes for alcohol based on p-N, N-dioctylamino-4’- trifluoroacetylstilbenes, Anal. Chim. Acta 351: 189-196
[7] Bansal L. 2004. Development of fiber chemical sensor or detection of toxic vapors (thesis). Drexel: Drexel University.
[8] Zinbo M. 1994. Determination of one carbon to three-carbon alcohols and water in gasoline/ alcohol blends by liquid chromatography. Anal. Chem. 56: 244-247. [9] Azevedo AM, Prazeres DMF, Cabral JMS, Fonseca LP.
2005. Etanol bio-sensors based on alcohol oxidase. Biosens. Bioelectron.
[[10] Boujitita M, Hart JP, Pittson R.2000. Development of a disposable ethanol biosensor based on a chemically modified screen-printed electrode coated with alcohol oxidase. Anal. Chem. 55 : 1582-1585.
[11] Maddu A, Sardy S, Arif A, Zain H. 2006. Pengembangan sensor uap ammonia berbasis serat
optik dengan cladding termodifikasi nanoserat polianilin. J sains Tek. Vol.12, No.3 : 137-142. [12] Muhsin A.2005. Sensor fiber optik untuk mengukur
p-H dengan metode absorbs gelombang evanescent menggunakan methylene blue (skripsi). Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
[13] Delima E.2008. Fiber optik sebagai media transmisi data. Bandung : Institut Tekhnologi Bandung. [14] Kolimbris, Harold.2004. Fiber Optics Communication.
New Jersey: Prentice Hall.
[15] Tricker R.2002. Optoelectronics and Fiber Optic Technology. Oxford: Newnes.
[16] Freudenrich C. 2008.How Fiber optics Works
[terhubung berkala].
http://electronics.howstuffworks.com/fiber-optic6..html [11 Nov 2014]
[[17] Chen CH, Wang FY, Mao CF, Yang CH.2007. Studies of chitosan I : preparation and characterization of chitosan/poly(vinyl alcohol) blend films. Polymer science 105: 1086-1092.
[18] Krajewska B.2004. Membrane-based processed performed with use of chitin/chitosan materials. J Separation and Purification Technology 41: 305-312 [19] Rinaudo M.2006. Chitin and chitosan: properties and
applications. J.Polymer. Science 31 : 603-632
[20] Hodgkinson N, Taylor M.2000. Thermoplastic Poly(vinyl alcohol) (PVOH). J. Material World 8 : 24-25
[21] Adithya D. 2006. Pembuatan probe sensor serat optik untuk mengukur derajat keasaman (pH) menggunakan methyl violet sebagai dye indicator [skripsi]. Bogor. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
