Deteksi Uap Etanol Berbasis Serat Optik dengan Cladding

PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014
Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa
Makassar, 13 September 2014
Deteksi Uap Etanol Berbasis Serat Optik dengan Cladding Termodifikasi Kitosan/pva-indigo
carmine
Nurul Fuadi1
1
Program Studi Fisika Fakultas Sainstek
Univ.Islam Negeri Alauddin Makassar
[email protected]
Sari
Pada saat ini, kadar etanol paling tinggi yang ada di pasaran
adalah 96% untuk konsentrasi teknis [1].
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 % berturutturut 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.
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].
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.
207
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014
Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa
Makassar, 13 September 2014
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]:
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)
( )
(1)
dimana n1 adalah indeks bias medium datang (medium
pertama), n2 indeks bias medium bias (medium kedua), θ 1
adalah sudut datang, θ2 adalah sudut bias.
Pada kasus pemantulan internal total hukum snellius
termodifikasi menjadi :
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].
( )
(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
Dasar Transmisi Cahaya dalam serta Optik
208
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014
Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa
Makassar, 13 September 2014
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 C6H8N2Na2O 8S2,
memiliki massa molal 466,36g/mol, kelarutan dalam air10
g/l, titik leleh diatas suhu 30oC [20,21].
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.
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.
Adapun alur penelitian dapat dilihat sebagai berikut :
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
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
209
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014
Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa
Makassar, 13 September 2014
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 %.
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.
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).
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).
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.
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-
210
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014
Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa
Makassar, 13 September 2014
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.
optik dengan cladding termodifikasi nanoserat
polianilin. J sains Tek. Vol.12, No.3 : 137-142.
[12] Muhsin A.2005. Sensor fiber optik untuk mengukur pH 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/fiberoptic6..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 : 2425
[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.
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, Ndialkylamino- trifluoroacetylstilbenes, Anal. Chim.
Acta 344: 215-225.
[6] Mohr GJ, Spichiger- Keller UE. 1997. Novel
fluorescent sensor membranes for alcohol based on pN, 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 threecarbon 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
211