Natrium nitrat biasanya digunakan untuk pengawetan daging karena dapat membatasi pertumbuhan patogen pada daging yang diawetkan. Sayangnya, jumlah natrium nitrat yang lebih besar dalam makanan mungkin berbahaya bagi kesehatan manusia. Penelitian dan pedoman terbaru menekankan pentingnya menjaga asupan harian natrium nitrat di bawah tingkat aman yang direkomendasikan, yaitu 3,7 mg/kg berat badan (bw) per hari memperhitungkan asupan makanan, kehadiran alami dalam kontaminasi dan polusi. Dengan demikian, pengukuran natrium nitrat yang akurat dalam pengolahan makanan, bahan cair, minuman, dan persediaan air sangat penting. Sensor nitrat tradisional yang bergantung pada elemen resistif dan kapasitif menghadapi tantangan ketergantungan frekuensi dan suhu. Misalnya, transistor efek medan berbasis graphene dan sensor PCB kapasitif digunakan untuk mendeteksi nitrat sebelumnya. Sensor serat optik adalah pilihan yang menjanjikan untuk mendeteksi analit cair termasuk natrium nitrat karena ukurannya yang kecil, ringkas dan kebal terhadap interferensi elektromagnetik. Selain itu, elemen serat optik dapat bekerja dengan baik dalam rentang frekuensi yang luas dan dapat menahan suhu tinggi daalam lingkungan berbahaya.
Graphene adalah bahan 2D yang digunakan dalam banyak aplikasi optik karena sifat optik dan listriknya seperti kelembaman kimia, transparansi optik, konduktivitas yang sangat baik, dan luas permukaan yang besar. Semua sifat ini menjadikan graphene sebagai kandidat yang baik untuk melapisi sensor serat optik. Di sisi lain, PVA adalah bahan yang sangat lengket untuk serat silika dan polimer yang dapat larut dalam air. PVA digunakan sebagai pelapis untuk membantu graphene menempel dengan baik ke silika bahkan ketika terendam dalam cairan, untuk mendukung struktur serat berbentuk D dan membuatnya tahan terhadap penanganan dan pergerakan. Dalam penelitian ini, struktur serat berbentuk D yang dilapisi graphene/PVA akan didemonstrasikan untuk mendeteksi larutan natrium nitrat. Sensor ini dibangun berdasarkan pengaturan yang lebih sederhana dan ringkas yang terdiri dari sumber laser tunable dan detektor cahaya, yang bertujuan untuk membuat sensor serat kompak yang mampu mendeteksi natrium nitrat dalam cairan untuk memastikan keamanan dalam minuman, air, dan pengolahan makanan. . Sensor ini berpotensi untuk dikembangkan lebih lanjut dan dikemas dalam kemasan 3D untuk aplikasi kehidupan nyata.
Metode dan Hasil
Serat mode tunggal silika biasa (Corning SMF-28) digunakan dalam percobaan ini. Untuk membuat serat berbentuk D yang dibutuhkan, daerah 1 cm dari serat dilucuti dari penyangga. Kemudian, serat dibersihkan dengan isopropanol dan dipoles sisi menggunakan mesin pemoles buatan sendiri. Roda mekanis yang dilapisi dengan amplas halus digunakan untuk memoles satu sisi serat sampai diameternya diukur menjadi 83 µm. Diameter serat berbentuk D dipilih berdasarkan kinerja dan keseragamannya. Diameter yang lebih kecil cenderung mudah pecah, dan proses pembentukan D dapat merusak inti serat pada diameter lebih kecil dari 80. Diameter yang lebih besar memiliki lebih sedikit evanescen, dan media sekitarnya memiliki efek yang lebih kecil pada karakteristik perambatan cahaya dari perambatan cahaya di sensornya. Area yang dipoles kemudian dibersihkan dengan hati-hati dengan isopropanol. Itu dibuat dengan mencampurkan 5 mg bubuk graphene yang diperoleh dari fusionnano dengan 10 mL larutan natrium dodesil sulfat (SDS). Larutan SDS dibuat dengan mencampurkan 1% SDS (Sigma-Aldric) ke dalam larutan air deionisasi yang diaduk selama satu jam. Solusi graphene SDS kemudian disonikasi selama 72 jam. 10 mL suspensi graphene dicampur dengan 10 mL aseton. Campuran diaduk selama delapan jam. Kemudian, 5 mL larutan PVA ditambahkan ke dalamnya dan diaduk selama delapan jam lagi. Serat berbentuk D dicelupkan ke dalam cawan Petri yang berisi larutan ini selama dua menit. Serat berbentuk D yang dilapisi dibiarkan kering selama dua jam. Proses ini diulang tiga kali. Daya luaran optik diukur sebelum dan sesudah proses pelapisan dan daya luaran optik turun sebesar 2 dB setelah seluruh proses pelapisan ini. Proses pelapisan dioptimalkan, jumlah PVA yang berbeda digunakan dengan larutan graphene. Namun, metode yang ditampilkan di sini memiliki sensitivitas terbaik dan waktu pengeringan tercepat. Dalam percobaan, sampel yang sama yang digunakan untuk pengujian sensor yang tidak dilapisi dilapisi dan yang dilapisi digunakan untuk pengujian sensor. Untuk mempelajari variasi daya luaran dengan konsentrasi perubahan natrium nitrat, serat yang dilapisi dihubungkan di satu ujung dengan sumber laser yang dapat diatur (TLS, Ando AQ4321D) dengan resolusi 0,001 nm dan di ujung lainnya dengan pengukur daya optik (PM100D) dengan sensitivitas hingga 70 dBm yang terhubung ke PC untuk merekam dan menyimpan data. Daerah yang diinginkan dari serat berbentuk D direndam dalam larutan natrium nitrat yang ditentukan. Perendaman sampel dalam larutan natrium nitrat tidak menyebabkan lapisan graphene/PVA hanyut. Setelah setiap langkah percobaan, larutan natrium nitrat yang tersisa di cawan Petri dibuang dan dibilas dengan air deionisasi dan sensor disemprotkan dengan iso-propanol dengan lembut dan dibiarkan kering dan hanya setelah daya luaran optik kembali ke tingkat semula, langkah selanjutnya dilakukan. Setiap sampel serat berbentuk D yang dilapisi dengan lapisan graphene PVA diuji minimal 21 kali dengan menggunakan larutan natrium nitrat.
Hasil menunjukkan bahwa saya luaran yang ditransmisikan terhadap konsentrasi natrium nitrat untuk sensor yang tidak dilapisi dan yang dilapisi. Untuk fiber bentuk-D tidak dilapisi daya luaran turun menjadi dari 1 dBm menjadi 2 dBm ketika konsentrasi natrium meningkat dari 1% menjadi 7%. Grafena/PVA dilapisi daya luaran turun dari -3,3 dBm menjadi -5.6 dBm dengan konsentrasi sodium yang sama. Seperti yang ditunjukkan padahasil eksperimen, sampel yang dilapisi menunjukkan sensitivitas 0,390 dBm/% dan linearitas 99% dibandingkan dengan yang tidak dilapisi sampel dengan sensitivitas 0,117 dBm/% dan linearitas masing-masing 98%, dan hal tersebut menunjukkan keuntungan yang jelas dari penggunaan graphene/PVA yang digunakan untuk sodium nitrat serat sensor. Pelapisan juga meningkatkan kinerja luaran sensor untuk setiap percobaan. Lapisan graphene meningkatkan sensitivitas sensor karena sifat listrik graphene sifat dan efek ion pada indeks bias media sekitarnya. Natrium nitrat membentuk ion dalam larutan air dan ion-ion ini menyebabkan perpindahan muatan dengan konduktif lapisan graphene. Jadi, kerapatan daerah berbentuk D medium sekitarnya meningkat, dan sebagai hasilnya, perubahan bias indeks juga meningkat. Sensor diuji pada natrium larutan nitrat. Namun, itu dibersihkan secara rutin dengan air deionisasi dan air tidak berpengaruh pada output sensor.
Struktur optis tercoating graphene/PVA bentuk-D untuk sensor konsentrasi larutan sodium nitrat telah berhasil dibuat dan dilakukan pengujian kinerjanya. Konsentrasi larutan sodium nitrat dari 1-7% menunjukkan sensitivitas 0,390 dBm/% telah berhasil ditingkatkan dibandingkan dengan sensor dengan struktur tanpa coating sebesar 0,117 dBm/%. Hasil menunjukkan bahwa sensor dengan struktur tercoating mempunyai kinerja (linearitas, resolusi, stabilitas dan pengulangan) yang lebih baik. Peningkatan kinerja tersebit disebabkan oleh coating graphene/PVA dan perubahan indeks bias di dalam daerah bentuk-D sensor dengan bertambahnya konsentrasi larutan sodium nitrat. Kedepan, tujuan pengembangan sensor akan dibuat versi miniature yang terinegrasi dengan paking 3D dan pengujian dengan larutan nitrat yang berbeda.
Penulis: Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
file:///C:/Users/Mohammad%20Yasin/Downloads/1-s2.0-S0924424721006282-main.pdf
Huda Adnan Zain, Malathy Batumalay, Sulaiman Wadi Harun, Zuraidah Harith , Moh Yasin, Hazli Rafis Abdul Rahim., Graphene/PVA coated D-shaped fiber for sodium nitrate sensing https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.113163
