BAB7 Sensor KIMIA

Dr. Thomas Kenny, Departemen Teknik Mesin, Universitas Stanford

Sensor Kimia biasa digunakan untuk mendeteksi keberadaan senyawa kimia tertentu atau unsur kimia dan konsentrasinya. Bab ini membahas beberapa konsep dasar penginderaan jumlah kimia dan beberapa aplikasi penting.

7.1 Teknologi PokokHidung Peralatan perasa (pembau) manusia memiliki kemampuan mendeteksi yang sangat lentur dan peka. Manusia mampu untuk mendeteksi dan membedakan ribuan bau dengan pengenalan yang seketika. Pelacak bau dibuat sangat kompleks karena keunikan akibat kekurangan pada basis kimia dari bau yang banyak. Tidak ada “molekul bawang putih” yang berbeda dari “molekul enchilada”, namun seseorang dapat dengan mudah membedakan bau ini.

Semua sistem pelacak bau biologis didasarkan pada sejumlah sensor yang dapat dibedakan. Sistem pengenalan bau didasarkan pada pencocokan pola dari rangsangan yang diterima oleh sensor-sensor kimia yang berbeda dari berbagai bau yang masuk ke hidung. Bawang putih dan enchiladas menghasilkan suatu rangsangan kolektif yang sedikit berbeda pada seluruh sensor di hidung, dan otak telah menyimpan koleksi berbagai macam pola yang digunakan untuk pembanding. Psikolog telah menemukan bahwa pola bau ini merupakan salah satu diantara jenis ingatan terkuat, dan bebauan kadang digunakan untuk menyusun kembali ingatan (yang hilang).

Gambar 7.1.1: Hidung manusia.

Para penyusun sistem pengindra kimia perlu belajar dari gambaran sistem biologi. Satu pelajaran penting adalah bahwa sistem multifungsi perlu menggunakan suatu set kecil yang berisi sensor-sensor yang berbeda dan algoritma pencocok pola untuk mengenal bebauan secara akurat.

Detektor dari Molekul TertentuAplikasi pengindra kimia memerlukan pelacakan dari satu molekul tertentu, tersedia beberapa teknik tentangnya. Teknik ini berdasarkan pada sifat unik yang ada pada molekul tertentu.Sekumpulan sifat dihubungkan dengan mode pemutaran dan getaran dari molekul. Mode energi yang tepat ini biasanya unik untuk suatu molekul tertentu, dan mungkin digunakan untuk tujuan identifikasi. Kebanyakan getaran dan rotasi adalah “optik aktif,” maksudnya bahwa mungkin tertarik dengan penyerapan suatu foton, atau memancarkan foton. Penyerapan foton ini biasanya terjadi pada inframerah, sehingga spektroskopi inframerah biasanya berguna sebagai cara untuk mengidentifikasi molekul.

TURBINATE BONES

OLFACTORY AREA

OLFACTORY BULB

TONGUE

BRAIN

Sebagai contoh, CO adalah molekul yang sangat sederhana (memvisualisasikan dua bola dan pegas), yang mampu berosilasi pada frekuensi tunggal (memvisualisasikan mereka memantul bersama-sama dan menjauh) dan berputar kira-kira dua sumbu, keduanya tegak lurus terhadap garis yang menghubungkan atom. Dalam mekanika kuantum, getaran diwakili sebagai frekuensi tunggal -molekul mungkin dalam keadaan dasar, atau salah satu dari sejumlah keadaan tereksitasi, yang masing-masing dipisahkan oleh energi dengan mode : hw/(2π). Mekanika kuantum termasuk "Aturan Seleksi" yang sangat mendukung relaksasi satu langkah pada hw/(2π) pada suatu waktu. Fitur ini muncul dalam spektrum inframerah sebagai penyerapan tunggal.

Dalam spektrum penyerapan CO, ditunjukkan dalam Gambar 7.1.2, kita melihat sepasang batas puncak penyerapan. Puncak ini membelah disebabkan oleh fakta bahwa karbon yang ada di isotop memiliki massa atom 12 atau 13. Penambahan massa dari C13 mengurangi energi getar karena menurunkan frekuensi resonansi w (w=√k /m).

NIST Chemistry WebBook (http://webbook.nist.gov/chemistry) Gambar 7.1.2: Spektrum penyerap CO.

Selain getaran, molekul juga dapat memiliki energi rotasi. Dalam Spektrum NH3 (amonia), spektrum rotasi memberikan serangkaian garis berjarak dekat memusat ke sekitar puncak getaran. Eksitasi ini melibatkan penyerapan foton, dan perubahan dari kedua energi getar dan rotasi.

1000.2000.3000.

0.6

0.7

0.8

0.9

1.RelativeTransmittance

Nilai Gelombang

SPEKTRUM INFRA MERAHKarbon Monoksida

NIST Chemistry WebBook (http://webbook.nist.gov/chemistry) Gambar 7.1.3: Spektrum NH3.

Setiap molekul memiliki spektrum inframerah yang berbeda. Spektrometer inframerah dapat digunakan untuk mengukur spektrum penyerapan sampel gas, untuk mencari fitur yang mengindikasikan adanya konstituen gas tertentu. Instrumen inframerah yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar berikutnya. Di instrumen ini, cahaya dari sumber melewati ruang sampel penuh, kemudian melalui roda pemotong, pemilih filter, dan difokuskan ke detektor. Filter pemilih terdiri dari sepasang filter dengan band-band transmisi inframerah sangat sempit. Salah satu band transmisi filter berpusat pada penyerapan molekul, dan yang lainnya berpusat pada puncak pita penyerapan bunga. Dengan bergantian antara kedua filter, sinyal perbedaan mungkin baru terdeteksi ketika molekul bunga hadir. Pendekatan ini dapat dioptimalkan hanya untuk sebuah molekul tunggal pada suatu waktu, namun sangat mudah untuk aplikasi singlemolecule tersebut. Sebuah contoh dari aplikasi tersebut akan menjadi detektor CO untuk pemeriksaan / pemantauan sistem pembuangan otomotif.

Jelas, sistem optik yang lebih rumit dapat dibangun. Selain penggunaan sepasang filter, ini memungkinkan untuk memperoleh spektrum lengkap (seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas) melalui penggunaan spektrometer infra merah. Spektrometer tersedia dalam dua desain dasar, baik yang cenderung sangat besar dan sangat mahal. Salah satu instrumen tersebut menggunakan kisi berputar untuk membubarkan cahaya ke dalam panjang gelombang terpisah, dan memindai spektrum melintasi sebuah detektor.

Selain getaran dan rotasi, molekul juga dapat disebut oleh massa (atau spektra massa). Karenanya, spektrometer massa juga digunakan untuk mendeteksi dan membedakan molekul. Sebuah diagram dari spektrometer massa magnetik ditunjukkan pada Gambar 7.1.4.

Dalam perangkat ini, molekul gas yang diionkan dengan membombardir mereka dengan elektron dari filamen yang dipanaskan. Beberapa molekul gas menjadi positif karena pemboman electron pada umumnya lebih efektif pada pelepasan elektron daripada menambahkan elektron (kecuali

1000.2000.3000.

0.2

0.4

0.8

0.6

Transmittance

Angka Gelombang

SPEKTRUM INFRA MERAH

Ammonia

untuk spesies elektronegatif seperti Cl.) Setelah molekul diisi, mereka dipercepat dengan energi kinetik yang konstan oleh medan listrik, dan mereka memasuki bagian utama spektrometer. Di sini, ada sebuah medan magnet, yang memberikan gaya Lorentz pada setiap molekul, yang cenderung membelokkan lintasan molekul. Besarnya defleksi tergantung pada kecepatan dan massa, karena bertugas untuk memisahkan molekul dengan massa mereka. Serangkaian detektor bertugas untuk merekam konsentrasi molekul pada sudut defleksi, dan output dapat ditampilkan sebagai spektrum massa. Salah satu kelemahan penting pada instrumen tersebut adalah bahwa molekul harus melakukan perjalanan pada seluruh jalan mereka tanpa hamburan dari molekul lain. Di udara pada lapisan atmosfer, jarak rata-rata antara tabrakan adalah 1 mikron. Karena spektrometer massa khas membutuhkan 10-100 cm dari lintasan, tekanan harus menjadi 6-9 lipat lebih rendah dari tekanan atmosfer. Oleh karena itu, spektrometer massa umumnya memerlukan pompa vakum.

Selain spektrometer massa magnetik, ada spektrometer berdasarkan berosilasi medan listrik (analisa quadruple), dan pada hubungan massa-kecepatan untuk partikel dengan energi kinetik yang sama (saat penerbangan). Spektrometer ini, semua, memiliki kebutuhan yang serupa terhadap tekanan.

Akhirnya, tersedia serangkaian instrumen kromatografi. Di instrumen ini, molekul yang bervariasi bergabung berguna untuk mendeteksi molekul tertentu. Sebuah kromatografi gas yang khas secara skematik ditunjukkan pada Gambar 7.1.5.

Di sini, sampel ditambahkan ke gas yang bertekanan, dan dipaksa untuk menyebar melalui "kolom," yang pada dasarnya adalah sebuah tabung sempit yang sangat panjang. Komponen sampel gabungan pada tingkat yang berbeda melalui kolom, dan detektor di akhir mencatat jejak sinyal-vs-time yang berisi puncak yang dapat diidentifikasi sebagai ciri sampel tertentu. Kromatografi telah digunakan untuk waktu yang lama, dan umumnya dilakukan pada instrumen kelas atas seharga $ 10.000 sampai $ 100.000. Miniaturisasi alat tersebut saat ini menjadi subjek penelitian di industri dan akademisi.

Teknik microfabrication dapat digunakan untuk memproduksi kolom dan detektor daerah. Sebuah contoh ditampilkan dari

ColumnDetector

Recorder

portInjector

controllerFlow

Carrier gas

Column oven

penelitian pada kelompok Kovacs di Stanford, dalam bentuk alat elektroforesis kapiler yang ditampilkan pada Gambar 7.1.6

Dalam elektroforesis, tegangan bias listrik diterapkan pada kolom, dan cairan pembawa konduktif. Oleh karena itu, ada aliran pembawa ion fluida melalui kolom, yang menyapu sampel bersama dengan itu. Perbedaan difusivitas untuk komponen yang berbeda menyebabkan sampel-sampel yang akan menyebar ke dalam spektrum, dan output yang dihasilkan jejak mungkin akan dianalisis untuk mengidentifikasi komponen dan mengukur konsentrasi mereka.

Teknik Pendeteksi ElektromagnetikTubuh manusia juga melakukan banyak sekali pengukuran kimia pada cairan tubuh. Prinsip-prinsip dasar di balik pengukuran tersebut dibahas dalam paragraf berikut.

Jika membran semipermeabel memisahkan dua solusi, dimungkinkan untuk salah satu komponen dari satu solusi untuk menyebar melalui dari satu sisi ke sisi lain. Gagasan "membran semipermeabel" mungkin terdengar aneh, tetapi ada banyak contoh biologi membran sel yang lulus hanya beberapa nutrisi.

Gambar 7.1.7: Electroda pH.

Dalam solusi H2O, banyak atom dan molekul yang berada dalam keadaan terisi (Na umumnya memiliki muatan +1, misalnya), sehingga difusi molekul ini juga merupakan difusi muatan.

Sekarang, ketika dua solusi diperkenalkan,mungkin perbedaan dalam konsentrasi ion mobile di kedua sisi membran tetap diketahui. Secara umum, satu sisi adalah contoh rujukan, dan sisi lain adalah contoh untuk diuji. Ion dari masing-masing pihak segera mulai menyebar melalui membran.

Gambar 7.1.7 menunjukkan membran kaca yang memisahkan larutan sampel (di luar) dari larutan acuan (dalam), dan elektroda untuk mengukur perbedaan potensial. Jika konsentrasi yang berbeda pada dua sisi membran, jumlah difusi akan berbeda, yang mengarah ke difusi net. Karena ada juga muatan yang berhubungan dengan ion-ion ini, yaitu arus. Dengan sangat cepat, gerakan muatan di membran menyebabkan pembentukan medan listrik, yang bertentangan dengan arah aliran ion. Suatu kesetimbangan didirikan ketika medan listrik cukup besar untuk diatasi perbedaan konsentrasi dan tingkat difusi menjadi seimbang. Pada titik ini perbedaan potensial melintasi membran mutlak terkait rasio konsentrasi. Hubungan ini diberikan dalam buku teks pengantar kimia sebagai persamaan Nernst:

Dalam unit normal untuk kimia, kita memiliki:

Jadi, jika ada rasio konsentrasi 2, akan ada beda potensial sekitar 20 mV. Perbedaan potensial seperti ini sangat mudah untuk diukur.

Dalam situasi terkini, ketebalan membran tidak terlalu tipis, sehingga perbedaan potensial terbentuk sebelum adanya banyak transfer konsentrasi. Hal ini penting, karena jika tidak difusi(penggabungan) yang dibutuhkan akan mengubah konsentrasi.

7.2 ApplicationsOtomotifSalah satu aplikasi automotif yang penting untuk sensor seperti ini adalah sensor pembuangan oksigen. Dalam automobile, bahan bakar dan udara bertemu dan dicampur ke dalam silinder untuk pembakaran. Campuran dapat berisi lebih banyak bahan bakar (rich) atau lebih banyak udara(lean). Pada mobil tua,campuran ini diatur secara manual. Performa optimal didapatkan dari campuran rich yang sedikit, karena akan memaksimalkan kompresi.

Bagaimanapun, EPA ditugasi untuk memonitor emisi automotif dan menghitung campuran rich juga meninggalkan banyak hidrokarbon yang tidak diinginkan di dalam pembuangan, yang mengotori udara dan mempunyai akibat yang tidak diinginkan pada ozon. Pada tahun 70-80an, hal ini diperlukan untuk mempunyai sistem kontrol yang mempertahankan rasio bahan bakar dan udara pada nilai tepat yang diperlukan untuk pembakaran optimal.

Mandat pemerintah mungkin dibuat karena kebetulan beruntung. Pengukuran akurat dari masukan bahan bakar dan udara untuk ruang pencampuran mungkin sangat mahal. Biarpun setelah pembakaran pengukuran dapat dilakukan saat pembuangan. Selama pembakaran campuran rich, hampir semua oksigen dikonsumsi. Selama pembakaran campuran lean, konsentrasi oksigen hampir sama dengan di atsmosfer (1-10%). Jadi, mungkin untuk menentukan rumusan dari campuran sangat akurat dengan cara melakukan pengukuran sederhana dari oksigen pada pembuangan.

Pada sistem automotif yang baik, rasio konsentrasi untuk rich dan lean mungkin berselisih 10-20 urutan besarnya. Sebuah sensor elektrokimia yang membandingkan konsentrasi oksigen dalam pembuangan terhadap udara dapat memproduksi tegangan sekitar 1 v atau sekitar 0 v untuk kedua kondisi yang dengan mudah dibedakan oleh mesin pengontrol.

Oksigen dapat membaur dengan keramik, jadi sensor oksigen dapat dibuat dari keramik yang permukaan tertutupnya dilapisi dengan elektroda. Potensial antara permukaan tertutup dan permukaan terbuka ke pembuangan diukur dan digunakan untuk mengatur campuran bahan bakar/udara. Gambar 7.2.1 menunjukan Susunan electrodanya.

Gambar 7.2.1 Sensor oksigen

Tetapi teknologi dasar ini masih mempunyai beberapa karateristik yang belum diketahui. Sensor bekerja berbeda saat dingin, dan mobil tidak optimal selama pemanasan sistem emisi. Sekarang, kebanyakan emisi dari automobile terjadi pada beberapa menit pertama setelah dimulai. Pada tahun yang akan datang, anda berharap melihat mandate pemanas EPA untuk pemanasan lebih cepat dari sensor tersebut.

Tetapi teknologi dasar ini masih mempunyai beberapa karateristik yang belum diketahui. Sensor bekerja berbeda saat dingin, dan mobil tidak optimal selama pemanasan sistem emisi. Sekarang, kebanyakan emisi dari automobile terjadi pada beberapa menit pertama setelah dimulai. Di masa depan, anda berharap melihat mandate pemanas EPA untuk pemanasan lebih cepat dari sensor tersebut.

Macam-macam teknik pengindraan kimiawi dan aplikasinya

Pengukuran kotoran pada air menjadi sangat penting. Sebelum menggunakan teknik deteksi yang lebih mahal, lebih mudah untuk mengukur daya konduksi secara langsung dengan sederhana. Daya konduksi air bervariasi oleh urutan besaran dari sangat murni sampai air keran biasa. Untuk pengukuran resistansi, jembatan resistansi sederhana sudah mencukupi.

Rangkaian pengukuran konduktivitas

Jika ini penting untuk menghindari kontak elektrikal langsung dengan fluida karena efek kimia, nonkontak diperlihatkan pada gambar

Pengukuran nonkontak konduktivitas

Pada kasus ini, pengukuran seperti yang dilakukan detektor logam. Konduktivitas dari fluida mengurangi induktansi antara sepasang kumparan pada saluran fluida. Kerugian dari hal ini adalah sulit untuk mendeteksi konduktivitas fluida jika pipanya sendiri konduktif.

CHEMFETs

Metode lain untuk deteksi kimia atau dalam

gas bergantung pada transfer muatan yang dapat terjadi selama pada suatu reaksi kimia yang berada pada lapisan permukaan. Dalam perangkat ini, permukaan bunga berupa elektroda logam yang sebenarnya gerbang terbuka dari transistor efek medan (FET). Karena konduksi dari sumber ke drain FET dimodifikasi oleh muatan di pintu gerbang, perangkat ini bisa menjadi detektor sangat sensitif yang menyerap spesies tertentu. Sensor ini disebut CHEMFETs.

Tentu saja, untuk membangun sebuah detektor yang selektif, perlu memilih elektroda metal yang memungkinkan hanya terjadi satu reaksi kimia saja. Logam sederhana sangat tidak selektif, sehingga CHEMFETs sederhana menderita kurangnya selektivitas – yang berarti bahwa mereka

konduktivitas jika pipanya konduktif.

“S”

AC

SOURCE

VOLTAGE

mR

CELLCONDUCTIVITY

DEVICEREADOUT

3R

RxRy1R 2R

sR

Noncontactconductivitymeasurement.Figure7.2.2b:

Conductivitymeasuringcircuits.Figure7.2.2a:

CIRCUITSMEASURING

ANDINPUT SUPPLY

WINDINGTOROIDOUTPUT

WINDINGTOROIDINPUT

#2TRANSFORMER

#1TRANSFORMER

FORMED BY SOLUTIONCONDUCTING LOOP

menanggapi banyak spesies kimia yang berbeda. Salah satu cara untuk meningkatkan selektivitas sensor tersebut adalah dengan mengikuti contoh biologi, dan untuk melapisi elektroda dengan molekul itu memang sangat selektif. Antibodi adalah molekul yang cenderung bereaksi hanya dengan tertentu molekul (virus), dan lebih selektif kimia daripada elektroda logam sederhana.

Akhirnya, ada sejumlah aplikasi medis yang mengandalkan deteksi oksigen dalam aliran darah. Sayangnya, aliran darah adalah tempat yang sulit untuk bekerja karena sel-sel darah putih menafsirkan kehadiran hampir semua benda asing sebagai suatu organisme yang menyerang, dan cenderung membentuk bekas luka pada semua permukaan benda tersebut.

Darah tidak menunjukkan terdeteksi perubahan dalam warna sesuai penyerapan oksigen, dan oksigen darah secara kasar diukur dengan melihat warna darah. Sebagai contoh, sebuah sensor yang mengukur reflektifitas darah pada 700 nm dan pada 800 nm seharusnya mampu mengukur kandungan oksigen darah yang sangat akurat. Pengukuran pada 800 nm digunakan untuk membatalkan efek kudis overcoating.

Salah satu kemungkinan implementasi adalah sistem serat optik yang mentransmisikan cahaya dua warna (700 dan 800 nm), dan indera intensitas cahaya yang dipantulkan sebagai ukuran oksigen pada darah. Sistem seperti ini sering digunakan selama prosedur bedah tetapi tidak biasanya digunakan untuk implan jangka panjang.

Salah satu perangkat yang digunakan adalah emitor LED dan sepasang detektor, masing-masing dipasang untuk melihat keluar sisi kateter tebal 1 mm. Emitor dan detektor dipisahkan oleh beberapa milimeter, sehingga instrumen mengambil sampel hingga kedalaman beberapa milimeter, dan sangat tidak terpengaruh oleh overcoating dari "scab."

Teknik ini dapat diterapkan untuk mengukur warna kulit.

Figure 7.2.4: Opticath® catheter.(Courtesy of Hospira, Inc.)

Rangkuman

TO OXIMETRY INSTRUMENT

COMPUTER CONNECTORCARDIAC OUTPUT

OPTICAL MODULE

CVP) LUMEN(PROXIMAL

PA) LUMEN(DISTAL LUMEN

BALLOON INFLATION MONITORING LUMENSAMPLING AND PRESSURE

FIBER-OPTICRECEIVING

FIBER-OPTICTRANSMITTING

BALLOON

THERMISTOR

CVP INJECTION PORT

Ada banyak aplikasi yang berbeda untuk sensor kimia, dan banyak teknik yang dapat diterapkan untuk setiap aplikasi tertentu. Secara umum, perangkat penginderaan kimia belum bagus dibandingkan dengan pengembangan detektor biologis. Biasanya disebabkan kurangnya perangkat sensitivitas, selektivitas, dan kecepatan. Untuk beberapa aplikasi, sinyal yang besar sangat penting dan mudah untuk dideteksi. Bagi orang lain, itu sangat sulit terjadi. Penelitian diharapkan dapat tumbuh dalam pendeteksian racun dalam tanah, emisi kendaraan, biotoxins dalam urusan publik, dan berbagai macam zat kimia dalam proses kontrol manufaktur.