Tangerang Selatan, Humas BRIN. Qomaruddin periset Pusat Riset Fotonik – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (22/6) mempresentasikan risetnya berjudul “Photo-activated Gas Sensor”. Topik tersebut dipresentasikan pada webinar SEKOPI (Seminar Kolaborasi Optoelektronika) volume I.
Qomarudin menyampaikan tentang sensor gas secara umum, prinsip kerja, tren saat ini serta contoh proses pembuatan sensor berbasis ZnO NRs, karakterisasi, dan cara pengukuran hingga pembahasan mekanisme interaksi gas dengan material sensor.
Aktivasi cahaya pada sensor gas (photo-activated gas sensor) digunakan untuk menggantikan pemanas (heater) sebagai aktivasi permukaan material sensor. Oleh karena secara teknologi konvensional pada bidang sensor gas, cahaya tidak bisa digunakan untuk mengaktivasi sensor gas yang berbasis material semikonduktor oksida logam. Akan tetapi hal ini bisa dilakukan dengan beberapa strategi khusus, ytaitu salah satunya adalah memanfaatkan fenomena resonansi plasmon permukaan yang terlokalisasi pada partikel nano emas.
Menurut air quality index (AQI) di kota-kota besar di dunia, salah satunya Jakarta saat ini kondisi lingkungan atau pun udara yang ada di sekitar kurang sehat di outdoor, sehingga disarankan untuk menggunakan masker.
“Dan ini bisa diakses secara real time. Tidak mungkin keluar angka-angka yang menunjukkan kondisi real time ini tanpa ada piranti atau device yang menunjukkan bahwa kualitas udara di sekitar itu sesuai dengan real-nya,” ujar Qomaruddin.
Qomaruddin menambahkan bahwa pasti ada device yang melaporkan atau memberi data bahwa kondisinya sedang bagus, kurang sehat, dan seterusnya. Salah satu urgensinya sensor gas adalah untuk hal itu.
Lebih lanjut ia menjelaskan bahwa udara yang kita tinggali dan hidup di dalamnya ini, secara umum komposisinya yang paling besar adalah nitrogen (78,09%) dan oksigen (20,94%). Sementara bagian kecilnya terdiri dari beberapa zat kimiawi, gas-gas yang bahkan tidak bisa dilihat, tidak bisa dirasa keberadannya, tetapi menjadi hal yang bisa membahayakan bagi kehidupan.
Salah satu gas yang membahayakan di sini, Qomaruddin menggarisbawahi adalah Nitrogen Dioksida (NO2) yang merupakan salah satu dari kelompok gas yang sangat berbahaya karena toxic serta reaktif jika kita terpapar dalam waktu tertentu (8 jam) dan jangan sampai lebih dari konsentrasi 0,5 ppm (long-term exposure limit) atau jangan sampai lebih dari 1 ppm dalam waktu yang singkat 15 menit (short-term exposure limit).
“Untuk pengembangannya juga, kami akan mencari sensor gas yang konsumsi dayanya rendah, kemudian bisa bekerja pada suhu ruang. Jadi kalau dipakai di luar ruangan, di lapangan misalnya, bisa menggunakan jenis gas sensor seperti ini,” terang Qomaruddin.
“Kalau di dalam ruangan, itu dicari yang rendah konsumsi dayanya, serta suhu kerjanya. Kemudian yang bisa mengikuti tren teknologi terbaru di dunia saat ini,” tambahnya.
Beberapa tipe sensor gas
Tipe sensor gas digolongkan dalam beberapa tipe bedasarkan prinsip kerja dan material penyusun sensor. Dari sekian banyak jenis sensor gas, yang paling banyak dijumpai di pasaran adalah yang menggunakan prinsip kerja Conductometric Resistive Sensors. Umumnya sensor jenis ini menggunakan material polimer dan semikonduktor oksida logam.
Secara konvensional, sensor gas menggunakan pemanas (heater) untuk aktivasi agar bisa bekerja optimal, sedangkan yang sedang berkembang saat ini menggunakan cahaya untuk aktivasi sensor untuk mereduksi konsumsi daya dan suhu kerja. Selain itu ada optical sensors, electrochemical sensors, thermometics (calorimeric) dan magnetic sensors.
Beberapa sensor yang banyak juga ditemui di pasaran yaitu jenis Mechanical (Mass) Sensors, bahkan sensor dengan prinsip kerja jenis ini dipakai untuk menguji kondisi seseorang yang sedang terinfeksi positif COVID-19 atau negatif saat pandemi lalu, dimana salah satunya menggunakan Quartz Crystal Microbalance (QCM). Ada juga yang menggunakan Cantilever-based Devices untuk mendeteksi particulate meters (PM), serta yang menggunakan Surface Accoustic Wave (SAW) dengan memanfaatkan gelombang akustik untuk mendeteksi gas atau partikel polutan. Diantara beberapa jenis sensor gas yang sudah disebutkan tadi, masih ada jenis lain seperti spectroscopics dan lain sebagainya.
Dalam risetnya, Qomaruddin dan tim mengembangkan Conductometric Resistive Sensors yang berbasis Metal Oxide Semiconductor (MOS) yang diaktivasi menggunakan cahaya pada spektrum cahaya tampak.
Sejarah dan Perkembangan Sensor Gas
Dalam perkembangan sensor gas yang dimulai tahun 1957 oleh Beilanski, dimana dia menggunakan material semikonduktor oksida logam untuk mengetahui adanya hubungan antara konduktivitas listrik pada MOS dengan aktivitas katalis dan dilanjutkan oleh Seiyama tahun 1962 yang memublikasikan adanya proses chemisorption di permukaan MOS pada suhu tinggi, juga dikenalkan untuk pertama kalinya jenis sensor gas komersial oleh Taguchi pada tahun 1972. Prinsip kerja ini masih dipakai hingga saat ini untuk mayoritas sensor gas berbasis MOS. Saura, mengenalkan pertama kali sensor gas yang diaktivasi menggunakan cahaya dengan material SnO2 pada tahun 1994. Pada tahun 2020, Qomaruddin telah berhasil mengembangkan sensor gas dengan material semikonduktor baru dengan bandgap sempit yaitu CaFe2O4 NPs yang diaktivasi menggunakan cahaya pada spektrum cahaya tampak untuk pertama kalinya dengan semikonduktor tipe-p (https://doi.org/10.3390/s20030850).
Hingga saat ini, perkembangan teknologi yang menggunakan cahaya untuk mengaktivasi sensor gas, masih terus berkembang dengan tujuan mengurangi suhu kerja sensor dan konsumsi daya yang digunakan.
“Sensor gas yang mempunyai suhu kerja sangat tinggi itu tidak ramah terhadap jenis-jenis gas yang mudah terbakar dan bisa meledak,” ungkap periset muda ini.
Oleh karenanya, sensor gas yang diaktivasi dengan cahaya pada spektrum cahaya tampak adalah salah satu jawaban untuk mengurangi konsumsi daya (bahkan hingga orde microwatt) dan bisa bekerja pada suhu kamar.
Prinsip kerja sensor gas yang diaktivasi menggukan cahaya
Prinsip kerja sensor gas yang menggunakan cahaya yakni pertama, pada kondisi suhu kamar, udara bebas (oksigen; O2(g)) yang mengalir pada permukaan material sensor akan mengikat elektron menjadi molekul oksigen ion (pre-chemisorbed oxygen ion; O2 (ads)-) dan terikat kuat di permukaan.Kedua, pada saat disinari cahaya dengan energi tertentu ada proses eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Hal ini akan membentuk pasangan elektron dan hole. Semakin tinggi intesitas penyinaran maka semakin banyak pasangan electron-hole yang terbentuk.
Kedua substansi ini akan berinteraksi dengan lingkungan sekitar. Misalkan elektron akan berinterkasi mengikat oksigen yang ada di udara membentuk oksigen ion pada permukaan sensor, molekul yang terbentuk disebut dengan photo-adsorbed oxygen ion; O2 ads-(hv). Pada saat yang sama hole itu akan berikteraksi dengan pre-chemisorbed oxygen ion dan membentuk molekul oksigen O2(g) serta kembali lagi ke udara bebas.
Proses seperti ini akan terjadi terus menerus hingga pada keadaan setimbang dan sensor siap bekerja mendeteksi gas.
Karakteristik Sensor
Sensor dikatakan mempunyai performa yang handal jika memiliki karakteristik tertentu, diantaranya adalah sensitivitas (tingkat kepekaan dalam mendeteksi gas), selektivitas (kemampuan mendeteksi satu jenis gas tertentu), waktu respon dan recovery (waktu yang dibutuhkan untuk mendeteksi dan membersihkan gas yang yg dideteksi) serta stabilitas. Untuk menghitung sensitivitas sensor (S) dari hasil eksperimen (data pengukuran), digunakan persamaan seperti yang tertulis dibawah ini; yaitu dengan mengukur 90% respon sinyal pada saat mendeteksi gas dibanding pada saat di udara. Hal ini juga digunakan dalam menentukan waktu respon dan recovery.
Contoh aplikasi pembuatan sensor gas berbasis MOS
Qomaruddin dan tim telah berhasil membuat sensor gas berbasis zinc oxide (ZnO) nanorods (NRs) yang didekorasi dengan nanopartikel emas (Au NPs) dan gas ujiyang digunakan adalah Nitrogen Dioxide (NO2). Proses aktivasinya menggunakan cahaya pada spektrum cahaya tampak dengan memanfaatkan fenomena resonansi permukaan yang terlokalisasi (localized surface plasmon resonance; LSPR) pada Au NPs.
Ada beberapa tahapan yang harus dilakukan untuk membuat sensor gas, mulai dari mempersiapkan electrical contact sebagai elektroda untuk mengukur besaran listrik hingga pengujian performa sensor.
“Kami membuat benihnya terlebih dahulu dari zinc oxide (ZnO) ini, dibuat dari zinc acetate dehydrate yang dilarutkan ke dalam ethylene glycol dengan konsentrasi 25 milimolar, lalu mendeposisi benih ini pada electrical contact dengan metode spin-coating, kemudian proses penumbuhannya menggunakan teknik hydrothermal, dan proses dekorasinya kita menggunakan electrophoresis” paparnya.
Kemudian setelah tahapan ini selesai semua, maka dikarakterisasi sifat materialnya. “Kita karakterisasi bagaimana morfologinya, komposisinya, apa benar sudah terbentuk zinc oxide,” urainya.
Dan yang terakhir adalah pengujian performa sensor dengan melakukan pengukuran gas uji NO2 dengan konsentrasi yang berbeda-beda. Selama pengujian, sensor disinari dengan LED yang mempunyai panjang gelombang berbeda-beda pada spektrum cahaya tampak; yaitu biru (465 nm), hijau (520 nm), kuning (590 nm) dan merah (640 nm) serta menvariasi intensitas penyinaran. Untuk lebih detailnya bisa diakses di https://doi.org/10.3390/chemosensors10010028
Gambar 1. Setup pengukuran gas.
Hasil
Karakterisasi morfologi dan optis menunjukkan hasil yang bagus dan sesuai harapan. Karakterisasi ini menggunakan FE-SEM, AFM, EDS, PL dan UV-vis DRS. Sedangkan uji performa selain menggunakan NO2, juga menggunakan gas CO dan CO2 dengan konsentrasi tinggi sebagai gas uji lain untuk menentukan tingkat selektifitasnya.
Pengujian performa sensor menjukkan hasil yang sangat baik sehingga material sensor ini menjanjikan peningkatan peforma sensor hingga lebih dari 40x sesnsitifitas dari sebelumnya. Juga bisa mendeteksi NO2 pada konsentrasi rendah hingga orde ppb (500 ppb) dalam eksperimen. Peningkatan sensitifita ini disebabkan jumal oksigen ion yg terbentuk lebih banyak dari sebelumnya karena adanya transfer electron dari Au-NPs memanfaatkan fenomena LSPR sehingga bisa mengikat gas NO2 lebih banyak.
Kesimpulan yang bisa diambil diantaranya: (1) bahwa sensor gas adalah divais yang sangat penting untuk mengukur kualitas udara baik di dalam dan di luar ruangan serta untuk mendeteksi adanya gas berbahaya; (2) penuruan suhu kerja serta konsumsi daya pada teknologi sensor gas masih menyisakan tantangan yang besar terutama untuk aktivasi cahaya pada spektrum cahaya tampak terutama untuk material berbasis MOS; (3) masih banyak cara (metode dan material) untuk meningkatkan performa sensor gas dengan aktivasi cahaya. (hrd/ ed. adl)
