Perancangan Prototipe Biosensor Serat Optik Berbasis pada Metode End-Butt Coupling

Transkripsi

1 Perancangan Prototipe Biosensor Serat Optik Berbasis pada Metode End-Butt Coupling Adnan Fatahillah Afiff, Purnomo Sidi Priambodo Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok 16424, Indonesia Abstrak Aplikasi dari serat optik yang banyak digunakan dan dikembangkan sekarang ini adalah untuk aplikasi biosensor. Biosensor digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu zat kimia bahkan suatu kumpulan bakteri pada daerah tertentu. Perkembangan biosensor optik saat ini umumnya menggunakan prinsip difraktif optik, surface plasmons, evanescent waves coupling, dan electrochemiluminescene. Dalam penelitian ini dirancang dan dibangun sebuah prototipe biosensor menggunakan serat optik multimode berbasis metode end-butt coupling yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan zat atau larutan tertentu. Konfigurasi sensor serat optik ini menggunakan dua buah serat optik, dengan menghadapkan ujung serat optik pertama yang mentransmisikan cahaya sumber, dengan ujung serat optik kedua sedemikian rupa sehingga proses end-butt coupling dapat terjadi. Daerah antara kedua serat optik ini merupakan daerah deteksi yang digunakan. Perubahan indeks refraksi dan absobsi yang terjadi pada daerah deteksi tersebut digunakan sebagai parameter pendeteksian. Abstract Application of optical fiber that is widely used and developed today is for biosensor applications. Biosensors used to detect the presence of a chemical substance and even a collection of bacteria in a certain area. The development of optical biosensors today generally uses the principle of diffractive optics, surface plasmons, waves evanescent coupling, and electrochemiluminescene. In this study, a prototype of a biosensor is designed and built using multimode optical fiber based on end-butt coupling method that used to detect the presence of certain substances or solvents. The optical fiber sensor configuration using two optical fiber, by aligning the end of the first optical fiber that transmits light source, with the end of the second optical fiber face to face that the end-butt coupling can occur. The area between the two fiber optic is the detection area that is used. Changes in refractive index and absorbtioin that occurs in the detection area is used as a detection parameter. Keyword: Bioensor, End-Butt Coupling, Fiber Optic, Reflection, Refraction Index Pendahuluan Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang pesat Pada tahun 1956, Profesor Leland C. Clark Jnr. atau dikenal juga sebagai ayah dari konsep biosensor, mempublikasi tulisannya mengenai elektroda oksigen. Pada tahun 1962, beliau juga mendeskripsikan bagaimana cara membuat sensor electrochemical untuk bekerja lebih baik dengan cara menambahkan enzim sebagai transducer[2]. Pada tahun 1975, ide dari Profesor Clark ini berhasil terwujudkan secara

2 komersial dengan penganalisa glukosa berdasarkan deteksi amperometric dari hydrogen peroxide. Pada tahun 1975 juga, Lubbers dan Opitz mengembangkan sensor serat optic dengan istilah optode (optical electrode) untuk mengukur karbon dioksida atau oksigen. Konesp ini kemudian mereka kembangkan untuk membuat biosensor optik yang digunakan untuk mengukur alkohol [3]. Melihat potensi serat optik menjadi biosensor sangat banyak, pengembangan biosensor berbasis serat optik menjadi sangat prospektif di masa depan. Karena alasan inilah penulis mencoba untuk merancang sebuah biosensor menggunakan serat optik untuk mendeteksi keberadaan suatu bakteri atau virus yang diinginkan dalam suatu material dengan indeks refraksi berbeda yang selanjutnya ditujukan untuk bakteri atau virus dengan menggunakan metoda end-butt coupling. Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai usaha untuk membuat perancangan optical biosensor dengan memanfaatkan metode end-butt coupling Tinjauan Teoritis Serat optik, adalah sebuah kabel yang terbuat dari plastik atau kaca yang dapat mentransmisi sinyal cahaya untuk jarak jauh dengan kerugian/loss yang minimum. Serat optik umumnya sangat kuat, fleksibel dan tahan lama, serat optik juga tidak mengalirkan listrik sehingga bisa digunakan di tempat- tempat yang rawan penggunaan listrik dengan aman. Dalam serat optik masih mungkin terjadi pelemahan (attenuation), dan besar atenuasi tersebut haruslah diketahui terkait perancangan sistem menggunakan fiber optik itu sendiri. Atenuasi dalam serat optik biasanya adalah penurunan nilai rata-rata daya optik dalam kabel serat optik tersebut. Adapun yang merupakan penyebab terjadinya atenuasi pada kabel fiber optik antara lain adalah penyerapan (absorption), penyebaran (scattering), dan radiation losses. Secara garis besar, serat optik terdiri dari 3 bagian, yaitu cladding, core, dan coating. Cladding adalah selubung dari inti (core). Cladding ini memiliki indeks bias yang lebih rendah dari core,

3 sehingga cladding memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core agar menjadi mengarah masuk lagi ke dalam core. Kemudian coating adalah bagian terluar dari fiber optik, yang terbuat dari bahan plastik yang elastic. Efisiensi dalam satu serat optik ditentukan dari kemurnian bahan penyusun kacanya. Semakin murni bahan penyusunnya, maka akan semakin sedikit cahaya yang diserap oleh kaca tersebut. Metode Penelitian Peralatan yang Digunakan Laser yang digunakan pada eksperimen ini adalah laser kelas 3B yang memiliki daya maksimum sebesar 30 mw dan panjang gelombang nm. Serat optik yang digunakan pada eksperimen ini adalah serat optik step-index multimode Optical Cable Corning 50/125 PVC 10/ M dengan panjang masing- masing 1 m. Optical power meter yang digunakan pada eksperimen ini adalah Newport Power Meter Model 1815-C. Pengukur daya ini memiliki detector cahaya dan beberapa konfigurasi yang dapat digunakan. Pada eksperimen ini digunakan konfigurasi daya rendah pada range 2 mw. Air dan air gula yang digunakan pada eksperimen sebagai bahan yang ingin dideteksi sebagai perubahan daya pada hasil keluaran serat optik. Air gula yang digunakan memiliki tingkat kepekatan gula yakni 5 gr/40 ml atau 12.5% Konfigurasi Eksperimen Cahaya yang bersumber dari laser akan di-coupling menuju serat optik secara tegak lurus, yang kemudian akan diteruskan menuju ujung serat optik yang sudah dipotong dan dihadapkan sejajar dengan serat optik kedua. Cahaya yang kemudian keluar dari serat optik pertama akan tercoupling ke serat optik kedua yang kemudian akan disalurkan menuju detector. Daya dari sinar keluaran tersebut dapat dilihat pada pengukur daya yang terhubung oleh detector tersebut. Daya yang terukur dari laser langsung pada pengukur daya adalah 1,820 mw. Sedangkan daya yang terukur pada keluaran serat optik pertama adalah 1,816 mw.

4 Gambar 1 Konfigurasi Eksperimen dengan Udara Gambar 2 Konfigurasi Eksperimen dengan Air Gula Eksperimen dilakukan beberapa kali, dengan beberapa konfigurasi dan variasi jarak antar serat optik. Ada dua jenis konfigurasi yang dilakukan yakni konfigurasi dengan udara,dan konfigurasi dengan air gula.

5 Simulasi Simulai pada eksperimen ini dilakukan dengan cara menghitung kerugian yang terjadi pada daya yang keluar dari sera optik sampai ke serat optik kedua. Kerugian yang disimulasikan pada bagian ini dapat dibagi menjadi tiga yakni: a) Kerugian karena refleksi 1 b) Kerugian karena refleksi 2 c) Kerugian karena jarak antar serat optik. Gambar 3 Cross-Section Konfigurasi Simulasi Kerugian Karena Refleksi 1 dan Refleksi 2 Kerugian karena refleksi 1 adalah kerugian yang terjadi dikarenakan adanya perbedaan indeks refraksi antara inti serat optik dengan medium yang akan dilalui oleh cahaya dari serat optik pertama menuju serat optik kedua. Perbedaan indeks refraksi ini akan menyebabkan terjadinya refleksi cahaya yang besarnya dapat dihitung menggunakan Fresnel equation dengan asumsi sudut datang dan sudut keluar cahaya sebesar 90. Kerugian karena refleksi 2 disebabkan oleh hal yang sama seperti kerugian karena refleksi 1 yakni perbedaan indeks refraksi. Berikut ini adalah perhitungan kerugian refleksi yang terjadi untuk masing- masing tempat.! =!!!!!!!!!!! (1)

6 !!"## % =!. 100% (2) Dimana:!! = indeks refraksi medium 1!! = indeks refraksi medium 2 Simulasi Kerugian Karena Jarak Antar Serat Optik Kerugian karena jarak antar serat optik adalah kerugian yang terjadi dikarenakan melebarnya cahaya yang dikeluarkan oleh serat optik pertama sehingga sebagian cahaya tidak diterima oleh serat optik kedua. Hal ini dikarenakan tidak terjadinya pantulan sempurna seperti pada serat optik di kondisi ruang bebas seperti celah udara antar serat optik dalam eksperimen ini. Besar kerugian ini dapat dihitung dengan rumus Snellius, Numerical Aperture (persamaan 2.3), dan perbandingan luas cahaya yang di propagasikan dengan luas core dengan asumsi, cahaya yang dipropagasikan terdistribusi dengan rata. Gambar 4 Cross-Section Konfigurasi untuk Hitungan Berikut ini adalah perhitungan kerugian karena jarak tersebut: a) Besar sudut maksimal keluar dari inti serat optik!"#!! =!" (3)!! Untuk konfigurasi air gula, air gula yang digunakan adalah air dengan konsentrasi gula sebesar 12,5%. Indeks refraksi dari air dengan kepekatan gula 12,5% adalah 1,351.

7 b) Hubungan jarak antar serat optik dengan besar radius cahaya! =!!"#(!! ) (4) c) Kerugian karena luas radius cahaya dengan luas radius inti serat optik!!!!!!! =!(!!!!"#$)!!!(!!"#$ )!!(!!!!"#$ )! (5)!!!!!!! =!(!!"#(!!)!!!"#$ )!!!(!!"#$ )!!(!!"#(!! )!!!"#$ )! (6)!!"## % =!!!!!!!. 100% (7) Dimana :!! = Luas Cahaya!! = Luas inti serat optik Hasil Penelitian Hasil Simulasi Kerugian Karena Refleksi 1 dan Refleksi 2 Kerugian karena refleksi 2 dan refleksi 1 yang disebabkan perbedaan indeks refraksi medium dihitung menggunakan persamaan (1) dan (2). Berikut ini adalah perhitungan kerugian refleksi yang terjadi untuk masing- masing tempat. - Untuk konfigurasi udara! =!!!!!!! +!!!!"## % =!. 100%! = 1,475 1! 1, ! = 0,0368

8 !!"## % = 3,68%. - Untuk konfigurasi air gula! =! 1,475 1,351 1, ,351! = 0,0019!!"## % = 0,19% Kerugian Karena Jarak Antar Serat Optik Kerugian karena jarak antar serat optik dihitung menggunakan persamaan (3), (4), (6) dan (7). Tabel 1 Kerugian Daya Simulasi Jarak Kerugian Daya (%)[Udara] Kerugian Daya (%)[Air Gula] Jarak Jarak Jarak Jarak Simulasi Nilai Keluaran Serat Optik Untuk Setiap Eksperimen Simulasi keluaran untuk setiap eksperimen adalah sebagai berikut:!!"#$"#! =!!"#$%!!"##!"#$"%&' 1!!"#$"#! =!!"#$"#!!!"##!"#"$!!"#$"##!#%& =!!"#$"#!!!"##!"#$"%&' 2

9 Tabel 2 Hasil Keluaran Simulasi Jarak 0 Jarak 10 Jarak 20 Jarak 30 Output [Udara] Output [Air Gula] Jarak 0 Jarak 10 Jarak 20 Jarak 30 Output [Udara] Output [Air Gula] Gambar 5 Grafik Hasil Keluaran Simulasi Hasil Eksperimen Hasil Eksperimen Konfigurasi Udara Eksperimen pertama pada konfigurasi ini dilakukan dengan jarak antar kedua ujung serat optik yang berhadapan sejauh ~0 (mendekati tanpa jarak). Eksperimen kedua pada konfigurasi ini dilakukan dengan penambahan jarak antar ujung serat optik sebesar 10. Eksperimen ketiga pada konfigurasi ini dilakukan dengan jarak antar kedua ujung serat optik yang berhadapan sejauh 20. Eksperimen keempat pada konfigurasi ini dilakukan dengan jarak antar kedua ujung serat optik yang berhadapan sejauh 30. Hasil dari eksperimen tersebut dapat dilihat pada Gambar 6.

10 Grafik Rata-rata Hasil Eksperimen Konfigurasi dengan Udara Daya saat 0 (mw) Daya saat Daya saat Daya saat 10 (mw) 20 (mw) 30 (mw) Gambar 6 Grafik Hasil Eksperimen Konfigurasi Udara Hasil Eksperimen Konfigurasi Air Gula Eksperimen pada konfigurasi ini dilakukan dengan jarak antar kedua ujung serat optik yang berhadapan sejauh ~30. Hasil dari eksperimen tersebut dapat dilihat pada Gambar 7. Grafik Rata-rataHasil Eksperimen Konfigurasi dengan Air Gula Daya tanpa air gula (mw) Daya dengan air gula (mw) Gambar 7 Grafik Hasil Eksperimen Konfigurasi Air Gula Pembahasan Analisa Hasil Eksperimen Konfigurasi Udara Pada eksperimen konfigurasi dengan udara ini, dapat dilihat bahwa perbedaan jarak antara kedua serat optik yang disejajarkan memberikan pengaruh kepada hasil keluaran serat optik yang

11 berupa berkurangnya daya seiring bertambahnya jarak antar kedua serat optik tersebut. Dari hasil eksperimen yang didapatkan, terlihat bahwa terjadi penurunan daya yang cukup besar meskipun dengan jarak antar serat optik sejauh 0 (tanpa jarak). Kerugian daya yang terjadi terus bertambah seiring bertambahnya jarak antara serat optic, yang pada konfigurasi udara ini digunakan variasi jarak 0, 10, 20, dan 30. Perbandingan antara daya yang masuk dan daya yang keluar serta besar daya yang hilang untuk masing- masing eksperimen dapat dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9 dengan Input sebagai daya yang masuk ke serat optik pertama dan Output sebagai daya yang keluar dari serat optik kedua Jarak 0 Jarak 10 Jarak 20 Jarak 30 Input(mW) Rata-rata Output(mW) Gambar 8 Perbandingan antara Daya yang Masuk dan Daya yang Keluar Konfigurasi dengan Udara Daya yang Hilang(%) Jarak 0 Jarak 10 Jarak 20 Jarak 30 Gambar 9 Perbandingan antara Daya yang Hilang Konfigurasi dengan Udara

12 Dari data yang sudah didapat dan hasil perhitungan dari simulasi, dapat dibandingkan kerugian yang terjadi pada eksperimen dengan kerugian pada simulasi. Perbandingan tersebut dapat dilihat pada Gambar 10 dan Gambar 11 dengan Eksperimen sebagai hasil dari eksperimen yang dilakukan dan Simulasi sebagai hasil dari simulasi yang dihitung. Grafik Perbandingan Output Eksperimen Dengan Simulasi Jarak 0 Jarak 10 Jarak 20 Jarak 30 Eksperimen Simulasi Gambar 10 Perbandingan antara Daya yang Masuk dan Daya yang Keluar Konfigurasi dengan Udara Grafik Perbandingan Kerugian Daya Eksperimen Dengan Simulasi Jarak 0 Jarak 10 Jarak 20 Jarak 30 Kerugian Daya(%) Kerugian Daya(%) Gambar 11 Perbandingan antara Daya yang Hilang Konfigurasi dengan Udara Dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 10 dan Gambar 11, bahwa terjadi perbedaan nilai yang cukup besar. Meskipun begitu perubahan nilai eksperimen dan simulasi memiliki bentuk yang sangat mirip, hanya saja nilainya berbeda. Hal ini membuktikan bahwa pengaruh dari jarak antar kedua serat optik terbukti sama yakni memperbesar adanya daya yang hilang pada serat optik

13 kedua. Untuk perbedaan yang terjadi antara hasil perhitungan dengan hasil eksperimen, dimana daya pada hasil eksperimen mengalami kerugian yang jauh lebih banyak, hal ini dapat dikarenakan karena adanya kerugian dari sumber yang lain. Kerugian dari sumber lain yang dapat terjadi ini antara lain, terjadinya kerugian karena posisi serat optik tidak sejajar sempurna baik secara lateral maupun secara angular. Hal ini dikarenakan pada saat eksperimen, konfigurasi posisi serat optik dilakukan dengan kemampuan mata manusia dimana hal tersebut memiliki tingkat akurasi yang terbatas, sedangkan untuk konfigurasi serat optik ini membutuhkan tingkat akurasi yang sangat tinggi. Sumber kerugian lain yang mungkin terjadi adalah terjadinya daya yang terabsorbsi oleh medium yang dilewatinya. Analisa Hasil Eksperimen Konfigurasi Air Gula Pada hasil eksperimen konfigurasi dengan air gula ini, ingin dilihat pengaruh dari adanya air gula, dimana indeks refraksi dari air yang sudah dilaruti gula lebih besar dibandingkan indeks refraksi udara, terhadap hasil keluaran dari serat optik kedua. Pada eksperimen ini digunakan eksperimen konfigurasi dengan udara dengan jarak antar serat 30, yang kemudian diberikan air gula dengan kepadatan 5gr/40ml di antara kedua serat yang berjarak 30 sampai kedua serat optik tenggelam dengan air. Hasil dari eksperimen tersebut dapat dilihat pada Gambar Input (mw) Rata- rata Output(mW) Gambar 12 Grafik Perbandingan Perbandingan antara Daya yang Masuk dan Daya yang Keluar Konfigurasi dengan Air Gula Jarak 30 Dari data yang sudah didapat dan hasil perhitungan dari simulasi, dapat dibandingkan kerugian yang terjadi pada eksperimen dengan kerugian pada simulasi. Perbandingan tersebut dapat dilihat

14 pada Tabel 3 dengan Eksperimen sebagai hasil dari eksperimen yang dilakukan dan Simulasi sebagai hasil dari simulasi yang dihitung. Tabel 3 Perbandingan Hasil Eksperimen Dengan Hasil Simulasi Input Eksperimen Kerugian Kerugian Simulasi Daya(%) Daya(%) Eksperimen Simulasi Jarak Hasil yang didapat pada eksperimen ini menunjukkan adanya peningkatan hasil keluaran daya dari serat optik kedua yang dengan kata lain menunjukkan bahwa pengaruh adanya substansi dengan indeks refraksi yang lebih tinggi di antara kedua serat akan meningkatkan daya keluaran dari serat optik kedua tersebut. Kemampuan mendeteksi perubahan indeks refraksi di tempat antara kedua serat inilah yang bisa dimanfaatkan untuk menjadi biosensor dimana umumnya bakteri- bakteri atau substansi biologi lainnya memiliki indeks refraksi yang lebih besar dibandingkan udara. Sama halnya seperti pada eksperimen konfigurasi dengan udara, perbedaan yang terjadi antara hasil perhitungan dengan hasil eksperimen cukup besar, dimana daya pada hasil eksperimen mengalami kerugian yang jauh lebih banyak, hal ini dapat dikarenakan karena adanya kerugian dari sumber yang lain seperti kerugian karena posisi serat tidak sejajar sempurna baik secara lateral maupun secara angular Perbandingan antara data konfigurasi udara dengan data konfigurasi air gula dapat dilihat pada Gambar 13. Dari data yang sudah didapatkan dapat dilihat bahwa terjadi penginkatan daya keluaran sekitar %.

15 Daya dengan Udara Daya dengan Air Gula Gambar 12 Perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh eksperimen konfigurasi udara dengan jarak 30 dengan eksperimen konfigurasi air gula dengan jarak 30 Kesimpulan Dari eksperimen- eksperimen yang telah dilakukan untuk membuktikan konfigurasi yang dapat digunakan sebagai biosensor serat optik berbasis pada metode end-butt coupling, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Berubahnya indeks refraksi dari medium yang dilalui oleh cahaya dari serat optik pertama ke serat optik berdua akan memberikan peningkatan pada daya yang tercoupling di serat optik kedua dikarenakan berkurangnya kerugian yang disebabkan oleh refleksi dan kerugian dari jarak secara longitudinal. (Eksperimen Konfigurasi Air Gula) 2. Semakin bertambahnya jarak antara kedua serat optik maka daya yang tercoupling dari serat optik pertama ke serat optik kedua akan semakin berkurang dikarenakan terjadinya peningkatan pada kerugian baik secara longitudinal maupun angular. Kerugian yang disebabkan oleh refleksi tetap sama. (Eksperimen Konfigurasi Udara) 3. Kelemahan dari konfigurasi dengan metode end-butt coupling ini adalah butuh akurasi yang tinggi dalam mengatur posisi serat optik yang digunakan (alignment).

16 4. Hasil data yang didapatkan pada setiap eksperimen menunjukkan bahwa daya keluaran memiliki tingkat kestabilan yang baik dengan standar deviasi terbesarnya adalah 0,01. Daftar Referensi Bahaa, E. S., & Teich, M. C. (2007). Fundamentals of Photonics. Wiley. Clark, L. C. (1962). NY Academic Science. Ligler, F. S., & Taitt, C. R. (2008). Optical Biosensors Today and Tomorrow. Voelkl, K. P., Opitz, N., & Lubbers, D. W. (1980). Analytical and Bioanalytical Chemistry(301),