Sensor Elektrokimia

Salah satu isu besar dalam pengembangan IPTEK dan Industri di berbagai belahan dunia saat ini adalah permasalahan yang berkenaan dengan isu lingkungan hidup. Isu ini menyangkut bagaimana kondisi lingkungan yang ada saat ini dapat terus terkontrol sehingga tidak berbahaya bagi manusia maupun makhluk hidup lainnya. Permasalahan ini mengemuka ketika para peneliti mendapati bahwa tingkat pencemaran udara akibat berbagai kegiatan industri dan rumah tangga sudah mencapai ambang batas yang membahayakan. Sebuah wacana baru bagaimana membagun dunia yang berkelanjutan pun menjadi bahasan yang sangat penting untuk dirumuskan. Sebuah pertemuan tingkat dunia bahkan digagas untuk membuat kesepakatan terhadap setiap negara di dunia tentang sejauh mana kandungan zat buang yang boleh diproduksi oleh masing masing negara, yang dikenal dengan Kyoto protocol. Dalam protocol yang ditandatangani oleh sekitar 180 negara pada Desember 1997 ini disepakati bahwa negara-negara pemroduksi gas berbahaya (yang dikenal dengan greenhouse gas) diharuskan untuk mengurangi emisinya hingga 5.2% hingga tahun 2012 . Gas berbahaya ini meliputi Karbon Dioksida (CO₂), Methane (CH₄), Nitrit Oksida (NO₂), dan Ozone (O₃) ini pada kenyataanya banyak diproduksi oleh industri di negara-negara maju seperti US, negara di Uni Eropa, Jepang, Rusia dan sebagainya.
Dengan semakin meningkatnya isu lingkungan ini, tidak mengherankan jika di negara-negara industri penelitian tentang kesehatan lingkungan menjadi penelitian yang mendapat perhatian utama di samping energi dan jaringan informasi.Lebih jauh, kondisi di atas membuat meningkatnya kepedulian para ilmuwan untuk meneliti alat yang mampu mendeteksi zat-zat (baik gas maupun cairan) yang berbahaya bagi lingkungan. Alat yang mampu melakukan fungsi seperti itu dikenal dengan sebutan sensor. Sensor secara umum didefinisikan sebagai alat yang mampu menangkap fenomena fisika atau kimia kemudian mengubahnya menjadi sinyal elektrik baik arus listrik ataupun tegangan. Sensor kimia adalah alat yang mampu menangkap fenomena berupa zat kimia (baik gas maupun cairan) untuk kemudian diubah menjadi sinyal elektrik. Berdasarkan teknologi yang digunakan untuk mengubah zat kimia yang dideteksi menjadi sinyal elektrik, terdapat beberapa jenis sensor yaitu jenis sensor optik, sensor elektrokimia, sensor elektrik, dan sensor sensiitif berat. Karakteristik sensor ditentukan dari sejauh mana sensor tersebut memiliki kemampuan yang baik dalam mengenali zat yang ingin dideteksinya. Kemampuan mendeteksi zat tersebut ini meliputi: sensitivitas, selektivitas, waktu respon dan recovery, stabilitas dan daya tahan. Pada paper ini akan dibahas sensor elektrokimia khususnya Ion selective electrodes (IES) dan dan Solid-state gas sensor.
1. Ion Selective Electrodes (ISEs)
Ion selective electrodes (ISEs) adalah sensor yang mengukur secara langsung aktivitas atau konsentrasi ion dalam larutan. Misalnya untuk mengukur konsentrasi kandungan timah, sodium atau nitrat dalam air minum. Ketika ISE dicelupkan dalam suatu larutan, akan terjadi reaksi antara jenis kandungan (species) larutan dengan permukaan sensor. Sebuah kesetimbangan kemudian akan terjadi antara kedua spesies tersebut, hal itu sesuai dengan kesetimbangan perbedaan potensial antara sensor dan larutan, yang bergantung pada sebagian namun bukan seluruhnya pada aktivitas ion tunggal. Sinyal output secara luas juga bergantung pada aktivitas ion lain yang ada pada larutan, oleh akarenanya eletroda disebut selektif bukan spesifik.
Contohnya, sinyal output dari elektrode potassium bergantung tidak hanya pada aktivitas ion potassium (K+) dalam larutan, tapi juga beberapa fraksi ion sodium (Na⁺) yang ada. Persamaan tegangan Thevenin (open cicuit) dari ISEs untuk ion monovalent didapatkan dengan memodifikasi persamaan Nernst:
Dimana:
Eo= Teg. Konstan berdasarkan komposisi elektrode.
R = Universal Gas constant (8.314 JK^-1)
Theta = Absolute temperature (K)
F = Faraday numbee (96493 C)
a_K = aktivitas ion X dlm larutan
a_Y = aktivitas ion X dlm larutan
K_X/Y = selective coefficient dari elektrode X ke Y (0~1>
Persamaan diatas hanya berlaku untuk ion monovalen, jika n-elecrton direaksikan dalam suatu larutan maka F harus diganti dengan nF.
Pada Gambar 1 ditunjukkan sistem dasar untuk pengukuran aktivitas atau konsentrasi dari ion dalam larutan. Karena ISE hanya single electrode dan hanya satu setengah sel elektrokimia, maka harus digunakan electrode standar referensi yang cocok, dicelupkan dalam larutan yang sama. Elektroda refersesni adalah setengah sel elektrokimia yang tegangannya ditahan pada nilai konstan oleh kesetimbangan kimia yang dijaga didalamnya.
Aplikasi sensor ISE dalam industri khususnya untuk pengukuran pH. Keasaman dan kebasaan suatu larutan perlu dimonitor untuk mengevaluasi proses yang terjadi.

Gb.1 Sistem dasar (a) dan electrode ISE (b)

Untuk mencari tegangan theveninnya dapat digunakan persamaan (1). Karena ion H⁺ yang akan diukur hanya ion kecil positif untuk dicocokkan dengan silica lattice maka koefisien K dianggap nol sehingga diperoleh persamaan:

Dengan memakai persamaan (2) pada =298 K (25’ C)
Tegangan output sensor ini proportional dengan perubahan pH dengan sensitivitas sebesar – 59.2 mV/pH pada suhu 25’C.
2.Solid state gas sensors
Beberapa material solid-starte memberikan respon elektrokimia untuk beberapa gas tertentu. Misalnya Zirconium Oxide yang sensitive terhadap oxygen pada campuran gas. Sensor gas solid-state terdiri atas kerucut berongga oksida, dijaga pada suhu 640’C. Temperatur ini dicapai dengan heater dan dijaga oleh heater control. Pada bagian dalam dan luar sensor ini dengan porous platinum. Karena crystal lattice lowong/kosong maka zirconium oxide bertindak sebagaim elektrolit konduktor pada temperatur tinggi. Artinya, ada perbedaan tekanan pada bagian dalam dan luar kerucut berongga, maka ion oksigen akan berpindah melalui sensor dan menghasilkan sejumlah tegangan yang melintasi elektroda platinum. Tegangan theveninnya diberikan oleh persamaan Ernst.

<

Dimana,
Pref= partial pressure of oxygen in refference gas (cone inside).
Psam= partial pressure of oxygen in sample gas (cone inside).
Dengan menjaga temperature dan tekanan parsial pada udara di dalam maka sensor akan konstan, E_TH akan bergantung hanya pada tekanan parsial oksigen pada bagian luar sensor. Sensitivitas sensor ini berkisar 60 mV/% O₂ pada suhu 640’ C.
Jenis sensor gas solid-state yang lain adalah : Bead-type sensor dan Chip-type sensor. Keduanya seperti ditunjukkan oleh gambar 2.

Gb.2 Skema Bead-type dan chip-type sensor.

PUSTAKA:
[1] Anonym. Electrochemical Gas Sensor.
[2] Anonym. Solid-state gas Sensor.
[3] Bentley, John P. Principle of Measurement System. Longman Group, 1995.
[4] Dunn, William C. Fundamental of Instrumentation and Industrial Process Control. Mc Graw Hill, 2005.