PERANGKAT LAB-ON-A-CHIP BIAYA EFEKTIF UNTUK KUANTIFIKASI PH LAUT DENGAN METODE OPTIK

Oleh = Mochammad Haldi Widianto

Pengukuran pH lautan sangat penting untuk memahami pengasaman laut dan proses biogeokimia lainnya yang terjadi di air laut. Lebih jauh, variabel ini sangat penting dalam penilaian dan pengelolaan sumber daya alam, dampak pencemaran manusia, keanekaragaman hayati lautan, dan dalam studi perubahan iklim. Karena pH memainkan peran utama dalam proses ini, penting untuk mengembangkan alat dan metode yang sangat sensitif untuk penghitungannya. Berbagai teknologi telah dikembangkan untuk pengukuran pH air laut, termasuk sensor elektrokimia dan sistem berdasarkan metode spektrofotometri. Sistem elektrokimia, meskipun populer karena kesederhanaan dan biaya rendah, mereka memiliki beberapa kekurangan untuk pengukuran otonom. Pertama, mereka memerlukan kalibrasi reguler karena sambungan cairan yang tidak stabil pada elektroda referensi yang dapat memberikan kesalahan hingga 0,02 unit pH per hari, dan dengan demikian, mereka tidak diindikasikan untuk melakukan pengukuran jangka panjang dalam lingkungan dengan salinitas tinggi. Selain itu, jenis sensor ini harus dikalibrasi dalam pengaturan fisik yang serupa (suhu, salinitas, tekanan yang serupa) sehingga protokol kalibrasi sulit diterapkan untuk aplikasi yang diusulkan. Akhirnya, mereka memiliki keakuratan terbatas, yang membuat mereka tidak cocok untuk pengamatan pengasaman laut. Di sisi lain, sistem spektrofotometri menggunakan prosedur analitis sederhana dan memberikan presisi, reproduktifitas, dan stabilitas penyimpangan tertinggi, yang merupakan parameter penting ketika pengukuran in-situ dan jangka panjang dimaksudkan. Namun, sistem ini dibuat untuk analisis laboratorium atau kapal di atas kapal dengan konsumsi reagen / sampel, waktu, dan daya yang tinggi. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengembangkan sistem portabel, terendam, dan otonom penuh dengan kemampuan pengukuran in-situ, menghindari pengangkutan sampel dan biaya laboratorium. Teknologi spektrofotometri bersama dengan keunggulan lab-on-a-chip (LOC), merupakan sistem yang ideal untuk menyelesaikan kebutuhan pengukuran pH air laut. LOC menawarkan beberapa keuntungan seperti kontrol cairan yang tepat, meminimalkan konsumsi reagen dan sampel, waktu reaksi yang lebih pendek, memungkinkan analisis paralel dan multipleks, memerlukan daya rendah untuk beroperasi, memungkinkan portabilitas dan otomatisasi, serta berpotensi menghasilkan biaya produksi yang rendah. Beberapa sistem spektrofotometri berbasis LOC untuk pengukuran pH air laut telah dikembangkan. Meskipun demikian, tidak ada laporan sebelumnya yang menunjukkan sistem pengukuran pH yang mengintegrasikan pengukuran penuh ke dalam sistem microfluidic portabel dengan sistem optik-elektronik kopling, yang pada saat yang sama menampilkan dimensi kecil, konsumsi daya rendah, dan biaya rendah.

Simulasi numerik yang dilakukan pada pekerjaan ini meliputi studi kombinasi aliran saluran masuk alternatif dengan hambatan menggunakan tiga geometri mikromixer pasif untuk mendapatkan konfigurasi terbaik yang dapat memberikan efisiensi pencampuran yang baik. Simulasi transien 2D dibuat untuk aliran bergantian selama periode waktu 4 detik. Aliran bolak-balik untuk kedua saluran masuk skema pada Gambar 2. Dalam satu saluran masuk, air dengan konsentrasi spesies 0 mol / m3 dipompa ke mikromixer dengan aliran awal 90 μl / menit dengan waktu aktif 2 detik dalam jangka waktu 4 detik. Pada inlet lainnya, air dengan konsentrasi spesies 1 mol / m3 dipompa ke mikromixer dengan laju alir 4,8 μl / menit dengan waktu aktif 0,3 detik dalam periode 0,5 detik. Ketika campuran selesai dibuat, secara teoritis diharapkan memiliki konsentrasi seragam 0,05 mol / m3. Simulasi ini diimplementasikan menggunakan mesh elemen segitiga, dan model diselesaikan menggunakan pemecah PARDISO. Tekanan pada lubang masuk mikromixers dihitung menggunakan simulasi stasioner 3D dengan jaring elemen tetrahedral dan model diselesaikan menggunakan pemecah stasioner GMRES.

AFPMSM tanpa biji yang diusulkan memiliki stator tunggal dan rotor ganda dengan 9 slot 6 kutub. Gbr. 1 mengilustrasikan tampilan 3D mesin. Untuk mengurangi kehilangan arus eddy, tiang PM tersegmentasi terdiri dari tiga PM berbentuk kipas, termasuk PM berbentuk kipas tradisional di kiri dan kanan, PM berbentuk kipas beralur di tengah balok

Gambar 1. Struktur AFPM tanpa biji dengan PM tersegmentasi

Gambar 2. Skema laju aliran bergantian untuk masing-masing masuk selama 4 detik.

 

LOC dirakit dengan cetakan mikrofluida dan sistem iluminasi dan deteksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Sistem Pompa Syringe neMESYS digunakan untuk mendorong sampel air laut (90 μL) dan indikator mCP (4,8 μL) dengan aliran alternatif selama 5 menit . Absorbansi diukur pada tiga panjang gelombang (439, 579 dan 735 nm) dan larutan kosong diperoleh dengan membilas saluran mikro dan sel absorbansi secara berkala dengan sampel air laut. Sistem LOC lengkap divalidasi melalui pengukuran pH beberapa sampel air laut dengan nilai pH berbeda, dengan interval pH air laut (berkisar antara 7,50-8,30 satuan pH). Nilai pH diverifikasi dengan elektroda pH kaca komersial (HI1330b, Instrumen Hanna)

Gambar 3. (A) Detail perangkat lab-on-a-chip yang menunjukkan posisi / kesejajaran beberapa bagiannya. (B) Sistem mikrofluida PDMS. Semua microchannel memiliki ketebalan 130 μm dan panjang 60 mm. Ketiga sel absorbansi tersebut berbentuk silinder, dengan diameter 5 mm dan tinggi 5 mm

Microfluidic die PDMS berhasil dibuat dan menunjukkan pencampuran yang baik dengan menggabungkan aliran alternatif dengan hambatan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5B. Pada unit terakhir mikromixer, diverifikasi homogenitas yang baik dari larutan yang berarti bahwa pencampuran tercapai, sesuai dengan simulasi COMSOL. Nilai pH dari beberapa sampel air laut yang diperoleh dengan perangkat LOC ditunjukkan pada Gambar 6. LOC menyajikan pembacaan pH yang sangat baik dibandingkan dengan pengukuran elektroda kaca, dengan resolusi 0,01 unit pH. Lebih lanjut, perangkat ini memiliki data serupa yang dianalisis secara berkala, membuktikan bahwa responnya memiliki reproduktifitas dan stabilitas yang tinggi. Hasil Gambar 6 menunjukkan linieritas yang sangat baik selama rentang pH minat. Jadi, perangkat LOC yang dilaporkan dapat digunakan untuk pemantauan pH laut yang efisien, otomatis, dan berbiaya rendah.

Gambar 4. Nilai pH sampel air laut diperoleh dengan perangkat lab-on-chip yang dikembangkan dan dengan komersial elektroda kaca. (A) Nilai dan (B) grafik. Lab-on-achip menampilkan respons linier yang sangat baik dengan R2 0,9999 dan deviasi standar rata-rata 0,0016 unit pH.

Perangkat lab-on-a-chip baru untuk pengukuran pH air laut diusulkan, dibuat, dan diuji. Pengujian eksperimental menunjukkan reproduktifitas dan stabilitas yang tinggi serta konsistensi yang baik antara pengukuran pH menggunakan perangkat LOC dan elektroda kaca. Selain itu, konsumsi indikator yang rendah (9,6 μL / pengukuran) akan memungkinkan perangkat beroperasi secara mandiri selama beberapa bulan. Dengan demikian, perangkat berbiaya rendah dan portabel yang dikembangkan merupakan kandidat yang sangat baik untuk pengukuran pH air laut, yang dapat mengatasi kesulitan instrumen tradisional dalam hal ukuran dan biaya, dengan potensi tinggi untuk digunakan dalam aplikasi samudra tambat untuk pemantauan waktu nyata..

 

Referensi :

  1. Vânia C. Pinto, Paulo J. Sousa, Vítor H. Magalhães, Catarina F. Araújo, Graça Minas and Luís M. Gonçalves, “COST-EFECTIVE LAB-ON-A-CHIP DEVICE FOR SEAWATER PH QUANTIFICATION BY OPTICAL METHODS ,” Transducers 2019 – EUROSENSORS XXXIII, Berlin, GERMANY, 23-27 June 2019