Pengembangan Sensor Gas Berbasis Quartz Crystal Microbalance dengan Lapisan Aktif Serat Pintal Listrik untuk Deteksi Gas Amonia dan Asam Asetat sebagai Polutan Berbahaya

Laila Katriani, Prof. Drs. Pekik Nurwantoro, MS, Ph.D.; Prof. Dr.Eng. Kuwat Triyana, M.Si.; Prof. Drs. Roto, M.Eng, Ph.D.

2025 | Disertasi | S3 Ilmu Fisika

Paparan terhadap gas berbahaya seperti amonia dan asam asetat merupakan ancaman serius bagi kesehatan manusia dan lingkungan. Penelitian ini bertujuan mengembangkan sensor gas berbasis Quartz Crystal Microbalance (QCM) dengan lapisan aktif serat pintal listrik (nanofiber) menggunakan metode electrospinning untuk deteksi amonia dan asam asetat secara real-time, sensitif, dan selektif. Sensor amonia menggunakan nanofiber polyvinyl acetate (PVAc) yang di-overlay dengan kitosan, sedangkan sensor asam asetat menggunakan mikrofiber polyvinylpyrrolidone (PVP). Metode electrospinning dipilih untuk menghasilkan struktur serat berpori dengan luas permukaan tinggi, sementara kitosan dan PVP berperan sebagai reseptor kimia yang meningkatkan interaksi dengan molekul target.

Sensor amonia berhasil mendeteksi gas pada rentang 10–300 ppm dengan sensitivitas 3,012 Hz·ppm?¹, meningkat 39,6 kali lipat dibandingkan sensor PVAc tanpa kitosan. Waktu respons dan pemulihannya tercatat 9 detik dan 35 detik, menjadikannya salah satu sensor QCM tercepat untuk amonia. Analisis FTIR dan SEM mengonfirmasi pembentukan ikatan asam-basa Lewis antara gugus -NH? kitosan dan NH?, serta distribusi seragam nanofiber berukuran 416–955 nm. Di sisi lain, sensor asam asetat dengan mikrofiber PVP (diameter 1,8±0,5 ?m) menunjukkan sensitivitas 4,144 Hz·ppm?¹ pada rentang 50–300 ppm, didukung interaksi hidrogen antara gugus karbonil PVP dan -COOH asam asetat. Batas deteksi (LOD) kedua sensor masing-masing mencapai 14,641 ppm (amonia) dan 10,016 ppm (asam asetat), lebih rendah dibandingkan studi sejenis.

Kedua sensor menunjukkan selektivitas tinggi terhadap gas target (%RSD <5>75 hari dan ketahanan terhadap variasi suhu/kelembaban. Uji silang terhadap interferen seperti benzena, toluena, dan alkohol membuktikan rasio respons amonia/analit lain >80:1. Inovasi utama penelitian ini terletak pada kombinasi teknik electrospinning dan modifikasi kimia lapisan aktif untuk menargetkan dua polutan sekaligus, serta kemampuan operasi suhu ruang yang hemat energi. Hasil ini membuka peluang aplikasi sensor QCM dalam pemantauan lingkungan industri, diagnostik medis berbasis napas, dan sistem early warning kebocoran gas beracun.

Exposure to hazardous gases such as ammonia and acetic acid poses significant risks to human health and environmental safety. This study developed dual-target gas sensors based on a Quartz Crystal Microbalance (QCM) platform integrated with electrospun active layers for real-time, sensitive, and selective detection of ammonia and acetic acid. The ammonia sensor utilized chitosan-overlaid polyvinyl acetate (PVAc) nanofibers, while the acetic acid sensor employed polyvinylpyrrolidone (PVP) microfibers. The electrospinning technique was optimized to fabricate porous fiber structures with high surface area, while chitosan and PVP acted as chemical receptors to enhance target-specific interactions.

The ammonia sensor demonstrated a detection range of 10–300 ppm with a sensitivity of 3.012 Hz·ppm?¹, a 39.6-fold improvement over unmodified PVAc sensors, and rapid response/recovery times of 9 s and 35 s, respectively. FTIR and SEM analyses confirmed the formation of Lewis acid-base interactions between chitosan’s -NH? groups and NH?, alongside uniform nanofiber morphology (416–955 nm). For acetic acid detection, PVP microfibers (1.8±0.5 ?m diameter) achieved a sensitivity of 4.144 Hz·ppm?¹ within 50–300 ppm, driven by hydrogen bonding between PVP’s carbonyl groups and CH?COOH’s -COOH. Both sensors exhibited low detection limits (LOD: 14.641 ppm for NH?; 10.016 ppm for CH?COOH), outperforming existing QCM-based counterparts.

The sensors displayed exceptional selectivity (%RSD <5>

Kata Kunci : QCM, Nanofiber, PVAc, Kitosan, dan PVP/ QCM, Nanofiber, PVAc, PVP, Chitosan