pemegunan f1uoresein dalam lapisan filem sol-geldan...

Pertanika J. Sci. & Techno!. 11(2): 283 - 291 (2003)ISSN: 0128-7680

© Universiti Putra Malaysia Press

Pemegunan F1uoresein dalam Lapisan Filem Sol-Gel danPotensinya untuk Pengesanan Gas CO

2

Musa Ahmad, Norezuny Mohamad & Jariah AbdullahPusat Pengajian Sains Kimia dan Teknologi Makanan

Fakulti Sains dan TeknologiUniversiti Kebangsaan Malaysia

43600 Bangi, Selangor, Malaysia

Diterima: 12 Jun 2002

ABSTRAK

Penghasilan lapisan filem sol-gel terdop yang boleh digunakan sebagai fasareagen dalarn pembinaan penderia kimia gentian optik dibincangkan dalarnkertas kerja ini. Reagen fluoresein yang sensitif terhadap gas CO

2didopkan di

dalarn larutan sol-gel dan lapisan filem sol-gel disediakan menggunakan kaedahcelup dengan kaca slaid digunakan sebagai penyokong. Filem sol-gel yangdidopkan dengan reagen fluoresein didapati membebaskan cahaya pendarfluorpada panjang gelombang "em= 520 nm apabila diuja pada panjang gelombang"ex = 490 nrn. Kehadiran gas CO2 akan merendahkan keamatan cahayapendarfluor yang dihasilkan dan rangsangan ini dapat dijanakan semula denganmengalirkan gas 2 ke dalam bilik sampel.

ABSTRACT

The preparation of a doped sol-gel film which could be used as a reagent phasein the development of optical fibre chemical sensor is discussed in this paper.Fluorescein which is sensitive towards CO2 gas was doped in the sol-gel solutionand the sol-gel film was prepared by using a dip-eoating method with slide glassused as a support. The sol-gel film doped with fluorescein was found tofluoresces at "em= 520 nm when excited at "ex = 490 nm. The presence of CO2

will reduce the fluorescence intensity of the entrapped fluorescein and theresponse could be regenerated by flowing 2 gas to the sample compartment.

Kata kunci: Reagen fluoresein, penderia kimia gentian optik, f"llem sol-gel,cahaya pendarflour

PENGENALAN

Proses sol-gel merupakan satu fenomena kimia dan melibatkan larutan oksidalogam satu komponen atau pelbagai komponen yang mengalami pengelanuntuk membentuk rangkaian koheren yang tegar. Perubahan larutan kepadagel menghasilkan istilah 'sol-gel'. Proses sol-gel bermula apabila Ebelmen buatpertama kalinya mensintesis Si(OEt)4 pada tahun 1846 dan ia menjadi gelapabila terdedah kepada lembapan udara (Dislich 1971). Proses ini mulamenjadi terkenal pada 1942 setelah Geffcken dan Berger beIjaya menyediakanlapisan oksida tunggal (Brinker dan Scherer 1990).

Dalam kajian ini, proses sol-gel digunakan untuk menyediakan suatu lapisanfilem lutsinar yang didopkan dengan reagen kimia. Pada amnya, pendopan

Musa Ahmad, Norezuny Mohamad & Jariah Abdullah

kimia ialah pemegunan bahan terubahsuai organik ke dalam polimer organiksemasa proses pempolimeran sedang berlaku. Pelbagai reagen fotometrik yangboleh digunakan untuk mengesan kation, anion, spesies redoks dan zarahanterampai udara telah berjaya dipegunkan dalam kumpulan sol-gel iaitu silika,titanium dan xerogel yang lain (Lev et al. 1995). Avnir et at. (1992) pula telahberjaya memegunkan beberapa bahan bioaktif seperti enzim di dalam filem solgel. Dalam kajian ini, reagen fluoresein yang sensitif terhadap kehadiran gasCO

2akan didopkan di dalam filem sol-gel. Dalam kajian kami terdahulu,

penunjuk fenolftalein telah beIjaya dipegunkan dalam filem sol-gel danpotensinya untuk pengesanan gas CO2 telah dibincangkan (Musa dan Ling1997).

EKSPERIMEN

Bahan-bahan Kimia

Bahan-bahan kimia yang digunakan ialah tetraetilortosilikat, TEaS (Aldrich,99.0 %); triton X-100 (BDH); etanol (BDH, 99.7%); ammonia (Aldrich, 25.0%);asid hidroklorik, HCI (BDH); N,N-dimetilfonnamida, DMF (BDH, 99.0%);tetrabutilammonium hidroksida dalam metanol, TBuAOH (Sigma, 12.5%);kalium hidroksida, KOH (Aldrich); fluoresein, FL (Sigma) dan karbon dioksida,CO

2.

Peralatan

Spektrum pendarfluor untuk larutan reagen dan larutan sol-gel diperolehmenggunakan alat Spektrometer SLM Aminco Luminesen Siri II. Spektrumpendarfluor untuk filem sol-gel terdop diperoleh daripada alat yang samadengan menggunakan aksesori permukaan pepejal.

Cam Kerya

(i) Reagen - Larutan stok FL disediakan dengan melarutkan 200 mg FL kedalam 1L 0.1 M KOH. Larutan 10.6mM FL disediakan dengan mencampurkan8.33 mL larutan stok FL dengan 0.21 mL larutan TBuAOH ke dalam kelalangisi padu dan menjadikannya ke isi padu 50.00 mL dengan pelarut DMF.Larutan sol-gel disediakan dengan mencampurkan 2 mL TEaS dan 1 mL O.lMHC1 dalam suatu bikar kecil. Sebanyak 4 mL etanol kemudiannya dimasukkanke dalam bikar ini dengan perlahan-Iahan, diikuti dengan 7 titis triton-X 100dan campuran larutan dikacau selama 5 jam. Pemegunan reagen dilakukandengan mencampurkan 2 mL larutan stok sol-gel dengan 2 mL larutan FL dancampuran dikacau selama 1 jam. Semua cara kerja ini dilakukan pada suhubilik.

(ii)Penyediaan lapisan filem nipis - Kaedah penyalutan celup digunakan dalamkajian ini untuk penyediaan filem sol-gel dan kaca slaid digunakan sebagaipenyokong. Penyokong dibersihkan terlebih dahulu dengan etanol dandipastikan dalam keadaan kering sebelum digunakan. Penyalutan celup

284 PertanikaJ. Sci. & Techno\. Vo\. 11 No.2, 2003

Pemegunan Fluoresein dalam Lapisan Filem Sol-Gel dan Potensinya untuk Pengesanan Gas CO.

dilakukan dengan mencelup penyokong kaca slaid ke dalarn larutan sol-gel danditarik dengan perlahan bagi memperoleh lapisan yang nipis. Penyokong inikemudiannya dibiarkan kering dalarn desikator dalarn keadaan menegak.

KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN

Reagen FL yang digunakan dalarn kajian ini sensitif terhadap kehadiran gasCO

2dan warnanya akan berubah apabila terdedah kepada gas tersebut (Richard

danJarnes 1972). Gerak balas FL terhadap gas CO2 adalah berdasarkan kepadapersarnaan berikut:

CO2 +Hp =:; H 2COS

H2COsHp =:; HCO; +Hp+

2H 0+ + FL2- =:; 2Hp +Hp + H 2FL

S (berpendar) (tidak berpendar)

Bagi reagen FL, ion FL2- merupakan spesies yang berpendarfluor dan ion inidominan dalarn pelarut yang beralkali tinggi. Dengan kehadiran gas CO

2,

perubahan warna anion FL2- akan dicerap iaitu dari oren kepada tidak berwarna.Bahan yang tidak berwarna ini merupakan laktonik neutral, HlL yang tidakberpendar.

Spektrum pendarfluor bagi FL dalarn DMF apabila didedahkan kepada gasC0

2secara berterusan ditunjukkan dalarn Rajah 1. Cahaya pendarfluor dicerap

pada panjang gelombang "em = 520 nm apabila pengujaan dilakukan padapanjang gelombang "em = 490 nm. Seperti dijangkakan kearnatan spektrumpendarfluor didapati semakin berkurangan apabila didedahkan kepada gasCO

2kerana pembentukan laktonik neutral,H~ yang tidak bersifat pendarfluor.

Rajah 2 menunjukkan spektrum pendarfluor FL dalarn larutan sol-gelapabila didedahkan kepada CO2 secara berterusan. Bentuk spektrum pendarfluoryang diperoleh kelihatan sarna seperti spektrum pendarfluor FL dalarn larutanbebas. Ini menunjukkan bahawa larutan sol-gel bersifat lengai dan tidakmengubah sifat optik dan kimia bagi reagen FL semasa proses pendopan.Seperti yang diperhatikan dalarn larutan bebas, kearnatan cahaya pendarfluordidapati semakin berkurangan dengan pendedahan secara berterusan gas CO

2,

Rajah 3 menunjukkan spektrum pendarfluor bagi reagen FL dalarn lapisanfHem sol-gel apabila didedahkan kepada gas CO2 secara berterusan. Bentukspektrum pendarfluor yang diperoleh adalah sarna seperti yang diperolehapabila FL berada dalarn larutan bebas dan larutan sol-gel. Panjang gelombangpengujaan dan pancaran juga didapati masih kekal pada 490 nm dan 520 nm,masing-masingnya. Narnun, jika spektrum pendarfluor FL dalarn larutan bebas,larutan sol-gel dan filem sol-gel dibandingkan, dapat dilihat bahawa pengurangankearnatan pendarfluor adalah paling kecil dalarn lapisan sol-gel diikuti denganlarutan sol-gel dan larutan bebas apabila didedahkan kepada gas CO

2secara

berterusan. Keadaan ini dijangkakan disebabkan pembentukan rangkaian antara

PertanikaJ. Sci. & Techno\. Vol. 11 No.2. 2003 285


keamatan pendarfluor

Rajah 1: Spektrum pendarflour bagi FL dalam larutan bebas dengankehadiran gas CO2 apabila A"" = 490 nm dan A"" = 520 nm

keamatanpendarfluor

s.Oj6.0

I

2.0

0.0450· 500 SSOpanjang gelomb81IK, mn

600

Rajah 2: Spektrum pendarflour bagi FL dalam larutan sol-gel dengankehadiran gas CO2 apabila A"" = 490 nm dan A"" = 520 nm

molekul sol-gel yang terbentuk semasa proses sol-gel yang menghalangpergerakan molekul gas CO2 dan oleh itu mengehadkan tindak balas antara gasini dengan ion FL2-_

Rajah 4 menunjukkan spektrum pendarfluor untuk FL dalam larutan bebas,larutan sol-gel dan filem sol-gel. Seperti yang telah dibincangkan, pemegunan

286 PertanikaJ. Sci. & Techno!. Vo!. 11 o. 2, 2003

Pemegunan F1uoresein dalam Lapisan Filem Sol-Gel dan Potensinya untuk Pengesanan Gas CO2

6.0

4.0

2.0

Dlasameningkal

600......,----.-.-,---r-;--r-,-.-'--'-"'-'-'--'

500 550pall;jang gelombang, nm

4500.0

Rajah 3: Spektrum pendarflour bagi FL dalam filem nipis sol-gel dengankehadiran gas CO2 apabila A", = 490 nm dan A... = 520 nm

0.0 450 500 sk 600

panjang gelombang, nm

keamatan pendafluor

(C~~ r~(C)8.0 ]' (b)\\ l ,I

1"" \'j r(b \

F(a)\lV ~

6.0 \ V. ~I,.l, (a) \~"...., f1 !IY; (\ \\

\.:'1 I \~, \ \\\I. ("\) ! I'~:'~ ,"\4.0 J/ I I ! \r,., \\\

/ 1 "\' \ \\, ! ! /1\ ' ,\i i / \'" \\......\

2.0 / .I J i\ ',-\""/ '.\ ',''\,,'.I \~ "<::,;;;~

,~-

Rajah 4: Bandingan spektrum pendarflour bagi FL dalam larutan bebas (c),Larutan sol-gel (b) dan filem nipis sol-gel (a), (A", = 490 nm dan A... = 520 nm).

FL dalam larutan dan filem sol-gel masih mengekalkan sifat kimia dan sifatoptik bagi reagen kerana sol-gel yang bersifat lengai. Keamatan pendarfluoruntuk FL dalam fIlem sol-gel walau bagairnanapun memberikan bacaan terendahkerana kuantiti reagen FL yang dapat dipegunkan dalam fIlem sol-gel semasapenyediaan filem menggunakan kaedah celup adalah lebih rendah berbandingkepekatan FL dalam larutan bebas dan larutan sol-gel.

PertanikaJ. Sci. & Techno\. Vol. 11 o. 2, 2003 287


Bagi menguji kesan kelunturan reagen FL dari lapisan filem sol-gel, lapisanfilem berkenaan dibasuh beberapa kali dengan air suling nyahion dan spektrumpendarfluomya diambil setiap kali pembasuhan dilakukan. Keputusan yangdiperoleh menunjukkan bahawa kelunturan reagen berlaku hanya pada duabasuhan yang pertama dan keamatan pendarfluor menjadi tetap selepas basuhanyang ketiga. Semasa proses pencelupan fBem dilakukan, sebahagian reagenakan terpegun di dalam filem sol-gel manakala sebahagian yang lain hanyaterjerap di atas permukaan filem sahaja. Apabila cucian dilakukan, keamatanpendarfluor berkurangan kerana reagen yang terjerap di atas permukaan filemsol-gel akan dibasuh keluar. Keamatan pendarfluor menjadi tetap selepasproses basuhan ketiga kerana keamatan pendarfluor yang ditunjukkanmerupakan keamatan pendarfluor yang dihasilkan oleh FL yang terpegundalam filem sol-gel. Pada keadaan ini, proses kelunturan reagen yang terjerapdi atas permukaan lapisan filem sol-gel dianggap tidak begitu penting.

Rajah 5 menunjukkan kesan kadar alir gas CO2

terhadap masa rangsanganFL apabila reagen tersebut berada dalam tiga fasa yang berbeza iaitu larutanbebas, larutan sol-gel dan lapisan filem sol-gel. Secara umum dapat diperhatikanbahawa kadar alir mempengaruhi masa yang diarnbil untuk rangsangan keadaanmantap dicapai. Kadar alir yang tinggi akan mempercepat masa rangsangankeadaan mantap tercapai dan sebaliknya. Pada kadar alir yang tinggi, kuantitigas CO2 yang hadir per unit masa adalah juga tinggi dan oleh itu tindak balaspembentukan laktonik neutral, H 2FL adalah lebih cepat. Kesan kadar alirterhadap masa rangsangan telah dibincangkan oleh beberapa penyelidik lainsebelum ini (Musa dan Narayanaswamy 1997; Berman et ai. 1990; Narayanaswamydan Sevilla 1988).

Keputusan yang diperoleh menunjukkan bahawa reagen FL dapatdipegunkan dengan baik dalam filem sol-gel dan berpotensi untuk digunakansebagai fasa reagen dalam pembinaan penderia kimia gentian optik untuk gasCO

2, Rajah 6 membandingkan rangsangan FL yang berada dalam keadaan

bebas, dalam larutan sol-gel dan dalam lapisan filem sol-gel terhadap gas CO2

,

Penjanaan semula reagen FL dilakukan dengan mengalirkan gas N2

ke dalambilik sampel. Oleh kerana tindak balas antara FL dan gas CO

2adalah tindak

balas jenis berbalik, kehadiran gas N2 akan menyingkirkan gas CO2

dankeamatan pendarfluor reagen FL akan dipulihkan seperti sebelum bertindakbalas dengan gas CO2, Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6, secara umumbentuk rangsangan FL terhadap gas CO2 adalah sama untuk ketiga-tiga keadaanFL iaitu sama ada dalam larutan bebas, larutan sol-gel atau dalam filem nipissol-gel. Perbezaan keamatan pendarfluor yang diperoleh untuk FL yang terdopdalam filem sol-gel walau bagaimanapun adalah jauh lebih rendah berbandingdalam larutan bebas dan larutan sol-gel. Ini adalah disebabkan kuantiti FL yangterdop dalam filem sol-gel adalahjauh lebih rendah daripada kuantiti FL dalamlarutan bebas dan larutan sol-gel. Seperti yang telah dibincangkan sebelum ini,perubahan keamatan yang kecil ini adalah juga disebabkan oleh kewujudanrangkaian dalam filem sol-gel yang menyukarkan pergerakan molekul CO

2untuk bertindak balas dengan FL. Dalam larutan bebas dan larutan sol-gel,

288 Pertanikaj. Sci. & Techno!. Vol. 11 o. 2, 2003

Pemegunan F1uoresein dalam Lapisan Filem Sol-Gel dan Potensinya untuk Pengesanan Gas CO2

10 T·····················································................................•.•.•.-.--.•--,

kadar alir gas COl meningkat

10 40 70 100130160190220250280310340

Masa, saat

(A)

kadar alir gas CO2 meoingkat

10 ..,---_+_-5~ 8] 61:t~ 4~ 2 .,.........-c......-...... ""I

~ ~~~~==----o ·····;···;···,.··'!"··"!···'···f···;···· ':"""'1"'-:-"-:""",,:

10 40 70 100 130 160 190 220 250 280

Masa, saat

(B)

6.0 .~ ···r··································· .

- kadar alir gas CO2 meningkat

gce 5.5~cK. 5.0 ,.... \'t-\,""..-....-.---.----.-----------~c~~ 4.5~

4.0 - • .,....• T" .t"._ •. ~-•• ·v······ ...······... ·· ········-r·····,·······,········,·······i

10 30 50 70 90 110 130

Masa, saat

(C)

&jah 5: Kesan kadar alir terhadap masa rangsangan FL terhadap kehadiran gas CO2

apabila FL berada dalam larutan bebas (A), larutan sol-gel (B) dan terdop dalam fitemnipis sol-gel (C). Keamatan pendarflour diukur pada panjang gelombang A"",

= 520 nm apabila pengujian dilakukan pada panjang A", = 490 nm.

PertanikaJ. Sci. & Techno\. Vo\. 11 No.2, 2003 289


keamatan pendarlluor

10.l}"

8.0

6.0

1000 3000 ..masa, saat

(A)



8.0

~f ( I

i f I

rI

II6.0 I

-4.0 )

I

V2.0 V\\,/ V l\J \J \0.00 2000 4000

panjang gelombang, DID

(B)

4.0

2.0

J--.---.--.---.-----.-o 1000 2000 3000 4000 5000

palJjang gelombang, nm

(C)

Rajah 6: Rangsangan FL tcrhadap kehadiran gas CO2 apabila FL bcrada dalam larutanbebas (A), larutan sol-gel (B) dan tcrdop dalam fitem nipis sol-gel (C). Penjanaan semula FL

dilakukan dengan mengalirkan gas N2

kedua-dua molekul CO2 dan FL bebas bergerak dan tindak balas dapat berlakudengan lebih sempurna. Daripada Rajah 6 (C), dapat diperhatikan bahawarangsangan garis dasar tidak diperoleh untuk FL yang terdop dalarn lapisanfilem sol-gel. Setiap kali penjanaan dilakukan dengan gas N

2, keamatan

pendarfluor tidak dapat dipulihkan sepenuhnya. Perbezaan kearnatan yangdihasilkan apabila FL didedahkan kepada gas CO

2walau bagaimanapun sarna.

Perbezaan kearnatan pendarfluor yang kecil dan masalah rangsangan garis

290 PertanikaJ. Sci. & Techno!. Vo!. 11 No.2, 2003

Pemegunan Fluoresein dalam Lapisan Filem Sol-Gel dan Potensinya untuk Pengesanan Gas CO.

dasar dapat diatasi secara elektronik apabila lapisan filem sol-gel terdop inidigunakan sebagai fasa reagen dalam pembinaan penderia kimia gentian optikuntuk pengesanan gas CO2,

KESIMPUIAN

Hasil yang diperoleh daripada kajian ini menunjukkan bahawa reagen FL yangsensitif terhadap kehadiran gas CO2 dapat dipegunkan dengan baik dalarnfilem sol-gel. Reagen FL yang terpegun masih dapat mengekalkan sifat kimiadan sifat optiknya terhadap gas CO2 dan ini menunjukkan bahawa sol-gelbersifat lengai dan berfungsi hanya untuk memegang reagen FL. Reagen yangterpegun menunjukkan rangsangan yang baik terhadap gas CO2 dan reagen FLdapat dijanakan semula dengan mengalirkan gas N

2• Kajian ini akan diteruskan

dengan menggunakan filem sol-gel terdop dengan FL ini sebagai fasa reagendalam pembinaan penderia kimia gentian optik untuk pengesanan gas CO

2,

PENGHARGAANPenyelidik ingin merakamkan penghargaan kepada Kementerian Sains,Teknologi & Alam Sekitar dan UKM kerana sumbangan geran penyelidikanIRPA 09-02-02-0012 dan S/9/97.

RUJUKANAVNIR D., S. BRAUN and M. OrrOLENGHI. 1992. Encapsulation of organic molecules and

enzymes in sol-gel glasses. ACS Symposium Series 4999: 384-404.

BERMAN C. J, G. D.CHRISTIAN and L. W. BURGES. 1990. Anal. Chern. 62: 2006.

BRINKLER C. J. and G. W. ScHERER. 1990. Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-GelProcessing. Boston: Academis Press Inc.

DISUCH, H. 1971. ew routes to multicomponent oxide glasses. Angew. Chem. InL Ed.10(6): 363-434.

LEV, 0., M. TRIONSKY, L. RABINOVICH, V. GLEZER, S. SAMPATH, 1. PANKRATOV dan J. GUN.1995. Organically modified sol-gel sensors. Anal. Chern. 67(1): 22A-30A.

MUSA A. dan Q. A. LING. 1997. Pendopan filem sol-gel dengan fenolftalien: Potensipenggunaan sebagai penderia CO•. Pertanika J Sci. & TechnoL 5(2): 155-167.

MUSA A. and R ARAYANASWAMY. 1997. A flow-eell optical fibre sensor based on immobilisedchrome azurol S for aqueous Al(III) monitoring. ASEAN J. Sci. TechnologyDevelopment 14(1): 61-73.

NARAYANASWAMY Rand F. SEVILLA III. 1988. Optosensing of hydrogen sulphide throughpaper impregnated with lead acetate. Fresenius Z. Anal. Chern. 329, 789.

RICHARD, M. G. and C. G. W. JAMES. 1972. Atmospheres. p. 126-141. Prentice Hall, Inc.

PertanikaJ. Sci. & Technol. Vol. 11 No.2, 2003 291

pemegunan f1uoresein dalam lapisan filem sol-geldan...

Documents