Modifikasi Permukaan Sensor Quartz Crystal Microbalance (QCM) Menggunakan Komposit Polimetil Metakrilat-reduced Graphene Oxide (PMMA-rGO) untuk Deteksi Aroma Kopi

Nalle, Ferry Chrismiadi and Prof. Akhmad Sabarudin, S.Si., M.Sc., Dr.Sc and Prof. Dr. Ing. Setyawan. Purnomo Sakti,, S.Si., M.Eng. (2024) Modifikasi Permukaan Sensor Quartz Crystal Microbalance (QCM) Menggunakan Komposit Polimetil Metakrilat-reduced Graphene Oxide (PMMA-rGO) untuk Deteksi Aroma Kopi. Magister thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Kualitas makanan/minuman sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah aroma. Metode standar internasional yang sering digunakan untuk menentukan kualitas kopi ialah dengan metode Qupping. Dimana metode ini bersifat sangat subjektif dan bergantung pada orang-orang yang memiliki tingkat kepekaan aroma yang tinggi. Hal ini sulit untuk tereplikasi dan diterapkan di berbagai tempat. Selain itu, pemanfaatan teknologi maju berbasis kromatografi (LC-MS, GC-MS, GC-MS-O) dan NMR dapat memberikan hasil yang akurat namun memiliki keterbatasan seperti biaya analisis yang mahal, waktu analisis yang lama, preparasi sampel yang kompleks, dan membutuhkan orang yang terampil dalam pengoperasiannya. Teknologi sensor berbasis quartz crystal microbalance (QCM) menjadi alternatif karena sifatnya yang sensitif, mudah digunakan pada temperatur ruang, portable, dan bisa ditingatkan performanya melalui modifikasi permukaan QCM menggunakan material spesifik. Pemanfaatan komposit polimetil metakrilatreduced graphene oxide (PMMA-rGO) sebagai lapisan sensitif pada permukaan sensor QCM memberikan peningkatan performa secara signifikan pada deteksi aroma kopi esensial standar. Komposit PMMA-rGO merupakan perpaduan antara polimer PMMA dan rGO. Kedua material ini dibuat dengan pendekatan secara in-situ dengan keberadaan etanol-air sebagai porogen (pore-forming agent) dengan perbandingan spesifik. Berdasarkan analisis menggunakan ATR-FTIR, XRD, dan FE-SEM, diketahui PMMA-rGO memiliki serapa gugus fungsional yang serupa dengan polimer PMMA tanpa rGO. Mengindikasikan interaksi yang terjadi antara PMMA dan rGO yakni secara fisik dibandingkan melalui pembentukan ikatan kimia. Komposit PMMA-rGO bersifat amorf, dari bentuk pola difraksi sinar-X yang cenderung melebar. Berdasarkan pengamatan morfologi menggunakan FE-SEM, diketahui polimer PMMA berbentuk bulat dan seragam (monodisperse) dengan ukuran diameter rata-rata 1-2 mikrometer. Sedangkan PMMA-rGO memilikistruktur material berpori, dengan rentang ukuran pori 0.10 mikrometer-0.45 mikrometer. Hal ini mengindikasikan bahwa pembentukan pori pada komposit PMMA-rGO disebabkan oleh interaksi antara partikel PMMA yang berukuran kecil dan saling berinteraksi antar partikel yang mengarah pembentukan defect berupa pori pada struktur komposit. Melalui pengamatan permukaan sensor QCM menggunakan profilometer TMS, mengindikasikan bahwa nilai kekasaran permukaan permukaan sensor QCM bervariasi bergantung pada konsentrasi komposit. Dengan meningkatnya konsentrasi komposit PMMA-rGO, nilai kekasaran permukaan juga meningkat. Nilai kekasaran permukaan tidak berbanding lurus terhadap variasi jumlah rGO pada komposit PMMA-rGO. Hal ini bisa disebakan karena distribusi dan jumlah massa rGO yang tersebar pada permukaan sensor QCM. Dari pengamatan FESEM baik mode top-view dan cross-view, dijumpai material PMMA dan rGO pada permukaan sensor, mengindikasikan bahwa komposit berada pada permukaan sensor QCM. Melalui pendekatan secara polimerisasi in-situ, komposit PMMA-rGO dengan variasi jumlah rGO (1%, 2%, 3%, 4%, dan 5%) dapat mendeteksi aroma kopi standar yang berbeda, yakni aroma kopi CA-13 (floral-like), aroma kopi CA- 14 (fruity-like), dan aroma kopi CA-34 (roasted coffee aroma). Komposit PMMArGO dengan konsentrasi rGO sebanyak 5% diketahui memberikan respon tertinggi dengan nilai ∆f sebesar -114. 5 Hz (CA-13), -44.8 Hz (CA-14), dan -87.4 Hz (CA- 34).

English Abstract

Food and beverage quality is influenced significantly by aroma. The widely accepted international standard for coffee quality assessment is the “cupping method”, which relies on subjective sensory evaluations conducted by highly trained individuals. However, this method is not easily reproducible across various settings. Advanced chromatography-based technologies (LC-MS, GC-MS, GC-MS-O) and NMR provide precise results but come with limitations such as high costs, lengthy analysis times, complex sample preparation, and the requirement for skilled operators. QCM sensor technology, known for its sensitivity, portability, and room-temperature operability, serves as an alternative. This research utilized PMMA-rGO composites as a sensitive coating on QCM sensor surfaces, achieving enhanced detection performance for standard coffee aromas. PMMA-rGO composites were synthesized via an in-situ polymerization approach, utilizing ethanol-water as a porogen in specific proportions. Analytical techniques, including ATR-FTIR, XRD, and FE-SEM, confirmed the material's characteristics. The PMMA-rGO composite exhibited functional group vibration similar to neat PMMA, indicating physical rather than chemical interactions between PMMA and rGO. X-ray diffraction revealed an amorphous structure with broad diffraction patterns for the composites. FE-SEM images showed monodisperse PMMA particles (1– 2 μm diameter) and porous PMMA-rGO structures (pore size 0.10–0.45 μm), attributed to interactions among small PMMA particles. Surface roughness analysis via non-contact profilometer, TMS, indicated a direct relationship between composite concentration and surface roughness. However, surface roughness did not consistently correlate with rGO content, likely due to variations in rGO distribution across the QCM surface. FE-SEM confirmed the presence of PMMA and rGO on the QCM electrode surface. PMMA-rGO composites, with varying rGO concentrations (1–5%), were tested to detect standard coffee aromas, including floral-like (CA-13), fruity-like (CA-14), and roasted coffee (CA- 34). The 5% rGO composite showed the highest responses as follow; CA-13: ∆f = -114.5 Hz; CA- 14: ∆f = -44.8 Hz; and CA-34: ∆f = -87.4 Hz . This research demonstrates that in-situ synthesized PMMA-rGO composites significantly enhance the QCM sensor's ability to detect distinct coffee aromas. This approach offers a cost-effective, reproducible alternative to traditional aroma evaluation methods.DAFTAR SINGKATA

Item Type:	Thesis (Magister)
Identification Number:	0424090047
Divisions:	S2/S3 > Magister Kimia, Fakultas MIPA
Depositing User:	Unnamed user with username nova
Date Deposited:	11 Dec 2024 02:56
Last Modified:	11 Dec 2024 02:56
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/233648

Text (DALAM MASA EMBARGO) Ferry Chrismiadi Nalle.pdf Restricted to Registered users only Download (11MB)

Actions (login required)

View Item