ANALISIS SISTEM DETEKSI LOGAM BERAT DENGAN SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) MENGGUNAKAN METODE BEDA HINGGA DOMAIN WAKTU (FDTD)
ANALYSIS OF HEAVY METAL DETECTION SYSTEM WITH SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) USING FINITE DIFFERENCE TIME DOMAIN (FDTD) METHOD
Penelitian ini berhasil menginvestigasi dan mengoptimasi beberapa parameter probe terhadap performa sensor yang didesain, termasuk material plasmonik, ketebalan lapisan material plasmonik, indeks refraktif, dan bentuk desain probe sensing. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan plasmonik mempengaruhi performa sensor, dengan material Au setebal 50 nm, core SiO2 dengan indeks refraktif 1,46, diameter 5 µm, dan panjang zona sensing 240 µm. Simulasi sensor menunjukkan kemampuan mendeteksi logam berat (Fe, Pb, Hg, Co) dengan konsentrasi 500 hingga 1000 ppm, ditunjukkan oleh pergeseran panjang gelombang (red shift) dan pendangkalan dip yang seiring peningkatan konsentrasi logam berat. Fe menghasilkan panjang gelombang SPR di kisaran 611 – 622 nm, Pb dan Hg pada 620 – 625 nm, dan Co pada 465 nm dengan interaksi yang lebih lemah. Sensor ini mampu membedakan berbagai konsentrasi logam berat dalam larutan, menunjukkan peningkatan panjang gelombang resonansi dengan konsentrasi yang lebih tinggi, meskipun terdapat ketidakstabilan pada konsentrasi rendah. Nilai FWHM berkisar antara 50 hingga 70 nm, dan daya refleksi resonansi meningkat dengan konsentrasi, terutama untuk Pb. Sensitivitas dan akurasi deteksi beragam, dengan Fe menunjukkan FoM tertinggi pada konsentrasi 10%. Ketidakstabilan diamati pada Pb, Hg, dan Co pada konsentrasi rendah, menunjukkan perlunya penelitian lebih lanjut. Sebagai tambahan untuk menambahkan variasi parameter fisik dalam simulasi FDTD 2D, melakukan simulasi 3D, dan menginvestigasi sensor SPR berbasis multimode. Kalibrasi sensor yang lebih sering diperlukan untuk memastikan stabilitas dan akurasi pengukuran, terutama pada konsentrasi logam berat rendah, serta memperluas rentang konsentrasi yang dapat dideteksi.
Kata Kunci: Logam berat, SPR, Simulasi FDTD, Fiber Optik
This research has investigated and optimised several probe parameters on the performance of the designed sensor, including the plasmonic material, plasmonic material layer thickness, refractive index, and design shape of the sensing probe. The results show that the plasmonic coating affects the sensor performance, with a 50 nm thick Au material, SiO2 core with a refractive index of 1.46, a diameter of 5 µm, and a sensing zone length of 240 µm. The sensor simulation shows the ability to detect heavy metals (Fe, Pb, Hg, Co) with concentrations of 500 to 1000 ppm, indicated by the wavelength shift (red shift) and dip shallowing as the heavy metal concentration increases. Fe produces SPR wavelengths in the range of 611 - 622 nm, Pb and Hg at 620 - 625 nm, and Co at 465 nm with weaker interactions. The sensor is able to discriminate a wide range of heavy metal concentrations in solution, showing an increase in resonance wavelength with higher concentrations, although there is instability at low concentrations. The FWHM values ranged from 50 to 70 nm, and the resonance reflection power increased with concentration, especially for Pb. Detection sensitivity and accuracy varied, with Fe showing the highest FoM at 10% concentration. Instability was observed in Pb, Hg, and Co at low concentrations, indicating the need for further research. In addition to adding physical parameter variations in 2D FDTD simulations, conducting 3D simulations, and investigating multimode-based SPR sensors. More frequent calibration of the sensor is required to ensure measurement stability and accuracy, especially at low heavy metal concentrations, as well as expanding the range of concentrations that can be detected.
Keywords: Heavy metals, SPR, FDTD Simulation, Optical Fiber