BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Dewasa ini, pengembangan biosensor menjadi hal yang cukup menarik dalam dunia teknologi. Biosensor, yang salah satu kegunaannya dalam pengujian biomolekul secara akurat dan terkontrol, adalah suatu alat yang menggunakan reaksi biokimia tertentu yang dimediasi oleh enzim-enzim, immunosistem, jaringan, organel, atau sejumlah sel terisolasi untuk mendeteksi campuran kimia dengan keluaran (output) berupa sinyal listrik, panas, atau optik. Salah satu dasar teknologi dalam afinitas biosensor untuk analisis interaksi biomolekular adalah fenomena Surface Plasmon Resonance (SPR). SPR adalah fenomena optik berupa osilasi rapat muatan pada bidang batas antara dua medium yang memiliki konstanta dielektrik berlawanan tanda (dalam kasus ini adalah antara logam dan dielektrik). Biosensor berbasis SPR dapat mengamati interaksi biomolekul secara langsung. Teknik SPR dimanfaatkan untuk mendeteksi penyerapan yang terjadi pada biomolekul, karena memiliki sensitivitas dan respon yang cepat terhadap perubahan indeks bias pada permukaan sensor. Pemanfaatan SPRsebagai biosensor antara lain dapat mengukur konsentrasi biomolekul, ketebalan, dan data ikatan kinetik untukanalyte biologi tertentu seperti antigen/antibodi, ligan/reseptor, reaksi protein, dan hibridisasi DNA (Choi dkk, 2011).Salah satu yang diamati pada biosensor berbasis SPR adalah sinyal SPR. Sebagai contoh, kecenderungan sinyal SPR dengan relasinya terhadap konsentrasi dari suatu material, dalam hal ini polyclonal antibody (PAb) yaitu sinyal SPR meningkat dengan meningkatnya konsentrasi PAb (Liu dkk, 2016). Sinyal SPR yang meningkat ini tidak begitu saja teramati tanpa adanya fenomena yang terjadi pada sistem SPR tersebut. Salah satu yang menandai adanya fenomena SPR adalah perubahan sudut SPR atauangleshift(pergeseransudut) SPR. 1
2 Secara umum, pergeseran sudut SPR terjadi karena adanya perbedaan parameter optik lapisan yang dilewati cahaya, karena sudut SPR bergantung pada sifat optik sistem, seperti indeks bias dari kedua sisi dari logam, contohnya emas (Tudos dan Schasfoort, 2008). Hal ini menjadi dasar mengapa fenomena SPR dapat digunakan sebagai biosensor dengan berbagai biomolekul dilapisi di atas prisma dan logam. Mengingat karakteristik biomolekul yang beragam makatiap biomolekul yang akan dideteksi harus dipastikan dapat menempel pada lapisan logam. Pada proses preparasi sampel terdapat beberapa biomolekul yang dapat dilapisi pada logam secara langsung, namun respon yang diperoleh lemah ketika dideteksi menggunakan SPR. Hal ini menjadi dasar bahwa bahan aktif, seperti nanopartikeldiperlukan untuk meningkatkan sensitivitas SPR dalam mendeteksi biomolekul tersebut. Sebagai contoh, pengamatan tingkat kemurnian DNA adalah dengan mengamati fenomena SPR pada lapisan tipis perak/nanopartikel perak dalam konfigurasi Kretschmann(Thoyibidkk, 2015). Sebelum DNA dideteksi menggunakan sistem SPR, DNA diikat dengan nanopartikel perak terlebih dahulu. Wang dkk (2010) menggunakan lapisan magnetik Co70Fe30sebagai dockingmagnetic nanoparticles (MNPs) yang cepat dan reversible. Nanopartikel magnetik digunakan untuk analisis kimia dan biologi yang memiliki potensi meningkatkan sensitivitas dan deteksi dalam waktu singkat. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa nanopartikel dapat digunakan untuk pengembangan deteksi molekular dan analisis biologi supaya proses difusi yang terjadi tidak terhalangi ketika di-transfer ke permukaan sensor. Salah satu nanopartikel yang sering dimanfaatkan dalam pengembangan SPR sebagai biosensor saat ini adalah nanopartikel magnetikfe3o4. Chen dkk (2015) memanfaatkan nanopartikel Fe3O4 pada sistem SPR untuk mendeteksi trombin. Setelah dibandingkan dengan gold nanoparticles (AuNPs) dan MNPs, konjugat AuMP-Apt2 menghasilkan peningkatan sudut SPR yang signifikan, terutama pada massa dan indeks bias yang lebih besar dari AuMPs. Berdasarkan penelitian ini, AuMPs memiliki stabilitas dan biokompatibilitas yang tinggi, sehingga dapat menjadi elemen sandwich yang berguna untuk fabrikasi sensor dan amplifikasi reagen yang sangat baik untuk pengukuran SPR.
3 Nanopartikel Fe3O4 digunakansebagai bahan aktif yang dapat bereaksi baik dengan biomolekul. Nanopartikel Fe3O4 memiliki konstanta dielektrik yang dapat meningkatkan respon terhadap masukan (input) sehingga dapat diaplikasikan untuk mengikat biomolekul terutama dalam preparasi sampel yang membutuhkan enkapsulasi dengan suatu polimer tertentu. Berdasarkan telaah sifat magnetik diperoleh informasi bahwa sampel nanopartikel Fe3O4 dengan ukuran butir yang paling kecil merupakan sampel yang paling berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai agen imobilisasi biomolekul dalam aplikasi biosensor SPR (Riyanto, 2012). Potensi unik inilah yang menjadi dasar pemanfaatan dan pengamatan nanopartikel Fe3O4 pada penelitian ini, untuk mengetahui bagaimana fenomena yang terjadi pada sistem SPR yang dilapisi nanopartikel Fe3O4 sehingga dapat memiliki karakteristik yang kuat dalam meningkatkan sinyal SPR sebagai biosensor. Pada penelitian sebelumnya, Sari (2012) telah melakukan studi analitik dan komputasional fenomena SPR pada lapisan tipis nanopartikel magnetit (Fe3O4) sebagai sensor DNA (asam deoksiribo-nukleat). Pemilihan bahan nanopartikel Fe3O4 sebagai bahan aktif biosensor SPR dikarenakan beberapa keunggulan yang dimilikinya ketika digunakan dalam deteksi dan pemisahan sejumlah kecil biomolekul, seperti memiliki dispersibilitas yang tinggi, proses pengikatan ligand yang cepat dan efektif, dan memiliki daya tarik terhadap molekul lain yang reversibel dan terkontrol. Adanya pergeseran sudut SPR menunjukkan sensitivitas SPR sebagai biosensor. Dengan meninjau kembali penelitian-penelitian sebelumnya, ide awal untuk memanfaatkan Fe3O4 adalah sebagai pengikat biomolekul pada sistem Ag/ Fe3O4, seperti yang telah dilakukan oleh Megasari (2012) dan Husain (2012). Namun, sejauh ini belum ada kajian khusus mengenai fenomena apa yang terjadi pada sistem prisma/au/fe 3 O 4 tanpa diberikan biomolekul. Penggunaan Au sebagai pengganti Ag dilakukan karena Au lebih tahan terhadap oksidasi dan korosi dalam berbagai lingkungan (Verma dkk, 2015). Ekspektasi ketika Au digunakan pada sistem SPR dengan konfigurasi logam/fe3o4adalah dapat diminimalisir terjadinya oksidasi yang mungkin dapat berpengaruh terhadap respon SPR.
4 Nanopartikel Fe3O4 cukup sering diaplikasikan pada sistem SPR dengan menggunakan laser merah dalam pengamatan kurva ATR pada penelitianpenelitian sebelumnya, dengan kata lain, masih sedikit kajian sistem tersebut dengan menggunakan laser hijau. Hasil penelitian Rufaida (2012) telah menunjukkan bahwa untuk panjang gelombang laser yang semakin kecil, letak sudut SPR akan bergeser lebih ke kanan atau menuju sudut datang yang lebih tinggi. Ketika panjang gelombang yang digunakan lebih kecil, maka energi yang dihasilkan semakin besar dan energi tersebut digunakan untuk membangkitkan medan evanescentyang semakin besar, dip SPR yang terbentuk akan semakin terlihat jelas.oleh karena itu, dapat hipotesis awalnya adalah dengan menggunakan laser hijau akan menghasilkan sudut SPR yang bergeser semakin ke kanan dengan penyerapan energi yang lebih besar, dengan kata lain respon SPR terhadap laser hijau juga lebih besar dibanding laser merah. Pada penelitian sebelumnya, pemanfaatan nanopartikel Fe3O4 belum memperhatikan konsentrasi yang digunakan secara terperinci, sehingga belum diketahui apakah variasi konsentrasi nanopartikel Fe3O4 berpengaruh terhadap sinyal SPR. Perubahan konsentrasi menyebabkan perubahan absorbansi dan reflektansi. Nilai Absorbansi tersebut berpengaruh terhadap nilai koefisien ekstensi (bagian imajiner indeks bias) yang menandakan bahwa material-material tersebut menyerap cahaya secara efektif. Semakin rendah nilai koefisien ekstensimenandakan bahwa material tersebut semakin transparan (Fox, 2001). Hal ini menyebabkan indeks bias semakin kecil. Oleh karena itu, dapat diperoleh kesimpulan bahwa perubahan konsentrasi akan menyebabkan perubahan kerapatan optik medium, sehingga berefek pada pergeseran sudut SPR. Setelah mengetahui pengaruh dari konsentrasi, maka muara dari kajian pemanfaatan nanopartikel Fe 3 O 4 adalah batas minimum dan maksimum pemberian nanopartikel Fe3O4, terlebih lagi ketika menjadi bahan aktif biomelekul sebelum dideteksi pada sistem SPR. Disamping itu, rumus baku juga menjadi sangat penting dalam menghitung konsentrasi nanopartikel Fe3O4, sehingga penelitian tentang kajian ini dapat terus dikembangkan hingga waktu mendatang.
5 Berdasarkan uraian di atas, fokus penelitian ini adalah pada fenomena SPR yang terjadi setelah mendeposisikan nanopartikel Fe3O4 di atas lapisan tipis emas. Pengamatan yang dilakukan adalah melalui hubungan antara nilai reflektansi dengan sudut datang menggunakan metode pengkoplingan prisma dalam konfigurasi Kretschmann. Penelitian ini juga berfokus pada perubahan pergeseran sudut SPR akibat variasi konsentrasi nanopartikel Fe3O4 yang dideposisikan. Penelitian ini menggunakan alat SPR sederhana dan ekonomis yang telah dikembangkan di Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi (Fismatel) Departemen Fisika FMIPA UGM. Kajian tentang SPR yang telah dilakukan di Laboratorium Fismatel misalnya kajian awal tentang SPR pada konfigurasi Kretschmann (Arifin, 2009), kajian lapisan logam pada prisma (Zakiyah, 2011), penggunaan beberapa perubahan panjang gelombang yang dipancarkan pada prisma (Rufaida, 2011), pengembangan SPR sebagai sensor gas (Arifin, 2011), kajian awal penggunaan lapisan MNPs Fe3O4 dalam sistem lapisan SPR (Megasari, 2012), pengembangan SPR dengan menggunakan MNPs Fe3O4 untuk mendeteksi biomolekul (Husain, 2012), pengembangan SPR sebagai pendeteksi gelatin (Wardani, 2014), pengembangan SPR berbasis biosensor konfigurasi Otto (Norpriady, 2015), dan penelitian terbaru mengenai analisis kuantitatif dengan SPR berbasis respon biosensor untuk mendeteksi perbedaan antara gelatin babi dan sapi (Wardani, 2016). Penentuan dan pengukuran sifat optik setiap lapisan pada penelitian ini menggunakan beberapa cara di antaranya simulasi menggunakan program Winspall versi 3.02 for Windows dan karakterisasi UV-Vis (Efelina, 2015). Ketebalan lapisan hanya diestimasi menggunakan program Winspall versi 3.02for Windows.Penelitian ini diharapkan dapat memberikan sumbangsih dalam pengembangan biosensor berbasis SPR di Indonesia, khususnya pada penggunaan nanopatikel Fe 3 O 4, sehingga Indonesia dapat mengembangkan secara mandiri produksi biosensor agar dapat meminimalisir penggunaan biaya dalam pengujian sampel. 1.2. Rumusan Masalah Permasalahan dalam penelitian ini meliputi pendeposisian lapisan tipis emas (Au) yang dapat menghasilkan lapisan untuk memunculkan sudut SPR yang
6 optimum, proses deposisi Fe3O4 di atas lapisan tipis emas dengan berbagai konsentrasi Fe3O4, dan fenomena SPR yang terjadi setelah pendeposisian MNPs Fe3O4. Secara khusus rumusan masalah dapat dijabarkan menjadi beberapa poin sebagai berikut: 1. Bagaimana fenomena SPR pada sistem lapisan tipis prisma/emas (Au)/Udara dan sistem lapisan tipis prisma/emas(au)/nanopartikel magnetik Fe3O4/udara? 2. Bagaimana pengaruh konsentrasi nanopartikel magnetik Fe3O4 pada pengamatan sudut SPR pada sistem prisma/emas(au)/nanopartikel magnetik Fe3O4/udara? 1.3. Batasan Masalah Penelitian ini hanya terbatas pada pengamatan fenomena SPR melalui hubungan antara reflektansi dengan sudut datang menggunakan metode pengkoplingan prisma dalam konfigurasi Kretschmann. Penelitian ini juga terbatas pada bahan aktif nanopartikel magnetik Fe3O4 dengan menvariasikan konsentrasi nanopartikel Fe3O4, perbandingan antara massa nanopartikel Fe3O4 danvolume ethanol 96% sebagai pelarut, sebesar 1 mg/ml, 3 mg/ml, 5 mg/ml, 7 mg/ml, 9 mg/ml, dan 11 mg/ml. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini ialah: 1. Mengamati fenomena SPR sistem lapisan tipis prisma/emas(au)/udara dan sistem lapisan tipis prisma/emas(au)/nanopartikel magnetik Fe3O4/udara. 2. Mengamati pengaruh konsentrasi nanopartikel Fe3O4 pada pengamatan sudut SPR pada sistem prisma/emas(au)/nanopartikel magnetik Fe3O4/udara.
7 1.5. Kebaharuan Penelitian Penelitian ini adalah lanjutan dari penelitian-penelitian sebelumnya, yaitu pengamatan sudut SPR pada sistem lapisan prisma/logam/nanopartikel Fe3O4/Udara, namun dengan merubah beberapa parameter seperti: 1. Logam yang digunakan adalah emas (Au). Penggunaan emas adalah barudalam sistem SPR logam/fe3o4 di Laboratorium Fismatel. Jika dibandingkan dengan perak, konduktivitas emas memang lebih rendah dibanding perak, sehingga menyebabkan sensitivitas perak lebih baik dibanding emas. Namun hal ini menjadi menarik jika keunggulan emas, dengan daya resistansinya terhadap oksidasi dan korosi tinggi namun sensitivitasnya rendah, dikombinasikan dengan nanopartikel Fe3O4 yang dapat meningkatkan sensitivitas SPR namun daya resistansi terhadap oksidasi dan korosinya rendah. 2. Laser yang digunakan adalah laser hijau dengan panjang gelombang 543 nm. Seperti yang disimpulkan oleh Rufaida (2012), untuk panjang gelombang sinar laser yang semakin kecil, letak sudut SPR akan bergeser lebih ke kanan atau menuju sudut datang yang lebih tinggi. Hal ini menjadi cukup menarik jika laser merah yang biasa digunakan diganti dengan laser hijau yang memiliki panjang gelombang lebih rendah. Selain itu, penggunaan laser hijau ini juga menghasilkan nilai reflektansi yang lebih rendah dibanding menggunakan laser merah baik secara komputasi maupun secara eksperimen. Sehingga dapat diambil hipotesis awal bahwa dengan menggunakan laser hijau akan menghasilkan sudut SPR yang bergeser semakin ke kanan dengan penyerapan energi yang lebih besar, dengan kata lain respon SPR terhadap laser hijau juga lebih besar dibanding laser merah ketika material dikenai sinar laser tersebut. 3. Rumus baku untuk menghitung konsentrasi nanopartikel Fe3O4 yang diperoleh dari perbandingan antara massa nanopartikel Fe3O4 dengan volume ethanol. Hal ini juga menjadi sangat penting dalam menghitung konsentrasi nanopartikel Fe3O4, sehingga penelitian tentang kajian ini
8 dapat terus dikembangkan hingga waktu mendatang, terutama dalam menentukan batas minimum dan maksimum konsentrasi nanopartikel Fe3O4 yang dapat direspon oleh sinyal SPR. 4. Fokus penelitian ini adalah pada fenomena-fenomena fisis yang terjadi pada perubahan pergeseran sudut ketika konsentrasi nanopartikel Fe3O4 yang dideposisi pada lapisan tipis emas tersebut divariasikan. 1.6. Manfaat Penelitian Berdasarkan uraian pada latar belakang, diketahui bahwa nanopartikel sangat berpotensi dalam aplikasi biosensor berbasis SPR. Sehingga, penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang sifat optik berupa kurva reflektansi pada sistem prisma/au/nanopartikel Fe3O4/Udara berdasarkan metode SPR dan dapat menjadi acuan atau rujukan bagi peneliti selanjutnya pada bidang kajian biosensorberbasis SPR.Setelah mengetahui pengaruh dari variasi konsentrasi, maka muara dari kajian pemanfaatan nanopartikel Fe3O4 mendatang adalah batas minimum dan maksimum pemberian nanopartikel Fe3O4, terlebih lagi ketika menjadi bahan aktif biomelekul sebelum dideteksi pada sistem SPR. Disamping itu, penelitian ini juga dapat menjadi acuan dalam menghitung konsentrasi nanopartikel Fe3O4 dengan rumus baku yang menyatakan perbandingan antara nanopartikel Fe3O4 dengan pelarut, dengan demikian penelitian tentang kajian ini dapat terus dikembangkan hingga waktu mendatang.