BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Biosensor merupakan suatu perangkat (device) yang digunakan untuk mempelajari interaksi biomolekuler. Perangkat ini telah banyak diaplikasikan dalam berbagai produk teknologi seperti dalam food safety, diagnosa medis dan monitoring lingkungan. Biosensor bekerja dengan menangkap biomolekul target yang kemudian dikonversi menjadi sebuah signal berupa tegangan, sudut, hambatan atau temperatur. Salah satu contoh biosensor tersebut adalah biosensor berbasis surface plasmon resonance (SPR). SPR bekerja dengan memanfaatkan gelombang surface plasmon polariton (SPP) yang digunakan untuk menyelidiki biomolekul target dan receptor molecules. Surface plasmon (SP) dieksitasi pada permukaan diantara logam dan dielektrik. Adsorpsi biomolekul target oleh receptor molecules akan menghasilkan perubahan indeks bias logam dan dielektrik. Perubahan indeks bias menyebabkan perubahan perambatan bilangan gelombang SP yang mana dapat diukur dengan attenuated total reflection (ATR) (Islam dkk, 2012). Performa biosensor berbasis SPR dianalisis berdasarkan sensitivitas, daya adsorpsi, selektivitas dan akurasi pendeteksian (Islam dkk, 2011a). Sensitivitas biosensor berbasis SPR diukur dengan besar pergeseran dari sudut SPR akibat perubahan medium dielektrik. Beberapa logam yang digunakan untuk membangkitkan plasmon adalah emas (Au), perak (Ag) dan aluminium (Al). Emas banyak digunakan sebagai logam aktif dalam biosensor berbasis SPR. Emas merupakan material yang memiliki sensitivitas yang lebih baik jika dibandingkan dengan logam yang lain, tahan terhadap oksidasi pada lingkungan yang berbeda, namun kemampuannya dalam menyerap biomolekul sangat rendah sehingga mengakibatkan sensitivitas sensor menjadi berkurang (Verma dkk, 2015). Beberapa metode telah diterapkan untuk meningkatkan daya serap dari sensor antara lain 1
2 dengan menggunakan bahan aktif yang dapat beraksi/ mengikat biomolekul target (Riyanto, 2012). Salah satu bahan aktif yang digunakan untuk mendeteksi biomolekul adalah nanopartikel magnetik Fe3O4 (Riyanto, 2012). Nanopartikel Fe3O4 pada ukuran 10 20 nm memiliki sifat superparamagnetik. Sifat superparamagnetik merupakan sifat yang dimiliki suatu material dimana ia memiliki respon yang besar jika diberikan medan magnet eksternal, sebaliknya jika medan magnet dihilangkan maka material tadi akan bersifat nonmagnetik (Netto dkk, 2013). Respon yang besar dari nanopartikel terhadap medan magnet eksternal dapat dimanfaatkan untuk imobilisasi biomolekul target pada permukaan sensor. Kemudian sifat nonmagnetik pada nanopartikel menyebabkan tidak adanya interaksi antar nanopartikel ketika ia dicampurkan dengan biomolekul. Nanopartikel akan terdispersi dengan baik dan bereaksi dengan bimolekul target. Selain itu, rasio permukaan dan volume yang lebih besar menyebabkan nanopartikel akan mudah berikatan dengan biomolekul sehingga pelabelan biomolekul target akan lebih mudah (Wang dkk, 2010). Pemanfaatan biosensor berbasis SPR memiliki beberapa keuntungan antara lain dapat melakukan monitoring yang terjadi seperti proses adsorpsi dan desorpsi secara cepat dan real time (Manera dkk, 2008). Beberapa pencapaian terkait pemanfaatan biosensor berbasis SPR untuk monitoring antara lain untuk mendeteksi rantai peptida (Wegner dkk, 2004), sel carcinoma (Liu dkk, 2012), mutasi gen pada DNA (Manera dkk, 2008) dan deteksi antibiotik amikacin (Leal dkk, 2015). Salah satu biomolekul yang berpotensi untuk dapat dimonitoring adalah mikroalga. Mikroalga merupakan kelompok tumbuhan renik yang termasuk dalam kelas alga. Mikroalga memiliki diameter 3 30 μm. Hingga saat ini, mikroalga telah banyak digunakan dalam industri akuakultur, kesehatan, pakan dan energi. Pada dekade terakhir ini banyak diteliti potensi mikroalga sebagai bahan bakar nabati. Dengan melihat potensi tersebut, pengembangan suatu device yang memiliki sensitivitas yang tinggi dan mampu untuk mengetahui pertumbuhan mikroalga adalah sangat penting.
3 Pertumbuhan mikroalga memiliki beberapa fasa yaitu fasa lag, fasa eksponensial, fasa stasioner dan fasa penurunan. Fasa lag merupakan fasa permulaan setelah mikroalga dikulturkan dalam medium. Pada fasa ini mikroalga akan beradaptasi dengan kondisi medium yang baru. Fasa selanjutnya yaitu fasa eksponensial. Fasa eksponensial ditandai dengan naiknya laju pertumbuhan sehingga kepadatan populasi meningkat. Sel alga aktif berkembang biak dan terjadi pembentukan protein, karbohidrat, lipid dan komponen-komponen penyusun plasma sel yang dibutuhkan dalam pertumbuhan. Fasa stasioner ditandai dengan seimbangnya laju pertumbuhan dengan laju kematian, karena pertambahan kepadatan populasi seimbang dengan laju kematian sehingga tidak ada lagi pertumbuhan populasi (Winarti, 2003). Hingga akhirnya mikroalga mengalami fasa penurunan laju pertumbuhan. Hal ini terjadi karena mikroalga kekurangan nutrisi (nitrogen dan posfat), menurunnya konsentrasi CO2, dan kenaikan ph media. Selain itu dapat juga terjadi karena adanya intensitas cahaya yang berkurang (Richmond, 1986). Selama ini, perangkat yang biasa digunakan untuk mengetahui pertumbuhan mikroalga adalah menggunakan haemocytometer dan spektrofotometer UV-Vis (Suyono dkk, 2015). Pengamatan pertumbuhan mikroalga dengan haemocytometer merupakan metode perhitungan langsung menggunakan bantuan mikroskop. Metode ini dinilai kurang efektif karena menggunakan perhitungan manual. Selain itu, ketika jumlah sel yang dihitung sangat banyak maka akan terjadi penumpukan pada haemocytometer yang menyebabkan proses perhitungan akan sulit dilakukan. Adapun spektrofotometer UV-Vis digunakan dalam mengamati pertumbuhan mikroalga untuk menghindari perhitungan yang berulang-ulang pada haemocytometer. Pemaparan sebelumnya telah menyebutkan beberapa pemanfaatan biosensor berbasis SPR untuk beberapa aplikasi monitoring biomolekul. Pada penelitian ini akan dikembangkan pemanfaatan biosensor berbasis SPR untuk monitoring pertumbuhan mikroalga. Pertumbuhan yang terjadi pada mikroalga ditentukan berdasarkan kurva SPR yang diambil setiap 24 jam. Logam yang digunakan untuk mengeksitasi plasmon adalah emas. Nanopartikel magnetik Fe3O4
4 yang telah difungsionalisasi dengan PEG4000 berfungsi sebagai pengikat aktif dari mikroalga sedangkan mikroalga yang dideteksi adalah mikroalga isolat Glagah. Rumusan Masalah Rumusan masalah penelitian ini adalah : 1. Bagaimana mengikat mikroalga dengan nanopartikel Fe3O4? 2. Bagaimana pengaruh nanopartikel Fe3O4+PEG4000 pada sistem prisma/au/udara terhadap kurva SPR? 3. Bagaimana monitoring pertumbuhan mikroalga berdasarkan pola kurva SPR? Batasan Masalah Penelitian ini hanya terbatas pada pengamatan fenomena SPR melalui hubungan antara sudut datang dan reflektansi menggunakan metode pengkoplingan prisma dalam konfigurasi Kretschmann. Logam yang digunakan yaitu emas. Penelitian ini tidak mengkaji pengaruh variasi ketebalan logam emas dan konsentrasi komposit Fe3O4+PEG4000 terhadap kurva SPR. Komposit Fe3O4+PEG4000 dibuat dengan perbandingan massa 1 : 1. Mikroalga yang dideteksi hanyalah mikroalga isolat Glagah. Tujuan Penelitian Berdasarkan latar belakang masalah yang telah ditulis diatas, tujuan penelitian ini adalah : 1. Menentukan metode untuk mengikat mikroalga dengan nanopartikel Fe3O4. 2. Menentukan pengaruh penambahan nanopartikel Fe3O4+PEG4000 pada sistem prisma/au/udara terhadap kurva SPR. 3. Menentukan metode untuk monitoring pertumbuhan mikroalga berdasarkan pola kurva SPR. Kebaharuan Penelitian Penelitian ini merupakan salah satu pengembangan dalam penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Deteksi biomolekul yang telah dilakukan sebelumnya di laboratorium FISMATEL adalah sebuah biomolekul yang statik (biomolekul
5 tidak mengalami pertumbuhan). Biomolekul yang dideteksi bersifat monitoring yang mana output yang diharapkan dengan keberhasilan penelitian ini adalah sebagai pengantar untuk penelitian selanjutnya dalam membangun biosensor berbasis SPR yang bersifat real time. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah : 1. Memberikan informasi tentang sifat optik dari biosensor berbasis SPR melalui kurva SPR. 2. Memberikan informasi dalam pemanfaatan biosensor berbasis SPR pada pendeteksian pertumbuhan mikroalga. 3. Dapat menjadi acuan, atau rujukan bagi peneliti selanjutnya pada pengembangan biosensor berbasis SPR. Sistematika Penulisan Tesis ini terbagi menjadi beberapa bab yaitu : pendahuluan, tinjauan pustaka, landasan teori, metode penelitian dan daftar pustaka. BAB I merupakan pendahuluan yang berisikan latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian serta kebaharuan penelitian. Batasan masalah ditujukan agar output dari penelitian sesuai dengan tujuan dan manfaat yang diharapkan. BAB II merupakan tinjauan pustaka menjelaskan beberapa penelitian terkait aplikasi biosensor berbasis SPR, pengembangan biosensor berbasis SPR dan beberapa pustaka terkait sistem pengukuran real time pada biosensor berbasis SPR. Pengembangan biosensor berbasis SPR lebih difokuskan pada penggunaan nanopartikel magnetik Fe3O4. BAB III berisi landasan teori yang berhubungan dengan SPR, teori tentang nanopartikel magnetik Fe3O4 dan beberapa metode dalam karakterisasi material. BAB IV menjelaskan metode penelitian mencakup bahan-bahan dan alatalat yang digunakan dalam sistem SPR serta langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian.
6 BAB V menjelaskan hasil dan pembahasan dari penelitian yang telah dilakukan. BAB VI memuat kesimpulan penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya. Daftar pustaka mencantumkan sumber referensi ilmiah yang menjadi acuan penelitian. Lampiran menyajikan data pendukung penelitian serta dokumentasi pelaksanaan penelitian ini.
7