Kata kunci: surface plasmon resonance, nanopartikel magnetik, biosensor. Key words: surface plasmon resonance, magnetic nanoparticles, biosensor

Rafika Sari , dkk/ Simulasi Pengaruh Ketebalan Lapisan Nanopartikel Magnetik (Fe3O4) terhadap Respon Biosensor Berbasis Surface Plasmon Resonance (SPR) untuk Deteksi DNA

77

Simulasi Pengaruh Ketebalan Lapisan Nanopartikel Magnetik (Fe3O4) terhadap Respon Biosensor Berbasis Surface Plasmon Resonance (SPR) untuk Deteksi DNA Rafika Sari,Kamsul Abraha Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi, Jurusan Fisika FMIPA UGM Sekip Utara BLS 21 Yogyakarta 55281, http://mipa.ugm.ac.id Email: [email protected]

Abstrak – Telah dilakukan studi analitik komputasional pada fenomena surface plasmon resonance (SPR) pada lapisan tipis nanopartikel magnetik (Fe3O4) sebagai sensor DNA (asam deoksiribonukleat). Pemilihan bahan magnetik nanopartikel sebagai bahan aktif SPR biosensor dikarenakan beberapa keunggulan yang dimilikinya ketika digunakan sebagai deteksi dan pemisahan sejumlah kecil biomolekul yaitu memiliki dispersibilitas yang bagus, proses pengikatan yang cepat dan efektif, dan memiliki daya tarik yang reversibel dan terkontrol. Surface plasmon adalah gelombang elektromagnetik yang menjalar pada interface logam-dielektrik yang dapat dieksitasi dengan metode attenuated total reflection (ATR) dalam konfigurasi Kretschmann. Kondisi resonansi dinamakan sudut SPR, terjadi saat konstanta gelombang surface plasmon terkopling dengan konstanta gelombang evanescent berkas cahaya laser HeNe (λ = 632,8 nm). Kurva SPR diperoleh dengan perhitungan reflektansi untuk variasi sudut datang laser pada prisma. Adanya pergeseran sudut SPR menunjukkan sensitivitas SPR sebagai biosensor. Dengan mengetahui beberapa properti dari masing-masing material yang terlibat maka dapat dihitung perubahan sudut SPR dari tiap variasi sistem sehingga didapatkan model untuk sistem SPR biosensor sebagai deteksi DNA. Kata kunci: surface plasmon resonance, nanopartikel magnetik, biosensor Abstract – Analytic computational studies for surface plasmon resonance phenomenon (SPR) on a thin layer of magnetic nanoparticles (Fe3O4) as the sensor DNA (deoxyribonucleic acid) have been conducted. We select nanoparticles of magnetic materials as the active ingredient because the SPR biosensor has several advantages when they are used as a detection and separation of a small number of biomolecule, namely they have a good dispersibilitas, the fast and effective binding process, and have an appeal that reversible and controllable. Surface plasmon is an electromagnetic wave that propagates in a metal-dielectric interface can be excited by the method of attenuated total reflection (ATR) in the Kretschmann configuration. SPR angle is called the resonance condition, occurs when the constant of surface plasmon waves have coupled with constant evanescent wave from HeNe laser beam (λ = 632.8 nm). SPR curves obtained by calculation of reflectance to variation in the laser incident angle prism. A shift in the SPR angle showed a sensitivity of SPR biosensor. By knowing some of the properties of each material involved in, the SPR angle change can be calculated from the variation of each system so we get the model SPR biosensor system for detection of DNA. Key words: surface plasmon resonance, magnetic nanoparticles, biosensor I. PENDAHULUAN Nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa dalam menciptakan material, struktur fungsional, maupun piranti alam skala nanometer. Material berukuran nanometer memiliki sejumlah sifat kimia dan fisika yang lebih unggul dari material berukuran besar (bulk). Disamping itu material dengan ukuran nanometer memiliki sifat yang kaya karena menghasilkan sifat yang tidak dimiliki oleh material ukuran besar. Sejumlah sifat tersebut dapat diubah-ubah dengan melalui pengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi permukaan dan pengontrolan interaksi antar partikel. Seiring dengan perkembangan teknologi maka studi mengenai nanopartikel magnetik menjadi perhatian para ilmuan dan engineer. Salah satu nanopartikel magnetik

yang banyak disintesa adalah nanopartikel besi oksida Fe3O4. Hal ini dikarenakan besi oksida memiliki sifat magnetis, yaitu sifat yang dapat ditarik oleh medan magnet dan sifat inilah yang berguna bagi kehidupan manusia dalam berbagai bidang [1]. Salah satu kegunaan dari nanopartikel magnetik Fe3O4 pada bidang medis yaitu sebagai biosensor berbasis surface plasmon resonance (SPR). Nanopartikel magnetik Fe3O4 sebagai bahan aktif pada SPR sensor berfungsi untuk deteksi DNA (asam deoksiribonukleat) secara cepat dan sensitif. Pemilihan bahan magnetik nanopartikel berupa superparamagnetic iron oxide nanoparticle (SPIONs) sebagai bahan aktif SPR biosensor dikarenakan beberapa keunggulan yang dimilikinya ketika digunakan sebagai deteksi dan pemisahan sejumlah kecil biomolekul yaitu memiliki dispersibilitas yang bagus, proses pengikatan

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012 ISSN : 0853-0823

78


yang cepat dan efektif, dan memiliki daya tarik yang reversible dan terkontrol [2]. Pada lapisan dielektrik digunakan material nanopartikel magnetik untuk mendeteksi molekul target berupa DNA. Sifat material nanostruktur sangat bergantung pada ukuran maupun distribusi ukuran, komponen kimiawi unsur-unsur penyusun material tersebut, keberadaan interface (grain boundary) dan interaksi antar grain penyusun material nanostruktur [1]. Dengan mengetahui beberapa properti dari masingmasing material yang terlibat maka dapat dihitung perubahan sudut SPR dari tiap variasi sistem sehingga didapatkan model terbaik sistem SPR biosensor sebagai deteksi DNA. Dalam penelitian ini akan dikaji simulasi pengaruh ketebalan lapisan nanopartikel magnetik (Fe3O4) terhadap respon biosensor berbasis SPR untuk deteksi DNA. II. LANDASAN TEORI Plasmon adalah osilasi yang terkuantisasi dari elektron-elektron dalam satu medium konduktif. Dalam konsep kuantum, plasmon sering dianggap sebagai quasiparticle yang mirip dengan konsep foton dan fonon. Surface plasmon resonance (SPR) merupakan fenomena resonansi anatar gelombang cahaya dan elektron-elektron pada permukaan logam yang menghasilkan osilasi elektron-elektron di permukaan logam yang terkuantisasi. SPR dapat terjadi pada bidang batas metal/dielektrik ketika sebuah berkas sinar datang dari medium dielektrik dengan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis. Dalam kondisi seperti itu, di bidang batas persambungan dielektrik/logam akan terbentuk gelombang evanescent yang menembus masuk ke dalam medium logam. Jika kondisi resonansi terpenuhi, akan terjadi resonansi antara gelombang evanescent dan elektron-elektron bebas di permukaan logam yang menghasilkan medan listrik lokal dan penetrasi gelombang evanescent yang jauh lebih besar. Pemanfaatan gelombang surface plasmon polariton atau gelombang evanescent pada sistem SPR biosensor adalah untuk mendeteksi interaksi-interaksi biomolekul di permukaan sensor. Prilaku SPP ditentukan oleh fungsi dielektrik logam yang dikaitkan dengan konduktifitas optik serta konstanta medium yang mengelilinginya. Berdasarkan pengamatan spektrum reflektansi pada peristiwa SPR, pada gelombang elektromagnetik dengan sudut datang tertentu akan menyebabkan terjadinya atenuasi yang luar biasa dari gelombang yang terpantul yang berpotensi menghasilkan sensitivitas sebagai sensor. Sudut dimana atenuasi tersebut terjadi disebut sebagai sudut SPR dan penentuannya tergantung pada indek bias/ refraktive index dari medium dielektrik yang dipakai sebagai medium/sampel sensor. Gambar 1 mengilustrasikan sistem SPR biosensor tersebut.

Gambar 1. Desain sistem spektroskopi SPR konvensional sebagai biosensor berbasis lapisan tipis logamdielektrik. Material dielektrik dipilih bahan biomolekul analyte [1].

III. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN Syarat terjadinya kondisi SPR adalah Kix=Ksp, yakni vektor gelombang cahaya yang merambat sepanjang bidang batas sama dengan vektor gelombang plasmon permukaan (SP). Vektor gelombang SP hanya ditentukan oleh tetapan dielektrik dari metal (Ag) dan bahan dielektriknya, yang diberikan oleh hubungan

K SP =

ε dε m ⎛ 2π ⎞ ε d ε m =⎜ ⎟ εd + εm ⎝ λ ⎠ εd + εm

ω c

(1)

dengan εm adalah tetapan dielektrik metal dan εd adalah tetapan dielektrik bahan dielektriknya. Ketika gelombang cahaya datang mengalami

K ix =

ω

ε i − n 2 sin 2 θ i , (i = 1,2,3,...)

c

(2)

Sistem empat lapisan dengan menggunakan konfigurasi Kretschmann secara berturut-turut dari medium-1 ke medium-4 adalah prisma-metal(Ag)dielektrik-udara. Tetapan dielektrik medium-2 lebih besar dari medium-1. Pemantulan dalam sistem empat lapisan/layer berdasarkan persamaan Fresnel [1, 3, 4, 5]

r4 = r1234

2

r12 + r234 e i 2 K 2 x d 2 = 1 + r12 + r234 e i 2 K 2 x d 2

r23 r34 e i 2 K 2 x d 2 1 + r23 r34 e i 2 K 2 x d 2 ε j K ix − ε i K jx

(3)

r234 =

(4)

rij =

(5)

ε j K ix + ε i K jx

dimana rij adalah reflaktansi permukaan diantara medium ke-i dan medium ke-j. Kix adalah komponen vektor gelombang yang sejajar dengan permukaan, di dan εi (i=1,2,3,...) adalah ketebalan dan tetapan dielektrik dari medium i. Pada lapisan medium ke-3 merupakan material baru berupa material campuran yang terdiri dari nanopartikel magnetik Fe3O4 dan material DNA. Dengan asumsi bahwa komposisi volume material Fe3O4 dan material DNA adalah sama besar. Tetapan dielektrik dari material campuran ini merupakan gabungan dari tetapan dielektrik nanopartikel magnetik Fe3O4 dan DNA, untuk menghitungnya digunakan persamaan dari Teori Medium Efektif gabungan dua fase acak dengan cel



antar permukaan (The effective medium theory of a twophase random composite with an interfacial shell) dengan model Maxwell Garnett adalah [1, 4]

ε eff = ε a

ε b (1 + 2δ i ) − ε a (2δ i − 2) ε a (2 + δ i ) + ε i (1 − δ )

.

(6)

Maka indek bias untuk material komposit " η eff = ε eff' + iε eff

(7)

dimana εa adalah tetapan dielektrik nanopartikel magnetik, εb adalah tetapan dielektrik DNA, δi fraksi volume dari inklusi, δ adalah fraksi volume setelah penambahan material, η adalah indeks bias medium, ε’ adalah tetapan dielektrik bagian real dan ε’’ tetapan dielektrik bagian imaginer. Beberapa nilai properti dari material-material yang terlibat adalah: λ HeNe = 632,8 nm, indeks bias prisma = 1,51, panjang 1 rantai DNA = 2,30 nm, indeks bias DNA η = 1,462 dengan konsentrasi DNA 0,028 g/cm3, nanopartikel magnetik Fe3O4 η = 2,162 + 1,178i, η Ag = 0,13455 + 3,98651i, dengan ketebalan lapisan metal Ag dibuat tetap yaitu 20 nm untuk tiap variasi ketebalan lapisan dielektrik nanopartikel (pada sistem prisma-AgFe3O4-Udara) dan lapisan campuran Fe3O4 + DNA (pada sistem prisma-Ag-Fe3O4+DNA-Udara). Dengan menggunakan ukuran nanopartikel magnetik Fe3O4 10 20 nm, selanjutnya dilakukan perhitungan analitik komputasional menggunakan software Matlab 7.8.0.340 R2009a untuk mendapatkan nilai sudut SPR dan pergeserannya pada setiap variasi ukuran diameter Fe3O4 pada fraksi volume δi. Untuk setiap variasi tersebut maka akan diperoleh nilai tetapan dielektrik dan indek bias untuk material campuran yang berbeda, sehingga akan diperoleh model terbaik untuk sistem biosensor berbasis SPR untuk deteksi DNA [1, 3, 4].

79

lapisan Ag maka nilai sudut SPR juga semakin besar dan sebaliknya untuk nilai reflektansi. A. Variasi Ukuran Nanopartikel Magnetik (Fe3O4) Selanjutnya dilakukan variasi nilai ketebalan lapisan nanopartikel magnetik Fe3O4 pada sistem SPR prismaAg-Fe3O4-Udara, diperoleh nilai seperti terdapat pada Tabel 1. Dari hasil perhitungan komputasi terlihat bahwa lapisan nanopartikel magnetik Fe3O4 yang mengalami absorpsi terbesar dari sinar laser HeNe adalah pada tebal lapisan 12 nm dengan nilai reflektansi terkecil yaitu 0.00040 dan sudut SPR 47.7710. Tabel 1.

Tabel nilai reflaktansi dan sudut SPR variasi ketebalan lapisan nanopartikel magnetik Fe3O4 ketebalan Ag = 20nm. Diameter Nilai Reflaktansi θSPR Fe3O4

10 nm 11 nm 12 nm 13 nm 14 nm 15 nm 16 nm 17 nm 18 nm 19 nm 20 nm

0.00483 0.00055 0.00040 0.00360 0.00949 0.01753 0.02723 0.03821 0.05010 0.06264 0.07557

47.0000 47.3430 47.7710 48.2000 48.6290 49.1430 49.6570 50.1710 50.8570 51.4570 52.2290

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Variasi Ketebalan Lapisan logam Ag

Gambar 3. Kurva SPR variasi ketebalan lapisan nanopartikel magnetik (Fe3O4).

Gambar 2. Kurva SPR variasi ketebalan lapisan Ag [1].

Dari variasi ketebalan lapisan metal Ag, diperoleh sudut SPR 43,660 dan nilai reflektansi 0,47938 dengan tebal lapisan Ag = 20 nm, kemudian pada tebal Ag = 40 nm diperoleh sudut SPR 42,840 dan nilai reflektansi 0,00298. Dari hasil ini terlihat bahwa semakin tebal

B. Variasi Ketebalan Lapisan Tipis Komposit Nanopartikel Magnetik (Fe3O4) dan DNA Untuk menghitung nilai reflektansi dan sudut SPR pada sistem prisma-Ag-Fe3O4+DNA-Udara, maka dihitung terlebih dahulu nilai reflactive index/indek bias dari material campuran (Fe3O4+DNA), dari hasil perhitungan komputasi numerik diperoleh nilai sebagai berikut :


80


Tabel 2. Tabel nilai tetapan dielektrik dan indek bias lapisan campuran variasi diameter Fe3O4 pada faksi volume. Nilai Indek Bias Diameter Tetapan Dielektrik Lapisan Campuran Lapisan Campuran Fe3O4

10 nm 11 nm 12 nm 13 nm 14 nm 15 nm 16 nm 17 nm 18 nm 19 nm 20 nm

Gambar 4.

2.3807 - 3.09585i 2.3821 - 3.1082i 2.3831 - 3.1169i 2.3838 - 3.1231i 2.3844 - 3.1276i 2.3847 - 3.1310i 2.3850 - 3.1337i 2.3853 - 3.1357i 2.3855 - 3.1373i 2.3856 - 3.1386i 2.3857 - 3.1397i

1.7728 - 0.8731i 1.7745 - 0.8757i 1.7757 - 0.8776i 1.7766 - 0.8789i 1.7772 - 0.8799i 1.7777 - 0.8806i 1.7780 - 0.8811i 1.7783 - 0.8816i 1.7785 - 0.8819i 1.7787 - 0.8822i 1.7789 - 0.8824i

Kurva SPR variasi ketebalan lapisan campuran (Fe3O4 dan DNA) pada fraksi material campuran: diameter Fe3O4 = 10 nm, diameter DNA = 2,3 nm.

Perhitungan komputasi numerik pada sistem prismaAg-Fe3O4+DNA-Udara memperlihatkan bahwa SPR biosensor dapat medeteksi DNA. Variasi ukuran diameter nanopartikel magnetik Fe3O4 pada nilai fraksi volume δi menyebabkan perbedaan nilai properti (tetapan dielektrik dan indek bias) dari lapisan campuran tersebut, walau selisih nilai properti dari tiap variasi cukup kecil. Pergeseran sudut SPR untuk setiap variasi merupakan suatu parameter kesensitifan SPR biosensor untuk deteksi DNA. Besar nilai reflaktansi dan besar sudut SPR dari lapisan campuran hasil komputasi untuk variasi ukuran diameter nanopartikel magnetik Fe3O4 pada nilai fraksi volume δi disajikan pada Tabel 3.

Tabel 3.

Tabel nilai reflaktansi dan sudut SPR variasi ketebalan lapisan campuran untuk diameter DNA = 2,3 nm, ketebalan Ag = 20 nm dan diameter Fe3O4 = 10 nm pada faksi volume. Diameter Nilai Reflaktansi θSPR Partikel Fe3O4 10 nm 0.03305 46.3140 11 nm 0.01953 46.6570 12 nm 0.00997 46.9140 13 nm 0.00387 47.1710 14 nm 0.00073 47.5140 15 nm 0.00007 47.7710 16 nm 0.00153 48.1140 17 nm 0.00480 48.4570

V. KESIMPULAN Telah dilakukan perhitungan analitik komputasional fenomena SPR biosensor deteksi DNA dengan menggunakan nanopartikel magnetik Fe3O4 dalam konfigurasi Kretschmann pada lapisan tipis prisma-AgFe3O4+DNA-Udara. Dari variasi nilai diameter Fe3O4 untuk nilai fraksi volume δi maka absorpsi terbesar adalah pada nilai reflaktansi terkecil yaitu 0,00007 dengan sudut SPR 47,7710 pada faksi volume δi dengan diameter Fe3O4 = 15 nm, ketebalan Ag = 20 nm dan panjang 1 rantai DNA = 2,30 nm. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dapat berjalan dengan pendanaan dari Hibah Riset Unggulan Klaster Sains UGM untuk tahun 2011. Terima kasih kepada LPPM UGM yang telah memfasilitasi kegiatan Hibah tersebut. Pengembangan lebih lanjut penelitian ini ke arah realisasi sistem biosensor yang mampu mendeteksi biomolekul telah pula disetujui Kemenristek RI untuk mendapatkan pendanaan melalui Hibah Sinas Ristek untuk tahun anggaran 2012. PUSTAKA [1]

[2]

[3]

[4] [5]

R.Sari., dan K.Abraha., Simulasi Respon Biosensor Berbasis Surface Plasmon Resonance (SPR) Terlapisi Nanopartikel Magnetik (Fe3O4) Untuk Deteksi DNA. Fisika. UGM. Yogyakarta. 2012. Abraha.K., Suharyadi.E., Daryono.B.S., dan Ulil Absor.A., Hibah Riset Unggulan Klaster: Pengembangan Nanoparticles Magnetik untuk Deteksi Protein secara Cepat dan Sensitif berbasis Surface Plasmon Resonance Sensor. Klaster Sains dan Teknik. UGM. Yogyakarta. 2011 Megasari.K., dan Abraha.K., Kajian Fenomena Surface Plasmon Resonance (SPR) Sistem Lapisan Tipis PerakNanopartikel Magnetik Fe3O4 dalam Konfigurasi Kretschmann. Fisika. UGM. Yogyakarta. 2012. Choy, Tuck C, Effective Medium Theory. Oxford: Clarendon Press, 1999 Liao. C.H., Lee. C.M., Chang. L.B., dan Tsai. J.H., Effects of Metal Film and Prism Dielectric on Properties of Surface Plasmon Resonance in Multilayer System. Jpn. J.Appl, Phys., Letters 36, 1105-1111(1996)



TANYA JAWAB

Chotimah, FMIPA UGM ? Mengapa semakin besar diameter nano partikel – Θ SPR semakin besar? ? Selain berpengaruh pada tebal lapisan, apa pengaruhnya terhadap kemampuan nano partikel dalam menangkap sampel? Rafika Sari dan Kamsul Abraha, FMIPA UGM √ Karena dianggap (batasan masalah) semakin besar ukuran nanopartikel magnetik (Fe3O4) semakin besar

81

nilai ketebalan/volume dari lapisan campuran (Fe3O4 + DNA). √ Kemampuan nanopartikel magnetik dalam proses pengikatan sejumlah kecil biomolekul dipengaruhi oleh besarnya ukuran partikel dari Fe3O4, dimana semakin beasar ukuran partikel Fe3O4 maka semakin besar sudut SPR dan semakin lebar dip dari sudut SPR, yang artinya bahwa sensifitas SPR sebagai biosensor semakin berkurang. Fe3O4 memiliki range ukuran tertentu yang efektif sebagai pengikat biomolekul secara cepat.


Kata kunci: surface plasmon resonance, nanopartikel magnetik, biosensor. Key words: surface plasmon resonance, magnetic nanoparticles, biosensor

Recommend Documents