229

Desain Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis QuartzCrystal Microbalance (QCM)

Farida Wahyuni1), Setyawan P. Sakti2)*, Unggul P. Juswono2), Fenny Irawati1), Nur Chabibah1)

1) Program Magister Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Brawijaya, Malang2) Jurusan Fisika Fakultas MIPA, Universitas Brawijaya, Malang

Diterima 17 September 2012, direvisi 17 Oktober 2012

ABSTRAK

Biosensor merupakan suatu perangkat sensor yang menggabungkan senyawa biologi dengan suatutransduser. Salah satu jenis biosensor yang menggunakan teknik pendeteksian perubahan massa adalahQCM (Quartz Crystal Microbalance). QCM merupakan suatu sensor yang bekerja dengan prinsippergeseran frekuensi pada kristal kuarsa akibat adanya deposisi massa di permukaan kristal. QCM dapatdipergunakan untuk mendeteksi reaksi antar molekul, sehingga QCM dapat berfungsi sebagai biosensoryang dapat dipergunakan untuk diagnosis suatu penyakit. Dalam pengembangan QCM untukimmunosensor terdapat berbagai permasalahan, salah satunya adalah konstruksi sel. Konstruksi seldapat dipergunakan sebagai tempat reaksi antara biomolekul. Konstruksi sel terbuat dari bahan teflonputih. Untuk menjaga agar sensor QCM tidak mengalami tekanan fisik yang bisa mengakibatkan pecahkarena tekanan dari teflon maka digunakan o-ring silikon sebagai penyekat. Hasil penelitian inimenunjukkan bahwa konstruksi sel yang dibuat dapat digunakan untuk dipergunakan sebagai mediapengamatan imobilisasi Bovine Serum Albumin (BSA) di atas permukaan sensor.

Kata kunci: Biosensor, QCM, konstruksi sel, immunosensor.

ABSTRACT

The biosensor is a sensor device that combines biological compounds with a transducer. One type ofbiosensor that uses mass change detection techniques are QCM (Quartz Crystal Microbalance). QCM is asensor that works with the principle of quartz crystal frequency shift due to mass deposition on thesurface of the crystal. QCM can be used to detect the reaction between the molecules, so that the QCMcan serve as biosensors that can be used for the diagnosis of a disease. In the development of QCMimmunosensor for there are many problems, one of which is the construction of the cell. Construction cellscan be used as a reaction between biomolecules. Construction of cells made of white Teflon. To keep QCMsensors are not experiencing physical stress that can lead to rupture due to pressure from the Teflon o-ring is used as an insulating silicon. The results of this study indicate that the construction of the cellscreated can be used as a medium for immobilization of Bovine Serum Albumin observations (BSA) on thesurface of the sensor.

Key word: Biosensor, QCM, konstruksi sel, immunosensor.

PENDAHULUAN

Dari berbagai macam transducer yangdipergunakan untuk biosensor, salah satu jenistransducer yang menggunakan prinsip kerjayang berdasarkan perubahan sifat mekanik dari

reaksi antara bioreceptor dengan targetmolekul adalah Quartz Crystal Microbalance(QCM) [1]. QCM merupakan salah satu sensoryang bekerja dengan prinsip pergeseranfrekuensi pada kristal kuarsa akibat adanyaperubahan massa pada permukaannya [2,3,4].

Prinsip kerja QCM ini didasari oleh efekpiezoelektrik, yaitu suatu kemampuan yangdimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan

NATURAL B, Vol. 1, No. 4, Oktober 2012

---------------------*Coresponding author :E-mail: sakti@ub.ac.id

306 F. Wahyuni, dkk. : Peningkatan Kualitas Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis QuartzCrystal Microbalance (QCM)

tertentu lainnya yang dapat menghasilkansuatu arus listrik jika mengalami deformasi.Sensor QCM terbuat dari bahan kristal SiO2

berbentuk kepingan yang diapit oleh duaelektroda. Oleh orientasi potongan kristal yangdibentuk dengan arah potong pada sumbukelistrikan dan mekaniknya, maka QCM akanmengalami deformasi pada saat di kedua sisikepingnya diberi beda potensial listrik. Kristalakan mengalami deformasi dalam arah bolak-balik sesuai dengan polaritas potensiallistriknya ketika polaritas potensial yangdiberikan berupa sinyal bolak balik. QCMdapat dimodelkan berdasarkan sifatelektromekaniknya dengan suatu model listrikyang tersusun atas elemen resistif, kapasitifdan induktif. Sehingga potongan kristal inidapat berperan sebagai bagian dari suaturesonator. Frekuensi resonansi dari QCMditentukan oleh sifat bahan dari kristal danoleh ketebalan kristal.

Latar belakang kristal kuarsa dapatdigunakan sebagai sensor adalah berdasarkanpersamaan Sauerbrey (2.4) yang menjelaskanhubungan antara perubahan frekuensi (∆f) darisebuah kristal kuarsa dengan perubahan massayang menempel pada kristal.

∆ = − 2 ∆ (1)Dimana ∆ adalah perubahan frekuensi padakristal yang berosilasi, frekuensi dasar kristalkuarsa piezoelektrik, ∆ yaitu massa filmyang terdeposit, A luas permukaan elektroda,

adalah modulus geser kuarsa dan adalahdensitas kuarsa.

Persamaan (2.4) merupakan persamaanSauerbrey, persamaan di atas berlaku untukfilm yang dilapiskan bersifat tegar (rigid).Dengan memperhatikan ukuranantigen/antibodi yang bergetar pada frekuensiyang tinggi (orde MHz) maka antigen danantibodi dapat dipandang bersifat tegar,sehingga persamaan (2.4) dapat dipergunakanuntuk melakukan perhitungan seberapa banyakdeposisi biomolekul di atas permukaan sensor[5,6,7].

Hasil penelitian Saputri [8] menunjukkanbahwa sensor QCM yang diletakkan di dalamsel tempat reaksi berlangsung memerlukanwaktu yang lama untuk mencapai kondisiosilasi yang stabil. Hal ini menyebabkanpengukuran-pengukuran perubahan frekuensiakibat adanya reaksi antara biomolekul dantarget molekul menjadi sulit diamati danmemerlukan waktu yang lama untukmenunggu. Untuk keperluan pengukuran yangcepat dan praktis, hal tersebut menjadi suatukendala utama. Dengan demikian maka perludilakukan upaya pengembangan konstruksi selagar dapat diperoleh respon sensor di dalam selyang cepat menuju kondisi stabil.

METODE PENELITIAN

Alat dan Bahan. Alat-alat yangdigunakan dalam penelitian ini adalahprogrammable counter/timer HAMEG HM8122, ultrasound bath branson 2510, SEM FeiInspect S50, oven, tectronix TDS 1001B twochannel digital storage oscilloscope, verniercaliper tricle brand, timbangan digital,mikrotube 2 mL, gelas ukur 100 mL, dan unitkomputer.

Bahan yang digunakan dalam penelitianini adalah sensor Quartz Crystal Microbalance(QCM), kloroform, polistiren, (phosphatebuffered saline) PBS, BSA (Bovine serumalbumin), teflon putih, kabel penghubung dansilikon o-ring.

Persiapan Sensor. Sensor yangdigunakan dalam penelitian ini adalah sensorQCM. Sensor QCM memiliki elektroda terbuatdari perak. Agar tidak teroksidasi, biasanyakristal resonator dibungkus dalam wadahtertutup dari bahan metal. Sebelumdipergunakan sebagai bahan untuk QCMimmunosensor maka wadah metal harusdibuka terlebih dahulu. Kemudian melakukanpengukuran frekuensi sensor untuk mengetahuifrekuensi awal sensor sebelum dilakukanpelapisan.

Desain Konstruksi Sel. Dari beberapaliteratur yang didapat akan digunakan sebagaidasar dalam perancangan konstruks i sel untuk

F. Wahyuni, dkk. : Peningkatan Kualitas Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis Quartz Crystal 307Microbalance (QCM)

Immuosensor berbasis Quartz CrystalMicrobalance. Sensor yang digunakanmempunyai diameter blank sebesar 8,7 mmdan diameter elektroda sebesar 5 mm.Konstruksi sel terbuat dari bahan teflon putih.Desain konstruksi sel ditunjukkan padaGambar 1, Untuk menjaga agar sensor QCMtidak mengalami tekanan fisik yang bisamengakibatkan pecah karena tekanan dariteflon maka diperlukan o-ring,. O-ring terbuatdari selang silikon yang lunak dengan diameterlebih besar dari pada diameter elektroda.

Pembuatan Larutan polystyrene.Larutan polystyrene dibuat dengan caramelarutkan sejumlah padatan polystyrenedengan kloroform. Setelah massa masing-masing zat terlarut (polystyrene) diketahui,maka zat-zat terlarut tersebut dimasukkan kedalam botol, dan kemudian ditambahkankloroform dengan volume l00 mL. Selanjutnyacampuran polystyrene dan kloroform tersebutdilarutkan dengan menggunakan UltrasoundBath Branson 2510.

Pelapisan Polistiren dengan metodespin coating. Persiapan sensor QCM dilakukandengan cara pelapisan QCM dengan teknikspin coating. Sensor QCM dilapisi denganmenggunakan polimer polistiren yangdilarutkan dalam kloroform. Pengukuran

frekuensi dasar kristal QCM diukur sebelumdilakukan pelapisan. Kristal QCM diletakkanpada spinner. Kemudian kristal QCM diputardengan kecepatan tertentu. Larutan polistirensebanyak 50 µL diteteskan tepat di tengah-tengah permukaan kristal QCM yang sedangberputar. Waktu putaran yang diset adalahsesuai dengan perkiraan lamanya waktu yangdibutuhkan hingga lapisan menjadi kering.

Setelah lapisan menjadi kering, kristalQCM tersebut diukur frekuensinya dengansuatu pencacah frekuensi. Pelapisan spincoating dilakukan pada kedua sisi kristal QCMsecara bergantian. Kemudian pengukuranfrekuensi dilakukan lagi setelah kristal QCMterlapisi oleh lapisan polistiren untukmengetahui besarnya perbedaan frekuensiyang terjadi pada kristal QCM sebelum dansesudah dilakukan pelapisan. Kemudiandilakukan pengujian kestabilan dengan carameneteskan air pada seluruh permukaan kristalQCM yang telah terlapisi oleh polistiren danmengamati perubahan sinyal pada osiloskopdigital. Apabila setelah kristal QCM ditetesidengan air, sinyal yang muncul semakin kecildan tetap pada tegangan tertentu makapelapisan kristal QCM tersebut dapatdikatakan stabil dan dapat digunakan untukimmunosensor tetapi apabila setelah kristal

Gambar 1. Desain konstruksi selPapan perletakan

Osilator

Quartz PenginjeksiansampelTeflon holder

o-ring

Catatan:Ukuran dalam satuan mm

308 F. Wahyuni, dkk. : Peningkatan Kualitas Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis QuartzCrystal Microbalance (QCM)

QCM ditetesi dengan air, sinyal yang munculsemakin kecil dan akhirnya sinyal tersebutmenghilang dan tegangan akan terus menurunsehingga akhirnya mendekati nilai 0 V makakristal QCM yang telah terlapisi polistirentersebut tidak dapat digunakan sebagaiimmunosensor.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Quartz crystal microbalance (QCM)merupakan salah satu sensor yang bekerjadengan prinsip pergeseran frekuensi padakristal kuarsa akibat adanya penambahanmassa pada permukaannya. Sensor QCMdibuat dari bahan kristal SiO2 dengan duaelektrode metal pada kedua sisi yangmengapitnya. Dalam penelitian ini QCMdibeli dari PT Greatmicrotana, Surabaya,Indonesia. Kristal yang digunakan memilikifrekuensi resonansi dasar 10 MHz, diameterkeping kristal sebesar 8,7 mm dan diameterelektroda sebesar 5 mm.

Untuk keperluan pengukuran targetmolekul dalam suatu larutan cair sensormemerlukan sel reaksi untuk menampungcairan. Sel reaksi terbuat dari bahan teflonputih agar tidak terjadi hubungan elektrikantara permukaan elektroda, cairan dan selreaksi. Selama ini telah dikembangkan selreaksi yang dipergunakan untuk uji cobapendeteksian target molekul dalam cairan.Pada saat QCM yang telah terlapisi polistirendiletakkan pada sel reaksi dan bersentuhandengan udara, maka ketika QCM berosilasidan diamati frekuensinya dengan frekuensicounter ternyata hasilnya terus berubah danmenuju kondisi stabil dalam waktu yang lama(lebih dari 1 jam). Permasalahan lain yang adaadalah dengan konstruksi tersebut pemasangansensor memerlukan perhatian lebih.Kemampuan sel untuk tetap menjaga cairansampel tetap di dalam sel kurang mudahdiperoleh sehubungan dengan pengaturantekanan dari o-ring (terbuat dari selang silikon)serta stabilitas osilasi sensor yang harus dijaga.Perubahan posisi sensor pada saat dipasangmudah terjadi karena konstruksi peletakan

sensor. Ketika diinjeksikan sampel biomolekuldalam cairan, sering terjadi rembesanbiomolekul ke sisi elektroda bagian bawah.Hal tersebut menyebabkan sel reaksi kurangbaik untuk dipergunakan sebagai media prosespengamatan imobilisasi biomolekul.

Hasil penelitian sebelumnya Saputri,2011, menunjukkan bahwa sensor yangditempatkan di dalam sel reaksi berlangsungmemerlukan waktu yang lama untuk mencapaikondisi yang stabil. Hal ini disebabkan olehpengaruh dari faktor lingkungan luar sepertigetaran dan suhu yang dapat memperngaruhiproses imobilisasi. Sehingga pada sel perluditambahkan tempat antar kaki elektrodasensor dengan tujuan agar sensor QCM tidakberubah posisi. Untuk menjaga agar sensorQCM tidak mengalami tekanan fisik yang bisamengakibatkan pecah karena tekanan dariteflon maka diperlukan o-ring. Dengandemikian maka sensor QCM dapat diletakkandiantara kedua o-ring. O-ring terbuat dariselang silikon yang lunak dengan diameterlebih besar dari pada diameter elektroda.Supaya tidak terjadi kebocoran cairan makatekanan harus cukup kuat namun tidak bolehmemberikan efek stress pada kristal.

O-ring dalam penelitian ini digunakanuntuk menjaga agar sensor QCM agar sensorQCM tidak mengalami tekanan fisik akibattekanan ring yang meneruskan tekanan darisel. Optimasi pada O-ring yang terbuat dariselang silikon telah dilakukan untukmendapatkan hasil osilasi sensor dalam selreaksi saat bersentuhan dengan udara maupunPBS (phosphate buffered saline) telah cukupbaik. Optimasi o-ring dilakukan denganmembuat konstruksi o-ring. O-ring dibuatdengan tujuan dapat masuk pada sela antarkaki elektroda sensor QCM yang berjarak 7,6mm, maka diameter dalam o-ring adalah 6 mmdan diameter luar bagian atas selang silikonyang dipergunakan sebagai o-ring adalah 7mm, dengan ketinggian 2 mm sedangkandiameter luar bagian bawah selang silikonyang dipergunakan sebagai o-ring adalah 8mm. Dengan demikian sensor QCM dan selreaksi dapat dipergunakan sebagai mediauntuk pengamatan imobilisasi Bovine Serum

F. Wahyuni, dkk. : Peningkatan Kualitas Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis Quartz Crystal 309Microbalance (QCM)

Albumin di permukaan sensor QCM yangdipergunakan sebagai model dalam penelitianini.

Bagian atas dari sel reaksi dibuat tertutup.Bagian tutup mempunyai dua lubang. Salahsatu lubang digunakan untuk penginjeksiansampel dengan menggunakan pipet mikroliter,sedangkan lubang lainnya digunakan untuksaluran keluar kelebihan cairan ketikadilakukan penambahan sehingga perubahantekanan selama proses penginjeksian dapatdikurangi atau dihilangkan.

Gambar 2. Sistem pengukuran perubahan frekuensisensor: konstruksi sel, osilator, pencacahfrekuensi dan unit komputer.

Sistem pengukuran perubahan frekuensisensor QCM yang dirancang seperti padaGambar 2. Sistem pengukuran perubahanfrekuensi sensor QCM terdiri dari konstruksisel, osilator, pencacah frekuensi dan unitkomputer. Sensor QCM yang digunakan untukmengetahui respon terhadap cairan, imobilisasidan reaksi biomolekul (phosphate bufferedsaline), Bovine Serum Albumin diletakkanpada sel reaksi. Untuk melakukan prosesimobilisasi, sel reaksi harus dibuka terlebihdahulu. Sensor QCM diletakkan di bagianbawah sel reaksi kemudian ditutup dengan selreaksi bagian atas secara perlahan-lahan.Kemudian sel reaksi yang berisi sensor QCMtersebut dihubungkan dengan osilator. Datadari osilator masuk ke dalam frekuensikounter. Frekuensi akan dihitung oleh

pencacah sesuai dengan jumlah data bit daripencacah. Dengan kata lain alat ini dipakaiuntuk mengetahui atau mengukur nilaifrekuensi yang dihasilkan. Data dari frekuensicounter akan dibaca oleh mikrokontroler. Dimikrokontroler data akan diolah, data Hasildari proses identifikasi ditampilkan pada LCD.PC menerima data dari mikrokontroler.kegunaan dari PC sebagai penampil grafiksehingga karakteristik dari sensor dapat dilihatpada grafik.

Pengujian konstruksi sel dilakukandengan cara meneteskan larutan Bovine SerumAlbumin (BSA) sebanyak 30 µL setelah sensorQCM berosilasi pada kondisi stabil denganlarutan PBS sebanyak 70 µL di atasnya.Perubahan frekuensi sensor dari waktu kewaktu dicatat dan disimpan dalam computermelalui program QCM box dengan intervalpencatatan selama satu detik. Data hasilpengujian dapat ditampilkan pada Gambar 4.

Gambar 3. Perubahan frekuensi sensor akibat imobilisasiBSA 2,5 mg/mL. di atas permukaan sensor.

Gambar 3 menunjukkan hasil pengujianproses imobilisasi BSA di atas permukaansensor. Berdasarkan gambar grafik imobilisasiBSA dapat diketahui bahwa ketika BSA(bovine serum albumin) 2,5 mg/mL dalamlarutan PBS diinjeksikan pada permukaansensor maka terdapat massa BSA yangterdeposisi sehingga terjadi penurunan

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

00 500 1000 1500

f

(Hz)

waktu (detik)

310 F. Wahyuni, dkk. : Peningkatan Kualitas Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis QuartzCrystal Microbalance (QCM)

Gambar 4. Tampilan software QCM Box berisi data perubahan frekuensi sensor QCM dalam sel reaksi saat kontak denganudara.

Gambar 5. Tampilan software QCM Box berisi data perubahan frekuensi sensor QCM dalam sel reaksi akibat imobilisasibiomolekul di permukaan sensor dalam waktu tertentu.

F. Wahyuni, dkk. : Peningkatan Kualitas Konstruksi Sel untuk Immunosensor Berbasis Quartz Crystal 311Microbalance (QCM)

frekuensi sensor sebesar 243 Hz. Hal inimenunjukkan bahwa terdapat jumlah BSAyang terimobilisasi di atas permukaan sensor.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil serangkaian kegiatanyang meliputi perancangan, pembuatan,pengujian konstruksi sel immunosensorberbasis QCM serta pengambilan data,maka diperoleh beberapa kesimpulan,diantaranya adalah bahwa konstruksi selyang dibuat dapat digunakan untukimmunosensor. Dengan demikian makasensor dan konstruksi sel dapatdipergunakan sebagai media pengamatanimobilisasi Bovine Serum Albumin (BSA) diatas permukaan sensor.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Eggins, B. (1996), Biosensor AnIntroduction, Teubner Willey, Singapore.

[2] Sinn, S., M. Eichler dan L. Müller.2011. NCO-sP(EO-stat-PO) Coatingson Gold Sensors—a QCM Study ofHemocompatibility. Sensors 11: 5253-5269.

[3] Vidotti, M., R. F, Carvalhal dan R. K.2011. Biosensors Based on GoldNanostructures. J. Braz. Chem. Soc.22(1): 3-20

[4] Sauerbrey, G. (1959), Use of vibratingquartz for thin weighing andmicroweighing, Z. Phys.,155, 260.

[5] Garrindo, J. A. (2008), PiezoelectricBiochemical Sensors. Akses tanggal 13Desember 2011. darihttp://www.wsi.tum.de/Portals/0/Media/Lectures/20082/98f31639-f453-466d-bbc2a76a95d8dead/BiosensorsBioelectronics_lecture9.pdf.

[6] Sakti, S. P., S. Rosler, R. Lucklum, P.Hauptmann, F. Buhling dan S. Ansorge(1999), Thick polystyrene-coated quartzcrystal microbalance as a basis of a costeffective immunosensor, Sensors andActuators. 76. 98-102.

[7] Kumar, A. (2000), Biosensors Based onPiezoelectric Crystal Detectors: Theoryand Application, diakses pada tanggal 17Oktober 2011. darihttp://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0010/Kumar/Kumar-0010.html.

[8] Saputri, S. N. (2011), Pelapisan Polistirenuntuk Quartz Crystal Microbalance (QCM)Immunosensor: Studi Kasus ImmobilisasiBSA, Fisika, Malang, Brawijaya,Pascasarjana: 32.