Aplikasi Teknologi Kristal Fotonik untuk Biosensor Optik

Biosensor merupakan salah satu perangkat uji yang sangat dibutuhkan pada bidang kedokteran, teknologi pengolahan makanan, industri pertanian, perikanan, peternakan, dan lingkungan. Kehadiran biosensor optik diharapkan dapat menggantikan peran biosensor konvensional yang berbasis elektronik atau impedansi yang memiliki sensitivitas rendah dan rentan terhadap gangguan. Biosensor optik memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan biosensor elektronik diantaranya adalah sinyal gangguan rendah karena tidak dipengaruhi oleh interferensi gelombang elektromagnetik, memiliki sensitivitas tinggi, mampu mendeteksi beragam molekul dengan satu divais, analisa lebih sederhana, dan biaya operasional lebih murah.

Pada saat ini, biosensor optik yang ada dipasaran pada umumnya menggunakan sistem surface plasmon resonan (SPR) yang telah diketahui memiliki sensitivitas tinggi untuk mendeteksi lapisan molekul yang tipis. Biosensor berbasis SPR memiliki detection limit (DL) sekitar 10-6 RIU (refractive index unit) untuk lapisan setebal kira-kira 1 pg mm-2. Biosensor sistem SPR tidak dapat digunakan untuk lapisan molekul yang tebal, karena sensornya berbasis gelombang evanescent yang memiliki daya tembus rendah. Dengan demikian biosensor jenis ini tidak dapat digunakan untuk mendeteksi sel atau bakteri, karena daya tembus gelombang evanescent hanya sekitar 100 nm. Selain itu, teknik fabrikasi biosensor dengan sistem SPR juga sangat mahal, karena membutuhkan lapisan logam pada permukaan prisma dengan ketebalan berkisar 50 nm. Pembuatan lapisan logam dalam ukuran nano tentu membutuhkan peralatan teknik deposisi khusus yang tidak sederhana.

Alternatif lain dari biosensor optik adalah menggunakan basis kristal fotonik. Kristal fotonik adalah susunan periodik dari bahan dielektrik di dalam satu, dua, atau tiga arah periodisitas. Akibat adanya struktur geometri yang periodik, gelombang cahaya pada frekuensi dan arah tertentu tidak bisa tembus ke dalam kristal. Penomena fisis tersebut selanjutnya dapat dimanfaatkan untuk mengkonsentrasikan cahaya pada posisi tertentu di dalam kristal, sehingga diperoleh densitas cahaya dengan intensitas yang tinggi. Posisi dari konsentrasi cahaya dapat dikontrol dengan menambahkan cacat (defect) pada posisi-posisi tertentu yang diinginkan.

Pada saat diaplikasikan sebagai biosensor, kristal fotonik akan mengalami kontak langsung dengan molekul yang akan dideteksi, sehingga kopel cahaya di dalam kristal fotonik akan terganggu. Gangguan tersebut akan menimbulkan pemantulan atau hamburan yang selanjutnya dapat dideteksi dan dianalisa sebagai informasi. Prinsip kerja biosensor kristal fotonik dapat dianalogikan seperti proses yang terjadi pada scanner foto, dimana proses deteksi dapat dilakukan dibeberapa posisi sekaligus dengan cara mengontrol posisi cacat. Dengan demikian biosensor berbasis kristal fotonik memiliki keunggulan lain yaitu dapat mendeteksi beragam jenis molekul dengan satu divais. Selain itu, dapat juga digunakan untuk mendeteksi beragam ukuran biomolekul dari yang kecil sampai yang besar seperti virus, bakteri, protein, dan sel.

Biosensor optik merupakan sensor generasi baru yang banyak menarik perhatian para peneliti pada saat ini. Di dalam penelitian sensor generasi baru, ada beberapa aspek penting yang menjadi bahan pertimbangan yaitu, terdapatnya peningkatan/perbaikan sinyal informasi atau adanya penurunan sinyal gangguan/noise, preparasi sampel menjadi lebih mudah, operasional pengukuran menjadi lebih sederhana, adanya penurunan dalam jumlah sampel yang dibutuhkan, atau waktu operasional menjadi lebih singkat. Berdasarkan hasil kajian literatur,

diperoleh informasi bahwa biosensor optik memiliki kelebihan hampir pada semua aspek yang disebutkan di atas jika dibandingkan dengan biosensor konvensional yang menggunakan prinsip perubahan impedansi. Dengan demikian biosensor optik sangat potensial untuk terus dikembangan sehingga dapat menggantikan biosensor konvensional yang memiliki banyak keterbatasan.

Secara umum terdapat dua jenis protokol pendeteksi biosensor optik, yaitu pendeteksi berbasis fluorescence dan pendeteksi label-free. Di dalam pendeteksi berbasis fluorescence, target biomolekul berinteraksi kuat dengan suatu bahan fluorescence tertentu, misalnya dye, sehingga munculnya intensitas fluorescence akan mengindikasikan kehadiran biomolekul target. Proses pendeteksian metode ini lebih repot, karena biomolekul target harus dimodifikasi terlebih dahulu supaya dapat berinteraksi kuat dengan bahan fluorescence tertentu. Di samping itu, protokol pendeteksi jenis ini hanya terbatas pada satu biomolekul tertentu saja .

Sedangkan untuk protokol pendeteksi label-free, biomolekul target tidak ditandai secara khusus dan proses pendeteksian dilakukan secara alamiah tanpa ada modifikasi tertentu pada biomolekul target. Metode pendeteksian yang umum digunakan pada protokol jenis ini adalah RI (refractive index detection), OA (optical absorption detection), dan RS (raman spectroscopic detection).

Di dalam penelitian yang kami lakukan, protokol pendeteksi yang digunakan adalah LE (lasing emission detection) dari bahan polimer hibrid yang dimodifikasi dengan dye-laser. Di dalam sistem biosensor jenis ini, emisi lasing akan dibangkitkan dari mikro-resonator yang berbasis kristal fotonik 1D . Panjang gelombang dan intensitas lasing akan mengalami pergeseran apabila permukaan resonator diberi gangguan berupa biomolekul. Berdasarkan prinsip tersebut, perubahan karakteristik lasing akan diidentifikasi sebagai kehadiran biomolekul tertentu. Skematik biosensor yang dirancang dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: