BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian...

18
24 Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian berupa eksperimen yang dilaksanakan selama 1 bulan yaitu sejak tanggal 26 November 2018 sampai dengan 22 Desember 2018. Eksperimen dilaksanakan di Laboratorium Fotonik, Institute of Microengineering and Nanoelectronics (IMEN), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), Bangi, Selangor, Malaysia. Adapun agenda penelitian secara detail dilampirkan dalam bentuk logbook harian. 3.2 Desain Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan metode studi literatur dan eksperimen. Studi literatur dilakukan untuk mengetahui karakteristik dan prinsip dari fenomena surface plasmon resonance (SPR) pada konfigurasi Kretschmann dengan film tipis emas, khususnya dalam aplikasi sebagai sensor biokimia yaitu larutan glukosa. Karakteristik glukosa seperti stoikiometri dipelajari untuk pembuatan sampel analit, selain itu indeks bias larutan glukosa dipelajari untuk keperluan pengolahan data eksperimen. Studi literatur juga bertujuan untuk mengetahui prinsip kerja dan penggunaan instrumen SPR spectroscopy seperti SPR Navi-200 (BioNavis Ltd.) yang digunakan untuk menguji performa sensor berbasis SPR untuk deteksi larutan glukosa. Sensor berbasis SPR yang digunakan merupakan sensor chip dengan film tipis emas (Au) yang diproduksi oleh BioNavis Ltd., film tipis dengan ketebalan ~50 nm dideposisikan pada substrat kaca BK7, diantara film tipis dan substrat terdapat lapisan adhesi berupa kromium (Cr). Pada instrumen SPR Navi 200, sensor chip akan ditempatkan sehingga membentuk sensor SPR dengan konfigurasi Kretschmann sebagaimana ditunjukkan Gambar 3.1.

Transcript of BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian...

  • 24 Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    BAB III

    METODE PENELITIAN

    3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

    Penelitian berupa eksperimen yang dilaksanakan selama 1 bulan yaitu sejak

    tanggal 26 November 2018 sampai dengan 22 Desember 2018. Eksperimen

    dilaksanakan di Laboratorium Fotonik, Institute of Microengineering and

    Nanoelectronics (IMEN), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), Bangi,

    Selangor, Malaysia. Adapun agenda penelitian secara detail dilampirkan dalam

    bentuk logbook harian.

    3.2 Desain Penelitian

    Penelitian ini dilakukan dengan metode studi literatur dan eksperimen. Studi

    literatur dilakukan untuk mengetahui karakteristik dan prinsip dari fenomena

    surface plasmon resonance (SPR) pada konfigurasi Kretschmann dengan film

    tipis emas, khususnya dalam aplikasi sebagai sensor biokimia yaitu larutan

    glukosa. Karakteristik glukosa seperti stoikiometri dipelajari untuk pembuatan

    sampel analit, selain itu indeks bias larutan glukosa dipelajari untuk keperluan

    pengolahan data eksperimen. Studi literatur juga bertujuan untuk mengetahui

    prinsip kerja dan penggunaan instrumen SPR spectroscopy seperti SPR Navi-200

    (BioNavis Ltd.) yang digunakan untuk menguji performa sensor berbasis SPR

    untuk deteksi larutan glukosa.

    Sensor berbasis SPR yang digunakan merupakan sensor chip dengan film

    tipis emas (Au) yang diproduksi oleh BioNavis Ltd., film tipis dengan ketebalan

    ~50 nm dideposisikan pada substrat kaca BK7, diantara film tipis dan substrat

    terdapat lapisan adhesi berupa kromium (Cr). Pada instrumen SPR Navi 200,

    sensor chip akan ditempatkan sehingga membentuk sensor SPR dengan

    konfigurasi Kretschmann sebagaimana ditunjukkan Gambar 3.1.

  • 25

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    Gambar 3.1 Skema sensor berbasis SPR dengan konfigurasi Kretschmann pada

    instrumen SPR Navi 200 (Menon dkk., 2018)

    Optik instrumen ini terdiri dari prisma, laser dioda bergerak (panjang gelombang

    yang digunakan 670 nm dan 785 nm) dan fotodetektor, yang memantau intensitas

    cahaya yang dipantulkan sebagai fungsi sudut. Ketika sensor chip Au dimasukkan

    ke instrumen dan flow cell ditutup, sisi kaca slide sensor dihubungkan melalui

    pencocokan indeks bias elastomer ke dalam prisma, seperti yang ditunjukkan oleh

    antarmuka optik, sedangkan flow cell dihubungkan ke permukaan Au pada sensor

    chip (Menon dkk., 2018).

    Pengujian sensor SPR dengan menggunakan instrumen SPR Navi 200

    dilakukan secara bertahap pada kondisi analit yang berbeda, pertama dengan

    larutan glukosa konsentrasi tinggi dan kedua dengan larutan glukosa konsentrasi

    rendah. Larutan glukosa konsentrasi tinggi yaitu 1- 5 % atau setara dengan 55,50,

    111,01, 166,51, 222,02 dan 277,53 mmol/L, digunakan pada pengujian pertama.

    Berikutnya, kurva respon SPR dan sensorgram dari pengujian sensor berbasis

    SPR pada konsentrasi tinggi diamati pergeseran sudut SPR-nya yang merupakan

    parameter deteksi sensor. Pengamatan tersebut dapat memberikan hipotesis untuk

    pengujian sensor dengan larutan glukosa konsentrasi rendah.

    Larutan glukosa konsentrasi rendah yang digunakan sebagai analit

    disesuaikan dengan parameter level gula darah pada tes diagnosa penyakit

  • 26

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    diabetes (Mayo Clinic, 2018), yaitu 4, 6, 8, 10 dan 12 mmol/L, nilai ini kurang

    lebih 12 – 23 kali lebih kecil daripada masing-masing konsentrasi tinggi.

    Sehingga, pergeseran sudut SPR yang dihasilkan pada konsentrasi tinggi harus

    signifikan, setidaknya 0,1°. Selain itu, pengujian pada dua kondisi konsentrasi

    larutan glukosa juga bertujuan agar rentang deteksi dan minimum detection limit

    sensor SPR dengan film tipis emas ketebalan ~50 nm berbasis konfigurasi

    Kretschmann dapat dianalisis. Masing-masing pengujian dilakukan pada dua

    panjang gelombang sinar yaitu 670 nm dan 785 nm, untuk mengetahui pengaruh

    panjang gelombang terhadap performa sensor. Berdasarkan simulasi FDTD,

    panjang gelombang yang digunakan merupakan panjang gelombang optimal

    untuk sensor SPR dengan film tipis emas ketebalan ~50 nm (Menon dkk., 2018).

    Data dari rangkaian eksperimen yang telah dilakukan dengan instrumen SPR

    Navi 200 berikutnya diperoleh melalui perangkat lunak SPR Navi Control dan

    SPR Navi LayerSolver yang terhubung dengan instrumen. SPR Navi Control

    digunakan untuk memperoleh data keluaran berupa kurva respon SPR yang

    menampilkan plot data sudut sinar datang terhadap reflektansi, sedangkan

    sensorgram menampilkan pergeseran sudut SPR secara real-time selama

    pengujian. Dengan menggunakan SPR Navi LayerSolver, ketebalan komponen

    sensor chip dan indeks bias larutan glukosa dioptimasi berdasarkan kurva respon

    SPR yang diperoleh dengan pemodelan, perhitungan dan pengulangan beberapa

    persamaan Maxwell simultan untuk sistem optik multilayer (BioNavis Ltd.,

    2016). Berikutnya, data-data tersebut dianalisis secara numerik untuk memperoleh

    performa sensor yang ditunjukkan oleh beberapa karakteristik diantaranya

    sensitivitas, full width at half maximum (FWHM), akurasi deteksi (DA) dan

    signal-to-noise ratio (SNR).

  • 27

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    3.3 Diagram Alur Penelitian

    Alur penelitian sesuai desain penelitian yang telah dipaparkan sebelumnya,

    secara umum dapat diGambarkan oelh diagram alur pada Gambar 3.2 berikut:

    Gambar 3.2 Diagram alur penelitian

  • 28

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    3.4 Tahapan Eksperimen

    3.4.1 Pembuatan Analit

    Analit berupa larutan glukosa dibuat dengan bahan-bahan berupa serbuk

    glukosa (C6H12O4) >99,5% Mr = 180,16 g/mol (Sigma-Aldrich) dan distiled-

    water (H2O) sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.3.

    Gambar 3.3 Spesifikasi serbuk glukosa sebagai bahan pembuatan analit

    Larutan glukosa dibuat dengan melarutkan serbuk glukosa dalam distiled-

    water dengan jumlah tertentu sesuai dengan konsentrasi larutan yang diperlukan.

    Massa glukosa disesuaikan menggunakan neraca digital dengan ketelitian 0,0005

    g (c-electronics), sedangkan pipet digunakan untuk menyesuaikan volume pelarut

    sampai dengan 20 ml. Larutan glukosa dapat dibuat dengan mengikuti ketentuan

    stoikiometri larutan sebagai berikut (Bhatt & Vora, 1996):

    (3.1)

    (3.2)

    Berdasarkan persamaan 3.1 – 3.2 dan spesifikasi serbuk glukosa yang digunakan,

    maka komposisi glukosa yang digunakan untuk membuat masing-masing

    konsentrasi larutan ditunjukkan pada tabel 3.1 berikut:

    Tabel 3.1

    Komposisi glukosa yang digunakan untuk membuat larutan glukosa

  • 29

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    No. Konsentrasi

    (mmol/L)

    Massa

    Glukosa (g) No.

    Konsentrasi

    (mmol/L)

    Massa

    Glukosa (g)

    1. 4,00 0,014 6. 55,50 0,200

    2. 6,00 0,020 7. 111,01 0,400

    3. 8,00 0,028 8. 166,51 0,600

    4. 10,00 0,036 9. 222,02 0,800

    5. 12,00 0,042 10. 277,53 1,000

    3.4.2 Pengujian Sensor SPR

    Metode pengujian sensor berbasis SPR dengan menggunakan instrumen SPR

    Navi-200 dilakukan sesuai petunjuk penggunaan alat atau manual book dan

    disesuaikan dengan tujuan dan kebutuhan penelitian. Prosedur tersebut

    sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.4 dibawah ini:

  • 30

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    Gambar 3.4 Diagram alur pengujian sensor

    Stabilitas dan reproduktifitas pengukuran yang dilakukan dengan SPR Navi

    200 bergantung seberapa baik sensor chip Au telah dibersihkan sebelum

    digunakan. Terdapat beberapa cara untuk membersihkan sensor chip, dalam

    penelitian ini cara yang dilakukan adalah dengan mengusapkan kasa yang

    dibasahi dengan hidrogen peroksida pada kedua sisi sensor kemudian

    mengeringkannya di udara. Berikutnya sensor chip ditempatkan pada slide holder

    agar dapat ditempatkan dalam instrumen sehingga membentuk konfigurasi

    sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.1. Sebelumnya, flow cell pada instrumen

    dibersihkan dengan mengalirkan air sebagai buffer pada flow cell selama 10

  • 31

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    menit, langkah ini bertujuan untuk memastikan tidak terdapat sisa larutan lain

    pada saluran yang dapat mempengaruhi indeks bias analit.

    Sebagian besar operasi instrumen SPR Navi 200 dikendalikan melalui

    perangkat lunak SPR Navi Control yang terhubung dengan instrumen (Gambar

    3.5), meliputi pengaturan kondisi dan parameter eksperimen, monitoring proses

    eksperimen dan penyimpanan data. Eksperimen ini, dilakukan pada temperatur

    ruangan yaitu 22° dengan laju aliran analit 50 µm/menit, untuk menguji sensor

    pada rentang sudut sinar datang 36° – 80°. Pengujian pada instrumen SPR Navi

    200 dapat dilakukan secara dual-wavelength, yaitu menggunakan dua panjang

    gelombang sekaligus. Panjang gelombang sinar datang yang tersedia diantaranya

    670, 785, 850, 960, 589 dan 632,8 nm, dalam eksperimen ini hanya digunakan

    panjang gelombang 670 dan 785 nm.

    Gambar 3.5 Instrumen SPR Navi 200 yang terhubung dengan komputer untuk

    mengoperasikan perangkat lunak SPR Navi Control

    Eksperimen dimulai dengan pengukuran pada load mode, mode ini akan

    mengalirkan buffer yaitu air pada flow cell. Melalui sensorgram yang ditampilkan

    SPR Navi Control, dapat dimonitoring perubahan sudut SPR terhadap waktu

    selama pengujian, sehingga dengan aliran yang sama yaitu air akan terbentuk

    garis horizontal sebagai baseline. Load mode dilakukan sampai terbentuk baseline

    yang stabil, kurang lebih selama 2 menit. Berikutnya, sebanyak 0,5 ml larutan

    glukosa sebagai analit dengan konsentrasi tertentu disuntikkan kedalam flow cell

  • 32

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    dan pengukuran diubah menjadi inject mode dengan memutar arah mode switch

    seperti pada Gambar 3.6, sehingga larutan glukosa akan dialirkan melalui

    permukaan film tipis emas. Pada sensorgram dapat diamati perubahan sudut SPR

    ketika larutan glukosa mengalir, sehingga kurva mengalami kenaikan dari

    baseline kemudian konstan selama inject mode analit yang sama selama 2 menit.

    Gambar 3.6 Lubang injeksi sampel dan mode switch pada instrumen SPR Navi

    200 dengan (1) load mode dan (2) inject mode

    Pengujian sensor dengan larutan glukosa konsentrasi yang lain dilakukan secara

    berkelanjutan, sehingga setelah pengujian dengan satu konsentrasi selesai maka

    prosedur dilanjutkan dengan kembali pada langkah menguji sensor pada load

    mode. Langkah ini bertujuan agar pada sensorgram, kurva kembali turun hingga

    mencapai baseline secara konstan. Selain itu, load mode juga bertujuan untuk

    membersihkan flow cell dan permukaan sensor dari analit sebelumnya, sehingga

    tidak mempengaruhi konsentrasi dan indeks bias analit berikutnya.

    Ketika analit melalui permukaan film tipis emas, bilangan gelombang

    elektromagnetik di permukaan film berubah, maka sinar datang yang melalui

    prisma akan memindai sensor dengan rentang sudut yang ditetapkan hingga

    diperoleh bilangan gelombang yang sesuai dengan bilangan gelombang

    permukaan, dengan kata lain terjadi peristiwa surface plasmon resonance (SPR).

    Sudut resonansi (sudut SPR) yang terjadi sangat sensitif terhadap perubahan

  • 33

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    indeks bias medium yang kontak dengan permukaan film dan perubahan tersebut

    dapat dipantau melalui perubahan intensitas sinar pantul (reflektansi) ketika

    sistem selesai beresonansi. Perubahan parameter terhadap satu sama lain

    ditampilkan dalam bentuk kurva yang berikutnya disebut kurva respon SPR (sudut

    datang terhadap reflektansi).

    3.5 Prosedur Pengolahan dan Analisis Data

    Untuk mencapai tujuan penelitian yaitu mengetahui performa sensor SPR

    dengan film tipis emas ketebalan ~50 nm terhadap glukosa khususnya gula darah,

    maka data yang diperoleh melalui eksperimen dianalisis secara numerik. Selain

    analisis numerik, data juga ditampilkan dalam grafik diantaranya kurva respon

    SPR dan sensorgram, plot data dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak

    OriginPro 2016. Analisis numerik dilakukan berdasarkan persamaan untuk

    masing-masing karakteristik, sedangkan analisis grafik dilakukan dengan metode

    full width of half maximum (FWHM) sebagai berikut:

    3.5.1 Sensitivitas (S)

    Sensitivitas sensor SPR diketahui dengan melalui rasio antara pergeseran

    sudut resonansi/SPR (∆θSPR) dengan selisih indeks bias analit dengan buffer

    sebagai acuannya (∆n). Sehingga persamaan sensitivitas dapat dinyatakan sebagai:

    (3.1)

    Hubungan linear antara pergeseran sudut resonansi berbanding lurus dengan

    perubahan indeks bias analit (Bdullah dkk., 2018; Menon dkk., 2018). Sehingga,

    nilai sensitivitas akan terus meningkat sesuai dengan peningkatan konsentrasi

    analit. Untuk dapat melakukan perhitungan nilai sensitivitas, maka terdapat

    beberapa tahapan yang harus dilakukan untuk memperoleh nilai ∆θSPR dan ∆n,

    diantaranya sebagai berikut:

    3.5.1.1 Analisis Kurva Respon SPR

    Pergeseran sudut SPR (∆θSPR) diperoleh dari analisis kurva respon SPR. Pada

    kurva respon SPR, sudut yang menghasilkan reflektansi sinar minimum (Rmin)

  • 34

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    merupakan sudut resonansi (θSPR), ditampilkan sebagai lembah (dip) (Menon dkk.,

    2018). Pada pengujian dengan variasi analit yang berbeda, kurva respon SPR akan

    bergeser sehingga memiliki sudut resonansi yang berbeda seperti ditunjukkan

    Gambar 3.7.

    Gambar 3.7 Kurva respon SPR yang bergeser untuk pengujian sensor berbasis

    SPR pada kondisi analit yang berbeda

    Pergeseran sudut resonansi juga dapat diamati melalui kurva sensorgram.

    Sensorgram menampilkan perubahan sudut resonansi terhadap waktu,

    menunjukkan fitur real-time dari sensor berbasis surface plasmon resonance.

    Sensorgram membentuk kurva dengan sudut resonansi konstan yang kemudian

    meningkat secara signifikan ketika sensor berinteraksi dengan analit dan kembali

    ke kedudukan semula ketika analit lepas dari permukaan sensor. Secara umum

    kurva sensorgram memiliki bagian-bagian seperti ditunjukkan Gambar 3.8.

  • 35

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    Gambar 3.8 Bentuk umum kurva sensorgram dari hasil pengujian sensor berbasis

    SPR pada satu variasi analit (Marquart, 2006)

    Baseline merupakan kurva yang terbentuk ketika permukaan sensor

    berinteraksi dengan buffer atau analit yang dijadikan acuan pergeseran sudut SPR,

    nilainya konstan karena menunjukkan sudut SPR pada analit yang sama.

    Berikutnya, ketika analit sampel diinjeksikan ke dalam flow cell sehingga

    berinteraksi dengan sensor, terjadi transisi antara buffer dan sampel dikenal

    sebagai bulk shift (pergeseran massal) yang sebanding dengan perubahan indeks

    bias analit. Asosiasi harus mengikuti eksponensial tunggal dan memiliki

    kelengkungan sebelum injeksi analit sampel berakhir. Kecepatan asosiasi

    tergantung pada konstanta laju asosiasi dan konsentrasi analit. Sensorgram akan

    kembali konstan secara horizontal ketika sensor berinteraksi tetap dengan analit

    sampel, kedudukan ini disebut kondisi tunak atau ekuilibrium. Kedudukan tunak

    dipengaruhi oleh konsentrasi analit sampel, laju disosiasi dan kecepatan injeksi

    analit sampel. Jika laju disosiasi lambat, maka diperlukan injeksi yang lambat

    untuk mencapai kedudukan tunak. Selama disosiasi, kurva harus mengikuti

    eksponensial tunggal. Disosiasi hanya bergantung pada konstanta laju disosiasi

    tetapi dalam kasus interaksi sensor-analit yang kuat, kurva bisa hampir horizontal.

    Disosiasi selesai ketika kurva kembali ke kedudukan awal (baseline) (Jang dkk.,

    2015; Marquart, 2006)

  • 36

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    3.5.1.2 Optimasi Indeks Bias Analit

    Optimasi indeks bias dilakukan untuk memperoleh nilai indesk bias larutan

    glukosa yang berlaku pada pengujian sensor berbasis SPR. Optimasi dilakukan

    dengan menggunakan perangkat lunak SPR Navi LayerSolver, langkah-langkah

    penggunaan perangkat lunak secara umum diGambarkan dengan diagram alur

    pada Gambar 3.9 berikut:

    Gambar 3.9 Diagram alur optimasi indeks bias

    Mulai

    Memuat kurva respon SPR (buffer) dan model

    sensor chip ke dalam SPR Navi LayerSolver

    Menyiapkan data hasil

    pengujian sensor SPR dan

    model sensor chip

    Model sensor chip hasil optimasi (d, n,

    k dioptimasi)

    Memulai proses optimasi

    Memuat kurva respon SPR hasil pengujian sensor

    dengan larutan glukosa (analit) dan memasukkan

    nilai indeks biasnya (berdasarkan literatur) ke

    dalam model hasil optimasi

    Memulai proses optimasi

    Nilai indeks bias larutan glukosa hasil

    optimasi

    Selesai

  • 37

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    Indeks bias suatu material dapat diketahui dari literatur, namun untuk

    nanolayer, nilai indeks bias dipengaruhi ketebalan, metode deposisi dan

    karakterisasi (Tompkins dkk., 2000). Sehingga dalam pengujian sensor SPR

    dengan film tipis emas ketebalan ~50 nm dengan menggunakan instrumen SPR

    Navi 200, nilai indeks bias material sensor maupun analit dioptimasi kembali

    menggunakan perangkat lunak SPR Navi LayerSolver. Perangkat lunak ini

    bekerja dengan memodelkan, menghitung dan mengulangi beberapa persamaan

    Maxwell simultan untuk sistem optik multilayer (BioNavis Ltd., 2016). Dalam

    penelitian ini, perangkat lunak digunakan untuk mengoptimasi diantaranya indeks

    bias dan ketebalan material sensor yaitu emas (Au) dan kromium (Cr) serta indeks

    bias analit yaitu air dan larutan glukosa.

    Ketebalan material mula-mula diketahui, untuk emas dAu = ~50 nm

    sedangkan ketebalan kromium diperkirakan pada rentang 0,5 – 2 nm. Nilai indeks

    bias diketahui dari literatur sebagaimana ditunjukkan oleh tabel 3.2 (BioNavis

    Ltd., 2015) untuk material sensor.

    Tabel 3.2

    Indeks bias material sensor pada panjang gelombang 670 nm dan 785 nm

    (BioNavis Ltd., 2016)

    No. Material Indeks Bias (RIU)

    n k

    Panjang Gelombang 670 nm

    1. Emas (Au) 0,1741 36123

    2. Kromium (Cr) 3,5297 4,2685

    3. Kaca (BK7) 1,5202 -

    Panjang Gelombang 785 nm

    1. Emas (Au) 0,1836 4,5871

    2. Kromium (Cr) 3,9736 4,1895

    3. Kaca (BK7) 1,5162 -

  • 38

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    Sedangkan indeks bias larutan glukosa dengan konsentrasi dan panjang

    gelombang yang digunakan, diperoleh dari persamaan hubungan indeks bias

    dengan konsentrasi dan panjang gelombang melalui analisis fitting linear kurva

    yang dibentuk oleh data eksperimen pada literatur (Belay, 2018) sebagaimana

    ditunjukkan oleh tabel 2.1. Nilai-nilai tersebut digunakan untuk membangun

    model awal sensor yang berikutnya akan dioptimasi berdasarkan kurva respon

    SPR melalui kalkulasi oleh LayerSolver. Nilai yang akan dioptimasi ditetapkan

    sebagai variable yang berarti dipengaruhi oleh data kurva respon SPR, namun

    untuk ketebalan ditetapkan sebagai dependency karena selain dipengaruhi kurva

    respon SPR, nilainya juga bergantung satu sama lain antara dua panjang

    gelombang yang digunakan, seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.10:

    Gambar 3.10 Pengaturan model awal sensor

    Kurva respon SPR yang digunakan untuk membangun model optimasi adalah

    kurva respon SPR terhadap air sebagai buffer, selain itu hanya dipilih bagian

    kurva yang menunjukkan adanya aktivitas surface plasmon yang ditandai dengan

    perubahan reflektansi. Pada hasil eksperimen ini perubahan reflektansi

    ditunjukkan pada rentang sudut datang 58° – 78°. Berikutnya, kurva respon SPR

    dihubungkan dengan model awal masing-masing panjang gelombang, sehingga

  • 39

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    kalkulasi LayerSolver menghasilkan model optimasi sensor (AU BG 670 water

    dan AU BG 785 water) sebagaimana ditunjukkan Gambar 3.11.

    (a) (b)

    Gambar 3.11 Model optimasi sensor hasil kalkulasi SPR Navi LayerSolver pada

    panjang gelombang (a) 670 nm dan (b) 785 nm

    Model optimasi tersebut digunakan untuk mengoptimasi nilai indeks bias

    larutan glukosa yang digunakan sebagai analit dalam eksperimen, sehingga nilai

    indeks bias analit ditetapkan sebagai variable sedangkan nilai lainnya ditetapkan

    sebagai fixed. Optimasi dilakukan dengan mengganti analit water menjadi glukosa

    beserta dengan indeks biasnya kemudian dihubungkan dengan kurva respon SPR

    masing-masing untuk dilakukan optimasi melalui perhitungan iterasi tunggal.

    Prosedur dilakukan satu per satu untuk masing-masing konsentrasi glukosa agar

    diperoleh indeks bias optimal untuk setiap konsentrasi larutan glukosa.

    3.5.2. Akurasi Deteksi (DA)

    Akurasi deteksi (DA) yang merupakan invers dari full width at half maximum

    (FWHM), atau dapat dituliskan sebagaimana persamaan 3.4 berikut:

    (3.4)

    Sehingga, semakin sempit nilai FWHM, maka semakin besar akurasi deteksinya.

    diperlukan perhitungan nilai FWHM. Untuk dapat mengetahui nilai DA hasil

    pengujian sensor berbasis SPR.

  • 40

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    Full width at half maximum (FWHM) didefinisikan sebagai lebar angular

    kurva respon SPR untuk setengah nilai maksimum reflektansinya. Nilai ini dapat

    diketahui dengan mencari titik potong sumbu x pada setengah tinggi kurva atau

    setengah dari nilai dikurangi , sebagaimana ditunjukkan pada Gambar

    3.12 (Bdullah dkk., 2018).

    Gambar 3.12 Skema FWHM pada kurva respon SPR (Bdullah dkk., 2018)

    Pertama-tama, tinggi setengah kurva atau half maximum dihitung dengan

    menggunakan persamaan 3.5, kemudian dengan menggunakan fitur screen reader

    pada OriginPro 2016 data pada titik half-maximum dibaca dengan kata lain titik

    potong sumbu x pada kedua sisi kurva diketahui sebagai dan . Sehingga

    berikutnya FWHM dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.6.

    (3.5)

    (3.6)

    3.5.3. Signal-to-Noise Ratio (SNR)

    Parameter lain yang dapat diketahui dari kombinasi pergeseran sudut

    resonansi dan akurasi deteksi adalah rasio signal-to-noise (SNR). SNR juga

    diketahui sebagai basis figure-of-merit (FOM) pada SPR dan dapat diketahui

    melalui perkalian pergeseran sudut resonansi dengan akurasi deteksi (Bdullah

    dkk., 2018).

  • 41

    Chandra Wulandari, 2019 PERFORMA SENSOR BERBASIS SURFACE PLASMON RESONANCE (SPR) KONFIGURASI KRETSCHMANN DENGAN FILM TIPIS EMAS UNTUK DETEKSI GULA DARAH Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

    (3.7)

    00000. Full Draft - Draft Skripsi Chandra Wulandari UPLOAD00. Lampiran ALL - Draft Skripsi Chandra Wulandari FOOTER.docx