OPTICAL BIOSENSOR

PHOTONIC BIOMEDIS

“OPTICAL BIOSENSOR”

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH

NOPEMBER

SURABAYA

2014

IKA NOVITASARI

NRP. 2411.100.005

RESUME

NAMA : IKA NOVITASARI

NRP : 2411.100.005

PHOTONICS BIOMEDIS Page 1

“OPTICAL BIOSENSOR”

Perkembangan terbaru teknologi optic kali ini adalah berperan sebagai sensor untuk

mendiagnosa, mendeteksi maupun melakukan pengontrolan terhadap segala hal yang

berhubungan dengan reaksi biologi (spesies) maupun reaksi kimia dibeberapa objek penelitian

dan pengukuran.

1. Devinisi Optical Biosensor

Biosensor merupakan divais yang dapat mendeteksi adanya reaksi kimia maupun spesies

biologi yang kemudian menciptakan respon kimia maupun fisika yang dapat dikonfersi

kedalam sinyal yang dapat dibaca oleh tranduser. Aplikasi biosensor ini banyak ditemukan

didalam clinical diagnostics, drug development, enviromental monitoring, dan kontrol

kualitas makanan.

Gambar 1. Schema biosensing

Dari devinisi diatas, maka diketahui bahwa optical biosensor merupakan biosensor yang

menggunakan media berbasis optik didalamnya dimana sensor ini dapat merubah respon fisik

maupun kimia dari proses bioreognition kealam bentuk fasa, amplitudo, polarisasi, atau

frekuensi dengan inputan berupa cahaya.

Adapun keuntungan menggunakan optical biosensor dibandingkan dengan sensor lain

adalah sebagai berikut.

a. Lebih selektif dan spesifikasi

b. Mempunyai sensor remote

c. Terisolasi dari adanya interferensi elegtromagnetik

d. Lebih cepat, pengukuran dilakukan real-time

e. Mempunyai sistem deteksi multi (multiparameters detection)

f. Compact Design

g. Meminimalkan gangguan pada pengukuran struktur dalam jaringan (in vivo),

h. Informasi reaksi kimia ada analisa lebih detail.


NRP : 2411.100.005


2. Komponen Utama Optical Biosensor

Adapun komponen utama dari optical biosensor adalah sumber cahaya, medium untuk

mentransmisi optic ( ex: fiber optic), elemen biologi yang diteliti (ex: enzim, microba), optical

probes pada tranduksi (ex: fluoresense marker), dan sistem pendeteksi optik.

Gambar 2. Komponen Utama Optical Biosensor

3. Prinsip Optical Biosensor

Adapun prinsip dari Optical Biosensor terfokus pada Biorecognition dan Optical Tranducer.

A. Biorecognition

Biorecognition merupakan elemen biologi yang meliputi enzim, sistem kekebalan tubuh

(antibodi), lektin, neuroreseptor, DNA/RNA, sel biologi, dan mikroorganisme yang

teranalisis recognize. Elemen biologi ini sering berhenti ketika meningkatkan konsentrasi

lokal pada elemen sensor optik dan terdeteksi hingga kemunculannya.

B. Optical Tranduser

Adapun cakupan manifestasi yang digunakan didalam biosensor pada Optical Tranduser

diantaranya meliputi :

Gambar 3. Manifestasi biosensor pada Optical Tranduser

Light

Source

Elemen

biologi

Optical Probes

(Tranduction)

Optical

Detection

Medium Transmisi


NRP : 2411.100.005


C. Fluorescence Sensing

Pada sensor fluorense terdiri dari 2 macam sensor, diantaranta yaitu sensor terarah

(Direct Sensing) dan sensor tidak terarah (Indirect Sensing).

Sensor Terarah (Direct Sensing)

Pada sensor jenis ini memanfaatkan pengaruh langsung pada properti fluorense

terhadap elemen biorecognition (elektronik energi Transfer, EET) dimana properti

fluoresense mempunyai spesifikasi reaksi enzim-dikatalisasi.

Sensor Tidak Terarah (Indirect Sensing)

merupakan jenis sensor yang dipengaruhi oleh faktor eksternal dimana sensor ini

menanggapi analisa pada biorecognisi akibat dari adanya erubahan pada properti

fluorense.

D. Fluorescence Energy Transfer Sensors (FRET Sensors)

Fluorescence Energy Transfer Sensors (FRET Sensors) mempunyai kelompok pemberi

(donor) dan kelompok penerima (acceptor) dengan dilakukan transfer energi electronic

yang dihasilkan dari biorecognitif, dimana bioreognitif dapat menyebabkan efisiensi

didalam transfer energi elektronik (EET) dari kelompok donor menuju kelompok

acceptor yang sangat fluorense.

Gambar 4. Sensor Fluoresense pada FRET biosensor

Sedangkan jika dilakukan transfer energi melalui transfer photoindiksi pada

elektron ( Photoinduced Electron Transfer, PET) adalah sebagai berikut.


NRP : 2411.100.005


Gambar 5. Sensor Fluoresense pada PET biosensor

HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital): energi level donor lebih besar

daripada acceptor.

E. Molecular Beacons

Molecular Beacons didasarkan pada skema transfer energi elektronik (EET) yaitu

menunjukkan hubungan antara unit fluoresense (FI) dan Fluoresense Quencher (Q).

Molecular Beacon mendeteksi dan dapat berinteraksi dengan kelas DNA dan RNA.

Gambar 6. Prinsip Kerja Molecular Beacons


NRP : 2411.100.005


F. Biosensor Geometri Optik

Gambar 7. Ruang Lingkup Optical Geometry of Biosensor

4. Fiber – Optic Biosensor

Fiber optic merupakan divais pentransmisi cahaya dari satu tempat ketempat yang lain

tanpa menimbulkan loss yang berlebih jika dibandingkan dengan kabel tembaga biasa. Selain

mempunyai fungsi sebagai divais pentransmisi, fiber optik juga dapat digunakan sebagai

sensor optik.

Gambar 8. Macam-macam layer sensor didalam fiber optic sebagai sensor

Penggunaan fiber optik sebagai sensor dapat dimodifikasi geometrisnya tergantung

pada aplikasi sensor yang akan digunakan. (seperti single core fiber, dual core fiber, Y-

junction fiber, dan fiber bundles).

Gambar 9. a) single core fiber,b)dual core fiber dan c)fiber bundles.


NRP : 2411.100.005


Salah satu aplikasi penggunaan fiber optic dibidang biosensor adalah sangat sesuai

diaplikasikan untuk biosensor pada endoscopi (in vivo biosensing), karena mempunyai

ukuran yang relatif kecil, sehingga mudah dimasukkan kedalam organ tubuh dn mudah

diarahkan juga.

Gambar 10. in vivo biosensing dengan bantuan spectroscopy untuk imaging.

Pada perkembangan terbaru mengenai fiber optik sebagai biosensor didunia medis

adalah untuk mendteksi adanya kanker sejak dini (awal ertumbuhan kanker), mengontrol

serta mengurangi kanker dengan menembakkan cahaya pada rentang optical window (650-

1000 Hz) kedalam jaringan yang terkena kanker. Maka berkas cahaya tersebut akan diserap

pada sel kanker dan didapatkan informasi mengenai karakteristik sel kanker tersebut melalui

DOS (iDiffuse Optical Spectroscopy).

Gambar 11. Lintasan foton didalam jaringan


NRP : 2411.100.005


5. Planar Waveguide Biosensors

Gambar 12. Planar Waveguide

Planar Waveguid merupakan media yang mempropagasi pandu gelombang optik yang

dibatasi didalam comparable dimension pada panjang gelombang cahaya. Adapun

keuntungan utama menggunakan sensor ini adalah akan membentuk pola geometri ketika

mendeteksi simultan multichanel dengan banyak analisis.

Terdapat tiga teknik penting dalam penggabungan cahaya (coupling) planar waveguide,

diantaranya adalah :

Menggunakan coupling prisma,

Menggunakan grating coupling,

End-fire coupling.

Gambar 13 Aplikasi pada biomoleules menggunakan flow cels.

Gambar 14 Aplikasi array biosensor

Gambar diatas merupakan salah satu wujud aplikasi Planar waveguide sebagai

biosensor dan masih banyak lagi aplikasi lain yang menggunakan cahaya planar (cahaya

yang mempunyai jarak sumbernya cukup jauh).


NRP : 2411.100.005


6. Evanescent Wave Biosensors

Evanescent wave sebagai sensor dapat berinteraksi pada rentang panjang gelombang

elektromagnetik dan dapat menembus daerah sekitar yang mempunyai nilai indeks bias

rendah serta mengalami rapidly decaying pada daerah amplitudo elektrik, dengan

konstantan perambatan k adalah imajiner. Skema sensor ditunjukan sebagai berikut :

Gambar 15. Skema Evanescent Wave Sensing.

Sebuah sensor fluoresense menggunakan monomode planar waveguide untuk mengeksitasi

bersama pada area evanescent yang digunakan untuk mendeteksi fluoresense seperti yang

ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 16. Sensor fluoresense menggunakan monomode planar waveguide.

7. Interferometric Biosensors

Interferometer sebagai sensor ini menggunakan informasi pada perubahan fasa (∆∅)

yang dideteksi oleh elemen biorecognisi yang beroperasi pada permukaan waveguide

channel. Perubahan fasa ini akan terdteksi oleh interferometer dengan menciptakan adanya

interferensi antara dua beam.


NRP : 2411.100.005


Gambar 17. Interferometry Mac-Zender

Berdasarkan teori, rumus matematis intensitas outputan interferometer adalah sebagai

berikut.

𝐼𝑂𝑢𝑡 = 𝐼𝑖𝑛(1 + 𝑀 cos ∆∅) ................... 1

∆∅ = (2𝜋𝜆. 𝐿𝑖𝑛𝑡 . ∆𝑁) ....................2

Dimana : 𝐼𝑂𝑢𝑡 : Intensitas Keluaran Interferometer

𝐼𝑖𝑛 : Intensitas masukan interferometer

M : faktor Modulasi

∆∅ : perubahan fasa

𝐿𝑖𝑛𝑡 : panjang Interaksi

8. Surface Plasmon Resonance Biosensor

Surface Plasmon Resonance Biosensor menggunakan prinsip propagasi pada permukaan

plasmon ketika cahaya dirambatkan pada sudut tertentu (sudut kritis) disepanjang

antarmuka logam dengan media dielektrik.


NRP : 2411.100.005


Gambar 18. Surface Plasmon Resonance Biosensor

Pada gambar diatas menunjukkan Surface Plasmon Resonance memanfaatkan CCD

atau fotodioda array dan hasilya ditampilkan didalma sensogram dimana menunjukkan

adanya pergeseran SPR dari 1 ke 2 setelah mengalami reaksi. Serta diperoleh informasi

resonansi sinyal pada kopling yang bergesar sudut sebagai fungsi waktu.

Adapun keuntungan menggunakan Surface Plasmon Resonance Biosensor diantaranya

adalah sebagai berikut.

Tidak memperlukan pelabelan pada penanda fluoresence, sehingga memungkinkan

untuk menganalisis berbagai sistem biomolekuler,

Realtime monitoring, sehingga memberikan informasi dengan efek cepat dan

kuantitatif,

Bahan yang dibutuhkan dalam analisis cukup dalam sample kecil.


NRP : 2411.100.005


9. Divais Optical Biosensors Lainnya

Adapun perkembangan divais optical biosensor lainnya yang telah berkembang diantaranya

adalah :

Photonic Cristals Sensors

Optical Sensors Array dan hubungannya dengan sumber cahaya,

Hybrid Tranduction Biosensors,

Time Domain Sensing

Surface – Enhanced Raman Sensors

Dan Divais Optical Biosensor lainnya.

REFERENSI

Prasad, Paras. 2003.”Introduction to Biophotonics” : Canada

Lauren, Joel Hailey. 2009. “Optical Biosensor”, Departement of Electrical and Computer

Engineering, Colorado State University : Colorado.

OPTICAL BIOSENSOR

Documents

Transcript of OPTICAL BIOSENSOR