55
Fabrikasi Elektroda Amperometrik Sensor dengan Metode Teknologi
Screen Tension dan Deflection Thick Film
Aminuddin Debataraja
1*, Nur Fauzi Soelaiman
1, dan Hiskia
21. Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia 2. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, LIPI, Bandung 40135, Indonesia
*
E-mail: adebataraja@yahoo.com
Abstrak
Screen printing atau teknologi film tebal merupakan suatu metoda yang digunakan untuk memproduksi secara masal
biosensor elektrokimia untuk bidang kesehatan, lingkungan, dan industri obat-obatan. Pada tulisan ini dipaparkan proses pembuatan biosensor kolesterol yang meliputi tahapan desain dan fabrikasi dengan teknik screen printing. Biosensor kolesterol ini berbasis amperometrik yang terdiri dari 3 (tiga) buah elektroda, yaitu elektroda working,
reference, dan counter yang difabrikasi dengan teknologi screen printing. Pemilihan material atau bahan untuk bio-component dan membran serta metoda imobilisasi juga dijelaskan secara singkat. Biosensor yang dibuat ini untuk
deteksi kadar kolesterol, di mana diharapkan nantinya bisa digunakan sebagai dasar untuk pengembangan biosensor jenis lainnya.
Abstract
Fabrication of Amperometric Electrodes with Screen Tension and Deflection Thick Film Methods. Screen
printing or thick film technology represents an attractive approach for the mass production of miniaturized electrochemical biosensors for biomedical, environmental, and drug industries. This paper describes the use of thick film technology in the design and fabrication of biosensors cholesterol. An amperometric cholesterol biosensor based on a three electrodes (counter, reference, and working) planar configuration was fabricated using thick film technology. Materials used for the immobilization of biological elements and membrane materials are also briefly described. The biosensor developed initially to determine cholesterol, with later application to others analytes.
Keywords: amperometry, biosensor, cholesterol, screen printing, thick film
1. Pendahuluan
Biosensor adalah metode analisis dengan menggunakan komponen biologi aktif yang diintegrasikan dengan peralatan elektronik untuk menentukan kadar suatu senyawa [1-2]. Teknik analisis dengan biosensor sangat menarik dikembangkan karena selektifitas dan akurasi pendekatannya yang dinilai cukup handal dan bahkan mempunyai prospek ekonomi yang cukup besar. Biosensor juga merupakan instrumen analisis yang sangat penting, karena dapat menentukan kadar senyawa konsentrasi yang sangat rendah, seperti ppm, ppb, dan ppt.
Beberapa tahun terakhir ini, pengembangan biosensor banyak mendapat perhatian dan aplikasinya juga sudah
memasuki dunia bisnis, terutama dengan tersedianya teknologi mikroelektronika yang sangat pesat memungkinkan terciptanya biosensor berukuran kecil, sensitif, akurat dan diproduksi dengan biaya murah (low
cost) bahkan sudah ada yang digunakan sebagai
peralatan pribadi. Lebih jauh lagi dengan kemajuan teknologi nano (nanotechnology) dan
microelectro-mechanical system (MEMS) dapat dihasilkan sistem
mikrosensor yang terintegrasi dalam sebuah keping (chip) atau substrat yang berukuran skala mikro atau nano dengan tujuan untuk mempercepat proses analisis, mengurangi volume sample dan reagent serta menekan biaya produksi menjadi sekecil mungkin [3-4]. Diprediksi di masa mendatang teknologi MEMS dan nano akan memegang peranan penting pada berbagai bidang industri.
Teknologi proses yang banyak digunakan untuk pembuatan mikrosensor adalah silicon-based
microfabrication yang dapat menghasilkan struktur
yang berukuran mikrometer dan memungkin untuk membuat microsensor dalam bentuk array atau multi-sensor pada suatu chip [5-6]. Disamping itu teknologi
thin/thick film juga banyak digunakan untuk pembuatan chemical/biological sensor, karena prosesnya lebih
sederhana dan low cost sangat cocok untuk pembuatan
disposable sensor [7-9].
Biosensor merupakan sensor kimiawi di mana terdiri dari 3 (tiga) elemen dasar yaitu, receptor (biocomponent), transducer (physical component) dan separator (membran atau beberapa jenis coating) [10-11]. Receptor terdiri dari doped metal oxide atau organik polimer yang dapat berinteraksi dengan “analyte”. Biocomponent ini dapat berupa enzim, antigen, antibodi, bacteria and nucleic acids. Untuk berbagai aplikasi dari biosensor, enzim merupakan senyawa yang paling banyak digunakan sebagai
bioreceptor molecules atau biocomponent. Biosensor
umumnya dilapisi dengan membran tipis yang berfungsi untuk diffusion control, mengurangi interference dan proteksi untuk electrode. Gambar 1 menjelaskan prinsip biosensor itu sendiri.
Salah satu faktor yang sangat penting pada biosensor adalah stabilitas dari biosensor yang sangat bervariasi, di mana hal ini sangat tergantung pada ukuran dan bentuk biosensor, metode preparasi, jenis tranduser dan parameter lain. Lebih lanjut hal ini sangat bergantung pada faktor substrate diffusion dan enzymatic reaction
rate. Pemilihan material dan teknik fabrikasi biosensor
yang tepat sangat mempengaruhi fungsi dan ujuk kerja sensor. Oleh karena itu pengembangan biosensor di
masa depan fokus pada penemuan material baru. Beberapa pertimbangan yang harus dilakukan dalam mengembangkan sistem biosensor antara lain [12-13]: (1) Seleksi biocomponent yang tepat, (2) Pemilihan metoda immobilization, (3) Pemilihan jenis tranduser, (4) Desain biosensor yang meliputi range pengukuran,
linearity, dan minimisasi dari interference, (5) packaging, (6) Integrasi dengan berbagai jenis sensor
yang berbeda.
Pada makalah ini dibahas rancang bangun biosensors berbasis enzim untuk deteksi kadar kolesterol di dalam darah dengan menggunakan teknik screen printing. Jenis tranduser yang dibuat adalah amperometrik dengan konfigurasi tiga electrode (working, reference, dan counter). Amperometric biosensor berbasis enzim merupakan perangkat biosensor komersial yang banyak ditemukan di pasar. Sensor ini beroperasi pada tegangan tetap dengan menggunakan reference electrode sehingga arus yang dihasilkan dari oksidasi atau reduksi substrat yang berada di atas permukaan working
electrode dapat diukur. Besarnya arus yang dihasilkan
bergantung pada banyak faktor, meliputi, charge
transfer, adsorption, chemical kinetics, diffusion, convection, dan substrate mass transport.
Analyte
Bio-Receptor Transducer
Measurable Signal
Gambar 1. Prinsip Kerja dari Biosensor
CHOLESTEROL ESTER CHOLESTEROL OXIDIZED CHOLESTEROL CHOLESTEROL ESTERASE OXIDOREDUCTASE ELECTRON MEDIATOR (OXIDIZED FORM) ELECTRON MEDIATOR (REDUCED FORM) PROCESS 1 PROCESS 2 PROCESS 3 PROCESS 4 WORKING ELECTRODE REFERENCE ELECTRODE COUNTER ELECTRODE
cholesterol esterase
Cholesterol esters + H2O fatty acids + cholesterol
Cholesterol + O2 cholestenon + H2O2 cholesterol oxidase Reference Electrode Working Electrode Counter Electrode Lapisan encapsulasi Enzyme
Gambar 3. Desain Layout dan Penampang Sensor Kolesterol
Gambar 4. Masker, (a) Working dan Counter Electrode, (b) Masker Reference Electrode, (c) Masker Encapsulasi
2. Metode Penelitian
Teknologi thick film (TFT) merupakan salah satu bagian dari teknologi proses mikroelektronika untuk fabrikasi komponen komponen elektronika secara
screen-printing. Sejak petengahan tahun 1960, teknologi proses thick film telah digunakan untuk meminiaturisasi suatu
rangkaian elektronika ke dalam sebuah keping substrat, karena kemampuannya menghasilkan jalur konduktor yang sangat kecil (fine line). Teknologi thick film telah banyak digunakan secara luas dalam industri komponen hibrid mikroelektronika dan diaplikasikan dalam berbagai bidang, seperti otomotif, telekomunikasi, medis, dan pengembangan sensor dan aktuator. Material utama yang digunakan dalam teknologi film tebal adalah substrat dan pasta. Substrat merupakan media tempat komponen film tebal diimplementasikan, sedangkan pasta adalah bahan pembentuk komponen film tebal, yang diformulasikan sedemikian rupa sehingga dapat dibentuk melalui proses pencetakan.
Amperometrik biosensor cholesterol. Prinsip kerja
amperometrik biosensor kolesterol secara umum terdiri
dari 4 (empat) tahap proses seperti yang terlihat pada Gambar 2.
Biosensor kolesterol bekerja menggunakan prinsip amperometrik dengan konfigurasi 3 (tiga) elektroda di mana hidrogen peroksida (H2O2) yang dihasilkan
mengakibatkan terjadinya aliran arus di elektrode [15]. Arus mengalir melalui counter electrode (CE) dan
working electrode. Tidak ada arus yang mengalir di reference electrode (RE). Dengan menggunakan
konfigurasi tiga elektrode akan meminimalkan besarnya tegangan jatuh (potential drop) akibat adanya resistansi cairan (Rs).
3. Hasil dan Pembahasan
Desain layout. Desain biosensor meliputi, pemilihan
material, ukuran, bentuk dan metode konstruksi atau fabrikasi, yang sangat tergantung pada pemilihan prinsip kerja transducer, parameter yang mau dideteksi dan suasana kerja (working environment). Material yang digunakan dalam electrochemical biosensor dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1) material untuk
elektrode dan supporting substrate, 2) material untuk
immobilisasi biocomponent, 3) material untuk fabrikasi
membran luar, dan 4) biological elements atau
biocomponent, seperti enzymes, antibodies, antigens, mediators, dan cofactors.
Pada penelitian ini tahap desain biosensor kolesterol meliputi pemilihan bahan, menentukan bentuk geometris dan ukuran sensor, serta pembuatan masker. Dari penelusuran literatur telah diperoleh desain layout masker yang terdiri dari 3 (tiga) jenis elektrode di mana ukuran sensor yang digunakan adalah tiap elektrode memiliki ukuran panjang (P) = 14 mm dan lebar (L) = bervariasi dari mulai 2-4 mm, lebar jalur elektrode 0,4 mm. Adapun tujuan dari dipilihnya beberapa ukuran elektrode untuk mengetahui pengaruh lebar jalur terhadap sensitivitas sensor. Bentuk layout dan penampang biosensor kolesterol dapat dilihat pada Gambar 3.
Bahan yang digunakan untuk substrat adalah alumina dan bahan untuk working dan counter electrode adalah pasta emas (Dupont 8352), pasta perak (ESL 9912-A), sedangkan untuk reference electrode menggunakan bahan Ag|AgCl. Untuk lapisan biocomponent digunakan
enzyme enzyme cholesterol oxidase (Sigma) dan cholesterol esterase (Sigma) dan lapisan enkapsulasi
digunakan pasta dielektrik (ESL SB 240). Untuk pembuatan reference electrode dilakukan dengan cara
printing pasta perak (Ag) di atas substrat alumina
kemudian dengan proses elektroplating diubah menjadi Ag|AgCl. Tahap selanjutnya adalah pembuatan screen dan masker.
Pembuatan masker dan screen. Untuk pembuatan
masker dimulai dengan desain layout dengan menggunakan software CAD. Desain layout dari biosensor ini dilakukan dengan bantuan software Corel Draw 11, yang kemudian dengan proses
photolitography ditransfer menjadi masker (film
positif). Untuk pembuatan biosensor ini dibutuhkan minimal 3 (tiga) buah masker yaitu: masker untuk
working dan counter electrode, masker untuk reference electrode dan masker untuk enkapsulasi seperti yang
terlihat pada Gambar 4.
Tahap selanjutnya adalah pembuatan screen, dimulai dengan penyiapan screen berupa pencucian dengan Ulano 23 (degreaser dan abrader) untuk menghilangkan lemak dan membuat screen jadi kasar, sehingga dengan demikian menjadi mudah dilekati emulsi. Screen yang digunakan adalah stainless steel dengan ukuran mesh 400, dan bahan Ulano 133 sebagai
screen mask-nya. Pada Gambar 5 terlihat hasil dari
pembuatan screen.
Pada Gambar 7 terlihat prototipe sensor kolesterol yang belum dilakukan proses elektroplating untuk reference
electrode dan belum dilapisi dengan biocomponent
(enzyme GOD). Sensor glucose ini terdiri dari 3 (tiga) jenis sensor yang berbeda beda dari segi bentuk, ukuran, dan bahan.
Tahap selanjutnya adalah proses imobilisasi enzim dan membran pelindung yang belum sempat dilakukan karena bahan yang akan digunakan sedang dalam proses pembelian. Biokomponen (enzim) akan diimobilisasi di atas permukaan elektrode dan kemudian dilapisi suatu membran dengan menggunakan sistem hydrogels yang berfungsi sebagai pengontrol difusi, mengurangi
interference dan sebagai pelindung elektrode. Membran
yang digunakan adalah cellulose acetate sebagai pelindung atau penutup enzim dari pengaruh luar. Penggunaan sistem hidrogel ini didasarkan pada pertimbangan berikut: 1) untuk meningkatkan
biocom-patibility dari permukaan elektroda dengan cara
mengikat anticoagulants. Hal ini dimungkinkan terutama karena kandungan airnya yang relatif tinggi, 2) untuk mengeliminasi interferensi yang tidak diinginan, seperti ascorbic acid, uric acid, L-cysteine, glutathione dan acetaminophen yang terkandung dalam darah maupun serum darah sampel, 3) untuk meningkatkan masa pakai (life time) dari biosensor.
Bahan yang diperlukan untuk pembuatan hidrogel mencakup: 7,7, 8,8 tetra-cyano-quinone-dimethane (TCNQ) [Merck]; hydroxy-ethyl-cellulose [Merck]; hydroxy-ethyl-methacrylate [Merck]; tetra-ethylene-glycol diacrylate [Aldrich]; dimethoxy-phenyl aceto-phenone [Aldrich]; pyrrole monomer [Aldrich].
Substrat Alumina Working Electrode Reference Electrode Counter Electrode
2. Proses printing, drying dan firing Ref. Electrode, Bahan pasta Perak Substrat Alumina Isolation layer Working Electrode Reference Electrode Counter Electrode Isolation layer
3. Proses printing, drying dan firing Lap. Isolasi, Bahan pasta dielektrik
Substrat Alumina Isolation layer Working Electrode Reference Electrode Counter Electrode Isolation layer
4. Proses pembuatan Ref. Electrode, Ag|AgCl Substrat Alumina Isolation layer Working Electrode Reference Electrode Counter Electrode Isolation layer
5. Proses Immobilisasi Enzyme dan pelapisan membrane
Gambar 6. Urutan Proses Fabrikasi Biosensor Cholesterol
(a) (b)
Gambar 7. Prototipe Sensor Kolesterol Menggunakan Elektroda (a) Perak (b) Emas
4. Simpulan
Pembuatan biosensor untuk deteksi kolesterol yang meliputi desain layout, tahapan proses fabrikasi dengan teknik screen printing, pemilihan material biocomponent dan membran telah dipaparkan. Ada 2
(dua) jenis prototipe biosensor yang dihasilkan yaitu yang menggunakan bahan emas dan perak. Untuk tiap jenis biosensor terdiri dari 3 (tiga) layout yang berbeda dengan ukuran panjang (P) = 14 mm dan lebar (L) = bervariasi dari mulai 2-4 mm, lebar jalur elektrode 0,4
mm. Tahap selanjutnya adalah imobilisasi enzim di atas elektrode, pelapisan membran dan juga karakteristiknya terhadap kolesterol. Diharapkan prototipe biosensor ini bisa diaplikasikan untuk bidang kesehatan nantinya.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan tim peneliti dan Robeth V. Manurung yang telah banyak membantu penelitian ini, dan kepada UP2M PNJ yang telah memberikan bantuan pendanaan sehingga penelitian berjalan sesuai dengan waktunya.
Daftar Acuan
[1] R.T. Daniel, T. Klara, A.D. Richard, S.W. George, Pure Appl. Chem. 71 (1999) 2333.
[2] W.S. Frieder, A. Warsinke, F.F. Bier, U. Wollenberger, W. Jin, A. Benkert, D. Pfeiffer, lnternational Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, 1997.
[3] G. Blankenstein, U.D. Larsen, Biosens. Bioelectron. 13 (1998) 427.
[4] E. Depsey, D. Diamond, M.R. Smyth, G. Urban, G. Jobst, I. Moser, E.M.J. Verpoorte, A. Manz, H.M. Widmer, K. Rabenstein, R. Freaney, Anal. Chim. Acta. 346 (1997) 341.
[5] H. Andreas, B. Oliver, H. Christoph, B. Henry, Proceeding of the IEEE, 91 (2003) 839.
[6] C.C. Liu, P.J. Hesketh, G.W. Hunter, Interface 13/2 Summer (2004) 22.
[7] I. Novotny et al., 44rd International Scientific Colloquium, Technical University of Ilmenau, German, 1999.
[8] J.P. Hart, Trends in Analytical Chemistry, 16/2 (1977) 89.
[9] S. Marino, G. Minervini, M.R. Montereali, C. Cremisini, A. Masci, R. Pilloton, II Workshop on Chemical Sensors and Biosensors, Santa Maria di Galeria, Rome, Italy, 1999.
[10] B.R. Eggins, Chemical Sensors and Biosensors, John Wiley, Chichester, 2002, p.273.
[11] D.L. Wise, Bioinstrumentation and Biosensors, Marcel Dekker Inc., New York, 1991, p.824. [12] R. Baronas, F. Ivanauskas, J. Kulys, Sensors 3
(2003) 248.
[13] S. Zhang, G. Wright, Y. Yang, Biosens. Bioelectron. 15 (2000) 273.
[14] Watanabe et al., US Patent 6 342 364 B1, 2002. [15] M.K. Ram, P. Bertoncello, H. Ding, S. Paddeu, C.
