Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel
Magnetit (Fe
3O
4) sebagai Bahan Aktif Biosensor Surface Plasmon
Resonace (SPR)
Agus Riyanto, Desi Listiawati, Edi Suharyadi, dan Kamsul Abraha Universitas Gadjah Mada
Yogyakarta
panglimaperang21@ymail.com
Abstrak – Telah disintesis nanopartikel magnetit dengan berbagai ukuran butir yang berbeda yang berasal dari bahan
FeSO4.7H2O dan FeCl3.6H2O dengan metode kopresipitasi. Hasil analisis pola difraksi sinar-x terungkap bahwa
terdapat struktur kubik spinel yang mencirikan keberadaan bahan magnetit di dalam sampel. Analisis sifat magnetik menunjukkan bahwa nanopartikel dengan ukuran butir yang lebih kecil cenderung memiliki respon magnetik yang lebih besar serta koersifitas (medan koersif) yang lebih kecil dibandingkan dengan partikel yang lebih besar. Pengamatan secara visual juga menunjukkan bahwa nanopartikel magnetit yang telah termodifikasi oleh PEG bersifat reaktif terhadap biomolekul. Sehingga nanopartikel magnetit dengan ukuran butir lebih kecil memiliki potensi yang sangat besar untuk meningkatkan akumulasi biomolekul target pada permukaan sensing biosensor berbasis SPR.
Kata kunci:nanopartikel magnetit, respon magneti, biomolekul
Abstract-Magnetite nanoparticles have been synthesized by a variety of different grain sizes derived from FeCl3.6H2O
and FeSO4.7H2O materials by co-precipitation method. The analysis of x-ray diffraction patterns revealed that there is a cubic spinel structure which characterizes the presence of magnetite in the sample material. The analysis of magnetic properties shows that nanoparticles with a smaller grain size tend to have larger magnetic response and the coercivity (coercive field) is smaller than the larger particles. Visual observation also suggests that the magnetite nanoparticles that have been modified by PEG is reactive towards biomolecules. So that the magnetite nanoparticles with a smaller grain size has a huge potential to increase the accumulation of target biomolecules on the surface of SPR-based sensing biosensor.
Key Words :magnetite nanoparticles, magnetic response, biomolekul
I. PENDAHULUAN
Nanopartikel magnetit memiliki potensi yang besar untuk dimanfaatkan pada bidang biosensor yang berperan sebagai bahan aktif yang dapat mengimmobilisasi analit pada permukaan sensing
sehingga dapat meningkatkan kinerja biosensor tersebut [1,2]. Dalam aplikasi biosensor, sifat magnetik dan ukuran butir serta tingkat dispersibilitas dan kereaktifan pada analit (biomolekul) merupakan hal yang sangat penting untuk diperhatikan. Sehingga untuk dapat memanfaatkan nanopartikel magnetit dalam aplikasi biosensor membutuhkan analisis yang cukup matang mengenai watak nanopartikel magnetit.
Teknik kopresipitasi umumnya merupakan teknik yang umum diterapkan untuk menyintesis nanopartikel magnetit. Dalam makalah ini akan dideskripsikan mengenai watak nanopartikel magnetit yang disintesis dari bahan FeSO4.7H2O dan FeCl3.6H2O yang meliputi analisis struktur kristal, ukuran butir, serta sifat magnetik nanopartikel tersebut. Disamping itu, juga akan dikaji potensi nanopartikel magnetit yang dihasilkan dari proses sintesis ini dalam mengikat biomolekul target.
II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
Sintesis nanopartikel Fe3O4 dilakukan dengan metode kopresipitasi yaitu dengan melarutkan 4,170 g FeSO4.7H2O dan 8,109 g FeCl3.6H2O ke dalam 30 ml aquades. Kedalam larutan tersebut ditambahkan 60 ml NH4OH dan selanjutnya disentrifugasi menggunakan
magnetic stirrer. Proses sintesis dilanjutkan dengan mekanisme dekantasi hingga diperoleh endapan nanopartikel magnetit. Endapan yang diperoleh dicuci hingga didapatkan Fe3O4 yang lebih murni.
Sampel Fe3O4 selanjutnya dikalsinasi pada suhu 800C hingga diperoleh sampel Fe3O4 kering. Analisis struktur kristal dan ukuran butir dilakukan dengan menggunakan
X-Ray Diffractometer/XRD (
λ
=1,54060Å) danTransmition Electron Microscopy (TEM). Sedangkan, untuk mengkaji potensi sampel dalam mengikat target
biomolekul maka sampel dalam fasa ferrofluid
selanjutnya difungsionalisasi dengan bahan PEG-4000 dan kemudian direaksikan dengan bahan biomolekul (α
-amylase) dan selanjutnya dilakukan pengamatan visual dengan menggunakan mikroskop.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Secara umum proses sintesis yang dilakukan berhasil mendapatkan nanopartikel magnetit dengan diameter butir dalam orde di bawah 20 nm. Morfologi nanopartikel magnetit hasil sintesis ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Morfologi nanopartikel sampel magnetit.
Sementara itu, pola difraksi XRD sampel magnetit hasil sintesis dengan variasi ukuran butir ditunjukkan pada Gambar 2. 30 40 50 60 70 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 440 511 400 311
*
Inten s ita s 2 Theta 13.21nm 14.88nm 15.58nm 16.60nm 220Gambar 2. Difaktogram difraksi sinar-x sampel magnetit.
Tampak pada pola difraksi Gambar 2 bahwa keempat jenis sampel memiliki pola difraksi yang cukup identik. Dengan melakukan pencocokan pada standar PCPDFWIN serta didukung dari beberapa hasil penelitian sebelumnya teridentifikasi bahwa proses sintesis yang dilakukan berhasil mendapatkan bahan Fe3O4. Hal tersebut terbukti dari kemunculan puncak-puncak difraksi dengan indeks Miller (220), (311), (400), (440), (511) yang merupakan indeks khas struktur kubik spinel dari bahan Fe3O4 [3,4,5,6]. Sedangkan, puncak difraksi dengan tanda (*) merupakan puncak khas dari bahan α-Fe2O3 (hematit) [7]. Kemunculan α -Fe2O3 pada keempat jenis sampel mengindikasikan bahwa pada proses sintesis yang dilakukan juga terjadi proses oksidasi Fe3O4 oleh oksigen menurut Persamaan reaksi 1.
2Fe3O4 + ½ O2 → 3(α-Fe2O3) (1) Dari fakta ini, diketahui bahwa di dalam sampel yang disintesis terdapat dua tipe kekisi yaitu kubik spinel dari
bahan magnetit dan korundum heksagonal dari hematit. Hematite dengan struktur kubik spinel memiliki sifat magnetik dasar ferrimagnetik, sedangkan hematit dengan struktur korundum heksagonal memiliki sifat dasar antiferromagnetit. Keberadaan hematit di dalam sampel magnetit akan memberikan kontribusi terhadap sifat magnetit dari bahan magnetit yang disintesis. Adapun rasio hematit dalam setiap sampel dintunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Rasio hematit di dalam sampel magnetit. Ukuran butir (nm) Rasio α-Fe2O3/ Fe3O4
13.21 0. 16
14.88 0.15 15.58 0.16 16.68 0.15 Dari Tabel 1 diketahui bahwa rasio α-Fe2O3 dalam Fe3O4 pada keempat sampel dapat dikatakan identik. Sehingga pembahasan sifat magnetik pada keempat dapat difokuskan pada relasi ukuran butir pada sifat kemagnetan sampel tanpa memperhatikan efek yang akan ditimbulkan dari rasio hematit di dalam bahan.
Sifat magnetik nanopartikel magnetit hasil sintesis digambarkan dengan kurva magnetisasi pada Gambar 3. Dari Gambar 3 nampak jelas terdapat perbedaan sifat magnetik seiring dengan peningkatan ukuran butir partikel. Teridentifikasi bahwa nanopartikel magnetit dengan ukuran butir paling kecil memiliki kurva magnetisasi berbentuk huruf S hampir tegak (sampel 13.21 nm), sementara itu sampel dengan ukuran butir yang lebih besar miliki kurva magnetisasi berbetuk S landai yang membentuk loop histerisis. Informasi visual ini memberikan makna bahwa nanopartikel dengan ukuran butir yang lebih kecil memiliki respon magnetik yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel nanopartikel dengan ukuran butir yang lebih besar. Hal tersebut disebabkan semakin kecil ukuran butir partikel magnetit maka momen magnetik pada nanopartikel magnetit cenderung lebih tidak stabil. Ketidakstabilan momen magnetik pada partikel dengan ukuran butir yang lebih kecil disebabkan oleh energi anisotropi yang dimiliki oleh partikel tersebut jauh lebih kecil dibandingkan dengan nanopartikel dengan ukuran butir yang lebih besar akibatnya bila terdapat medan magnet eksternal yang mempengaruhi maka momen magnetik pada nanopartikel dengan ukuran butir yang lebih kecil akan memberikan respon yang lebih cepat [8].
Fluktuasi termal juga memberikan kontribusi yang besar terhadap relaksasi momen magnetik. Partikel magnetik dengan ukuran butir yang sangat kecil memiliki energi anisotropi yang jauh lebih kecil daripada energi termal sehingga adanya fluktuasi termal dapat menyebabkan orientasi momen magnetik menjadi tidak stabil. Karateritik energi anisotropi partikel magnetit dapat dikaji dari magnetisasi koersifnya (Hc). Medan koersif merupakan kuat medan magnet yang dibutuhkan untuk mengembalikan oerientasi momen
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823 magnet ke orientasi awal sehingga menetisasi remanen
pada bahan tersebut bernilai nol. Adapun karateritik medan koersif sampel nanopartikel magnetit yang telah disintesis ditunjukkan pada Tabel 2. -3 -2 -1 0 1 2 3 -40 -20 0 20 40 M (e m u /g ) H (Oe) 13.21nm -3 -2 -1 0 1 2 3 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 M ( e mu /g r) H (Oe) 14.88nm (a) (b) -3 -2 -1 0 1 2 3 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 M ( e mu /g ) H (Oe) 15.58 nm -3 -2 -1 0 1 2 3 -60 -40 -20 0 20 40 60 M ( e mu /g ) H (Oe) 16.60nm (c) (d)
Gambar 3. Kurva magnetisasi (a) sampel 13.21 nm, (b) 14.88 nm, 15.58 nm, dan 16.68 nm Tabel 2. Hubungan ukuran butir terhadap Hc.
Ukuran butir (nm) Hc (Oe)
13.21 22 14.88 25 15.58 26 16.68 31
Dari Tabel 2 terungkap secara eksperimen bahwa besarnya medan medan koersif sampel magnetit semakin meningkat seiring dengan peningkatan ukuran butir sampel magnetit. Hal ini menunjukkan bahwa energi anisotropi pada sampel yang berukuran besar jauh lebih besar dibanding dengan sampel yang berukuran kecil.
Dari sudut pandang aplikasi biosensor, partikel dengan ukuran butir yang lebih kecil memiliki potensi dispersibilatas yang besar. Disamping nanopartikel magnetit dengan ukuran butir terkecil memiliki respon magnetik yang lebih kuat dibandingkan nanopartikel
dengan ukuran ukuran butir yang lebih besar (lihat Gambar 3(a)).
Potensi Nanopartikel Sebagai Agen Reaktif Pengikat Biomolekul
Gambar 4 menampilkan pengamatan fisis morfologi nanopartikel magnetit pada saat belum difungsionalisasi, setelah difungsionalisasi, dan setelah direaksikan dengan dengan biomolekul (α-amylase).
Tampak pada Gambar 4 (a) bahwa morfologi nanopartikel magnetit cenderung teraglomerasi. Fungsionalisasi nanopartikel dengan bahan PEG-4000 ternyata meningkatkan dispersibilitas sampel seperti diperlihatkan pada Gambar 4 (b). Sifat ini merupakan sifat yang diharapkan dalam pemanfaatan nanopartikel sebagai agen reaktif pengikat biomolekul untuk meningkatkan akumulasi biomolekul target pada permukaan biosensor SPR. Penampakan visual ini memberikan gambaran bahwa atom Fe pada permukaan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823 nanopartikel magnetit yang sebelumnya berikatan
dengan OH (gugus hidroksil) dari air merubah menjadi berikatan dengan PEG. Nanopartikel yang telah termodifikasi permukaannya ini memiliki tingkat kereaktifan yang cukup tinggi pada biomolekul. Kereaktifan nanopartikel magnetit terhadap biomolekul target ditunjukkan pada Gambar 4 (c).
Kombinasi respon magnetik yang tinggi serta kereaktifan nanopartikel terhadap biomolekul yang ditunjukkan pada Gambar 4 (c) tentu memberikan peluang bagi peningkatan kinerja biosensor SPR.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4. (a) Morfologi nanopartikel magnetit sebelum
dimodifikasi, (b) setelah dimodifikasi, (c) setelah direaksikan dengan biomolekul (α
-amylase)
VI. KESIMPULAN
Nanopartikel magnetit dengan ukuran butir lebih kecil memiliki potensi yang sangat besar untuk dimanfaatkan dalam aplikasi biosensor SPR karena memiliki respon magnetik yang tinggi serta berpotensi memiliki tingkat dispersibilitas yang tinggi. Namun, hal yang perlu diperhatikan dalam proses sintesis nanopartikel magnetit
ialah menekan laju reaksi pembentukan hematit sehingga nanopartikel yang dihasikan memiliki respon magnetik yang lebih besar.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini dibiayai oleh hibah unggulan cluster 2011 Universitas Gadjah Mada.
PUSTAKA
[1] Lee, K.S., Lee, M., Byun, K.M., dan Lee, I.S., (2011) Surface plasmon resonance biosensing based on target-responsive mobility switch of magnetic nanoparticles under magnetic fields, J. Mater. Chem
21: 5156.
[2] Loh, K., Lee, Y.K., Musa, A., Salmah, A.A., dan Zamri, I., (2008) Use of Fe3O4 for Anhancement of Biosensor Respon to the Herbicide 2,4-Dichlorophenoxyacetic Acid, Sensor, 8: 5775-5791. [3] PCPDFWIN v. 2.2.
[4] Park H.D., Oh J., Shul Y., Choy J.,
Fe3O4@Polypyrrole Core–Shell Nanohybrid for Efficient DNA Retrieval, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.8, 2008, 5014–5017. [5] Yuanbi Z., Zumin Q., dan Jiaying H., Preparation
and Analysis of Fe3O4 Magnetic Nanoparticles Used as Targeted-drug Carriers, Chinese Journal of Chemical Engineering, 2008, no. 16(3) 451-455. [6] Lopez J.A., Gonzalez F., Bonilla F.A., Zambrano
G., Gomez M.E., Syntheis And Characterization Of
Fe3O4 Magnetic Nanofluid, Revista
Latinoamericana de Metalurgia Materiales, 2010 No. 30(1): 60-66.
[7] Gao, M., Li, W., Dong, J., Zhang, Z., dan Yang, B., Synthesis and Characterization of Superparamagnetic Fe3O4@SiO2 Core-Shell
Composite Nanoparticles. World Journal of
Condensed Matter Physics, 2011, 1: 49-54.
[8] Guimaraes, P.A., 2009, Prinsiples of
Nanomagnetism, German: Springer. TANYA JAWAB
Kamsul Abraha, UGM
? Terkait karakterisasi campuran Fe3o4+α-amilase
dengan FTIR, apakah diperoleh bayangan tentang angka-angka gelombang yang akan muncul sebagai puncak atau lembah spektrumnya?
? Apakah telah terfikirkan cara untuk menghilangkan α -Fe2O3 dalam monopartikel Fe3O4 hasil sintesis?
Agus Riyanto, UGM
√Untuk ikatan Fe3O4 + PEG kami sudah
memprediksikan akan muncul pada bilanmgan gelombang < 700 cm-1, untuk Fe3O4 + PEG + α-amilase belum kami prediksikan.
@ Sudah. Dengan menggunakan metode lain atau dengan melakukan pelapisan dengan templet pada saat
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823 sintesis atau melindungi sampel pada proses sintesis dari
interaksi dengan udara bebas. Satwiko, UNJ
? Dengan menggunakan FTIR yang digunakan dengan metode transmissis atau reflektansi?
Agus Riyanto, UGM @Metode reflektansi. Chotimah, FMIPA UGM
? Bagaimana kemampuan lapisan Fe3O4 dengan
membedakan jenisa sampel?
? Bagaimana recoverytime?
Agus Riyanto, UGM
@ Kami masih akan menyelidiki tentang kemampuan monopartikel yang termodifikasi untuk membedakan jenis target biomolekul. Karena sisi hiadrophilik bdari PEG berpotensi akan bereaksi dengan semua jenis biomolekul.
@ Kami belum melakukan pengukuran terkait recovery time.
