65
Desain dan Fabrikasi Elektroda Biosensor:
Metode Teknologi Film Tebal
Robeth V. Manurung
1*, Erry D. Kurniawan
1, Jojo Hidayat
1, Aminuddin
2, dan Chandra Risdian
31. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, LIPI, Bandung 40135, Indonesia 2. Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia
3. Pusat Penelitian Kimia, LIPI, Bandung 40135, Indonesia *E–mail: robeth@ppet.lipi.go.id
Abstrak
Teknologi film tebal merupakan salah satu bagian dari teknologi proses mikroelektronika untuk fabrikasi komponen-komponen elektronika secara screen printing. Teknologi film tebal telah banyak digunakan secara luas dalam industri komponen hibrid mikroelektronika dan diaplikasikan dalam berbagai bidang, seperti otomotif, telekomunikasi, medis dan pengembangan sensor dan aktuator. Dalam penelitian ini akan diuraikan proses perancangan dan pembuatan elektroda biosensor uric acid dengan menggunakan teknologi film tebal. Jenis biosensor yang dibuat menggunakan prinsip elektrokimia berbasis enzim uricase dengan metode pengukuran arus listrik (amperometrik) serta menggunakan konfigurasi tiga elektroda. Ketiga elektroda tersebut adalah elektroda kerja (working) dan pembantu (auxiliary) berbahan emas serta elektroda referensi berbahan Ag|AgCl melalui proses electroplating. Proses pengujian kestabilan dari elektroda referensi yang dibuat juga dilaporkan dalam tulisan ini.
Abstract
Design and Fabrication of Biosensor Electrode: Thick Film Technology Method. Thick-film technology is one part of the microelectronics process technology for the fabrication of electronic components in a screen-printing. Thick-film technology has been widely used in hybrid microelectronics component industry and applied in various fields, such as automotive, telecommunications, medical and development of sensors and actuators. This paper described the design and fabrications of uric acid biosensor electrodes using thick film technology. The uric acid bio sensors are made using the principle of electro-chemical method of measuring electrical current (amperometric) and using three-electrode configuration. The electrodes was working electrode (working) and auxiliary (auxiliary) which is made from carbon; gold and reference electrode made from silver | silver chloride.
Keywords: thick film, amperometric, biosensor, working electrode, reference electrode
1.
Pendahuluan
Penelitian sensor sampai saat ini masih merupakan suatu topik yang sangat luas dan melibatkan berbagai disiplin ilmu, di mana perkembangan teknologi sensor mengikuti kemajuan teknologi mikroelektronika. Sedangkan untuk aplikasi dari teknologi sensor dapat ditemui dalam banyak peralatan konsumen, otomotif, laboratorium, pengelolaan lingkungan, konservasi energi, pabrikasi, industri, kedokteran, pertambangan, pertanian, dan sebagainya. Aplikasi sistem sensor ini masih dan akan terus berkembang sesuai dengan kebutuhan. Namun, sensor-sensor yang ada saat ini dipasaran hampir semuanya berupa produksi impor.
Biosensor merupakan metoda analisis yang menggunakan komponen biologi aktif yang diintegrasikan dengan peralatan elektronik untuk menentukan kadar suatu senyawa [1]. 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.
Sampai saat ini, pada umumnya analisis klinis dengan sampel darah atau urin banyak dilakukan di
dimungkinkan untuk melakukan analisis klinis menggunakan biosensor yang dilengkapi peralatan yang sederhana dan portabel dan pengukuran dapat dilakukan di tempat (in situ), lebih jauh lagi analisis/pengukuran ini bisa dilakukan oleh si pasien sendiri.
Teknik analisis dengan menggunakan biosensor dalam bidang kesehatan telah banyak digunakan untuk berbagai keperluan diagnosis seperti mengukur kadar kabohidrat (glukosa, galaktosa, dan fruktosa), protein (cholesterol dan creatinine), amino acids (glutamate) dan metabolites (lactate dan urea), lactic acid, uric acid dalam darah, dan sebagainya [3-6]. Teknologi biosensor memberikan beberapa keuntungan dibandingkan teknik analisis konvensional yaitu sederhana dan mudah dalam penggunaan, memiliki tingkat spesifitas yang tinggi, waktu proses untuk memperoleh hasil diagnosis yang cepat, memiliki kemampuan untuk pengukuran yang kontinu dan mampu untuk pengukuran dengan berbagai jenis parameter, dimungkinkan untuk dibuat peralatan yang portabel [5-10].
Biosensor pertama kali diperkenalkan dan dikomersialisasikan pada tahun 1970 oleh Yellow Springs Instrument Co. Di mana produk yang dihasilkan untuk mengukur kadar glukosa (glukosa) dalam darah, kadar urin dan bioprocessing. Biosensor saat ini banyak digunakan untuk berbagai divais termasuk memonitor segala sesuatu yang berhubungan dengan bio-element. Menurut IUPAC, bio-sensor dapat didefinisikan sebagai divais analisis yang kompak di mana terdapat biological sensing element yang terintegrasi dengan tranduser physicochemical [1].
Teknis analisis dengan biosensor adalah mengintegrasikan komponen biologi aktif dengan "transducer" untuk menghasilkan sinyal elektronik yang dapat diukur. Biosensor merupakan sensor kimiawi di mana terdiri dari 3 (tiga) elemen dasar yaitu: reseptor (biocomponent), transduser (physical component) dan separator (membrane atau beberapa jenis coating) [2,3]. Reseptor terdiri dari doped metal oxide atau organic polymer yang dapat berinteraksi dengan “analyte”. Biocomponent ini dapat berupa enzim, antigen, antibodi, bakteria dan nucleic acids. Untuk berbagai aplikasi dari biosensor, enzim merupakan senyawa yang paling banyak digunakan sebagai bioreceptor molecules atau biocomponent. Gambar 1 menjelaskan prinsip biosensor itu sendiri.
Gambar 1. Prinsip dari Biosensor
Enzim merupakan suatu protein yang dapat mengkatalisis suatu reaksi kimia dalam makhluk hidup. Protein ini memiliki ukuran yang berada pada kisaran 62 residu asam amino hingga lebih dari 2500 residu asam amino. Sama seperti protein, enzim tersusun dari rantai lurus asam amino yang kemudian mengalami proses pelipatan membentuk suatu struktur tiga dimensi. Setiap urutan asam amino yang berbeda akan menghasilkan struktur yang unik dan akan memiliki sifat yang berbeda pula.
Asam urat (uric acid) merupakan produk turunan dari purine di dalam proses metabolisme tubuh manusia. Sebagai indikator penting secara klinis mengenai kadar asam urat dapat diketahui melalui assay dari uric acid di dalam cairan tubuh seperti serum dan urin. Peningkatan kadar asam urat di dalam darah dapat dilihat melalui tanda berupa gout, hyperuricemia ataupun sindrom Lesch-Nyhan [11-12]. Enzim uricase terkatalis oksidasi in vivo dengan uric acid dan oksigen sebagai oxidizing agent menghasilkan allantonin dan CO2 sebagai produk
oksidasi terhadap uric acid sedangkan hidrogen peroksida sebagai hasil reduksi dari oksigen seperti yang terlihat pada Pers. (1).
(1)
Sedangkan untuk deteksi amperometrik dari uric acid dapat dilakukan melalui proses elektrokimia terhadap hidrogen peroksida yang dihasilkan.
(2)
Teknologi film tebal merupakan salah satu bagian dari teknologi proses mikroelektronika untuk fabrikasi komponen komponen elektronika secara screen-printing. Sejak pertengahan 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) (Gambar 2).
Teknologi thick film telah banyak digunakan secara luas dalam industri komponen hibrid mikroelektronika dan diaplikasikan dalam berbagai bidang, seperti otomotif,
Gambar 2. Tahapan Fabrikasi Teknologi Film Tebal
telekomunikasi, medikal 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. Proses film tebal (thick film process) terdiri dari beberapa tahap yang meliputi pembuatan screen, pencetakan, pengeringan (drying), pembakaran (firing), trimming dan sejumlah proses tambahan lain seperti proses pemasangan kaki (lead frame) dan pengemasan (enkapsulasi).
2. Metode Penelitian
Perancangan tata letak elektroda. Dalam kegiatan ini dilakukan proses perancangan bentuk tata letak sensor yang akan dibuat. Perangkat lunak (software) yang digunakan dalam proses perancangan ini menggunakan layout editor. Perancangan desain tata letak elektroda sensor didasari oleh spesifikasi rancangan sensor yang akan dibuat yaitu konfigurasi elektroda yang akan dibuat menggunakan konfigurasi tiga elektroda yaitu elektroda kerja (working), elektroda referensi (reference), dan elektroda bantu (auxiliary).
Oleh sebab itu proses fabrikasi ini diawali dengan proses perancangan tata letak (layout) dari elektroda sensor ion nitrat menggunakan software layout editor. Hasil keluaran dari kegiatan diharapkan telah diperoleh desain tata letak yang akan digunakan sebagai acuan dalam pembuatan film dalam proses pembentukan masker pada screen frame. Dimensi dari elektroda disesuaikan dengan kemampuan maksimal dari peralatan fotolitografi dan screen printer yang dimiliki dalam proses teknologi film tebal itu sendiri. Berikut ini adalah hasil perancangan tata letak dari elektroda sensor (Gambar 3 dan 4).
Fabrikasi elektroda biosensor. Proses fabrikasi elektroda biosensor mengikuti step proses teknologi film tebal, sedangkan tahapan pencetakan elektroda disesuaikan dengan bahan yang digunakan bagi tiap-tiap elektroda. Berikut ini tahapan proses pencetakan dari elektroda biosensor (Gambar 5).
(a)
(b)
Gambar 3. (a), (b) Tata Letak dan Dimensi Elektroda Bosensor
Gambar 4. Tata Letak Masker: (a) Biosensor Pad; (b) Working & Counter Electrode; (c) Reference Electrode; (d) Encapsulation
Gambar 5. Tahapan Fabrikasi Elektroda Biosensor
Gambar 6. Komposisi Lapisan Elektroda Biosensor
Komposisi lapisan yang difabrikasi terdiri dari beberapa lapisan hasil pembentukan pasta dengan proses fabrikasi film tebal (thick film) (Gambar 6).
Pengujian kestabilan elektroda referensi. Pengujian kestabilan elektroda referensi dilakukan dengan melakukan pengukuran beda tegangan yang terjadi antara prototip elektroda referensi yang dibuat dengan elektroda referensi acuan (standar) di dalam larutan elektrolit jenuh. Jenis elektroda referensi acuan yang digunakan adalah reference electrode double junction dari Accumet.
3. Hasil dan Pembahasan
Hasil fabrikasi elektroda biosensor. Hasil proses fabrikasi elektroda biosensor dengan menggunakan teknologi film tebal (Gambar 7).
Pengujian Kinerja Elektroda Referensi. Pengujian kinerja elektroda referensi Ag|AgCl ini bertujuan untuk memantau kestabilan tegangan yang dihasilkan oleh
dengan konsentrasi 0,1 M.
Dalam proses ini telah diakukan pengujian empat buah sampel dari elektroda referensi dengan beda potensial yang diperoleh terhadap elektroda referensi acuan pada rentang 97–100 mV. Sedangkan rentang waktu pengujian dilakukan selama 5–10 menit. Berikut grafik respon uji kestabilan dari elektroda referensi biosensor uric acid (Gambar 8).
Secara umum kinerja elektroda referensi Ag|AgCl dapat dikatakan cukup baik dan dapat digunakan pada divais biosensor uric acid.
Pengujian tegangan eksternal optimum. Prinsip kerja pegukuran biosensor uric acid ini berdasarkan pada pengukuran arus sebagai akibat reaksi enzimatis antara elektroda working dan reference dengan menggunakan skema rangkaian tiga elektroda.
(a)
(b)
Gambar 8. Hasil Pengujian Kinerja Elektroda Referensi
Gambar 9. Skema Rangkaian Tiga Elektroda
Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 9, tegangan potensial eksternal diberikan pada elektroda referensi sedangkan arus mengalir sebagai akibat reaksi enzimatis diukur dari elektroda working dengan auxiliary, oleh karena itu perlu dilakukan pengujian besar tegangan eksternal optimum yang dapat men-drive sensor bekerja se-optimum mungkin. Pemberian tegangan eksternal yang berlebih juga dapat menyebabkan elektroda mengalami degradasi kinerja karena terjadi over-oksidasi.
Untuk menentukan besar tegangan eksternal yang akan digunakan, maka dilakukan penapisan beberapa besar tegangan (0.00 volt, 0.10 volt, 0.20 volt, 0.30 volt, 0.40 volt, 0.50 volt, 0.60 volt, 0.70 volt, 0.80 volt) pada working elektroda (tanpa enzim) untuk substrat H2O2
0.1 mM. Kuat arus yang terbaca kemudian dibandingkan untuk setiap besar tegangan yang digunakan. Percobaan dilakukan selama 90 detik pada tiap tegangan. Semakin tinggi tegangan maka kuat arus yang dihasilkan semakin meningkat pada substrat H2O2
0.1 mM.
Dari Gambar 10 dapat diambil kesimpulan bahwa pemberian tegangan potensial yang berlebih (>0,8 V) dapat mengakibatkan terjadinya over-oksidasi pada permukaan elektroda working. Hal ini mengakibatkan terjadidegradasi kualitas dari elektroda yaitu terlihat bahwa permukaan emas pada elektroda working terjadi pembentukan senyawa sebagai akibat oksidasi-reduksi.
Gambar 10. Grafik Perbandingan Tegangan Eksternal terhadap Kuat Arus untuk Elektroda Kerja
Dengan demikian penentuan tegangan eksternal optimum sangat penting untuk menjaga kinerja strip biosensor, dari data karakterisasi pada grafik yang ditunjukkan pada Gambar 10, bahwa biosensor bekerja pada kisaran 0,4–0,7 V. Namun over-oksidasi terjadi pada rentang maksimum di atas 0,8 V sehingga dipilih tegangan optimum pada rentang tegangan 0,4–0,7 V.
4. Simpulan
Dari kegiatan penelitian perancangan dan pembuatan elektroda biosensor ini dapat diperoleh kesimpulan bahwa pembuatan elektroda biosensor dengan menggunakan teknologi film tebal telah dilakukan, demikian juga dengan hasil uji kinerja kestabilan dari elektroda referensi memperlihatkan bahwa elektroda referensi yang telah dibuat memiliki tingkat kestabilan yang cukup baik. Sedangkan untuk pengujian tegangan eksternal optimum yang diberikan pada elektroda biosensor memperlihatkan bahwa bio sensor bekerja pada kisaran 0,4–0,7V. Namun over-oksidasi terjadi pada rentang maksimum di atas 0,8 V sehingga dipilih tegangan optimum pada rentang tegangan 0,4–0,7 V.
Dari hasil kegiatan ini diharapkan elektroda biosensor ini akan dilakukan proses selanjutnya yaitu imobulisasi enzim sebelum dipakai sebagai prototip biosensor. Jenis enzim yang dimobilisasi pada permukaan elektroda kerja (working) akan menentukan jenis biosensor yang akan dibuat seperti uric acid, kolesterol maupun glukosa.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Program Kompetitif LIPI Sub Program Material Maju dan Nanoteknologi Tahun Anggaran 2012 yang telah mendukung melalui anggaran penelitian sehingga kegiatan penelitian ini dapat dilakukan.
Marcel Dekker, Inc., New York, 1991, p.824. [4] M. Pravda, Thesis, Vrije Universiteit Brussel
(Belgium), 1998.
[5] A. Manz, E. Verpoorte, D.E. Raymond, C.S. Efenhauser, N. Burggraf, H.M. Widmer, m-TAS: Miniaturized Total Chemical Analysis Systems, Presented at Micro Total Analysis Systems, MESA Research Institute, University of Twente, The Netherlands, 1994.
[6] J.F. Cabrita, L.M. Abrantes, A.S. Vianna, Electrochimica Acta, 50 (2005) 2117.
p.22.
[9] P.R. Solanki, S.K. Arya, Y. Nishimura, M. Iwamoto, B.D. Malhotra, J. Biomed. Pharm. Eng. 2/1 (2008) 7.
[10] F. Yildirimoglu, F. Arslan, S. Cete, A. Yasar, Sensor 9 (2009) 6435.
[11] S.K. Arya, A.K. Prusty, S.P. Singh, P.R. Solanki, M.K. Pandey, M. Datta, B.D. Malhotra, Anal. Biochem., 363 (2007) 210.
[12] L.S. Raab, G.L. Decker, A.J. Jonas, M.A. Kaetzel, J.R. Dedman, J. Cell. Biochem. 47 (1991) 18.
