Smart Biosensor Berbasis Emas-Nanopartikel Sebagai Teknologi Mutakhir Deteksi Penyakit Triple Burden Disease
Nur Hesti Rahmawati1*), Amaliyah Izzul Islam2), Riska Kurniawati3)
Departemen Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran, Jl. Raya Bandung Sumedang KM 21, Jatinangor, Sumedang 45363, Jawa Barat
*) email : nurahma14@gmail.com
ABSTRAK
Deteksi dini terhadap penyakit Triple Burden Disease yaitu penyakit yang belum sepenuhnya teridentifikasi seperti penyakit infeksi, penyakit tidak menular, dan penyakit yang potensi kemunculannya masih ada hingga saat ini, masih belum teratasi dengan sempurna hal tersebut karena belum adanya teknologi yang dapat mendeteksi secara cepat dan akurat mengenai kondisi tubuh penderita. Teknologi smart biosensor dirancang dengan dilengkapi nanosensor berbasis emas-nanopartikel yang mampu mendeteksi kondisi fisik penderita secara akurat dengan menunjukkan reaksi perubahan warna yang terlihat. Metode penulisan berupa studi literatur dan eksperimen pendukung mengukur suhu tubuh dan pH darah pada 15 koresponden usia 18-22 tahun. Data eksperimen pendukung akan dianalisis secara statistik menggunakan pada alat smart biosensor. Smart biosensor ini dilengkapi dengan IoT yang dapat mendeteksi suhu dan pH penderita melalui infrared hyperspectral yang tampil melalui LCD yang mengindikasikan penyakit spesifik berdasarkan kecenderungan gejala penderita.
Kata kunci : Biosensor, IoT, dan Triple Burden Disease
ABSTRACT
Early detection of Triple Burden Disease, which is a disease that has not been fully identified, such as infectious diseases, non-communicable diseases, and diseases whose potential emergence is still present until now, this has not been resolved completely because no technology can detect it quickly and accurately regarding the condition of the patient's body. Smart biosensor technology is designed to be equipped with a gold-nanoparticle-based nanosensor that can accurately detect the physical condition of the patient by showing the visible color change reaction. The writing method is a literature study and supporting experiments measuring body temperature and blood pH in 15 correspondents about 18-22 years old. Supporting experimental data will be analyzed statistically using the Student test t (α
0.05). The results of supporting experiments are used as standard temperature and pH of patients in the smart biosensor device. The smart biosensor is equipped with IoT which can detect the temperature and pH of the patient through the infrared hyperspectral display on the LCD which indicates a specific disease based on the patient's symptom tendency.
I. PENDAHULUAN
Triple burden disease yang tengah dihadapi Indonesia menimbulkan sejumlah permasalahan. Masalah yang timbul bukan hanya seputar mewabahnya penyakit menular baru, menjangkitnya penyakit menular lama, dan meningkatnya penyakit tidak menular dari waktu ke waktu (Kemenkes, 2012), tapi juga masalah yang timbul akibat interaksi di antara ketiganya. Berdasarkan data WHO dalam Global burden Disease Death Estimates 2008, diperkirakan angka kematian di Indonesia karena penyakit menular mencapai 1.608 tiap 1.000.000 orang. Munculnya berbagai strain bakteri baru yang resisten terhadap antibiotik mempersulit pemberantasan penyakit infeksi di Indonesia. Resistensi bakteri terhadap antibiotik disebabkan oleh beberapa faktor, diantaranya ialah penggunaan yang tidak tepat dan penerapan standard precaution yang tidak benar. Penggunaan yang tidak tepat dapat berupa pemberian antibiotik pada penyakit-penyakit yang tidak memerlukan antibiotik atau konsumsi yang tidak sesuai dosis.
Penyakit tidak menular menurut WHO adalah penyakit kronis yang tidak ditularkan dari orang ke orang, mempunyai durasi panjang, dan perkembangan umumnya lambat. Penyakit Tidak Menular yang utama yaitu diabetes melitus, kanker, penyakit jantung dan pembuluh darah (PJPD), penyakit paru obstruktif kronis (PPOK), ginjal kronik, gangguan akibat kecelakaan dan tindak kekerasan. Penyakit tidak menular menjadi penyebab kematian tertinggi di seluruh dunia sekitar 80% terjadi di negara berkembang. Penyakit tidak menular merupakan salah satu masalah kesehatan yang menjadi perhatian nasional maupun global saat ini. Data WHO tahun 2008 menunjukan bahwa dari 57 juta kematian yang terjadi, 36 juta atau hampir dua pertiganya disebabkan oleh Penyakit Tidak Menular. Di negara dengan tingkat ekonomi rendah sampai menengah 29% kematian yang terjadi pada penduduk berusia kurang dari 60 tahun disebabkan oleh PTM. Indonesia dalam beberapa dasawarsa terakhir menghadapi masalah triple burden diseases, yaitu penyakit menular yang masih menjadi
masalah, kejadian re-emerging diseases dan new emerging diseases yang masih sering terjadi, dan di sisi lain kejadian PTM cenderung meningkat dari waktu ke waktu. Menurut profil Penyakit Tidak Menular WHO tahun 2011, di Indonesia tahun 2008 terdapat 582.300 laki-laki dan 481.700 perempuan meninggal karena PTM. Hasil Riset Kesehatan Dasar (Riskesdas) tahun 2007 dan Survei Kesehatan Rumah Tangga (SKRT) tahun 1995 dan 2001, tampak bahwa selama 12 tahun (1995-2007) telah terjadi transisi epidemiologi dimana kematian karena penyakit tidak menular semakin meningkat.
Smart biosensor muncul sebagai alat analisis yang sangat efisien untuk pengukuran resolusi tinggi. Kebutuhan akan metode analisis yang cepat, akurat, efektif, efisien dan mudah terus meningkat. Dalam penelitian ini, pengukuran analitis menggunakan potentiostat. Teknologi smart biosensor menggunakan element pengindraan biologis yang terhubung ke transducer untuk mengubah pengamatan respon menjadi sinyal listrik yang terukur. Besaran sinyal sebanding dengan konsentrasi dari bahan kimia tertentu yang sedang dianalisis (Verma, 2015). Smart biosensor mudah mendeteksi pH dan konsentrasi suatu zat dengan akurasi luar biasa. Kemampuan mendeteksi sangat akurat dengan hanya membutuhkan sampel yang sedikit, biaya yang rendah, dan analisis yang cepat menjadi keunggulan dari teknologi smart biosensor. Hubungan erat dari peristiwa biologis dengan sinyal menciptakan jalur untuk mengembangkan alat analitis yang mudah digunakan untuk sensitivitas dan spesifisitas yang tinggi (Neethirajan, Ragavan, Weng, & Chand, 2018).
Nanopartikel emas banyak dimanfaatkan dalam bidang kesehatan sebagai DNA labeling, biosensor, terapi kanker, antimikrobial dan bentuk pengembangan dari sistem penghantaran obat (Aprilia, 2018). Nanopartikel emas dibuat dengan mencampurkan HAuCl4 dengan ekstrak menggunakan ultrasonik. Karakterisasi nanopartikel emas meliputi observasi perubahan warna, waktu pembentukan nanopartikel emas, ukuran partikel, morfologi nanopartikel emas, dan profil nanopartikel emas (Aprilia, 2018). Agregasi dan deagregasi
nanopartikel tersebut akan mengakibatkan perubahan warna yang dapat terbaca dengan mata telanjang. Nanopartikel metal dan semikonduktor mempunyai beberapa karakteristik yang unik dan berguna yaitu sifat-sifat elektronik, optikal maupun kimia. Nanopartikel Au (AuNPs) merupakan salah satu yang paling banyak diteliti karena kemudahannya dalam sintesis dan fungsionalisasi, stabilitas kimia, biokompatibilitas (toksisitas rendah) dan sifat optik dan elektronik yang mudah diatur. Sifat khusus nanopartikel metal adalah adanya surface plasmon resonance (SPR) pada spektra absorpsi visibel. SPR adalah interaksi resonan dari band elektron di permukaan nanopartikel saat dikenai sinar. Absorpsi ini tampak pada nanopartikel emas, perak maupun tembaga, namun tidak pada larutan bulknya (Kvasnicka and Homola, 2008). Pada spektra absorpsi sinar tampak, SPR AuNPs secara spesifik muncul pada panjang gelombang ~520 nm. Hal inilah yang menyebabkan larutan AuNPs tampak berwarna merah. Namun, absorpsi pada panjang gelombang tersebut dapat mengalami pergeseran merah atau biru, tergantung pada bentuk, ukuran, orientasi nanopartikel, jarak antar nanopartikel, dan juga kondisi dielektrik di sekitarnya. Tujuan dari kajian penelitian ini, yaitu untuk menciptakan alat berteknologi mutakhir berupa smart biosensor berbasis emas-nanopartikel sebagai deteksi dini penyakit Triple Burden Disease yang terjadi pada manusia.
II. METODE PENELITIAN
Penulisan Karya Tulis Ilmiah ini disusun berdasarkan analisis data dari hasil penelitian yang telah dilakukan peneliti sebelumnya. Hasil penelitian-penelitian yang didapat berasal dari literatur-literatur yang bersifat sekunder (internet). Berdasarkan analisis hasil penelitian yang telah ada ini kemudian diperoleh data untuk karya tulis ilmiah ini. Metode yang digunakan pada tulisan ini adalah metode kualitatif dengan menampilkan data deskriptif berupa kata-kata yang bersifat rasional. Prosedur pemecahan masalah dilakukan berdasarkan pada permasalahan yang terdapat di masyarakat. Usaha pemecahan masalah dilakukan dengan cara menganalisis data hasil penelitian yang sudah ada. Melalui analisis hasil penelitian sebelumnya, dijabarkan dalam bentuk karya tulis ilmiah ini. Tulisan ini merupakan pemikiran kritis mahasiswa berdasarkan pandangan terhadap situasi dan kondisi yang berkembang saat ini. Kesimpulan tentang pemecahan masalah yang terjadi secara keseluruhan yang pada akhirnya diharapkan dapat memberikan kontribusi bagi kesejahteraan masyarakat.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Triple Burden Disease atau Tiga Beban Penyakit adalah masalah yang terjadi di masyarakat dan berkaitan dengan jenis penyakit yang dapat membawa beban berat dan berkelanjutan, baik itu bagi penderita maupun keluarga. Kategori penyakit yang tergolong ke dalam Triple Burden Disease yaitu penyakit menular, penyakit tidak menular (non communicable disease), dan penyakit infeksi. Smart biosensor merupakan suatu alat yang dirancang dengan prinsip analisis menggunakan metode pengukuran resolusi tinggi dan daya akurasi yang baik dalam mendeteksi sebuah sampel yang memiliki kadar keasamaan berupa pH dan konsentrasi (Rafsanjani, 2019). Secara analitis, biosensor memiliki teknis penginderaan biologis melalui indikator tubuh sebagai bentuk respon spontan dari kondisi
tubuh manusia. Respon ini kemudian akan diubah menjadi sinyal listrik yang dapat dibaca oleh transducer. Transducer adalah sebuah alat yang mampu mengubah energi menjadi sebuah energi lainnya bila mendapat gerakan dari sistem emisi. Teknologi nanopartikel emas dewasa ini sering diteliti dan digunakan sebagai media pengobatan.
Nanopartikel Au (AuNPs) mempunyai standar kemudahan untuk dilakukan penelitian secara sintesis, fungsionalisasi, stabilitas kimia, toksisitas rendah, dan sifat optik yang mudah diatur. Kelebihan dari sifat nanopartikel emas adalah adanya SPR (Surface Plasmon Resonance) dengan panjang gelombang 520 nm yang terlihat pada spektrofotometer absorpsi visibel. Nanopartikel emas akan memunculkan absorpsi berupa resonan dari band elektron pada permukaannya yang kemudian akan dibuat suatu interaksi oleh SPR (Wikantyasning, 2015). Bentuk dan permukaan kimia dari nanopartikel emas (AuNP) memberikan pengaruh yang sangat besar terhadap kemampuan untuk meresolusikan pencitraan. Pencitraan ini dapat terlihat dari perubahan warna nanopartikel emas (AuNP) dalam air yang semula berwarna merah menjadi biru karena terjadi proses agregasi. Sifat nanopartikel yang mudah teragregasi dapat diatasi dengan penambahan stabilisator berupa dendrimer karena memiliki tiga buah komponen dasar seperti core, interior, dan gugus fungsional di bagian permukaannya sehingga dapat tetap mempertahankan bentuk kompak dari nanopartikel emas.
Penggunaan nanopartikel emas sebagai komponen rancangan alat combiner pH dan suhu ini karena sifatnya yang sangat mudah masuk menembus pembuluh darah. Selain itu, sifat radioaktif dari emas berupa 198 (ß max = 0,96, γ=412 Kev MeV; t 1⁄2 = 2,7 d) dan Au-199 (ß max = 0,46 MeV; t 1⁄2 = 3,14 d) yang dapat digunakan sebagai fasilitator untuk radioterapi dan pencitraan (Pujiyanto, 2013). Suhu tubuh merupakan keseimbangan antara produksi dan pengeluaran panas dari tubuh yang diukur dalam unit panas yang disebut derajat. Suhu yang dimaksud adalah panas atau dingin suatu substansi. Jadi selisih antara panas yang diproduksi dan pengeluaran panas tubuh merupakan suhu tubuh, karena suhu tubuh
merupakan pencerminan dari panas tubuh. Dalam kondisi tubuh yang melakukan aktivitas fisik berat, mekanisme kontrol suhu manusia tetap menjaga suhu inti atau suhu jaringan dalam relatif konstan meskipun suhu luar berfluktuasi, tetapi suhu tubuh tetap bergantung pada aliran darah ke kulit dan jumlah panas yang hilang ke lingkungan luar. Akibat adanya fluktuasi suhu pada lingkungan, suhu tubuh normal yang dapat diterima berkisar dari 36oC
sampai 38oC. Lokasi pengukuran mempengaruhi besaran suhu tubuh namun tetap berada
pada kisaran suhu tubuh normal meskipun hasilnya bervariasi.
Sensor suhu LM35 merupakan komponen elektronik dalam bentuk chip IC dengan 3 kaki (3 pin) yang berfungsi untuk mengubah besaran fisis, yaitu berupa suhu atau temperature sekitar sensor menjadi besaran elektris dalam bentuk perubahan tegangan. Sensor suhu LM35
memiliki parameter bahwa setiap kenaikan suhu 1oC tegangan keluarannya naik sebesar 10
mV dengan batas maksimal keluaran sensor adalah 1,5 V pada suhu 150oC (10mV/ oC x 150
oC = 1,5 V). Arduino nano adalah sebuah board yang berukuran kecil yang dibuat
berdasarkan Atmega328 (Arduino Nano 3.x) atau Atmega168 (Arduino Nano 2.x). Board ini salah satu mikrokontroller yang populer dikarenakan memiliki dimensi ukuran yang kecil sehingga membuat mikrokontroller praktis untuk digunakan. Modul Wireless nRF24L01 adalah modul komunikasi wireless menggunakan chip orisinil produksi Nordic Semiconductor dari Norwegia yang bekerja pada pita frekuensi ISM 2,4 GHz yang bebas lisensi dengan kecepatan data hingga 2 MBps. Modul ini memiliki 3 pilihan opsi data rate (250Kbps, 1Mbps dan 2Mbps). Modul ini juga dilengkapi dengan tambahan PA (Power Amplifier) dan LNA (Low Noise Amplifier) sehingga jarak transfer data dapat semakin jauh dan lebih stabil. Area yang dapat dijangkau oleh modul ini mencapai radius 100m pada lapangan terbuka. Sistem ini terdiri dari 3 bagian, yaitu node sensor, node server dan aplikasi. Node sensor terdiri dari pulse sensor, LM35, Arduino nano dan nRF24l01.
Node sensor digunakan untuk mendapatkan nilai suhu tubuh dimana didapatkan dari pulse sensor yang ditempelkan pada ujung jari dan untuk nilai suhu didapatkan dari LM35 yang ditempelkan pada dahi. Nilai yang terbaca dari kedua sensor diproses pada Arduino nano kemudian data hasil pemrosesan dikirimkan ke node server menggunakan nRF24l01. Sedangkan node server terdiri dari Arduino nano dan nRF24l01. Node server digunakan untuk menerima data kemudian meneruskan data ke aplikasi secara serial. Pada aplikasi data akan ditampilkan berupa suhu tubuh. (Saputro, dkk., 2017).
Internet of Things (IoT) adalah sebuah konsep dalam pemanfaatan konektivitas internet yang selalu terhubung setiap saat (Rohman et al., 2016). IoT bertujuan untuk menghubungkan perangkat satu dengan yang lainnya melalui internet dengan harapan sistem tersebut dapat membantu orang-orang dalam melakukan suatu tugas atau pekerjaan. Dalam implementasinya, IoT membutuhkan suatu protokol dalam proses peredaran datanya. Konsep IoT diterapkan pada suatu sistem monitoring dengan sensor suhu menggunakan MQTT sebagai protokol. Sistem monitoring dibutuhkan dalam proses pemantauan keadaan suatu objek yang diamati guna mendapatkan informasi yang tepat waktu. Prinsip kerja konsep Internet of things ini sebetulnya cukup sederhana dengan cara kerja mengacu pada 3 elemen utama pada arsitektur IoT, yakni: barang fisik yang dilengkapi modul Internet of things, perangkat koneksi ke Internet seperti modem dan router wirless speedy dan cloud data center tempat untuk menyimpan aplikasi beserta database. Seluruh penggunaan barang yang terhubung ke internet akan menyimpan data, data tersebut terkumpul sebagai “big data‟ yang kemudian dapat diolah untuk dianalisa baik oleh pengguna untuk kemudian dimanfaatkan bagi kepentingan masing-masing. Cara kerja IoT yaitu dengan memanfaatkan sebuah argumentasi pemrograman yang dimana tiap-tiap perintah argumennya itu menghasilkan sebuah interaksi antara sesama mesin yang terhubung secara otomatis tanpa campur tangan manusia dan dalam jarak berapa pun. Sebuah benda dapat diberi pengenal berupa IP address
dan menggunakan jaringan internet untuk bisa berkomunikasi dengan benda lain yang memiliki pengenal IP address. Internet menjadi penghubung di antara kedua interaksi mesin tersebut, sementara manusia hanya bertugas sebagai pengatur dan pengawas bekerjanya alat tersebut tanpa harus datang ke lokasi perangkat tersebut. Baik untuk alasan keamanan untuk wilayah yang tidak mungkin dimasuki manusia, maupun untuk alasan jangkauan terhadap perangkat yang akan di kendalikan tersebut.
LCD (berfungsi untuk menampilkan karakter angka, huruf ataupun simbol dengan lebih Liquid Cristal Display) baik, dan dengan konsumsi arus yang rendah. Modul LCD (Liquid Cristal Display) dot matrik M1632 terdiri dari bagian penampil karakter (LCD) yang berfungsi menampilkan karakter dan bagian sistem prosesor LCD dalam bentuk modul dengan mikrokontroler yang diletakan dibagian belakang LCD tersebut yang berfungsi untuk mengatur tampilan LCD serta mengatur komunikasi antara LCD dengan mikrokontroler yang menggunakan modul LCD tersebut. LCD M1632 merupakan modul LCD dengan tampilan 2×16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah. (Wijaya,dkk., 2018).
IV. KESIMPULAN
Smart biosensor inialah yang akan membantu mendeteksi sejak dini tentang tanda-tanda tubuh terinfeksi penyakit hingga butuh diobati secara serius oleh dokter. Penggunaan smart biosensor ini disarankan dapat digunakan menyeluruh di Indonesia sebagai salah satunya alat bantu untuk mendeteksi penyakit sejak dini.
DAFTAR PUSTAKA
Anies. 2003. Waspada Ancaman Penyakit Tidak Menular: Solusi Pencegahan Aspek Perilaku & Lingkungan. Jakarta: PT. Elex Media Komputindo.
Aprilia, Tri Senja. 2018. Preparasi dan Karakterisasi Nanopartikel Emas Ekstrak Daun Singkong Karet (Manihot glazovii) dengan Proses Biosintesis High Energy. https://dspace.uii.ac.id/handle/123456789/7293. Akses online 5 maret 2020. Pukul 12.22 WIB.
Fatimah RN. 2015. Diabetes Melitus Tipe 2. J Majority 5(4): 93-101.
http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs355/en/. Akses tanggal 1 Maret 2020. Kementrian Kesehatan Republik Indonesia. 2012. Buletin Jendela Data dan Informasi
Kesehatan Penyait Tidak Menular. Jakarta: Pusat Data dan Informasi Kementrian Kesehatan RI. hlm. 1-28.
Pujiyanto, Anung H. S. 2013. Optimasi Preparasi Nanopartikel Emas (AuNPs) Terbungkus Pamam Dendrimer Generasi 4. Pertemuan Ilmiah Radioisotop, Radiofarmaka, Siklotron, dan Kedokteran Nuklir. Tangerang Selatan: Batan.
Rafsanjani, F. R. 2019. Pengembangan Sensor pH Berbasis Bacterial Cellulose (Acetobacter Xylinum) dan Nanopartikel Emas (Au Nanostars) sebagai Detektor Keasaman Susu. [Skripsi]. Bandung: Universitas Pasundan Bandung, Teknologi Pangan.
Saputro, Muhlis Agung; Edita Rosana Widasari; Hurriyatul Fitriyah. 2020. Implementasi Sistem Monitoring Detak Jantung dan Suhu Tubuh Manusia Secara Wireless. Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer. 1(2): 148-156.
Wijaya, dkk. 2018. Rancang Bangun Alat Monitoring Suhu dan Kelembaban Pada Alat Baby Incubator Berbasis Internet Of Things. Jurnal Teknologi. 6(1).
Wikantyasning, Erindyah R. F. R. 2015. Sensor Kolorimetrik Berbasis Agregasi Nanopartikel Emas Dna Polimer Responsif pH Poli (Asam Akrilat). 117.
