Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada - HFI DIY

Agus Riyanto, dkk / Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel Magnetit (Fe3O4) sebagai Bahan
Aktif Biosensor Surface Plasmon Resonace (SPR)
203
Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel
Magnetit (Fe3O4) sebagai Bahan Aktif Biosensor Surface Plasmon
Resonace (SPR)
Agus Riyanto, Desi Listiawati, Edi Suharyadi, dan Kamsul Abraha
Universitas Gadjah Mada
Yogyakarta
[email protected]
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) dan
Transmition 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 (αamylase) dan selanjutnya dilakukan pengamatan visual
dengan menggunakan mikroskop.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
204
Agus Riyanto, dkk / Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel Magnetit (Fe3O4) sebagai Bahan
Aktif Biosensor Surface Plasmon Resonace (SPR)
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.
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)
13.21
14.88
15.58
16.68
Gambar 1. Morfologi nanopartikel sampel magnetit.
Sementara itu, pola difraksi XRD sampel magnetit
hasil sintesis dengan variasi ukuran butir ditunjukkan
pada Gambar 2.
13.21nm
14.88nm
15.58nm
16.60nm
1500
311
1400
1300
Intensitas
220
1200
440
511
*
400
1100
1000
900
800
30
40
50
60
70
2 Theta
Gambar 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 puncakpuncak 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 αFe2O3 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
Rasio α-Fe2O3/ Fe3O4
0. 16
0.15
0.16
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
Agus Riyanto, dkk / Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel Magnetit (Fe3O4) sebagai Bahan
Aktif Biosensor Surface Plasmon Resonace (SPR)
magnet ke orientasi awal sehingga menetisasi remanen
pada bahan tersebut bernilai nol. Adapun karateritik
205
medan koersif sampel nanopartikel magnetit yang telah
disintesis ditunjukkan pada Tabel 2.
100
40
80
60
40
20
M (emu/gr)
M (emu/g)
20
0
0
-20
-20
-40
-60
-40
13.21nm
-3
-2
-1
0
1
2
-80
3
14.88nm
-100
H (Oe)
-3
-2
-1
0
1
2
3
H (Oe)
(a)
(b)
80
60
60
40
40
20
M (emu/g)
M (emu/g)
20
0
-20
0
-20
-40
-40
-60
15.58 nm
-80
-3
-2
-1
0
1
2
3
-60
16.60nm
-3
-2
-1
0
1
2
3
H (Oe)
H (Oe)
(c)
(d)
Gambar 3. Kurva magnetisasi (a) sampel 13.21 nm, (b) 14.88 nm, 15.58 nm, dan 16.68 nm
dengan ukuran ukuran butir yang lebih besar (lihat
Gambar 3(a)).
Tabel 2. Hubungan ukuran butir terhadap Hc.
Ukuran butir (nm)
13.21
14.88
15.58
16.68
Hc (Oe)
22
25
26
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
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
206
Agus Riyanto, dkk / Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel Magnetit (Fe3O4) sebagai Bahan
Aktif Biosensor Surface Plasmon Resonace (SPR)
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)
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 2,4Dichlorophenoxyacetic 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
Gambar 4. (a) Morfologi nanopartikel magnetit sebelum
dimodifikasi, (b) setelah dimodifikasi, (c)
setelah direaksikan dengan biomolekul (αamylase)
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 αFe2O3 dalam monopartikel Fe3O4 hasil sintesis?
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
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
Agus Riyanto, dkk / Analisis Struktur Kristal dan Sifat Magnetik pada Nanopartikel Magnetit (Fe3O4) sebagai Bahan
Aktif Biosensor Surface Plasmon Resonace (SPR)
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.
207
? 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.
Chotimah, FMIPA UGM
? Bagaimana kemampuan lapisan Fe3O4 dengan
membedakan jenisa sampel?
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823