Desain dan Fabrikasi Elektroda Biosensor: Metode Teknologi

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 65-70
Desain dan Fabrikasi Elektroda Biosensor:
Metode Teknologi Film Tebal
Robeth V. Manurung1*, Erry D. Kurniawan1, Jojo Hidayat1, Aminuddin2, dan Chandra Risdian3
1.
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: [email protected]
Abstrak
Teknologi film tebal merupakan salah satu bagian dari teknologi proses mikroelektronika untuk fabrikasi komponenkomponen 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
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.
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.
Sampai saat ini, pada umumnya analisis klinis dengan
sampel darah atau urin banyak dilakukan di
65
66
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 65-70
laboratorium sentral rumah sakit yang dilengkapi
dengan peralatan yang canggih dan dilakukan oleh
petugas yang terdidik dan dilakukan dalam kondisi
ruang yang terkontrol [2]. Hal ini menyebabkan
kesulitan besar untuk penduduk yang tinggal di
pedesaan yang jauh dari rumah sakit, namun dengan
kemajuan teknologi di bidang mikroelektronika saat ini
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 screenprinting. 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,
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 65-70
Gambar 2. Tahapan Fabrikasi Teknologi Film Tebal
67
(a)
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).
(b)
Gambar 3. (a), (b) Tata Letak dan Dimensi Elektroda
Bosensor
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).
Gambar 4. Tata Letak Masker: (a) Biosensor Pad;
(b) Working & Counter Electrode; (c)
Reference Electrode; (d) Encapsulation
68
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 65-70
elektroda tersebut. Faktor kestabilan sangatlah
memegang peranan penting dalam pengujian dengan
menggunakan teknik amperometrik konfigurasi tiga
elektroda. Pengujian dilakukan dengan membandingkan
tegangan yang dihasilkan melalui proses potensiometri
dengan elektroda referensi Ag|AgCl komersial yang
diperoleh dari Accumet terhadap larutan elektrolit KCL
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.
Gambar 5. Tahapan Fabrikasi Elektroda Biosensor
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.
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.
(a)
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
(b)
Gambar 7. (a);(b) Hasil Fabrikasi Elektroda
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 65-70
69
Gambar 8. Hasil Pengujian Kinerja Elektroda Referensi
Gambar 10. Grafik Perbandingan Tegangan Eksternal
terhadap Kuat Arus untuk Elektroda Kerja
Gambar 9. Skema Rangkaian Tiga Elektroda
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
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 overoksidasi.
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.
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.
70
JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 65-70
Daftar Acuan
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
R.T. Daniel, T. Klara, A.D. Richard, S.W. George,
Pure Appl. Chem., 71/12 (1999) 2333.
B.R. Eggins, Chemical Sensors and Biosensors,
John Wiley, New York, 2002, p.300.
D.L. Wise, Bioinstrumentation and Biosensors,
Marcel Dekker, Inc., New York, 1991, p.824.
M. Pravda, Thesis, Vrije Universiteit Brussel
(Belgium), 1998.
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.
J.F. Cabrita, L.M. Abrantes, A.S. Vianna,
Electrochimica Acta, 50 (2005) 2117.
[7]
H. Andreas, B. Oliver, H. Christoph, B. Henry,
Microfabrication
Techniques
for
Chemical/Biosensors, Proceeding of The IEEE,
91/6 (2003) 839.
[8] C.C. Liu, P.J. Hesketh, G.W. Hunter, Chemical
Microsensors, The Electrochemical Society
Interface Summer, Pennington, New Jersey, 2004,
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.