abstrak pemodelan, fabrikasi, dan karakterisasi

ABSTRAK
PEMODELAN, FABRIKASI, DAN KARAKTERISASI
BIOSENSOR SERAT OPTIK UNTUK MENDETEKSI
HIBRIDISASI DNA BERBASIS SURFACE PLASMON
RESONANCE
Oleh
Nina Siti Aminah
NIM: 30212007
Biosensor berbasis surface plasmon resonance (SPR) menggunakan kopling
cahaya polikromatik dikembangkan untuk menyelidiki perubahan indeks bias
yang terjadi sebagai akibat dari kehadiran bahan kimia atau proses biokimia.
Penelitian diawali dengan mempelajari sensor SPR konvensional menggunakan
prisma dengan mengamati spektrum reflektansi pada tiap variasi sudut cahaya.
Lapisan film tipis emas dideposisikan menggunakan metode sputtering untuk
mengeksitasi mode surface plasmon (SP). Pada sudut tertentu, terjadi resonansi,
komponen tangensial vektor gelombang datang sama dengan bagian riil vektor
gelombang surface plasmon menghasilkan gelombang evanescent yang merambat
sepanjang bidang batas logam-dielektrik dan meluruh secara eksponensial dalam
arah normal bidang batas logam-dielektrik sehingga mengurangi intensitas
pantulan dan menghasilkan dip.
Penelitian ini terbagi ke dalam dua bagian, yaitu eksperimen dan simulasi
numerik. Rincian detail mengenai eksperimen yang mencakup fabrikasi dan
karakterisasi sensor diberikan. Fabrikasi dimulai dengan pembuatan struktur taper
menggunakan homemade tapering rig. Terdiri dari sebuah motor stepper yang
dikendalikan oleh pc yang terhubung secara serial, tapering rig menarik salah satu
ujung serat optik dengan kecepatan konstan sambil dilakukan pemanasan untuk
menghasilkan taper berukuran seragam. Lapisan film tipis emas dideposisikan
menggunakan metode sputtering pada struktur taper yang diperoleh. Karakterisasi
UV-VIS dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya polikromatis yang
dihubungkan dengan spektrometer dan serat optik berbentuk Y-branch.
Karakterisasi sensor juga dilakukan dengan melakukan pencelupan probe sensor
ke dalam larutan uji dengan indeks bias yang berbeda. Hasil eksperimen untuk
penginderaan struktur taper dalam larutan dengan indeks bias yang berbeda-beda
ditampilkan untuk perhitungan sensitivitas dan resolusi sensor.
Simulasi numerik yang dilakukan menggunakan Metode Elemen Hingga (FEM).
Metode Elemen Hingga telah ditetapkan sebagai salah satu metode numerik yang
paling kuat dan serbaguna dan telah diimplementasikan dalam disertasi ini untuk
mengkarakterisasi, menganalisis dan mengoptimalkan biosensor optik. Pada
simulasi, konstanta dielektrik kompleks dari logam diperhitungkan dengan
menggunakan teknik perturbasi. Perumusan vektor-medan H untuk mode TM
diterapkan, dan propagasi kompleks dan konstanta atenuasi dari mode surface
plasmon diperoleh menggunakan metode elemen hingga untuk pandu gelombang
ii
optik dengan struktur yang terdiri dari film logam tipis yang dibatasi oleh dua
media dielektrik. Dalam penelitian ini, sensor digunakan untuk mengetahui ada
tidaknya proses hibridisasi DNA (Deoxyribonucleic acid). Hibridisasi DNA
adalah pembentukan ikatan double strand DNA (dsDNA) antara dua rangkaian
single strand (ssDNA) yang saling komplementer melalui perpasangan basa N.
Simulasi numerik membahas dua arsitektur yang berbeda dari biosensor optik
tanpa pelabelan. Pertama, biosensor serat optik berbasis surface plasmon
resonance (SPR) untuk deteksi hibridisasi DNA dengan arsitektur sistem
interferometer Mach-Zehnder (MZI) dilakukan pemodelan optik dengan
menggunakan metode elemen hingga dengan teknik perturbasi yang memiliki
kemudahan berupa komputasi lebih efisien dan dapat digunakan untuk pandu
gelombang dengan nilai loss rendah atau menengah. Arsitektur penginderaan
dengan prinsip kerja interferometer Mach-Zehnder didasarkan pada seberkas
cahaya yang dibagi menjadi dua berkas yang selanjutnya dipadukan lagi yang
hasil perpaduannya dapat ditangkap oleh detektor sebagai interferensi optik.
Pergeseran fasa ketika indeks bias bervariasi dari 1.456 (ssDNA) menjadi 1.53
(dsDNA) berhasil diamati. Berdasarkan sifat gelombang evanescent pada pandu
gelombang nanowires yang diteliti menggunakan FEM berdasarkan formulasi
full-vektor medan-H untuk mendeteksi keberadaan proses hibridisasi DNA
ditemukan bahwa metode numerik yang dilakukan memberikan kepekaan
eksperimental dan batas deteksi yang baik.
Simulasi kedua dilakukan pada arsitektur taper. Menggunakan pemodelan optik
dengan menggunakan metode elemen hingga dan teknik perturbasi yang sama,
dengan mengubah-ubah jari-jari inti nanowires, dapat dibuktikan bahwa medan
evanescent semakin besar dengan berkurangnya ukuran jari-jari inti, sehingga
dapat dibuktikan bahwa sensitivitas sensor dengan struktur taper meningkat pada
bagian taper.
Kata kunci: surface plasmon resonance, serat optik, metode elemen hingga, struktur
taper, hibridisasi DNA, sistem interferometer Mach-Zehnder
iii
ABSTRACT
OPTICAL FIBER BIOSENSOR FOR DNA HYBRIDIZATION
DETECTION BASED ON SURFACE PLASMON
RESONANCE: MODELING, FABRICATION, AND
CHARACTERIZATION
By
Nina Siti Aminah
NIM: 30212007
Biosensor based-on surface plasmon resonance (SPR) using polychromatic light
coupling was developed to investigate the change in refractive index which occur
as a result of chemical or biochemical processes. The study begins by studying the
conventional SPR sensor using a prism to observe the reflectance spectrum at
each variation of the angle of light. The thin film layers of gold deposited using a
sputtering method to excite the surface plasmon mode (SP). At certain angles,
resonance occurs, the tangential component of the wave vector comes together
with real part wave vector surface plasmon waves are generated by evanescent
that propagate along the boundary of metal-dielectric and decays exponentially in
the normal direction of the boundary of metal-dielectric, thereby reducing the
intensity of the reflectance and produce dip.
The study is divided into two parts, namely, experiment and numerical simulation.
Details of the experiments that include the fabrication and characterization of the
sensor is given. Fabrication begins with the manufacture of tapered structures
using homemade tapering rig. Consists of a stepper motor controlled by a PC
connected in series, tapering rig pull one end of the optical fiber at a constant
speed while heated to produce uniform-sized taper. The thin film layers of gold
deposited using a sputtering method on taper structure obtained. UV-VIS
characterization is done by using a light source polikromatis connected by fiber
optic spectrometer and a Y-shaped branch. Characterization of the sensor is also
done by immersion probe sensor into the test solution with different refractive
indices. The experimental results for sensing taper structure in solution with a
refractive index that is different is shown for the calculation of the sensitivity and
resolution of the sensor.
Numerical simulations were performed using the Finite Element Method (FEM).
Finite Element Method has been established as one of the most powerful
numerical methods and versatile and has been implemented in this dissertation to
characterize, analyze and optimize optical biosensor. In the simulation, the
complex dielectric constant of the metal are calculated using perturbation
techniques. Formulation-field vector H for the TM mode is applied, and the
complex propagation and attenuation constant of the surface plasmon mode is
obtained using the finite element method for the optical waveguide with a
structure consisting of a thin metal film bounded by two dielectric media. In this
iv
study, the sensor is used to determine whether there is a process of hybridization
of DNA (deoxyribonucleic acid). DNA hybridization is bonding double strand
DNA (dsDNA) between the two sets of single strand (ssDNA) are mutually
complementary through base pairing N.
Numerical simulations discussed two different architectures of optical biosensor
without labeling. First, the biosensor fiber optics-based surface plasmon resonance
(SPR) for the detection of DNA hybridization with the system architecture
interferometer Mach-Zehnder (MZI) modeling optics by using the finite element
method with the technique of perturbation to have easy form of computing is more
efficient and can be used for the optical waveguide with the value of loss is low or
medium. Sensing architecture with the principles of Mach-Zehnder interferometer
based on a beam of light is split into two beams which then combined again the
combination of results can be captured by the detector as the optical interference.
The phase shift when the index of refraction vary from 1,456 (ssDNA) to 1.53
(dsDNA) have been observed. Based on the nature of the evanescent wave in the
waveguide nanowires were investigated using FEM based on the formulation of
full-field vector-H to detect the presence of DNA hybridization process found that
the numerical methods do provide experimental sensitivity and good detection
limits.
The second simulation is done on the architecture of taper. Using modeling optics
by using the finite element method and technique of perturbation same, by varying
the radius of the core nanowires, can be proved that the field evanescent
compounded by the reduced size of the radius of the core, so it can be proven that
the sensitivity of the sensor with the structure of taper increases in taper section.
Keyword: surface plasmon resonance, fiber optic, finite element method, tapered
structure, DNA hybridization, Mach-Zehnder Interferometer system
v