Pengembangan akademik Fakultas Sains dan Teknologi UIN Sunan Kalijaga diperkuat satu Doktor lagi. Widayanti, berhasil meraih gelar Doktor setelah mempertahankan karya Disertasinya dengan judul “Kajian Teoritis dan Komputasi Pengaruh Nanopartikel Core-Shell Terhadap Kinerja Biosensor Berbasis Fenomena Surface Plasmon Resonance Sebagai Deteksi Konsentrasi Hemoglobin Dalam Darah.” Hasil riset Doktoral Dosen Ilmu Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sunan Kalijaga ini dipertahankan di hadapan tim penguji antara lain: Prof. Dr. Kusminarto, Dr. Eng. Kuwat Triyana, M.Si., Dr. Mitrayana, M.Si., Dr. Eng. Budi Purnama, M.Si., Dr. Arief Hermanto, S.U, M.Sc., Prof. Dr. Kamsul Abraha (promotor), Prof. Dr. Agung Bambang Setio Utomo, S.U. (ptromotor). Bertempat di Gedung Sekolah Pascasarjana, MIPA UGM, belum lama ini. Sidang Promosi dipimpin Dr. rer. Nat. Nurul Hidayat Aprinita, M. Si.
Ditemui di ruang kerjanya di kampus Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta, Widayanti menjelaskan, melalui penelitian Disertasinya, ia ingin mengembangkan metode deteksi biomaterial (sensor) berbasis Fenomena Surface Plasmon Resonance (SPR) melalui kajian teori dan komputasi. Objek penelitian ini adalah tentang material nanopartikel core-shell magnetik-plasmonik (Fe3O4@Au) untuk deteksi konsentrasi hemoglobin dalam darah manusia. secara cepat dan sensitif berbasis surface plasmonresonance (SPR) biosensor.
Sistem biosensor SPR tersusun atas beberapa lapisan material yaitu prisma/lapisan tipis logam/dielektrik/udara.yang secara umum disebut sebagai konfigurasi Kretschmann. Surface Plasmonresonance (SPR) biosensor merupakan sensor optik yang
memanfaatkan gelombang surface plasmon polariton (SPP) untuk mendeteksi gejala
fisis pada permukaan sensor dan interaksi-interaksi biomolekul. Surface plasmon
polariton (SPP) adalah gelombang elektromagnetik permukaan yang merambat dalam
arah sejajar dengan bidang batas (interface). Perilaku SPP ditentukan oleh fungsi
dielektrik logam dan konstanta dielektrik medium disekitarnya. SPR terjadi pada bidang batas antara logam dengan dielektrik sehingga sangat
sensitif terhadap perubahan sifat bahan. Surface plasmon resonance merupakan
kesesuaian resonansi antara komponen vektor gelombang sinar datang laser yang
sejajar bidang batas dengan vektor gelombang SPP. Sensor berbasis SPR bekerja
karena terjadinya atenuasi dari gelombang terpantul pada sudut datang tertentu yang
disebut sudut SPR. Perbedaan letak (posisi) sudut SPR bergantung pada indeks bias
dari medium dielektrik yang digunakan sebagai sampel sensor, sehingga perubahan konsentrasi biomolekul akan menyebabkan perubahan indeks bias secara lokal di sekitar logam yang berarti bahwa akanmenyebabkan terjadinya perubahan konstanta perambatan gelombang Plasmon permukaan.
Oleh karena itu sensor berbasis SPR ini sangat bermanfaat untuk mendeteksi material/biomaterial yang berkaitan dengan kebutuhan medis, pencemaran lingkungan, narkotika dsb. Akan tetapi biosensor SPR konvensional memiliki beberapa kelemahan untuk mendeteksi konsentrasi biomaterial yang memiliki berat molekul dan konsentrasi yang sangat kecil (dalam skala nanometer) antara lain protein, DNA, enzim, antigen dsb. Berkaitan dengan diagnosa medis, informasi keberadaan protein penanda kanker dalam konsentrasi sangat kecil dalam tubuh manusia sangat dibutuhkan karena pada konsentrasi yang sangat kecil menandakan kanker masih dalam tahap sangat awal dan lebih mudah disembuhkan. Oleh karena itu biosensor SPR ini harus dikembangkan lagi sehingga mampu mendeteksi konsentrasi biomaterial yang sangat kecil. Kemampuan deteksi sensor SPR ini ditunjukkan oleh adanya peningkatan sensitivitas deteksi dibandingkan dengan sensor SPR konvensional.
Dijelaskan, penelitian Widayanti terhadap biosensor SPR melibatkan bahan aktif core-shell (Fe3O4@Au) yang bertujuan meningkatkan sensitivitas deteksi. Kajian dilakukan adalah kajian teori dan komputasi. Biomaterial yang dideteksi adalah konsentrasi Hemoglobin dalam darah manusia. Konsentrasi Hb dalam darah manusia yang tidak normal menandakan adanya penyakit seperti anemia dan malaria. Konfigurasi biosensor SPR pada penelitian ini adalah konfigurasi Kretschmann. Model pertama adalah sistem empat lapisan (Prisma/Ag/PEG/Hb), model kedua adalah sistem lima lapisan (Prisma/Ag/core-shell/PEG/Hb) pada panjang gelombang 632,8 nm. Nanopartikel core-shell Fe3O4@Au tersusun atas material Fe3O4 sebagai core dan logam Au sebagai shell. Permitivitas efektif core-shell Fe3O4@Au dihitung menggunakan pendekatan Effective Medium Theory (EMT).
Analisis kuantitatif terhadap dua model yang dibangun ditunjukkan oleh 1) Respon spektrum reflektansi sebagai fungsi sudut datang serta 2) Kurva relasi dispersi. Perhitungan reflektansi dilakukan dengan melakukan variasi ukuran core-shell pada 2,5 nm, 5 nm, 7,5 nm dan 10 nm pada fraksi volume tetap dan variasi fraksi volume F= 0,27; 0,42; 0,61 dan 0,85 pada ukuran core-shell tetap. Konsentrasi Hb yang dideteksi adalah 20 g/L, 60 g/L, 100 g/L dan 140 g/L. Kinerja biosensor ditunjukkan melalui perhitungan kalibrasi, resolusi, sensitivitas serta peningkatan sensitivitas. Perhitungan relasi dispersi dilakukan untuk mengetahui bahwa variasi ukuran core-shell , fraksi volume Fe3O4@Au dan ketebalan lapisan berpengaruh terhadap nilai resonansi (kopling). Kurva relasi dispersi diperoleh melalui solusi persamaan Maxwell dengan melibatkan syarat batas antar lapisan yang terlibat. Perhitungan selektifitas belum dilakukan pada penelitian ini karena tidak dilakukan pemantauan reflektivitas terhadap waktu.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa variasi ukuran core, ketebalan shell serta fraksi volume core-shell menyebabkan terjadinya pergeseran sudut SPR pada kurva reflektansi. Keterlibatan nanopartikel core-shell dapat meningkatkan kinerja sistem biosensor SPR sebagai pendeteksi konsentrasi Hb. Pada sistem BK7/Ag/core-shell/PEG/Hb, dengan ukuran core-shell 2,5 nm, F= 0,27 serta konsentrasi Hb=20 g/L, menghasilkan kalibrasi 0,022 0/gL-1. Sedangkan resolusinya adalah 0,0476 g/L. Peningkatan sensitivitas yang diperoleh adalah 22,22% dibandingkan dengan sistem biosensor SPR konvensional tanpa keterlibatan core-shell. Kesimpulan akhir adalah biosensor SPR yang melibatkan nanopartikel core-shell Fe3O4@Au terbukti meningkatkan sensitivitas biosensor tersebut.
Manurut Widayanti, keberhasilan karya Doktoralnya ini akan sangat bermanfaat untuk mengembangkan perangkat biosensor berbasis SPR sendiri di laboratorium terpadu UIN Sunan Kalijaga dalam rangka ikut memberikan kontribusi kepada masyarakat akan kebutuhan deteksi biomolekul. Beberapa aplikasi biosensor di antaranya adalah dalam bidang medis, lingkungan, keamanan publik, dan keamanan makanan. Aplikasi dalam bidang medis termasuk klinik, farmasi, alat produksi, dan penelitian.
Biosensor berdasarkan diagnosis dapat memfasilitasi penyaringan penyakit dan memperbaiki
rentang deteksi yang lebih cepat dan meningkatkan diagnosis keberadaan
penyakit. Aplikasi dalam bidang lingkungan termasuk monitoring dan
pendeteksian. Aplikasi dalam bidang keamanan umum termasuk sipil dan militer
yaitu memonitoring kehadiran sesuatu yang tidak diinginkan. Aplikasi dalam
keamanan makanan termasuk memonitoring produksi makanan, memonitoring
regulator, dan mendiagnosis makanan yang telah beracun. Saat ini beberapa komponen alat sudah tersedia, demikian jelas. (Weni)