## Deteksi Formalin Menggunakan Surface
Plasmon Resonance (SPR) Berbasis Nanopartikel Perak sebagai Pengembangan Awal Teknologi Food Safety

## Muhammad Khoirul Anam, Risma Narindra, Thoyibi, Kamsul Abraha
Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi, Jurusan Fisika, Universitas Gadjah Mada anam.physics@gmail.com
Received 23-02-2013, Revised 30-08-2013, Accepted 03-09-2013, Published 13-10-2013

## ABSTRACT
The  phenomena  of  surface  plasmon  resonance  (SPR)  has  been  observed.  SPR  is  reflectance curve as a function of incident angle in Kretschmann configuration. Surface plasmon is elec- tromagnetic waves propagation in the interface area between metal and dielectric that can be excited by using attenuated total reflection (ATR)  method. The result of experiment explains that the SPR angle on the thin film system of the prism/silver 1 and the prism/silver 2 is (42.8 ± 0,05)º  with  the  reflectance  value  0.32  and 0.44  respectively.  On  the  prism/silver/silver nanoparticle system, it is obtained  that SPR angle  value is  (4,29 ± 0,05)  with the reflectance value 0.29 for the silver 1 and 0.31 for the silver 2. After the thin film system is added with 40% of formalin, SPR angle becomes (43,0 ± 0,05)º with the reflectance value 0.44. Then, af- ter  the thin  film system  is  added  with 100%  of  formalin,  SPR  angle  becomes (43,2 ± 0,05)º with  the  reflectance  value  0.4.  The  shifting  SPR  angle  shows  that  SPR  have  capability  as formalin sensor.
Key words : surface plasmon resonance (SPR), Kretschmann configuration

## ABSTRAK
Telah  diamati  fenomena surface  plasmon  resonance (SPR)  yaitu  berupa  kurva  reflektansi sebagai  fungsi  sudut  datang  dalam  konfigurasi Kretschmann . Surface  plasmon merupakan gelombang  elektromagnetik  yang  merambat  pada  daerah  perbatasan  antara  logam  dengan dielektrik yang dapat dieksitasi dengan menggunakan metode attenuated total reflection . Dari hasil  eksperimen  diketahui  bahwa  sudut  SPR  pada  sistem  lapisan  tipis  prisma/perak  1  dan prisma/perak  2  adalah (42,8  ±  0,05)º  dengan  nilai  reflektansi  0,32  untuk  perak  1  dan  0,44 untuk perak 2. Pada sistem prisma/perak/nanopartikel perak didapatkan nilai sudut SPR adalah (42,9  ±  0,05)º    dengan  reflektansi  0,29  untuk  perak  1  dan  0,31  untuk  perak  2.  Setelah penambahan formalin 40%, sudut SPR menjadi (43,0 ± 0,05)º dengan nilai reflektansi 0,44 dan untuk  penambahan  formalin  100%  sudut  SPR  menjadi  (43,2  ±  0,05)º  pada  reflektansi  0,40. Adanya pergeseran sudut menunjukkan SPR mempunyai potensi sebagai sensor formalin.
Kata kunci : surface plasmon resonance (SPR), konfigurasi Kretschmann

## PENDAHULUAN
Seiring  dengan  tuntutan  pasar  yang  meghendaki  adanya  bahan  pangan  yang  berkualitas dan  terjamin  keamanannya (food  safety), maka  keamanan  suatu  produk  makanan  harus sesuai  dengan  aturan  yang ditentukan  dalam  ilmu  kesehatan masyarakat  yaitu aman  dari segi kesehatan, pemalsuan dan aman dari aspek agama atau  halal [1] . Sementara itu Badan Pengawasan  Obat  dan  Makanan  (BPOM)  telah  menemukan  keberadaan  formalin  pada daging sapi, mie basah dan tahu baik yang dijual di pasar tradisional ataupun supermarket. Formalin merupakan larutan formaldehid dalam air dengan kadar 30-40 persen, selain itu
formalin  merupakan  bahan  pengawet  makanan  yang  dilarang  karena  sisa-sisa  formalin sangat mengganggu kesehatan bagi yang memakannya [2] . Hal ini sesuai dengan undang- undang  yaitu  UU  No.  7/1996  tentang  pangan  dan  UU  No.  8/1999  yaitu  tentang perlindungan  konsumen.  Menurut  salah  satu    lembaga  kesehatan  internasional international  programme  on  chemical  safety (IPCS)  bahwa  batas  aman  untuk  konsumsi formaldehid  adalah  2,6  mg/liter.  Dampak  formalin  pada  kesehatan  adalah  menyebabkan iritasi pada mata, saluran pernafasan, alergi pada kulit, paru-paru, kerusakan ginjal, saraf (lemas) dan karsinogen [2] . Memperhatikan sebagian dari beberapa dampak formalin yang negatif  tersebut,  maka  sekarang  ini  beberapa  uji  untuk  mendeteksi  kandungan  formalin banyak  dikembangkan  salah  satu  diantaranya  adalah  dengan  menggunakan  metode destilasi  uap  yang  kemudian  diukur  dengan  spektrofotometer [3] .  Selain  itu  uji  kualitatif formalin  juga  dapat  menggunakan  piranti  yaitu formalin  main  reagent (FMR),  tetapi kendalanya yaitu spektrofotometer dan FMR merupakan barang impor sehingga harganya relatif sangat mahal.
Sementara itu  pada  tiga  dekade terakhir  ini,  di  bidang  fisika berkembang  riset mengenai sensor optik berbasis surface plasmon resonance (SPR) yaitu sensor yang sensitif terhadap perubahan  indeks  bias  sehingga  bisa  dimanfaatkan  untuk  mendeteksi  biomolekul  dan sering diaplikasikan dalam bidang biologi. Material yang dideteksi biasanya enzim, DNA, antibodi,  peptida  dan  lain-lain [4] .  Di  sisi  lain,  teknik  SPR  masih  mempunyai  beberapa kekurangan yaitu  dalam  ketepatan  dan  kesensitifan  mendeteksi  biomolekul  secara langsung karena spektrum yang dihasilkan masih lemah dan material yang akan dideteksi mempunyai  perubahan  indeks  bias  tidak  spesifik  karena  ukurannya  sangat  kecil.  Untuk mengatasi hal tersebut, beberapa cara telah dikembangkan untuk  meningkatkan sensitifitas SPR  yaitu  memvariasi  sistem  lapisan  tipis  dengan  menambahkan  lapisan  nanopartikel emas  atau  perak  setelah  lapisan  tipis  perak [5] ,  sehingga  keberadaan  serta  interaksi biomolekul dapat terdeteksi.
Melihat  potensinya  yang  besar  tersebut,  maka  teknologi  sensor  berbasis  SPR  ini kedepannya sangat dibutuhkan dalam mendeteksi serta analisis zat-zat kimia pada berbagai bidang  diantaranya  adalah  medis,  pemantauan  lingkungan  seperti  pendeteksian  gas  yang berbahaya, dan keamanan pangan yaitu untuk mendeteksi protein dan food monitoring [6] Dengan  demikian  perlu  dilakukan  penelitian  awal  pada  bidang  keamanan  pangan  yaitu tentang    kualitas  dan  keamanan  bahan  pangan,  salah  satunya  adalah  mendeteksi keberadaan  formalin  menggunakan  sensor  optik  berbasis surface  plasmon  resonance (SPR).

## DASAR TEORI
Gelombang surface  plasmon (SP)  merupakan  gelombang elektromagnetik terpolarisasi-p atau tranverse magnetic yang merambat pada perbatasan antara dua medium yang berbeda indeks biasnya yaitu logam dengan dielektrik yang dapat dieksitasi menggunakan metode attennuated  total  reflection (ATR),  sedangkan  konfigurasi  yang  sering  digunakan  untuk mengeksitasi  gelombang surface  plasmon tersebut  adalah  geometri  prisma  terkopling dalam  konfigurasi Kretschmann  (gambar  1)  yaitu  prisma  berlapis  perak  sebagai pembangkit  gelombang surface  plasmon sedangkan  lapisan  dielektrik dibawahnya berfungsi sebagai material sampel yang di uji.
Gambar 1. (color online) Skema sistim 5 lapis dalam konfigurasi Kretschmann
Reflektansi untuk sistem 5 lapis pada gambar 1 di atas dapat diperoleh melalui persamaan berikut [7] :
2 2 2 2 1 jz j jz j ij jk ijk ij jk ik d ik d r r e R r r r e     (1)
Sehingga  secara  umum  untuk    dua  medium  yang  berbeda  ketebalan  (d)    dan  lapisan dielektriknya ( ) maka nilai reflektansinya adalah :
j ix i jx ij j ix i jx k k r k k       
(2)
2 2 sin ix i i k n c     
(3)
merupakan reflektansi sinar  datang  yang terjadi  pada medium  ke-j  yang  bersasal dari medium  ke-i, adalah  komponen  vektor  gelombang  yang  searah  dengan  permukaan bidang  batas.  Sedangkan  sensitifitas  SPR  biosensor  dapat  dicari  dengan  menggunakan persamaan berikut :
y S x    (4)
Dengan  merupakan  sensitifitas  biosensor  SPR,  merupakan  respon  dan  merupakan stimulus.  Respon dari SPR  biosensor adalah pergeseran  sudut  SPR  ( ∆ Ѳ ) untuk  setiap perubahan indeks bias ( ) atau konsentrasi ( ) .

## METODE PENELITIAN

## Material
Material  yang  digunakan  adalah  lapisan  perak,  nanopartikel  perak  serta  larutan  formalin yang dilarutkan dalam pelarut akuades dengan berbagai konsentrasi. Semua material yang digunakan dibeli dari CV. GENERAL LABORATORA, Yogyakarta.

## Fabrikasi Nanopartikel Perak
Dilakukan  dengan  metode  sintesis,  yaitu  dengan  perbandingan  konsentrasi.  Perak  nitrat (AgNO 3 ) dipanaskan sampai dengan sudu 80º C kemudian dititrasi dengan trisodium sitrat
(2Na.C 6 H 5 O 7 .1H 2 O) sambil diaduk. Pengadukan dihentikan sampai larutan berubah warna menjadi kuning.

## Deposisi Lapisan Tipis Perak
Lapisan  tipis  perak  dideposisi  pada  prisma  dengan  menggunakan vacum  evaporator . Proses  evaporasi  dilakukan  pada  tekanan  ruang  vakum  7  x  10 -3 Pa  dan  arus  35  Ampere serta jarak prisma ke sumber 10 cm selama 1,5 menit.

## Deposisi Lapisan Nanopartikel Perak dan Formalin
Lapisan nanopartikel perak dan lapisan formalin (konsentrasi 40% dan 100%) dideposisi pada lapisan tipis perak dengan menggunakan teknik spray dengan jarak 30 cm.

## Susunan Alat SPR
Alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi laser HeNe dengan panjang gelombang 632,8 nm, polarisator, beam splitter, laser power meter , lensa positif, dan prisma.
Gambar 2. Susunan alat SPR

## Pengamatan Fenomena SPR
Pengamatan fenomena surface plasmon resonance (SPR) dilakukan dengan menggunakan metode  ATR  yaitu  mencatat  reflektansi  untuk  setiap  variasi  sudut  datang.  Pengamatan dilakukan untuk setiap penambahan sistem lapisan tipis.

## Perhitungan sensitifitas SPR
Sensitifitas SPR dapat diketahui dengan mengtitung gradien grafik pergeseran sudut SPR ∆Ѳ terhadap perubahan indeks bias ( ) .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Fabrikasi  nanopartikel  perak  menggunakan  metode  reduksi  kimia  menghasilkan nanopartikel  perak  dengan  ukuran  partikel  yang bermacam-macam  seperti  gambar  3 berikut :
Gambar 3. Hasil TEM nanopartikel perak
Pengamatan  fenomena  SPR  untuk  variasi  perbandingan  konsentrasi  perak  nitrat  dengan trisodium sitrat ditunjukkan oleh gambar 4 sampai dengan gambar 6 berikut.
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 35 40 45 50 55 Perak Perak + Nano R e fle kt an si Sudut datang (derajat)
Gambar 4. Kurva reflektansi untuk perbandingan konsentrasi 1 : 38 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 35 40 45 50 55 Perak Perak + Nano R ef le kt an si Sudut datang (derajat)
Gambar 5. Kurva reflektansi untuk perbandingan konsentrasi 1 : 16 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 35 40 45 50 55 Perak Perak + Nano R ef le kt an si Sudut datang (derajat)
Gambar 6. Kurva reflektansi untuk perbandingan konsentrasi 1 : 8
Gambar  4,  gambar  5,  dan  gambar  6 tersebut  merupakan  kurva  reflektansi  untuk  variasi perbandingan  konsentrasi  perak  nitrat  dengan  trisodium  sitrat.  Dari  grafik  pada  gambar terlihat bahwa semakin kecil perbandingan konsentrasi maka kurva SPR menjadi semakin sensitif (curam) dibandingkan  dengan  perbandingan  konsentrasi  yang  lain.  Hal  ini dikarenakan  distribusi  partikel  perak  semakin  banyak  jika  konsentrasi perak  nitrat ditambah.
Pengamatan  fenomena  SPR  selanjutnya  adalah  untuk  formalin  40%  dan  formalin  100%. Pengamatan yang pertama adalah pada sistem prisma/Ag1 dan diperoleh sudut SPR (42,8 ±  0,05)º  dengan  nilai  reflektansi  sebesar  0,32.  Setelah  penambahan  lapisan  nanopartikel perak (prisma/Ag1/nano) diperoleh sudut SPR (42,9 ± 0,05)º pada reflektansi 0,29. Setelah adanya penambahan lapisan formalin 100 % (gambar 7) maka kurva SPR bergeser menjadi (43,2 ± 0,05)º dengan reflektansi 0,4.
0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 P e ra k  7  m g P e ra k  +  N a n o F o rm a lin  1 00  % R e fle kt a ns i S u d u t d a ta n g (d era ja t)
Gambar 7. Pergeseran sudut SPR setelah penambahan formalin 100%
Pengamatan  fenomena  SPR  yang  kedua  yaitu  menggunakan prisma/Ag2  dan  diperoleh sudut SPR  yang sama seperti pada pengamatan pertama  yaitu (43,8 ± 0,05)º dan (42,9 ± 0,05)º  tetapi  reflektansinya  berbeda  yaitu  0,44  untuk  Ag2  dan  0,31  untuk  lapisan nanopartikel perak. Setelah ditambah formalin 40% (gambar 8) maka sudut SPR bergeser menuju sudut datang yang lebih besar yaitu (43,0 ± 0,05)º dengan reflektansi 0,4.
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 41 42 43 4 4 4 5 46 P e ra k 7 m g P e ra k + na no F orm alin 40 % R ef le kt a n si S ud ut d a tan g (d eraja t)
Gambar 8. Pergeseran sudut SPR setelah penambahan formalin 40%
Sensitifitas SPR dihitung dengan menghitung gradien grafik antara pergeseran sudut SPR vs indeks bias dan diperoleh grafik seperti gambar berikut.
0,0 5 0 ,1 0,1 5 0 ,2 0,2 5 0 ,3 0,3 5 0 ,4 0,4 5 1 ,3 4 1 ,3 45 1 ,3 5 1,35 5 1 ,3 6 1 ,3 6 5 1,37 1 ,3 75 Pe rg e se ra n  su d ut SP R y =  -1 2 ,4 17  +  9 ,3 3 17 x   R= 0 ,9 93 2 2 P er g es er an s ud ut ( d er a ja t) In dek s bias
Gambar 8. Grafik pergeseran sudut SPR ∆ Ѳ vs indeks bias (n)
Dari  gambar  8  tersebut  diperoleh  gradien  grafik  sebesar    (9,33  ±  1,09).  Hal  ini  berarti bahwa untuk  setiap  perubahan  indeks  bias  sebesar  satu  maka  akan  menyebabkan pergeseran sudut SPR sebesar (9,33 ± 1,09) derajat.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  eksperimen  diketahui  bahwa  metode  SPR  berbasis  nanopartikel  perak dapat  digunakan  untuk  sensor  formalin  yang  ditandai  dengan  adanya  pergeseran  sudut setelah penambahan lapisan formalin. Selain itu nanopartikel perak dapat digunakan untuk mempertajam  kurva  SPR,  hal  ini  ditandai  dengan  berkurangnya  reflektansi  setelah penambahan  lapisan  nnaopartikel  perak  sehingga  berpotensi  untuk  mendeteksi  material sampel yang diujikan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  atas  dukungan  dari  grup  riset  “ Surface  Plasmon dan Quantum Nanostructure ” Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi FMIPA UGM serta  Kementerian Riset dan Teknologi Republik Indonesia melalui Hibah penelitian Sinas Ristek 2012.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Girindra,  A.  1996. Sertifikat  Daging  Halal  Majelis  Ulama  Indonesia ,  Fakultas Kedokteran Hewan, IPB: Bogor.
2 Anonim, Formaldehida ,  1996.  Website  :  http://www.wikipedia.com/formaldehida, diakses pada tanggal 4 Agustus 2012.
3 Arifin,  Z.,  Murdiati,  T.B.  dan  Firmansyah,  R..  2005. Deteksi  Formalin  dalam  Ayam Broiler  di  Pasaran, Seminar  Nasional  Teknologi  Peternakan  dan  Veteriner ,  Balai Penelitian Veteriner, Bogor.
4 Badia,  A.  2007. Surface  Plasmon  Resonance  (SPR)  Spectroscopy  Theory . Instrumentations & Applications , McGill University.
5 Hutter,  E.,  Fendler,  J.H.,  and  Roy,  D. 2001.  Surface  Plasmon  Resonance  Studies  of Gold  and  Silver  Nanoparticles  Linked  to  Gold  and  Silver  Substrates  by  2- Aminoethanethiol  and  1,6-Hexadithiol. J-Phys.Chem ,  No.  45  Vol.  105, American Chemical Society.
6 Byun, K.M., Lee, K.S., Lee, S.I. 2011. Surface Plasmon Resonance Biosensing Based Target Responsive Mobility Switch of Magnetic Nanoparticles Under Magnetic Fields. Journal of Material Chemistry , Vol. 21, hal 5156.
7 Liao, C.H., Lee, C.M., Chang, L.B., 1977. Effect of a Metal Film and Prism Dielectric on Properties of Surface Plasmon Resonance on a Multilayer System. Japanese Journal of Applied Physics , Vol. 36, 1105-1111.