Kajian  Sifat  Dielektrik  pada  Lempeng  Nanopartikel  Magnetit  (Fe 3 O 4 ) yang dienkapsulasi dengan Polyvinyl Alcohol (PVA)
Mustawarman, Heriansyah, Edi Suharyadi *
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada Bulaksumur, Yogyakarta, Indonesia *Corresponding author : esuharyadi@ugm.ac.id
Abstrak –    Telah dilakukan sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 yang kemudian dienkapsulasi dengan Polyvinyl alcohol (PVA) dengan  perbandingan  1:0,  1:3,  1:4,  1:5  dan  1:6  menggunakan  metode  kopresipitasi.  Pengukuran  dilakukan menggunakan  sistem  spektroskopi  impedansi  terkomputerisasi  pada  wilayah  frekuensi  10  kHz    hingga  120  kHz  untuk mengetahui sifat dielektrik dari nanopartikel. Hasil pengukuran sifat dielektrik menunjukkan nilai permitivitas dielektrik pada  seluruh  sampel  mengalami  penurunan  dengan  bertambahnya  frekuensi.  Penambahan  PVA  mempengaruhi  sifat dielektrik dari nanopartikel Fe 3 O 4 . Nilai permitivitas dielektrik riil    seluruh sampel secara berturut-turut pada frekuensi 10 kHz yaitu 522, 212, 36, 234 dan 692.    Nilai permitivitas dielektrik yang paling baik adalah nanopartikel Fe 3 O 4 +PVA (1:6 ) sehingga dapat digunakan untuk aplikasi biosensor Surface Plasmon Resonance(SPR) sebagai bahan aktif untuk meningkatkan sensitifitas sensor dan mengikat biomolekuler.
Kata kunci: Fe 3 O 4 , Polyvinyl alcohol (PVA),    sifat dielektrik, permitivitas dielektrik, Surface plasmon resonance (SPR)
Abstract – Fe 3 O 4 nanoparticles    have been    synthesis and then encapsulated with Polyvinyl alcohol (PVA)  with ratio of 1:0, 1:3, 1:4, 1:5 and 1:6 using coprecipitation method. Measurements were performed using a computerized system impedance  spectroscopy  in  the  frequency  range  of  10  kHz  to  120  kHz  to  determine  the  dielectric  properties  of  the nanoparticles.  The  measurement  results  show  the  value  of  the  dielectric  properties  of  the  dielectric  permittivity  of  the sample  decreasing  with  increasing  frequency.  The  addition  of  PVA  affected  the  dielectric  properties  of  Fe 3 O 4 nanoparticles. Value of dielectric pemittivity of all sample at frequency 10 kHz is 522, 212, 36, 234 and 692, respectively. The value of the dielectric permittivity is Fe 3 O4 + PVA nanoparticles (1:6) so that it can be used for Surface Plasmon Resonance (SPR) Biosensors as the active material to increase sensor sensitivity and to    bind biomolecular.
Key  words:  Fe 3 O 4 ,Polyvinyl  alcohol(  PVA),  dielectric  properties,  dielectric  permittivity,  Surface  plasmon  resonance (SPR)

## I. PENDAHULUAN
Nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 telah  mendapatkan banyak  perhatian  di  dalam  beberapa  aplikasi  diantaranya biosensor  berbasis surface  plasmon  resonance (SPR). Nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 sebagai  bahan  aktif  pada sensor  SPR  berfungsi  untuk  deteksi  DNA  (asam deoksiribonukleat ) secara cepat dan sensitif [1].
Banyak kajian yang dapat dilakukan untuk mengetahui karakteristik  nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 ,  seperti  kajian sifat  mekanik,  sifat  magnetik,  sifat  optik,  dan  sifat elektrik.  Salah  satu  kajian  sifat  elektrik  yang  menjadi perhatian  adalah  sifat  dielektrik  dari  nanopartikel magnetik, karena beberapa aplikasi memiliki ketergantungan  terhadap  konstanta  dielektrik.  Beberapa contoh  aplikasi  yang  memiliki  ketergantungan  terhadap konstanta  dielektrik  yaitu Electromagnetic  interference (EMI) shielding pada  frekuensi  sangat  tinggi  dengan rentang  26-40  GHz,  EMI shielding berpengaruh  pada dipol listrik dan mobilitas muatan, dimana besar efesiensi EMI shielding meningkat  saat dielectric  loss ( " ) meningkat [2]. Aplikasi biosensor seperti SPR [3], Micro Electro  Mechanical  Systems (MEMS)  [4], dan Dielectrophoresis yang  efektif  pada  rentang  frekuensi rendah 10 Hz- 100 kHz [5].
Pada aplikasi SPR, nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 dipilih sebagai  bahan  aktif  SPR  karena  dapat  difungsionalisasi untuk  mengikat  biomolekul,  di  sisi  lain  nanopartikel
magnetik  Fe 3 O 4 bukan  bahan  dielektrik  yang  baik, sehingga  sangat  penting  untuk  melakukan  kajian  tentang karakteristik dielektrik Fe 3 O 4 yang telah difungsionalisasi. Fungsionalisasi  dapat  menggunakan  pelapisan  bahan organik dan anorganik. Bahan organik meliputi surfaktan dan  polimer  biokompatibel  ( polyethilenglycol , polyvinyl alcoho l, dextran, dll) dan bahan anorganik meliputi silika, karbon dan logam mulia.
Enkapsulasi  Fe 3 O 4 banyak  menggunakan  polimer salah  satunnya polyvinyl  alcohol (PVA).  PVA  mampu menjaga  komponen  aktif  dan  bahan  lainnya  yang terkandung  di  dalam  bahan  dari  kontak  dengan  oksigen [6].  Dalam  penelitian  ini  nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 dienkapsulasi  dengan  polimer  PVA.  Beberapa  alasan dilakukan  fungsionalisasi  menggunakan  polimer  PVA yaitu,  PVA  memiliki  harga  yang  murah,  larut  dalam  air, tidak  beracun  dan  termasuk  polimer  biokompatibel  yang banyak  digunakan  dalam  aplikasi  biomedis  [7]. Fungsionalisasi  PVA  sebagai coating  agent pada nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 sangat  penting  karena memiliki  aplikasi  yang  potensial  sebagai  material biokompatibel.  Salah  satu  hal  yang  dapat  dikaji  adalah sifat  dielektrik  nanopartikel  Fe 3 O 4 dengan  enkapsulasi coating  agent dimana memiliki  konstanta  dielektrik  yang cenderung  berubah.  Hal ini  dapat  diakibatkan  oleh  peran ukuran  butir  dan  batas  butir  akibat  pelapisan  sebagai template [8]. Penelitian  untuk  menentukan  besar
tetapan  dielektrik  kompleks  material  telah  banyak dilakukan,  diantaranya  oleh  Haldar  (2011),  Suharyadi (1998),  dan  Yusandika  (2014).  Data  disajikan  dalam bentuk  grafik  tetapan  dielektrik  riil  dan  imajiner  sebagai fungsi  frekuensi  secara  terpisah  [9,  10].  Pada  penelitian ini  dilakukan  pengukuran  sifat  dielektrik  pada  sampel nanopartikel  Fe 3 O 4 +PVA  untuk  melihat  pengaruh  PVA pada  nilai  tetapan  dielektrik,  impedansi  dan  grafik  cole- cole plot.

## II. METODE PENELITIAN
Sintesis  nanopartikel  Fe 3 O 4 dibuat  menggunakan metode  kopresipitasi.  Bahan  utama  sintesis  nanopartikel Fe 3 O 4 adalah  FeSO 4 .7H 2 O  dan  FeCl 3 .6H 2 O.  Sintesis dilakukan  menggunakan  FeSO 4 .7H 2 O  dan  FeCl 3 .6H 2 O masing-masing  sebesar  4.1703  gram  dan  8.109  gram. Bahan  FeSO 4 .7H 2 O  dan  FeCl 3 .6H 2 O  dicampur  dan ditambahkan  aquades  sebanyak  30  ml.  Bahan  tersebut diaduk menggunakan magnetit stirer selama 10-15 menit, kemudian  bahan  tersebut  diaduk  lagi  menggunakan magnetit  stirer  suhu  60 0 C  kecepatan ± 450  rpm  selama 90  menit  (  ditambahkan  NH 4 OH  10%  sebanyak  60  ml secara  perlahan-lahan). Larutan  hasil  diletakkan  di  atas magnet dan dicuci sebanyak 7 kali dan larutan yang telah dicuci,  kemudian  dibuang  airnya  dan  dikeringkan selama 2 jam dengan suhu 80 0 C menggunakan furnace. Percobaan diulangi beberapa kali dengan mencampurkan  massa  PVA  terhadap  massa  magnetit, kemudian  distirer  selama  5  jam.  Hasil  sintesis  dengan variasi perbandingan, yaitu 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5, dan 1 : 6 dan dibandingkan  dengan  magnetit  tanpa  pencampuran  PVA seperti dalam Tabel 1.
Sampel  Fe 3 O 4 dan  Fe 3 O 4 +PVA  yang  telah  terbentuk dikarakterisasi dengan X-ray Diffractometer (XRD) untuk mengetahui ukuran butir dan fasa yang terkandung dalam sampel. Kemudian untuk mengetahui ikatan gugus fungsi sampel    Fe 3 O 4 dan  Fe 3 O 4 +PVA    dikarakterisasi menggunakan Fourier Transform Infra-Red (FTIR).
Tabel  1 .  Parameter  sintesis  Fe 3 O 4 dengan  variasi  konsentrasi polyvinyl alcohol (PVA) Kode Sampel
Perbandingan massa Fe 3 O 4 : PVA Massa Fe 3 O 4 (gram) Massa PVA (gram) Prosentase PVA (%) A 1 : 0 1,5 0 0 B 1 : 3 0,7 2,1 75 C 1 : 4 0,7 2,8 80 D 1 : 5 0,7 3,5 83 E 1 : 6 0,7 4,2 86
Dalam  pengukuran  konstanta  dielektrik,  sampel  Fe 3 O 4 dicetak  dalam  bentuk  tablet  berdiameter  1,5  cm  dengan tekanan  5  ton  dan  sampel  Fe 3 O 4 +PVA    di  desain menjadi  lempeng  tipis  dengan  diameter  1,5  cm.  Nilai tetapan  dielektrik,  loss  tangent  ( D ),  dan  impedansi  ( Z ) diukur  menggunakan  alat  spektroskopi  impedansi  pada frekuensi  ( f )  10  sampai  120  kHz  dengan  hambatan  ( R ) 100 k Ohm.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil uji XRD dan FTIR
Hasil  uji  XRD  sampel  Fe 3 O 4 dan  Fe 3 O 4 +PVA diperlihatkan  pada Gambar  1.  Pada  gambar  tersebut disajikan dua buah sampel untuk membandingkan bentuk spektrum  sampel  hasil  enkapsulasi  PVA  dengan  sampel tanpa  enkapsulasi  PVA.  Gambar  1  memperlihatkan bahwa  pada  sampel  Fe 3 O 4 +PVA  tampak  adanya  puncak baru  yang  dinamakan  dengan  fasa  dan  fasa  ini  disebut juga  dengan goethite dan hematite .  Munculnya  fasa  baru ini menandakan bahwa telah terjadi pelapisan Fe 3 O 4 oleh PVA.  Hasil  analisa  XRD  ini  memberikan  informasi bahwa  ukuran  partikel  Fe 3 O 4 dan  ukuran  partikel Fe 3 O 4 +PVA adalah 13,5 nm dan 16,8 nm.
Hasil  uji  FTIR  sampel  Fe 3 O 4 dan  Fe 3 O 4 +PVA diperlihatkan  pada Gambar  2.  Pada  gambar  tersebut disajikan  dua  buah  sampel  untuk  memperlihatkan  terjadi ikatan  gugus  fungsi  antara  nanopartikel  Fe 3 O 4 dengan PVA . Hal tersebut dibuktikan dengan munculnya serapan baru pada sampel Fe 3 O 4 +PVA yaitu C=C ( 1527/cm), N- O ( 1342/cm), =C-H ( 956/cm) dll.
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 b a In te n s it a s 2  Fe 3 O 4 + PVA Fe 3 O 4 3 1 1 4 4 0 5 1 1 4 0 0 2 2 0  -F e 2 O 3  F e o (O H )
Gambar  1. Pola  spektrum  XRD;  (a)  Sampel  Fe 3 O 4 tanpa dienkapsulasi  PVA  ;  dan  (b)  Fe 3 O 4 yang  telah  dienkapsulasi PVA
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 10 20 30 40 50 60 70 b a In te n s it a s 1/  Fe 3 O 4 +PVA Fe 3 O 4
Gambar 2. (a) FTIR Fe 3 O 4 dan (b) FTIR Fe 3 O 4 + PVA

## B. Hasil uji spektroskopi impedansi
Hasil  pengukuran  sifat  dielektrik  pada  masing-masing sampel  dengan  enkapsulasi  dan  tanpa  enkapsulasi menunjukkan  adanya  perbedaan.  Tabel  2  menunjukkan Permitivitas  dielektrik  riil  dan  impedansi  nanopartikel Fe 3 O 4 yang  dienkapsulasi  dengan  PVA.  Dari  tabel tersebut  dapat  dilihat  bahwa  nilai  permitivitas  dielektrik riil  yang  paling  besar  adalah  1  :  6.  Sementara  nilai permitivitas dielektrik    riil yang paling kecil adalah1 : 4. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  proses  enkapsulasi
nanopartikel  Fe 3 O 4 tidak  selalu  menghasilkan  nilai permitivitas dielektrik yang besar, tetapi akan menghasilkan nilai permitivitas dielektrik yang besar pada perbandingan  tertentu.  Fenomena  ini  dapat  digunakan untuk  aplikasi  biosensor  yaitu  Surface  Plasmon Resonance  (  SPR),  karena  SPR  merupakan  sensor  optic yang memanfaatkan gelombang surface plasmon polariton (SPP)  untuk  mendeteksi  gejala  fisis  pada permukaan  sensor  dan  interaksi-interaksi  biomolekul, sementara  Perilaku  SPP  ditentukan  oleh  fungsi  dielektrik logam  dan  konstanta  dielektrik  medium  di  sekitarnya [11].    Nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 +PVA  (1:6)  dapat digunakan pada aplikasi SPR untuk mengikat biomolekul karena memiliki konstanta dielektrik yang lebih baik dari nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 .
Gambar  3  menunjukkan  grafik  hubungan  antara frekuensi terhadap permitivitas dielektrik riil pada rentang frekuensi 10-120 kHz . Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa permitivitas  dielektrik  mengalami  penurunan  seiring dengan  meningkatnya  frekuensi.  Hal  tersebut  terjadi karena  frekuensi  semakin  besar  maka medan listrik  yang diberikan juga akan semakin besar sehingga mengakibatkan  nanopartikel  magnetik  tersebut  semakin mudah mengalami polarisasi. Grafik tersebut menunjukkan bahwa terdapat perbedaan nilai permitivitas dielektrik  yang  signifikan  pada  frekuensi  10  –  50  (kHz). Nilai  permitivitas  dielektrik  yang  paling  besar  yaitu Fe 3 O 4 +PVA  dengan  perbandingan  1:6  dan  nilai permitivitas dielektrik yang paling kecil yaitu Fe 3 O 4 +PVA  dengan  perbandingan  1:4.  Sementara  pada frekuensi > 50 kHz perbedaan nilai permitivitas dielektrik untuk seluruh sampel menurun seiring dengan meningkatnya frekuensi.
Gambar  4  menunjukkan  grafik  hubungan  antara frekuensi  terhadap  impedansi  pada  rentang  frekuensi  10- 120  kHz.  Gambar  tersebut  menunjukkan  bahwa  semakin besar  frekuensi  maka  nilai  dari  impedansi  akan  semakin kecil.  Nilai  impedansi  nanopartikel  Fe 3 O 4 +PVA  (1:4) adalah yang paling besar pada frekuensi 10 kHz dan nilai impedansi yang paling kecil pada frekuensi 10 kHz adalah Fe 3 O 4 +PVA  (1:6).    Hal  ini  sesuai  dengan  persamaan yang  menghubungkan  antara  impedansi  (Z)    dan permitivitas  dielektrik  ( r ).  Hubungan  antara  nilai frekuensi dan nilai impedansi dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar  5  menunjukkan  grafik  cole-cole  plot  yaitu hubungan antara ’ ( f ) dan ” ( f ). Dari gambar tersebut dapat  dilihat  bahwa  frekuensi  relaksasi  nanopartikel magnetik yang paling tinggi adalah sampel yang memiliki permitivitas dielektrik yang paling tinggi yaitu Fe 3 O 4 +PVA  (  1:6).  Sementara  sampel  yang  memiliki frekuensi  relaksasi  paling  rendah  adalah  sampel  yang memiliki  permitivitas  dielektrik  yang  paling rendah  yaitu Fe 3 O 4 +PVA  (  1:4).  Perbedaan  waktu  relaksasi  untuk masing-masing  material  dielektrik  menentukan  sifat masing-masing material tersebut. Semakin besar frekuensi relaksasi  dari  suatu  material  maka    akan  semakin  baik sifat dielektrik dari material tersebut [12].
Gambar  3. Grafik  permitivitas  real  terhadap  frekuensi  untuk seluruh sampel
Gambar  4. Grafik  impedansi  terhadap  frekuensi  untuk  seluruh sampel
Gambar 5. Grafik cole-cole plot untuk seluruh sampel
Tabel  2. Permitivitas  dielektrik  riil  dan  impedansi  nanopartikel Fe 3 O 4 yang  dienkapsulasi  dengan  PVA  pada  frekuensi  10  kHz,
50 kHz, 100 kHz
Konsentra si PVA (%) ( ′ ) ( ) 10 kHz 50 kHz 100
kHz 10 kHz 50 kHz 100 kHz 0 522 128 64 200 153 152
75 212 60 31 224 140 137
80 36 11 5 232 139 136 83 234 65 33 191 121
118 85 692 172 85 179 131 133

## IV. KESIMPULAN
Penambahan  PVA  mempengaruhi  sifat  dielektrik  dari nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 . Nilai permitivitas dielektrik yang paling baik adalah nanopartikel Fe 3 O 4 +PVA ( 1 : 6 ) sehingga  dapat  digunakan  pada  aplikasi  SPR  sebagai bahan  aktif  untuk  meningkatkan  sensitifitas  sensor. Pengukuran sampel pada frekuensi di bawah 50 kHz akan menghasilkan nilai permitivitas dielektrik yang tinggi dan nilainya  kemudian  menurun  seiring  dengan  naiknya frekuensi.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih kepada:
1. Nano-Fabrication  Consortium  of  Nagoya  University, Ministry  of  Education,  Culture,  Sports,  Science  and Technology  (MEXT)  Nano-Project  Platform,  Japan,  2012
– 2017 kompetensi (Hikom)
2. Hibah Penelitian Strategis Nasional (Stranas)
Dikti,Kementrian Pendidikan Nasional, 2015 – 2016.

## PUSTAKA
[1] Sari,  Rafika.,  dan  Abraha,  Kamsul.,  2012,  Simulasi Pengaruh  Ketebalan  Lapisan  Nanopartikel  Magnetik (Fe 3 O 4 )    terhadap  Respon  Biosensor  Berbasis Surface Plasmon  resonance (SPR)  untuk  Deteksi  DNA, Prosiding  Pertemuan  Ilmiah  XXVI  HFI Purworejo,  14 April 2012.
[2] Dhawan, S.K., Ohlan, A., dan Singh, K., 2011, Designing of Nano Composites of
Conducting Polymers for EMI Shielding , In Advances in Nanocomposites    -
Synthesis,  Characterization  and  Industrial  Applications , Reddy, B., Ed., InTech, ISBN: 978-953-307-165-7.
[3] 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, Journal  Materials  Chemistry, Vol 21, pp. 5156-5162.
[4] Pethig,  R.,  Menachery,  A.,  Pells,  S.,  Sousa,  P.D.,  2010, Dielectrophoresis: A Review of Applications for StemCell Research, Journal of Biomedicine and Biotechnology ,  vol
2010, 7 page.
[5] Huang,    X., Li, S., Davis, E., Li, D., Wang,    Q., dan Lin, Q., 2014, A MEMS Dielectric Affinity Glucose Biosensor, Journal of Microelectromechanical Systems ,  Vol.  23,  14- 20.
[6] Ogur  E.  2005. Polyvinyl  Alcohol:  Materials,  Processing and  Applications .  Volume  16,  Number  12,  2005.  ISSN: 0889-3144
[7] Sousa,  Ana  M.M.,  Hileia  K.S.  Souza.,  Joseph  uknalis., Shih-Chuan  Liu.,  2014,  Electrospinning  of  agar/PVA aqueous  solutions  and  its  relation  with  rheological properties, journal  of  carbohydrate  polymers, Vol.  115,
pp. 348-355
[8] Haldar,  I.,  Biswas,  M.,  Nayak,  A.,  2011,  Microstructure, Dielectric  Response  and  Electrical  Properties  of Polypyrrole  Modi ﬁed  (Poly  N -Vinyl  Carbazole–  Fe 3 O 4 ) Nanocomposites, Synthetic  Metal, Vol.  161,  pp.  1400- 1407
[9] Suharyadi,  E.,  1998,  Analisis  Tanggap  Frekuensi Dielektrik  dalam  Bahan-Bahan  Batuan  Alami  dan  NaCl, Skripsi , Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
[10] Yusandika,  A.D.,  2014,  Kajian  Sifat  Dielektrik  Pada Nanopartikel Cobalt Ferrite (CoFe 2 O 4 ) yang
Dienkapsulasi  dengan  Polyethylene  Glycol  (PEG-4000)  , Thesis , Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. [11] Maier,  S.A,.2007  Plasmonics  :  Fundamental  and Application, United Kingdom : Springer Science+Business Media LLC [12] Kaur, S., Dierking, I., dan Gleeson, H.F., 2009, Dielectric spectroscopy of Polymer  Stabilised  Ferroelectric Liquid Crystals, The European Physical    Journal E ,
vol. 30, pp. 265-274