Uji Kemurnian DNA Melon ( Cucumis melo L.) Kultivar “Gama Melon Basket” Menggunakan

## Surface Plasmon Resonance (SPR) Berbasis Nanopartikel Perak

## Thoyibi*, Muhammad Arifin, Kamsul Abraha
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada Sekip Utara, BLS 21 Yogyakarta thoy_161@yahoo.co.id
Received 30-05-2014, Revised 24-11-2014, Accepted 26-12-2014, Published 30-04-2015

## ABSTRACT
DNA level of purity has been tested by observing the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR)  in  silver  film  +  silver  (Ag)  nanoparticles  system  as  DNA  sensor  using  Kretschmann configuration.  Surface  plasmon  resonance  (SPR)  phenomenon  observed  in  the  resonance condition  of  reflectance  spectrum  vary  with  incident  angle  of  laser,  beamed  toward  prism. System is built as a model for DNA purity test instrument that give higher accuracy. DNA purity testing was conducted by placing DNA layer with various ratio on prism in order to get the angle shift value in each sample as a result. Purity level of DNA indicates the DNA quality based on the  ratio  between  the  amount  of  pure  DNA  compared  to  the  amount  of  impurity  materials (protein).  After  the  deposition  of  DNA  in  ratio  1,774,  1,838  and  1,916  SPR  angle  shifted
0, 40 0, 05    ,  0, 20 0, 05    and  0,10 0, 05    respectively. Characteristic differences of DNA with  different  purity  (ratio)  are  shown  by  reflectance  value  that  is  getting  higher  at  a  smaller ratio, indicates that in the higher DNA ratio the angle shift is getting smaller. SPR angle shift which is occurred before and after DNA deposition shows the sensitivity of SPR as DNA sensor.
Keywords: Surface plasmon resonance (SPR), DNA sensor, silver  nanoparticle, Kretschmann configuration

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  pengujian  tingkat  kemurnian  DNA  dengan  mengamati  fenomena  surface plasmon  resonance  (SPR)  pada  sistem  lapisan  tipis  perak  +  nanopartikel  perak  (Ag)  sebagai sensor  DNA  dalam  konfigurasi  Kretschmann.  Fenomena  surface  plasmon  resonance  (SPR) diamati pada kondisi resonansi spektrum reflektansi pada tiap variasi sudut datang laser terhadap prisma.  Uji  kemurnian  DNA  dilakukan  dengan  mendeposisikan  lapisan  DNA  dengan  variasi rasio pada masing masing prisma untuk kemudian diperoleh hasil pergeseran sudut yang terjadi pada  masing  masing  sampel.  Kemurnian  DNA  didefinisikan  sebagai  kualitas  DNA  yang disajikan dalam nilai rasio atau perbandingan jumlah DNA murni dibandingkan dengan jumlah pengotor (protein). Setelah dideposisikan DNA dengan rasio 1,774, 1,838 dan 1,916 sudut SPR bergeser  masing-masing  sebesar  0, 40 0, 05    ,  0, 20 0, 05    dan  0,10 0, 05    .  Perbedaan karakteristik  DNA  dengan  kemurnian  (rasio)  berbeda  ditunjukkan  oleh  nilai  reflektansi  yang semakin besar pada nilai rasio yang lebih kecil, sehingga semakin besar rasio DNA maka akan semakin  kecil  pergeserannya.  Pergeseran  sudut  SPR  sebelum  dan  sesudah  deposisi  DNA menunjukkan sensitifitas SPR sebagai sensor DNA.
Kata  kunci:  Surface  plasmon  resonance  (SPR),  sensor  DNA,  nanopartikel  perak,  konfigurasi Kretschmann

## PENDAHULUAN
Melon kultivar Gama Melon Basket merupakan hasil budidaya dari persilangan antara tanaman melon varietas TC4 dan F2B5. Persilangan melon TC4 dan F2B5 digunakan sebagai parental untuk menghasilkan kultivar TCB5, yang selanjutnya dikembangkan menjadi kultivar Gama Melon Basket [1].
Studi tentang melon lebih banyak difokuskan pada gen-gen yang memiliki arti penting untuk meningkatkan kualitas melon. Gen  yang mengatur sifat-sifat  tanaman berada dalam segmen spesifik DNA. Untuk mempelajari gen suatu tanaman perlu dilakukan ekstraksi DNA terlebih dahulu [2].
Ekstraksi  DNA  dapat  dilakukan  dilakukan  dengan  memanfaatkan  detergen.  Ekstraksi  DNA dengan  metode  detergen  dikembangkan  untuk  mengatasi  masalah  berupa  keterbatasan  kit ekstraksi DNA [3]. Selain untuk mengekstrak DNA dari dalam sel tanaman, ekstraksi DNA dilakukan memiliki tujuan untuk mendapatkan konsentrasi yang tinggi dan tingkat kemurnian DNA yang baik. Keberhasilan proses ekstraksi DNA dapat diketahui dari kuantitas dan tingkat kemurnian DNA yang diperoleh [4].
Pengukuran tingkat kemurnian DNA sangat penting dilakukan sebagai prosedur dalam banyak penelitian  pada  bidang  biologi  molekuler.  Namun,  penentuan  tingkat  kemurnian  DNA  akan menjadi sulit ketika kemurnian sampel tidak pasti. Oleh sebab itu diperlukan suatu instrumen yang  mampu  mengukur  tingkat  kemurnian  DNA  secara  akurat.  Biosensor  berbasis surface plasmon  resonance (SPR)  merupakan  jenis  sensor  optik  yang  memanfaatkan  gelombang surface  plasmon  polariton (SPP).  Pemanfaatan  SPR  yang  digunakan  sebagai  biosensor menunjukkan  hasil  yang  sangat  menjanjikan  terutama  untuk  mempelajari  interaksi biomolekuler dalam bidang keilmuan biologi molekuler [5].
Teknologi biosensor berbasis SPR sangat berpotensi untuk dikembangkan menjadi teknologi untuk menunjang kegiatan analisis maupun deteksi pada bidang bioteknologi. Pada penelitian ini  akan  dilakukan  pengamatan  fenomena  SPR  untuk  mendeteksi  keberadaan  senyawa biomolekul DNA. Ide pengembangan sistem deteksi dengan SPR didasarkan pada model SPR konvensional  dengan  menambahkan  lapisan  nanopartikel  perak.  Penelitian  ini  dilakukan sebagai langkah awal pengembangan teknologi sensor pada bidang biomolekuler yaitu untuk mengetahui  nilai  kemurnian  DNA  dari  hasil  ekstraksi.  Tingkat  kemurnian  yang  baik menunjukkan keberhasilan dari proses ekstraksi materi genetik berupa DNA.

## LANDASAN TEORI
Gelombang surface  plasmon (SP)  adalah  gelombang  elektromagnetik  terpolarisasi- p atau transverse  magnetic (TM)  yang  merambat  sepanjang interface logam  dan  dielektrik. Gelombang SP menjalar  paralel pada interface dan meluruh secara eksponensial dalam arah normal interface logam dan dielektrik. Konfigurasi untuk mengeksitasi gelombang SP dalam permukaan  logam  dengan  metode  prisma  terkopling  telah  didemonstrasikan  oleh  Otto  dan Kretschmann  menggunakan  prinsip attenuated  total  reflection (ATR).  Gelombang  SP  dapat digambarkan  sebagai  osilasi  muatan  bersama  rapat  elektron  pada interface logam  dan dielektrik. Saat terjadi resonansi SP, pantulan cahaya akan menurun tajam pada lapisan logam yang  dideposisikan  pada  permukaan  prisma.  Kondisi  resonansi  terjadi  ketika  komponen tangensial  vektor  gelombang  datang  ( evanescent  wave )  sama  dengan  bagian  real  vektor gelombang surface plasmon. Fenomena inilah yang disebut surface plasmon resonance (SPR) [6]. Kurva SPR (reflektansi versus sudut datang) yang diperoleh dapat dikarakterisasi dalam tiga  parameter  utama  :  posisi dip ,  ketinggian  puncak dip dan  lebar dip. Posisi  minimum
reflektansi  ( dip )  sangat  sensistif  terhadap  perubahan  bagian  real  indeks  refraksi  medium batasnya, karenanya besaran ini selalu digunakan untuk tujuan sensor [7].
Reflektansi  untuk  sistem  lima  lapisan  pada  Gambar  1  dapat  diperoleh  melalui  persamaan berikut [8] :
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)
Gambar 1. Sistem lima lapisan dalam konfigurasi Kretschmann
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)
dengan r ij merupakan reflektansi sinar datang yang terjadi pada medium ke-j yang bersasal dari medium ke-i, k ix adalah komponen vektor gelombang yang searah dengan permukaan bidang batas.
Sensitifitas SPR biosensor dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut :
y S x    (4)
dengan y merupakan  respon  dan x merupakan  stimulus.  Respon  dari  SPR  biosensor  adalah pergeseran sudut SPR (∆θ spr ) untuk setiap perubahan indeks bias ( n ) atau konsentrasi ( m ).

## METODE PENELITIAN
Material  yang  digunakan  adalah  lapisan  tipis  perak,  nanopartikel  perak  serta  DNA  melon kultivar Gama Melon Basket dengan berbagai variasi rasio.
Sintesis  nanopartikel  perak  dilakukan  dengan  metode  reduksi  kimia  dengan  perbandingan konsentrasi.  Perak  nitrat  (AgNO 3 )  dipanaskan  sampai  dengan  suhu  mendekati  100º  C kemudian  dititrasi  dengan  trisodium  sitrat  (2Na.C 6 H 5 O 7 .1H 2 O) drop  by  drop sambil  diaduk dengan magnetic stirer . Pengadukan dihentikan sampai larutan berubah warna menjadi kuning kecokelatan.
Deposisi lapisan tipis perak dideposisikan pada prisma dengan teknik evaporasi menggunakan vacum evaporator . Proses evaporasi dilakukan pada tekanan ruang vakum 3 x 10 -3 Pa dengan arus 50 A serta jarak prisma ke sumber 10 cm selama 15 detik.
Deposisi lapisan nanopartikel perak dan lapisan DNA dideposisikan  pada sistem lapisan tipis perak dengan menggunakan teknik spray dengan jarak 25 cm.
Alat  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  meliputi  laser  HeNe  (HRP005S) dengan  panjang gelombang  632,8  nm, precision    linear  polarizer (10LP-VIS-B), polarizing  beam  splitter (PBS202) , laser power meter (LP1), lensa positif, dan prisma. Skema pengamatan fenomena SPR ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 . Skema alat pengamatan fenomena SPR

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengamatan fenomena SPR yang dilakukan pada sistem prisma/Ag/nanopartikel perak/DNA dengan berbagai variasi rasio ditunjukkan pada Gambar 3 dan Gambar 4.
Berdasarkan hasil pengamatan pada DNA dalam kondisi masih basah maupun sudah kering, maka dapat dibandingkan hasil pergeseran sudut diantara dua keadaan tersebut. Dalam kondisi basah, dapat diketahui bahwa adanya kecenderungan pergeseran sudut SPR yang semakin kecil ketika rasio DNA semakin besar. Hal ini dikarenakan semakin besar nilai rasio maka tingkat kemurnian DNA semakin tinggi. Tingkat kemurnian DNA memiliki pengaruh terhadap nilai indeks bias DNA. Semakin tinggi tingkat kemurnian DNA, maka indeks biasnya akan bernilai semakin kecil, sehingga pengaruhnya terhadap pergeseran sudut SPR juga akan semakin kecil. Sedangkan dalam kondisi kering, pergeseran sudut SPR cenderung sama untuk semua variasi rasio.  Hal  ini  dimungkinkan  dalam  kondisi  kering,  molekul  DNA  sudah  rusak,  sehingga keberadaan DNA dalam hal ini sebagai pengotor yang bersifat menambah ketebalan lapisan saja.
Gambar 3. Kurva SPR pada sistem prisma/Ag/nanopartikel perak/DNA (basah) dengan variasi rasio dalam konfigurasi Kretschmann
Gambar 4. Kurva SPR pada sistem prisma/Ag/nanopartikel perak/DNA (kering) dengan variasi rasio dalam konfigurasi Kretschmann
Hubungan antara rasio DNA dengan pergeseran sudut SPR dapat diperoleh grafik hubungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik rasio DNA vs pergeseran sudut SPR ( spr   )
Hasil  yang  diperoleh  menunjukkan  adanya  perubahan  nilai  rasio  DNA  terhadap  perubahan sudut SPR yaitu gradien grafik sebesar ( 0, 45 0,11)   , sehingga untuk setiap perubahan rasio sebesar  1,  maka  akan  terjadi  pergeseran  sudut  SPR  sebesar (0, 45 0,11)
  .  Berdasarkan  hasil tersebut  dapat  disimpulkan  bahwa  semakin  besar  nilai  rasio  DNA,  maka  akan  berpengaruh
terhadap nilai reflektansi yang semakin kecil, sehingga mengakibatkan pergeseran sudut SPR yang terjadi sangat kecil.
Sensitifitas  SPR  terhadap  perubahan  indeks  bias  dapat  dicari  dengan  menggunakan  grafik hubungan  antara  indeks  bias  ( n )  dengan  pergeseran  sudut  SPR  ( spr   )  yaitu  dengan menghitung  gradien  grafik  dengan  berdasarkan  pada  Persamaan  4.  Hubungan  antara  indeks bias dengan pergeseran sudut SPR ditunjukkan pada Gambar 6.
Berdasarkan  grafik  pada  Gambar  6  tersebut  diperoleh  perubahan  sudut  SPR  terhadap perubahan  indeks  bias  yaitu  gradien  grafik  sebesar o (300, 02 57, 74)  .  Hal  ini  berarti  untuk perubahan  indeks  bias  sebesar  1  terjadi  pergeseran  sudut  SPR  sebesar (300,02 57,74)
  , sehingga  untuk  perubahan  indeks  bias  sebesar  0,001  terjadi  pergeseran  sudut  SPR  sebesar
(0,30 0,06)   .
Gambar 6. Grafik pergeseran sudut SPR ( spr   ) vs indeks bias
Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa pergeseran sudut yang lebih besar terjadi pada analit berupa DNA dalam kondisi basah apabila dibandingkan dengan keadaan kering. Hal tersebut berimbas pada nilai sensitifitas yang lebih besar terjadi pada DNA basah apabila dibandingkan dengan DNA kering yang ditunjukkan dengan pergeseran sudut SPR yang semakin kecil pada DNA kering. Alasan yang dapat dikemukakan berdasar fenomena yang terjadi adalah karena dalam keadaan kering molekul DNA telah rusak, sehingga pengukuran yang dilakukan pada lapisan DNA kering tidak lagi akurat.

## KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa metode s urface plasmon  resonance (SPR)  berbasis  nanopartikel  perak  sebagai  biosensor  DNA,  dapat diaplikasikan pada sistem sensing dengan mendeposisikan nanopartikel dibawah lapisan analit sebagai  probe  DNA.  Hasil  pengamatan  menunjukkan  sensitifitas  kurva  SPR  yang  ditandai dengan adanya pergeseran sudut SPR yang terjadi setelah deposisi DNA pada sistem. Bentuk kurva  SPR  pada  sistem  lapisan  tipis  perak/nanopartikel  perak  dengan  sistem  lapisan  tipis perak/nanopartikel  perak/DNA  menunjukkan  perbedaan  nilai  reflektansi  minimum  yang terjadi. Perbedaan juga ditunjukkan oleh sudut SPR yang mengalami pergeseran yang terjadi setelah  penambahan  lapisan  DNA  yang  menunjukkan  sensitifitas  instrumen sensing SPR sebagai sensor DNA.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  atas  kerjasama  dan  dukungan  dari  grup  riset  ” Surface Plasmon  Resonance dan  Nanopartikel”  Laboratorium  Fisika  Material  dan  Instrumentasi Jurusan  Fisika  FMIPA  UGM  serta  Kementrian  Riset  dan  Teknologi  Republik  Indonesia melalui hibah penelitian Strategi Nasional 2013.

## DAFTAR PUSTAKA
1. N.  Huda,  Perakitan  dan  perbandingan  karakter  fenotip  buah  Melon (Cucumis  melo  L.) kultivar  Gama  Melon  Basket  dengan  kultivar  melon  komersial, Skripsi S1 ,  Fakultas Biologi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2009.
2. K.  Semagn,  Å.  Bjørnstad  and  M.N.  Ndjiondjop,  An  overview  of  molecular  marker methods for plants, African Journal of Biotechnology , vol. 5, no. 25, 2006, pp. 2540-2568.
3. L.R.  DeBoer,  R.J.  Sobieski  and  S.S.  Crupper,  Isolation  and  restriction  endonuclease digestion of onion DNA in the junior college-high school biology laboratory, Bioscene , vol. 26, no. 3, 2000, pp. 15-17.
4. K.K. Vinod, Total genomic DNA extraction, quality check and quantitation, Proceedings of  the  Training  Programme  on  “Classical  and  modern  Plant  Breeding  Techniques-A Hands on Training”, Centre for Plant Breeding  and Genetic, Tamil  Nadu  Agricultural University, Coimbatore, India, 2004, pp. 109-121.
5. D.R  Shankaran,  K.V.  Gobi  and  N.  Miura, Recent  advancement  in  surface  plasmon resonance  immunosensors  for  detection  of  smallmolecules  of  biomedical,  food  and environmental  interest .  Art,Science  and  Technology  Center  for  Cooperative  Research, Kyushu University, Kasuga-shi, Fukuoka, Japan, 2006.
6. H.  Raether,  Surface  plasmons  and  smooth  and  rough  surfaces  and  on  grating, Springer Tracts in modern physics , vol. 111, 1988, chap. 2
7. N.J. Tao, S. Boussaad, W.L. Huang, R.A. Arechabaleta and J. D’Agnese, High resolution surface plasmon resonance spectroscopy, Review of Scientific Instruments, v ol . 70, 1999, pp. 4656-4660.
8. C.H. Liao, C.M. Lee, L.B. Chang, 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, no. 12, 1999, pp. 1105-1111.