## Pengaruh ketebalan lapisan polistiren terhadap kestabilan sensor QCM sebagai bioimunosensor
Eka Rahmawati 1 *, Masruroh 2
1 Program studi pendidikan Fisika STKIP Bima
2 Jurusan Fisika Universitas Brawijaya Malang *email : rahmawatieka89@gmail.com
Abstrak  - QCM  telah  banyak  digunakan  sebagai  biosensor  dan  sensor  kimia.  Tingkat  sensitifitas  yang dimilikinya terhadap perubahan massa dari mikro meter bahkan nano meter pada permukaannya merupakan hal menarik  yang  dimilikinya.  Terdapat  banyak  aspek  yang  dapat  mempengaruhi  kerja  QCM  ketika  memiliki kontak dengan larutan. Salah satunya adalah ketebalan lapisan matriks yang menjadi lapisan biologi yang akan diimobilisasikan di atasnya. Salah satu matriks biologi yang menjadi lapisan adalah polistiren. Metode pelapisan polistiren  di  atas  QCM  sensor  yakni  dengan  menggunakan  metode  spin  coating.  Sebelumnya  polistiren dilarutkan dengan pelarut non polar: xilen dan Tetrahidrofuran (THF) yang memiliki properti kimia dan fisika yang berbeda yang berpengaruh pada proses pembentukan lapisan dari polimer terlarut menjadi lapisan polimer yang  kaku.  Penggunaan  pelarut  dan  konsentrasi  polistiren  berbeda  menghasilkan  ketebalan  lapisan  yang beragam.  Selain  itu  ditemukan  pula,  terdapat  perbedaan  tingkat  kestabilan  QCM  ketika  terjadi  kontak  dengan udara  dan  larutan  PBS  pada  masing-masing  variasi  konsentrasi  polistiren  yang  digunakan.  Sensor  QCM memiliki  kestabilan  yang baik pada lapisan polistiren ≤ 5% untuk pelarut  xilen dan ≤  3%  untuk pelarut THF dengan  nilai  tegangan  peak  to  peak  ≥  1  V.  QCM-polistiren  yang  stabil  dapat  digunakan  untuk  melakukan immobilisasi sebagai biosensor.
Kata Kunci: , QCM, polistiren, xilen, THF, kestabilan

## PENDAHULUAN
Quartz  Crystal  Microbalance (QCM)  dengan penambahan  lapisan  berbahan  polimer  di  atas kuarsanya  telah  banyak  digunakan  sebagai sensor  biomolekul.  Tehnik spray  coating dan spin  coating dipilih  sebagai  tehnik  pelapisan untuk  menghaluskan  permukaan  kuarsa  Kristal dan  melindungi  elektroda  dari  oksidasi  [1]. Sensor QCM memiliki sensitifitas dan selektisitas  yang  tinggi  serta real  time dalam memonitoring  perubahan  massa  yang  terjadi  di atasnya,  sehingga  sangat  bagus  untuk  terus dikembangkan  [1].  Komponen  Kristal  kuarsa pada QCM dapat menghasilkan frekuensi alami yang akan mengalami peredaman jika diberikan massa  di  atasnya,  seperti  halnya  pada  sistem pegas.  Penambahan  massa  di  atas  QCM  akan menyebabkan penurunan frekuensi yang sebanding dengan penambahan massa tersebut.
Pelapisan  bahan  polimer  di  atas  QCM sebagai biosensor dilakukan untuk menghasilkan properties penting yang berkaitan dengan  properties  biokimia  dan  properties kelistrikan dan mekanik sensor QCM. Properties biokimia untuk mengontrol
imobilisasi  molekul,  sedangkan  properties kelistrikan  dan  mekanik  untuk  mencegah  efek yang  tidak  diinginkan  seperti  penambahan konduktivitas  dan  kapasitansi  pada  sensor. Kedua hal tersebut dapat menyebabkan perubahan  frekuensi  resonansi  yang  tidak diinginkan pada sensor yang tidak berhubungan dengan  respon  sensor  terhadap  molekul  target. Sedangkan  properties  mekanik  juga  perlu dikontrol  untuk  mencegah  pemuatan  mekanik pada sensor [2].
Pemanfaatan  QCM  sebagai  biosensor sebenarnya  dapat  dilakukan  secara  langsung dengan meneteskan biomolekul secara langsung di  atas  kuarsa  kristal  QCM,  namun  hasil pembacacaan frekuensi secara keseluruhan tidak dapat  terukur  secara  akurat.  Sehingga  perlu dilakukan pelapisan di atas elektroda QCM agar dapat  meningkatkan  sensitifitas  pengukuran. Perlu  diperhatikan  pula  penambahan  polimer harus  memiliki  ketebalan  yang  sesuai  [3]. Penelitian  yang  dilakukan  [4]  menggunakan nanokomposit polidopamin-nano kristal selulosa yang  dilapiskan  di  atas  QCM  menghasilkan peningkatan  sensing  kelembapan  yang  lebih sensitif karena dapat menyediakan area
penyerapan  aktif  yang  lebih  banyak.  Dalam penelitian  lain  yang  dilakukan  oleh  [2,5] menggunakan  variasi  pelarut  polistiren  namun dengan  konsentrasi  yang  sama  sebagai  lapisan tipis  yang  dilapiskan  di  atas  permukaan  QCM. Diperoleh bahwa tidak ada perbedaan signifikan dari  perbedaan  pemilihan  pelarut  terhadap  nilai impedansi listrik QCM hanya berpengaruh pada morfologi dan kekasaran lapisan polistiren.
Dalam  aplikasinya,  performan  dari  divais berbasis  lapisan  tipis  banyak  ditentukan  oleh ketebalan  dari  lapisan  tersebut.  Penelitian  yang dilakukan  oleh  [6]  dengan  menggunakan  ZnPc yang  dideposisikan  dengan  ketebalan  yang berbeda  di  atas  QCM-polistiren  dihasilkan  efek peredaman  pada  osilasi  QCM  bersesuaian dengan bertambahnya ketebalan ZnPc tersebut.
Ketebalan  sebagai  salah  satu  faktor  yang berpengaruh  terhadap  performa  sensor  QCM perlu mendapat perhatian khusus. Oleh sebab itu akan  dilakukan  penelitian  terkait  hubungan antara  ketebalan  lapisan  polistiren  terutama yang  dilarutkan  dengan  pelarut  xilen  dan tetrahidrofuran  terhadap  kestabilan  osilasi QCM.
.

## METODE PENELITIAN
Metode  penelitian  yang  dilakukan  ini  adalah metode eksperimental di laboratorium. Penelitian  ini  meliputi;  penyiapan  sampel lapisan  tipis  dengan  melakukan  pembuatan lapisan polistiren pada substrat QCM, pengukuran  frekuensi,  uji  SEM  dan  pengujian kestabilan QCM.

## Bahan dan Alat
Bahan  utama  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  QCM  dengan  frekuensi awal 10 MHz, pelarut xilen dan Tetrahidrofuran (THF),  polistiren.  aquades,  ultrasound  bath branson  2510,  SEM,    frekuensi  counter, osiloskop,  mikroskop  optik,  timbangan  digital, micrometer avendof dan unit computer.

## Pembuatan larutan polistiren
Larutan polistiren dengan variasi konsentrasi  1-7  %  dibuat  dengan  cara melarutkan  padatan  polistiren  dalam  larutan xilen  dan  THF.  Penentuan  konsentrasi  (w/v) yang digunakan berdasarkan perumusan berikut:
(1)
Padatan  polistiren  selanjutnya  dimasukkan ke  dalam  botol  dan  dilarutkan  dengan  cairan xilen  dan  THF  dalam  keadaan  botol  ditutup untuk menghindari terjadinya penguapan. Untuk mempercepat  proses  pelarutan,  maka  campuran polistiren  dilarutkan  dengan  bantuan  ultrasound bath  branson  2510  hingga  padatan  polistiren benar-benar terlarut sempurna..

## Pelapisan  QCM-  Polistiren  Dengan  Metode
Spin Coating .
Sebelum  dilakukan  pelapisan  polistiren,  maka dilakukan  pengukuran  frekuensi  dan  tegangan awal  pada  sensor  QCM.  Sensor  QCM  yang digunakan dilapisi menggunakan polimer polistiren dengan metode spin coating. Pelapisan  sensor  QCM  menggunakan  larutan polistiren  dengan  variasi  konsentrasi  1-7% sebanyak  50  μL.  Alat  spin  coater  yang digunakan dioperasikan dengan kecepatan putar ω 1 =  500 rpm  dan  variasi ω 2 dari  1500  hinggga 4000  rpm.  Pelapisan  dilakukan  dengan  cara meneteskan  50  μL  larutan  polistiren  tepat  di tengah  permukaan  QCM  yang  sedang  berputar dengan  kecepatan  ω 2 pada  spin  coater.  Waktu pelapisan  hingga  lapisan  tipis  terbentuk  selama 60  detik.  Pelapisan  dilakukan  pada  dua  sisi QCM.  QCM  yang  sudah  terlapisi  polistiren selanjutnya dikeringkan dengan cara dimasukkan  ke  dalam  oven  selama  1  jam  pada suhu  100°C  untuk  menghilangkan  sisa  pelarut. Pengukuran  frekuensi  kembali  dilakukan  pada QCM-polistiren.  Selain  pengukuran  frekuensi, juga  dilakukan  pengukuran  VPP  QCM  yang sudah  terlapisi  polistiren  dengan  menggunakan osiloskop untuk mengetahui perubahan tegangan setelah dilakukan pelapisan.
Ketebalan  lapisan  polistiren  dihitung  dengan menggunakan rumus Saurbrey berikut ini :
√ (2)

## Uji Kestabilan QCM
Pengujian  tingkat  kestabilan  kristal  diperlukan beberapa  tahap  yaitu  pengukuran  frekuensi  dan tegangan peak to peak  awal sebelum dilakukan pelapisan  polistiren  dan  pengukuran  frekuensi dan  tegangan  peak  to  peak  setelah  dilakukan pelapisan  dan  ditetesi  dengan  larutan  PBS
(bovine  serum  albumine)  sebanyak  70  μL  di atas permukaan kristal QCM.

## Uji SEM
Karaktersasi  menggunakan  SEM  dimaksudkan untuk  melihat  morfologi  permukaan  dan ketebalan dari lapisan polistiren pada permukaan QCM.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dengan  menggunakan  persamaan  (2)  diperoleh ketebalan  polistiren  dengan  pelarut  yang berbeda adalah sebagai berikut.
Tabel  1 .  Pengaruh  variasi  konsentrasi  polistiren terhadap ketebalan lapisan
Pembuatan  lapisan  tipis  dengan  metode spin  coating  dapat  menghasilkan  lapisan  yang cukup  rata  di  atas  permukaan  QCM.Variasi konsentrasi  yang  digunakan  menghasilkan ketebalan  lapisan  polistiren  di  atas  permukaan QCM  yang  berbeda.  Pada  tabel  1  dapat  dilihat semakin  besar  konsentrasi  maka  semakin  tebal lapisan  polistiren  yang  terbentuk.  Konsentrasi polistiren  yang  digunakan  dapat  mempengaruhi tingkat  kehomogenan  lapisan.  Pada  studi pendahuluan  lapisan  polistiren  yang  dihasilkan terbuat  dari  berbagai  konsentrasi  termasuk penggunaan  polistiren  dengan  konsentrasi  1% dan  2%.  Dari  kedua  konsentrasi  tersebut dihasilkan  ketebalan  lapisan  berturut-turut sebesar  0,104  µm  dan  0,28  µm  untuk  pelarut xilen dan 0,151 µm dan 0,411 µm untuk pelarut THF. Namun pada pengambilan data selanjutnya  lapisan  polistiren  yang  terbuat  dari konsentrasi  1%  dan  2%  tersebut  tidak digunakan  karena  menghasilkan  lapisan  yang terlalu  tipis  dan  kurang  homogen.  Selain  itu, penggunaan konsentrasi yang rendah
dikhawatirkan  dapat  menghasilkan  sedikit  situs aktif  sebagai  tempat  interaksi  biomolekul  pada QCM  biosensor.  Beberapa  hal  yang  dapat mempengaruhi kualitas lapisan dipengaruhi oleh laju  evaporasi  pelarut,  viskositas  larutan, konsentarsi  larutan,  kecepatan  dan  waktu  putar [4].  Selain  itu  penggunaan  jenis  pelarut  dapat mempengaruhi  ketebalan  lapisan.  Tekanan  uap pelarut  dapat  mempengaruhi  cepat  lambatnya kecepatan menguap pelarut tersebut.
Dibandingkan  dengan  pelarut  xilen,  pelarut THF  dengan  nilai  tekanan  uap  lebih  besar menghasilkan lapisan polistiren yang lebih tebal [4,5,7, 8].
Gambar  1 :Morfologi  lapisan  polistiren  konsentrasi 3% di atas QCM berdasarkan hasil SEM : (a) pelarut THF, (b)pelarut xilen
Pada dasarnya, polistiren merupakan bahan yang  memiliki  struktur  yang  amorf  sehingga mudah dilarutkan dan mudah dalam pembentukan  lapisan  pada  proses spin  coating . Berdasarkan  gambar  1  yang  diambil  dari  hasil SEM  lapisan  polistiren  dengan  konsentrasi  3% dapat  dilihat  bahwa  lapisan  polistiren  yang dihasilkan  dengan  menggunakan  pelarut  THF terlihat  lebih  kasar  dengan  ukuran  pori  yang lebih  besar  bila  dibandingkan  dengan  lapisan polistiren pelarut xilen. Sehingga dapat mempengaruhi ketebalan lapisan polistiren Hal  utama  yang  menjadi  fokus  dalam penelitian ini adalah menghasilkan lapisan yang dapat meningkatkan immobilisasi dengan permukaan  aktif  yang  lebih  banyak  dengan memanfaatkan  polimer  yaitu  polistiren  sebagai tempat  terjadinya  interaksi  biomelokul  dengan tetap menjaga kestabilan osilasi QCM agar tidak terjadi efek loading yang menyebabkan peredaman ( damping ). Xilen THF 3 0,474 0,817 4 0,605 1,42 5 0,87 3,054 6 1,046 3,163 7 1,368 3,364 kons (%) ketebalan (µm)
Tabel 2 . Nilai Tegangan Peak to Peak QCM-Polistiren pada uji kestabilan QCM

## Keterangan
Vpp 0  : tegangan QCM sebelum dilapisi polistiren Vpp 1  : tegangan QCM setelah dilapisi polistiren Vpp 2  : tegangan QCM ketika ditetesi PBS
Dari  tabel  2  dapat  dilihat  bahwa  nilai tegangan peak  to  peak QCM  menunjukkan perbedaan  yang  tidak  signifikan  baik  sebelum (Vpp  0)  maupun  setelah  dilakukan  pelapisan polistiren (Vpp 1) dengan menggunakan pelarut xilen maupun THF. Namun nilai tegangan QCM (Vpp 2) menunjukan penurunan ketika dilakukan  uji  kestabilan  dengan  meneteskan larutan  PBS  di  atas  permukaan  QCM-polistiren selama  ±  3000  detik.  Larutan  PBS  merupakan larutan buffer untuk immoblisasi protein.
Gambar 2 . Grafik perbandingan pengaruh ketebalan terhadap nilai tegangan peak to peak QCM-polistiren pada uji kestabilan QCM
Pada  gambar  2  yang  merupakan  grafik hubungan  ketebalan  dan  tegangan  dapat  dilihat bahwa  QCM-polistiren  yang  dilarutkan  dengan pelarut  xilen  menghasilkan  osilasi  yang  relatif stabil walaupun konsentrasi polistiren mencapai 7%. Hal ini ditandai dengan nilai tegangan peak to  peak  >  0  V. Hal  ini  bisa  jadi  disebabkan karena  lapisan  yang  terbentuk  sangat  tipis  dan lebih  merata.  Namun  tetap  perlu  diperhatikan bahwa  QCM  dengan  osilasi  yang  baik  harus memiliki  tegangan peak  to  peak ≥  1  V.  Hasil yang  berbeda  ditunjukkan  pada  nilai  tegangan peak  to  peak pada  QCM-polistiren  dengan pelarut  THF,  pada  konsentrasi  larutan  3%  dan 4% masih menghasilkan tegangan peak to peak di  atas  0  V.  Namun  tegangan  QCM-polistiren berangsur  menurun  hingga  bernilai  0  V  ketika lapisan  yang  digunakan  mencapai  konsentrasi 5%  hingga  7%  dengan  ∆f  di  atas  100  KHz. Nilai  tegangan peak  to  peak pada  angka  0 menunjukkan bahwa QCM tidak lagi berosilasi.
Nilai  tegangan  peak  to  peak  akhir  dari QCM  dapat  dijadikan  acuan  dalam  pemilihan QCM  pada  proses  immobilisasi  karena  dapat menunjukkan  osilasi  dan  kestabilan  frekuesni walaupun  terdapat  sedikit  gangguan  [3]. Besarnya  konsentrasi  polistiren  berpengaruh pada  pembebanan  massa  di  atas  permukaan QCM sehingga memberikan efek dumping pada QCM  itu  sendiri. Properties mekanik  pada lapisan  permukaan  dapat  dikontrol  dengan
Pelarut kons (% ) f0 (Hz) Vpp 0 (V) f1(Hz) Vpp 1 (V) ∆f (KHz) f3 (Hz) Vpp 2 (Hz) ∆f (KHz) 3 10005257 7,52 9993986 7,50 11, 271 9987027 3,92 18,230 4 10009297 7,60 9994897 7,57 14, 400 9990344 3,20 18,593 5 10004407 7,60 9983699 7,52 20, 708 9980104 1,84 24,303 6 10006933 7,68 9982014 7,48 24,919 9979652 0.16 27,281 7 10005598 7,26 9973020 6,98 32,578 9971017 0.16 34,581 3 10005881 7,60 9986426 7,56 19, 455 9981331 1,02 24,550 4 10004956 7,20 9971155 7,12 33, 801 9965653 0,16 39,303 5 10004039 7,20 9931380 7,04 72, 659 9895002 0 109,037 6 10000003 7,60 9979803 7,3 75,200 9825611 0 174,392 7 10010074 7,08 9988837 6,59 80,137 9610128 0 399,946 Xilen THF
modulus  geser  material,  ketebalan  lapisan,  dan kekasaran lapisan. Modulus geser dan ketebalan lapisan  harus  benar-benar  diperhatikan  untuk menghasilkan  impedansi  akustik  yang  rendah. Semakin tebal lapisan menghasilkan peningkatan  beban  akustik  yang  menyebabkan peningkatan impedansi listrik [2].
Dari hasil penelitian ini dapat dilihat bahwa konsentrasi  yang  ideal  untuk  mengahsilkan lapisan  polistiren  di  atas  QCM  yang  tidak menimbulkan  peredaman  adalah  konsentrasi  ≤ 5% untuk pelarut xilen dan ≤ 3% untuk pelarut THF dengan nilai tegangan peak to peak ≥ 1 V. Nilai  tegangan peak  to  peak yang  kecil dikhawatirkan akan menimbulkan ketidakstabilan  osilasi  QCM  apabila  dilakukan penambahan  massa  berupa  protein  ketika dilakukan proses immobilisasi berikutnya karena  terjadi  efek  peredaman  yang  dapat menghambat osilasi kristal.

## KESIMPULAN
Ketebalan  lapisan  polistiren  di  atas  permukaan QCM dapat mempengaruhi properties listrik dan mekanik  QCM.  Untuk  penggunaan  QCM sebagai  biosensor  sebaiknya  menggunakan konsentrasi  polistiren  ≤ 5%  untuk  pelarut  xilen dan  ≤  3%  untuk  pelarut  THF  dengan  nilai tegangan peak to peak ≥ 1 V. Pada penggunaan QCM-polistiren  sebagai  biosensor  sebaiknya menggunakan  konsentrasi  larutan  sebesar  3% agar dapat dihasilkan situs aktif sebagai matriks protein  sekaligus  tidak  memberikan  efek redaman pada QCM.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih  kepada  DIKTI  melalui  DIPA  No. 023.04.2.414989/2013  dan  ASMAT  ( Advanced System and Material Technology ) melalui DIPA Universitas  Brawijaya  (PHK  Tema  C)  SK  UB No:  295/SK/2013  atas  bantuan  dana  yang diberikan  untuk  penelitian  QCM  berbasis biosensor ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Jie, H., “Technical background,
applications and implementation of quartz crystal microbalance systems” 65 (2006)..
[2] Setyawan  P.  Sakti,  Eka  Rahmawati,  and Fadli  Robiandi,  "Solvent  effect  on polystyrene  surface  roughness  on  top  of QCM sensor",
AIP Conference Proceedings 1719, 030017 (2016) https://doi.org/10.1063/1.4943712
[3] Hudha,  L.  S.,  Sakti,  S.,  &  Masruroh,  M. Rancang  Bangun  Mini  System  Spin Coating  Untuk  Pelapisan  Sensor  Qcm (Quartz  Crystal  Microbalance) (Doctoral dissertation, Brawijaya University), 2013.
[4] Yao, Y., Huang, X., Chen, Q., Zhang, Z., &  Ling,  W.,  “High  sensitivity  and  high stability QCM humidity sensors based on polydopamine coated cellulose nanocrystals/graphene oxide nanocomposite”, Nanomaterials 10(11)
(2020)  2210.
[5] Susi  rahayu,  dkk.,    “Pengaruh  Perbedaan Pelarut  Polistiren  Terhadap  Morfologi Lapisan  Polistiren  dan  Sifat  Viskoelastik QCM Biosensor”, Natural B , 2(4) (2014) 349-354.
[6] Fitriani, S. W., Masruroh, M., & Sakti, S. P. Pengaruh  Ketebalan  Lapisan  Zinc Phthalocynine (Znpc) Di Atas Permukaan Polistiren/qcm Terhadap Sifat Viskoelastis Berdasarkan Nilai Impedansi (Doctoral dissertation, Brawijaya University), 2014.
[7] Rahmawati,  E.,  Robiandi,  F.,  Didik,  L. A.,  Rahayu,  S.,  &  Santjojo,  D.  D.  H,. “Pengaruh  Jenis  Pelarut  Xilen  dan
Tetrahidrofuran Terhadap Ketebalan Lapisan  Polistiren  dengan  Metode  Spin Coating”, Natural  B ,  2(4)  (2014)  349- 354.
[8] Djoko,  D.  J.  D.  H.,  Didik,  L.  A., Rahmawati,  E.,  Pagaga,  M.,  Masruroh, M.,  &  Sakti,  S.  P.,  “Solvent  effect  on morphology  of  polystyrene  coating  and their role to improvement for biomolecule Immobilization  in  application  of  QCM based  biosensor”.  In Applied  Mechanics and  Materials (Vol.  530,  pp.  54-57). Trans Tech Publications Ltd, 2014.