Aplication Of Carbon Nanotubes In Biosensor For The Detection Of Staphylococcus Aureus

ARTIKEL DITULIS OLEH :

• Nadia Natalia Pasaribu (4213510005)
• Joy Sergio Situomorang (4212610003)
• Naomi Sihotang (4213510009)
• Shafira Sugiri (4212510003)
• Tesalonika Simanjuntak (4213510022)

Mahasiswa/i Kimia Angkatan 2021 Universitas Negeri Medan

Sebagai Project Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Nanoteknologi dengan Dosen Pengampu Moondra Zubir, S.Si, M.Si, Ph.D

Carbon Nanotube mempunyai bentuk silinder satu dimensi dengan diameter skala nanometer dan panjang skala mikrometer. Carbon nanotube dapat didefinisikan sebagai lembaran grafit setebal 1 atom yang digulung menyerupai silinder dan memiliki diameter dengan orde nanometer. Beberapa teknik umum yang digunakan untuk identifikasi CNT meliputi:

• Mikroskop Elektron Transmisi (TEM):Teknik ini menggunakan berkas elektron berenergi tinggi untuk menghasilkan gambar CNT dengan resolusi tinggi. TEM dapat digunakan untuk menentukan diameter, kiralitas, dan jumlah lapisan dinding CNT.
• Mikroskop Elektron Scanning (SEM):SEM digunakan untuk mengamati morfologi permukaan CNT. SEM dapat memberikan informasi tentang panjang, diameter, dan cacat pada permukaan CNT.
• Spektroskopi Inframerah (FTIR):FTIR digunakan untuk mengukur serapan molekul CNT pada panjang gelombang inframerah tertentu. FTIR dapat digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsional pada permukaan CNT

Struktur Carbon Nanotube 

dapat dianalogikan dengan lembaran grafit yang digulung menjadi silinder. Grafit tersusun atas atom karbon yang tersusun dalam struktur heksagonal. Struktur heksagonal ini dapat digulung dengan berbagai cara, menghasilkan berbagai jenis CNT

• Nanotube karbon berdinding tunggal (SWCNT) : SWCNT terdiri dari satu lembar grafit yang digulung menjadi silinder.diameter SWCNT biasanya berkisar antara 1 dan 10 nanometer.

• Nanotube karbon berdinding ganda (DWCNT) : DWCNT terdiri dari dua atau lebih lembar grafit yang digulung secara konsentris. Diameter DWCNT biasanya berkisar antara 5 dan 20 nanometer.

• Nanotube karbon Multi-Dinding (MWCNT) : MWCNT terdiri dari banyak lembar grafit yang digulung bersama. Diameter MWCNT dapat bervariasi dari beberapa nanometer hingga beberapa micrometer

Biosensor

biosensor adalah alat pendeteksi biologis yang menggunakan teknologi nanoskala untuk mendeteksi molekul dalam sampel biologis dengan sensitivitas tinggi dan resolusi yang baik.

Biosensor terdiri dari dua komponen utama:

• Elemen biologis (bioreseptor): Berfungsi untuk mengenali dan mengikat zat target (analit) secara selektif. Contoh bioreseptor adalah enzim, antibodi, DNA, atau sel.
• Transduser: Mengubah interaksi biospesifik antara bioreseptor dan analit menjadi sinyal yang dapat diukur, seperti sinyal optik, elektrokimia, akustik, atau termal.

Biosensor memiliki beberapa karakteristik penting, yaitu:

• Sensitivitas: Kemampuan sensor untuk merespon perubahan konsentrasi analit per satuan.
• Selektivitas: Kemampuan sensor untuk merespon target analit saja dan tidak terpengaruh oleh zat pengganggu lainnya.
• Rentang: Rentang konsentrasi analit di mana sensor menunjukkan sensitivitas yang baik.
• Waktu tanggap: Waktu yang dibutuhkan sensor untuk mencapai 63% dari respons akhirnya terhadap perubahan konsentrasi analit.
• Reproduksibilitas: Ketepatan hasil pengukuran yang dapat diperoleh dengan sensor.
• Linearitas: Hubungan yang linear antara sinyal yang diukur dengan konsentrasi analit.
• Ketahanan: Kemampuan sensor untuk bertahan dalam kondisi lingkungan tertentu.
• Kemudahan penggunaan: Kemudahan penggunaan sensor oleh pengguna.

Teknologi Biosensor dalam Carbon Nanotube

      Gambar Biosensor berbasis CNT dengan enzim sebagai bioreseptor. ( A ) Skema biosensor nano berbasis SWCNT menggunakan elektroda cetak layar (SPE) GC diproduksi dimodifikasi dengan MWCNT, nanopartikel TiO 2 , dan cairan ionik (RTIL) yang baru diproduksi untuk deteksi glukosa; ( B ) Skema biosensor amperometri menggunakan ChOx/(GNP)4/MWCNT/GCE untuk penentuan kolin ; ( C ) Proses fabrikasi biosensor amperometri bertahap dan penghambatan peroksidase lobak pedas dalam larutan ion logam

Teknologi biosensor dalam carbon nanotube fungsinya:

• Sebagai elemen sensor untuk mendeteksi molekul biologis seperti protein,DNA, atau sel-sel
• memiliki sifat elektrik dan kimia yang sensitif terhadap perubahan lingkungan, sehingga ketika molekul target terikat pada permukaannya dia mengubah konduktivitas.
• diukur untuk mendeteksi keberadaan atau konsentrasi molekul yang dimana berguna dalam aplikasi bidang kesehatan, lingkungan dan keamanan pangan.

Sintesis Carbon Nanotube 

Sintesis carbon nanotube (CNT) dalam aplikasi biosensor melibatkan beberapa langkah yang dapat menghasilkan material yang efektif sebagai detektor biosensor. Berikut adalah beberapa langkah sintesis CNT yang relevan dalam aplikasi biosensor:

• Pemilihan Katalis: Katalis yang digunakan dalam sintesis CNT mempengaruhi kualitas dan struktur nanotube. Contohnya, Co/ Al2O3 dan Fe/ Al2O3 digunakan sebagai katalis dalam sintesis CNT menggunakan metode Chemical Vapour Deposition (CVD).
• Variasi Katalis dan Suhu: Variasi konsentrasi katalis dan suhu sintesis dapat mempengaruhi diameter dan struktur CNT. Misalnya, sintesis CNT dengan katalis Co/Al2O3 pada suhu 700C dapat menghasilkan diameter CNT yang lebih besar.
• Penggunaan Gas Asetilen: Gas asetilen digunakan sebagai sumber karbon dalam sintesis CNT. Gas ini dialirkan ke dalam reaktor dengan katalis, memungkinkan terbentuknya CNT.
• Karakterisasi: Setelah sintesis, CNT harus dikarakterisasi menggunakan teknik seperti XRD, FTIR, SEM, dan TEM untuk mengetahui struktur dan sifat fisik material.
• Penggunaan Matriks: CNT biasanya digunakan sebagai nanofiller dalam matriks seperti kitosan, yang memiliki sifat non-toksik, biokompatibel, dan biodegradable. Matriks ini membantu mempercepat kinerja biosensor.
• Penggunaan Nanopartikel: Nanopartikel seperti AgNPs, AuNPs, dan NiNPs dapat digunakan sebagai material pendukung untuk mempercepat waktu respon biosensor.

Karakterisasi nanotube dalam berbagai aspek

• Gambar SEM Sel S. aureus yang Diambil di SWCNT- Berbasis Biosensor.

       Struktur mikro SEM S. aureus pada platform sensor SWCNT disajikan pada Gambar dibawah.  Biosensor berbasis SWCNT yang bereaksi dengan buffer PBS (sensor kontrol) memperlihatkan bentuk benang kusut yang khas SWCNT pada permukaan platform sensor di bawah SEM (Gambar 5(a)). 

Saat biosensor diaplikasikan dengan S. Aureus kultur sel, gambar SEM mengungkapkan bahwa S. aureus adalah ditangkap ke permukaan biosensor berbasis SWCNT (Gambar 5(b)).

A. gambar mikroskopis elektron dari Staphylococcus aureus yang terdeteksi oleh sensor kontrol

B. antibody-immobilized biosensor

• Characterization of Au-MWNTs

     Nanokomposit Au-MWNT yang disintesis telah dikarakterisasi terized menggunakan difraksi sinar-X bubuk (XRD), transmisi mikroskop elektron (TEM) dan TEM resolusi tinggi (HRTEM). Gambar 1 membandingkan pola XRD MWNT dan Au-MWNT. Gambar 1a menunjukkan puncak yang sesuai ke bidang heksagonal grafit (002) dan (101) MWNT di 2q masing-masing bernilai 26,4 dan 44,8 derajat. Difraksi pola Au-MWNT menunjukkan puncak utama sekitar nilai 2q 40.1, 46.4, 68.0 dan 81.7 derajat, sesuai dengan bidang fcc (111), (200), (220) dan (311) masing-masing nanopartikel Au.

 

Difraktogram sinar-X dari (a) MWNT dan (b) Au-MWNT.

 Gambar 2a menunjukkan gambar TEM nanokomposit dengan distribusi nanopartikel yang homogen pada MWNT permukaan, memiliki diameter luar dan dalam sekitar 30 dan 20 nm, masing-masing. Hal ini juga menunjukkan bahwa ukuran partikel Au nanopartikel berada dalam kisaran 5-10 nm. Bidang kisi dari nanopartikel terlihat jelas dalam gambar TEM resolusi tinggi, Gambar 2b.

(a) TEM and (b) HRTEM image of Au-MWNTs nanocomposite.http://dx.doi.org/10.1039/b9nr00336c

Mekanisme kerja CNT dalam aplikasi biosensor:

• Biosensor Elektrokimia

Dalam biosensor elektrokimia, CNT bertindak sebagai elektroda kerja yang mengkatalisis reaksi redoks. Molekul biologis seperti enzim atau antibodi diimmobilisasi pada permukaan CNT. Ketika analit target hadir, reaksi redoks terjadi dan menghasilkan perpindahan elektron yang terdeteksi sebagai arus listrik atau perubahan potensial pada CNT.

• Biosensor Medan Efek (Field Effect)

           Dalam biosensor medan efek Carbon Nano Tube (CNT) memiliki sifat unik sebagai bahan semikonduktor yang sangat sensitif terhadap perubahan medan listrik di sekitarnya. Dalam biosensor ini, molekul target seperti protein atau DNA diimmobilisasi pada permukaan CNT. Ketika molekul target terikat, muatan pada molekul tersebut mengubah distribusi muatan di sekitar CNT, yang menyebabkan perubahan konduktivitas listrik pada CNT. Perubahan ini dideteksi sebagai sinyal.

https://doi.org/10.3390/bios11120486

https://doi.org/10.3390/bios11120486

• Biosensor Optik

CNT memiliki sifat optik yang unik, seperti penyerapan dan emisi cahaya pada panjang gelombang tertentu. Dalam biosensor optik, molekul target seperti protein atau DNA diimmobilisasi pada permukaan CNT. Ketika molekul target terikat, interaksi dengan CNT menyebabkan perubahan dalam penyerapan atau emisi cahaya, yang dideteksi sebagai sinyal optik.

https://doi.org/10.3390/bios11120486

DAFTAR PUSTAKA

Choi. H. K., Lee. J., Park. M. K., and Oh. J. H. (2017). Development of Single-Walled Carbon Nanotube-Based Biosensor for the Detection of Staphylococcus aureus. Journal of Food Quality, 2017, 8

Ferrier. D. C., and Honeychurch. K. C. (2021). Carbon Nanotube (CNT)-Based Biosensors. Biosensors, 11(12), 486.

Gergeroglu, H., Yildirim, S., & Ebeoglugil, M. F. (2020). Nano-carbons in biosensor applications: An overview of carbon nanotubes (CNTs) and fullerenes (C60). SN Applied Sciences, 2(4), 603.

Jha. N., and Ramaprabhu. S. (2010). Development of Aunanoparticles dispersed carbon nanotube-based biosensor for the detection ofparaoxon. Nanoscale, 2,   806-810

Lee, J. (2023). Carbon Nanotube-Based Biosensors Using Fusion Technologies with Biologicals & Chemicals for Food Assessment. Biosensors, 13(2), 183.