Elektrokimia dan Sensor Kimia

Zunayroh Nasution, M.Si., Apt

Elektrokimia dan Sel Elektrokimia Konsep termodinamika tidak hanya berhubungan dengan mesin uap, atau

transfer energi berupa kalor dan kerja

Dalam konteks kehidupan sehari-hari aplikasinya sangat luas mulai dari pemanfaatan baterei untuk menjalankan hampir semua alat elektronik hingga pelapisan logam pada permukaan logam lain

Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara perubahan (reaksi) kimia dengan kerja listrik atau sebaliknya, biasanya melibatkan sel elektrokimia yang menerapkan prinsip reaksi redoks dalam aplikasinya

Ada 2 jenis sel elektrokimia: 1. Sel Volta/Sel Galvani merubah energi kimia menjadi energi listrik Cth: Baterei (sel kering), accu

2. Sel Elektrolisis merubah energi listrik menjadi energi kimia Cth: penyepuhan, pemurnian logam

Setengah Reaksi dan Sel Elektrokimia Sel elektrokimia baik yang melepas atau menyerap energi selalu

melibatkan perpindahan elektron-elektron dari satu senyawa ke senyawa yang lain dalam suatu reaksi oksidasi reduksi

Oksidasi adalah hilangnya elektron sedangkan reduksi diperolehnya elektron

Zat pengoksidasi adalah spesies yang melakukan oksidasi, mengambil elektron dari zat yang teroksidasi

Zat pereduksi adalah spesies yang melakukan reduksi memberikan elektron kepada zat yang tereduksi

Setelah reaksi zat teroksidasi memiliki bilangan oksidasi lebih tinggi sedangkan zat tereduksi memiliki bilangan oksidasi lebih rendah

Terminologi Redoks

Sel Elektrokimia Sel Volta (sel galvani) memanfaatkan reaksi spontan

(G < 0) untuk membangkitkan energi listrik, selisih energi reaktan (tinggi) dengan produk (rendah) diubah menjadi energi listrik. Sistem reaksi melakukan kerja terhadap lingkungan

Sel Elektrolisa memanfaatkan energi listrik untuk menjalankan reaksi non spontan (G > 0) lingkungan melakukan kerja terhadap sistem

Kedua tipe sel menggunakan elektroda, yaitu zat yang menghantarkan listrik antara sel dan lingkungan dan dicelupkan dalam elektrolit (campuran ion) yang terlibat dalam reaksi atau yang membawa muatan

Elektroda Elektroda terbagi menjadi dua jenis yaitu anoda dan

katoda

Setengah reaksi oksidasi terjadi di anoda. Elektron diberikan oleh senyawa teroksidasi (zat pereduksi) dan meninggalkan sel melalui anoda

Setengah reaksi reduksi terjadi di katoda. Elektron diambil oleh senyawa tereduksi (zat pengoksidasi) dan masuk sel melalui katoda

Sel Volta dan Sel Elektrolisa

Sel Volta

PETENSIOMETRIPotensiometri adalah suatu cara analisis

berdasarkan pengukuran beda potensial sel dari suatu sel elktrokimia. Metode potensiometri digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu ion (ion selective electrode), pH suatu larutan, dan menentukan titik akhir titrasi

ELEMEN YANG DIGUNAKAN Elekroda acuan (Reference electrode) Elektroda indikator Jembatan garam Larutan yang dianalisis

Potensiometri digunakan sebagai salah satu metode utk mengukur [C] suatu lar, hubungan antara potensial sel dan [C] dapat dijelaskan melalui persamaan Nerst

Ecell = Eind Eref + EjPersamaan Nernst: E = 0,0591/n log K

Keterangan:Ecell : Potensial sel Eind : Potensial elektroda indikatorEref : Potensial elektroda acuanEj : Potensial sambungan cair (liquid junction potential)

NOTASI UMUMelektroda acuanjembatan garamlarutan yang

dianalisiselektroda indikator

SEL POTENSIOMETRI

ELEKTRODA ACUAN Adalah elektroda yang potensial standarnya

diketahui, konstan, mengikuti persamaan Nerst.

JENIS ELEKTRODA ACUAN1.Elektroda Calomel

Notasi : HgHg2Cl2 (jenuh), KCl (x M) x = konsenrasi KCl. Konsentrasi KCl jenuh lebih mudah dibuat dan

lebih sering digunakan, tetapi mudah terpengaruh oleh suhu.

Reaksi yang terjadi pada elektroda Calomel:Hg2Cl2(s) +2e 2 Hg(l) + 2Cl-(aq)

JENIS ELEKTRODA ACUAN2.Elektroda Ag/AgClNotasi :

AgAgCl (jenuh), KCl(jenuh)Reaksi Redoks: Ag+ + e Ag

AgCl + e Ag + Cl-

Logam perak sebagai elektroda yang dicelup dalam KCl jenuh dan pasta AgCl. Potensialnya pada 25oC adalah 0,199 V.

ELEKTRODA INDIKATOR

Elektroda logam Elektroda jenis pertama Elektroda jenis kedua Elektrodda jenis ketiga

Elektroda inert Elektroda membran

Elektroda kaca

ELEKTRODA MEMBRAN Pada elektroda membran, tidak ada elektron

yang diberikan oleh atau kepada membran tersebut.

Sebagai gantinya, suatu membran membiarkan ion-ion jenis tertentu menembusnya, namun melarang ion-ion lain sehingga elektroda ini sering disebut sebagai elektroda ion selektif (ISE).

Setiap ISE terdiri dari elektroda referensi yang dicelupkan dalam larutan referensi yang terdapat materi tidak reaktif seperti kaca atau plastik.

Membran dalam suatu ISE membran dapat berupa cairan ataupun kristal. Elektroda membran cair dalam bidang biologi terapan, biasanya elektroda ion selektif (ISE) etidium (Eth+).

ELEKTRODA KACA Elektroda kaca atau elektroda gelas

adalah sensor potensiometrik yang terbuat dari selaput kaca dengan komposisi tertentu. Gelas/kaca ini bertindak sebagai suatu tempat pertukaran kation.

KELEBIHAN ELEKTRODA KACA Larutan uji tidak terkontaminasi

Zat-zat yang tidak mudah teroksidasi & tereduksi tidak berinteferensi

Elektroda ini bisa dibuat cukup kecil untuk disisipkan dalam volume larutan yang sangat kecil

Tidak ada permukaan katalitis yang kehilangan aktivitasnya oleh kontaminasi seperti platina pada elektroda hidrogen.

KETERBATASAN ELEKTRODA KACA

Pada kondisi pH yang sangat tinggi (misal NaOH 0,1M dengan pH = 13) berakibat spesifisitas untuk H+ hilang Ketergatungan tegangan pH berkurang Potensial menjadi tergantung pada aNa+

MEASURE HEMATOCRIT WITH POTENTIOMETRY

Erythrocytes act as electrical insulators because of their lipid-based membrane composition.

The conductivity of whole blood depend not only on the volume fraction and shape of the erythrocytes but also on the conductivity of the surrounding plasma

An increase in the volume fraction of the erythrocytes, that are less conductive than the surrounding plasma, leads to a decrease in conductivity shown by the following relationship

MEASURE HEMATOCRIT WITH POTENTIOMETRYConductivity-based hematocrit measurements

have limitations.

Abnormal protein levels will change plasma conductivity and interfere with measurement

PRINSIP PEMERIKSAAN Cumulative Pulse Height Detection (Akumulasi pulsa/puncak sel RBC)

METODE- Hydro Dynamic Focusing Method

Flow Cytometri Method using Semikonductor Laser

- SLS-Hemoglobin Method

Automatic Automatic Instrument...Instrument...

Sysmex XN 100 B3Sysmex XN 100 B3Sysmex XT-1800Sysmex XT-1800ii

POTENTIOMETRY AND ION-SELECTIVE ELECTRODES Potentiometry is widely used clinically for the

measurement of pH, pCO2 and electrolytes (Na+ , K + , Cl- , Ca 2+ , Mg 2+ , Li + )

Elektroda selektif ion merupakan suatu elektroda membran dimana dalam elektroda larutan ini, larutan sampel tidak memberikan suatu transfer elektron seperti pada elektroda logam

Tetapi arus dibawa oleh gerakan ion mengalir melalui membran dari larutan pembanding

Selektifitas dari elektroda membran untuk suatu ion ditentukan oleh mekanisme dari perpindahan ion melalui membran

- Membran gelas (kaca), untuk penentuan ion Na+, H+,

- Membran cair, untuk penentuan K+, Ca2+, NO3- - Membran padat untuk penentuan F-,Cl-,Br-, CN- - dan gas sensor untuk penentuan NH3, CO2 - atau enzyme electrode

TIPE ELEKTRODA ION-SELECTIV

Konstruksi Ion SelektifKonstruksi Ion Selektif

POTENTIOMETRY AND ION-SELECTIVE ELECTRODES

KONDUKTOMETRIKonduktometri merupakan prosedur titrasi,

sedangkan konduktansi bukanlah prosedur titrasi

Metode konduktansi dapat digunakan untuk mengikuti reaksi titrasi. Jika perbedaan antar konduktansi cukup besar sebelum dan sesudah penambahan reagen, tetapan sel harus diketahui

Selama pengukuran yang berturut-turut jarak elektroda harus tetap

Hantaran sebanding dengan konsentrasi dengan larutan pada temperatur tetap, tetapi pengenceran akan menyebabkan hantarannya tidak berfungsi secara linear lagi dengan konsentrasi

KONDUKTOMETRIUntuk mengukur konduktivitas suatu larutan,

larutan diletakkan dalam sebuah sel, dimana tetapan selnya telah ditetapkan dengan kalibrasi dengan larutan yang konduktivitasnya sudah diketahui.

Mis: Lar. KCl standar, sel diletakkan dalam 1 lengan dari rangkaian jembatan Wheatstone dan resistansnya diukur

MEASURE HEMATOLOGY WITH CONDUCTOMETRY

DEFINISI BIOSENSOR Alat untuk mendeteksi suatu analit yang

menggabungkan komponen biologis dengan komponen detektor fisikokimia

Pregnancy test

Glucose monitoring device (for diabetes patients)

Father of the Biosensor Father of the Biosensor

Professor Leland C Clark JnrProfessor Leland C Clark Jnr 1918191820052005

History of BiosensorsHistory of Biosensors1916 First report on immobilization of proteins : adsorption of

invertase on activated charcoal1922 First glass pH electrode 1956 Clark published his definitive paper on the oxygen electrode1962 First description of a biosensor: an amperometric enzyme

electrodre for glucose (Clark)

1969 Guilbault and Montalvo First potentiometric biosensor:urease immobilized on an ammonia electrode to detect urea

1970 Bergveld ion selective Field Effect Transistor (ISFET)1975 Lubbers and Opitz described a fibre-optic sensor with

immobilised indicator to measure carbon dioxide or oxygen.

1975 First commercial biosensor ( Yellow springs Instruments glucose biosensors)

1975 First microbe based biosensor, First immunosensor

1976 First bedside artificial pancreas (Miles)1980 First fibre optic pH sensor for in vivo blood gases (Peterson)1982 First fibre optic-based biosensor for glucose1983 First surface plasmon resonance (SPR) immunosensor1984 First mediated amperometric biosensor: ferrocene used with

glucose oxidase for glucose detection1987 Blood-glucose biosensor launched by MediSense ExacTech1990 SPR based biosensor by Pharmacia BIACore1992 Hand held blood biosensor by i-STAT1996 Launching of Glucocard1998 Blood glucose biosensor launch by LifeScan FastTake1998 Roche Diagnostics by Merger of Roche and Boehringer

mannheimCurrent Quantom dots, nanoparicles, nanowire, nanotube, etc

Biosensor Any device that uses specific biochemical reactionsthat uses specific biochemical reactions to detect chemical compoundsto detect chemical compounds in biological samples.

Components of a BiosensorComponents of a Biosensor

Detector

Bioreseptor berfungsi untuk mengenali biomolekul (analite) yang Bioreseptor berfungsi untuk mengenali biomolekul (analite) yang diinginkandiinginkan Transduser berfungsi merubah sinyal biokimia yang dihasilkan dari Transduser berfungsi merubah sinyal biokimia yang dihasilkan dari interaksi antara analit dengan bioreseptor menjadi sinyal listrikinteraksi antara analit dengan bioreseptor menjadi sinyal listrik

Analyte

Sample handling/preparation

DetectionSignal

Analysis

Response

Components of a BiosensorComponents of a Biosensor

1. The Analyte ( What do you want to detect ? )

BiosensorBiosensor

Molecule - Protein, toxin, peptide, vitamin, sugar, metal ion

Protein Glucose

DNA

Bacteria

2. Sample handling

How to do deliver the analyte to the sensitive region?

(Micro) fluidicsConcentration (increase/decrease)

Filtration/selection

BiosensorBiosensor

3. RecognitionHow do you specifically recognize the analyte?

Other:

enzyme/substrate

PNA/DNA or PNA/RNA

Antibody

Antigen

DNA

Complementary DNA

BiosensorBiosensor

4. Detection/RecognitionBiosensorBiosensor

Fab

Antibody

FcEnzyme

Active site

Cell

Membrane receptors

Polymer/Hydrogel

Competitive binding

How do you specifically recognize the analyte?

enzyme/substrate; antigen/antibody; DNA/DNA; DNA/transcription activator; mRNA/DNA; PNA/DNA or PNA/RNA; microorganism/substrate;

BiosensorBiosensor5. Signal

Specific recognition?

DNA PROTEIN

Complementary

How do you know there was a detection ?

Common signaling principlesOptical (Fluoresence, Scanometric)

Electrical (Voltammetry, Potentiometry, conductivity)

Mass (QCM,Piezoelectric)

HIGH SENSITIVITYHIGH SELECTIVITY

Improving SIGNAL....

AMPLIFICATIONAMPLIFICATIONAMPLIFICATION

Signal LOW

SECONDARY SIGNAL

AMPLIFIER

Signal HIGH

Magnectic bead, fluorecent dye,

enzyme etc

Improving SIGNAL....AMPLIFICATIONAMPLIFICATIONAMPLIFICATION

PCRPCR

ELISA(Immunoblothing)

ELISA(Immunoblothing)

DRAWBACKDRAWBACKCOMPLICATEDCOMPLICATED

EXPENSIVEEXPENSIVE

LABOR INTENSIVE PROCEDURELABOR INTENSIVE PROCEDURE

TIME CONSUMINGTIME CONSUMING

NARROW TARGET QUANTITATIONNARROW TARGET QUANTITATION

!!!!!!

Basic Characteristics of a Biosensor

1. LINEARITYLinearity of the sensor should be high for the detection of high substrate concentration

2. SENSITIVITY Value of the electrode response persubstrate concentration

3. SELECTIVITY Chemicals interference must be minimised for obtaining the correct result

4. RESPONSE TIME Time necessary for having 95% of the response

Example of biosensorsExample of biosensors

Pregnancy test

Detects the hCG protein in urine.

Glucose monitoring device (for diabetes patients) Monitors the glucose level in the blood.

Infectous disease biosensor from RBS

Example of biosensorsExample of biosensors

FluorescenceDNA MicroarraySPR Surface plasmon resonanceImpedance spectroscopySPM (Scanning probe microscopy, AFM, STM)QCM (Quartz crystal microbalance)SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)Electrochemical

Typical Sensing Techniquesfor Biosensors

Types of BiosensorsTypes of Biosensors

1. Calorimetric Biosensor2. Potentiometric Biosensor3. Amperometric Biosensor4. Optical Biosensor5. Piezo-electric Biosensor

Piezo-Electric Biosensors

The change in frequency is proportional to the mass of absorbed material.

Piezo-electric devices use gold to detect the specific angle at which electron waves are emitted when the substance is exposed to laser light or crystals, such as quartz, which vibrate under the influence of an electric field.

Potentiometric Biosensor For voltage: Change in

distribution of charge is detected using ion-selective electrodes,

such as pH-meters.

Optical Optical BBiosensorsiosensorsColorimetric for color

Measure change in light adsorption

Photometric for light intensityPhoton output for a luminescent or

fluorescent process can be detected with photomultiplier tubes or photodiode systems.

Calorimetric BiosensorsCalorimetric BiosensorsIf the enzyme catalyzed reaction is exothermic,

two thermistors may be used to measure the difference in resistance

between reactant and product and, hence, the analyte concentration.

Electrochemical DNA BiosensorElectrochemical DNA Biosensor

Steps involved in electrochemical DNA Steps involved in electrochemical DNA hybridization biosensors:hybridization biosensors: Formation of the DNA recognition layerFormation of the DNA recognition layer Actual hybridization eventActual hybridization event Transformation of the hybridization event Transformation of the hybridization event

into an electrical signalinto an electrical signal

Motivated by the application to clinical diagnosis and genome mutation detection

Types DNA Biosensors ElectrodesElectrodes ChipsChips CrystalsCrystals

DNA biosensor

Food Analysis Study of biomolecules and their interaction Drug Development Crime detection Medical diagnosis (both clinical and laboratory use)(both clinical and laboratory use) Environmental field monitoring Quality control Industrial Process Control Detection systems for biological warfare agents Manufacturing of pharmaceuticals and replacement organs

Application of Biosensor

Multidisiplin dimensi desain Prototipe Biosensor dan Integrasi Sisitem

APLIKASI BIOSENSOR UNTUK PEMERIKSAAN GLUKOSAClark juga mengetahui bahwa enzim bernama

glucose oxidase (GOD) bereaksi secara spesifik dengan glukosa serta diproduksi secara alamiah oleh jamur Aspergillus niger. Hal ini menginspirasinya untuk membuat alat pengukur kadar gula darah berdasarkan reaksi biokimia dengan enzim GOD dan kemudian mengukurnya secara elektrokimia.

Molekul glukosa yang dioksidasi oleh enzim GOD menghasilkan elektron yang ditangkap oleh elektroda sehingga kadar glukosa berbanding lurus dengan sinyal elektronik yang diterima.

Example.... Blood Glucose Biosensor

enzyme glucose oxidase to break blood glucose down

it first oxidizes glucose and uses two electrons to reduce the FAD (a component of the enzyme) to FADH2. This in turn is oxidized by the electrode (accepting two electrons from the electrode) in a number of steps

resulting current is a measure of the concentration of glucose. In this case, the electrode is the transducer and the enzyme is the biologically active component

Prinsip PemeriksaanPrinsip Pemeriksaan Automatic Automatic Instrument...Instrument...

Glucose-Hexokinase

Automatic Automatic Instrument...Instrument...

HbA1C-HPLC

Kromatografi cair kenerja Tinggi Kromatografi cair kenerja Tinggi /HPLC (High Performance Liquid /HPLC (High Performance Liquid Chromatography) penukar ionChromatography) penukar ion