PENGARUH BERAT MOLEKUL POLISTIREN (PS) TERHADAP …repository.ub.ac.id/4769/1/Tyas Nurul Zafirah.pdf · 2020. 6. 2. · QCM dengan variasi berat molekul polistiren, yaitu 35.000 g/mol,

PENGARUH BERAT MOLEKUL POLISTIREN (PS)

TERHADAP PERMUKAAN QCM (QUARTZ CRYSTAL

MICROBALANCE) HASIL MODIFIKASI DENGAN TEKNIK

PLASMA NITROGEN

SKRIPSI

Oleh:

Tyas Nurul Zafirah

(135090300111023)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2017




PLASMA NITROGEN

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains dalam bidang Fisika

Oleh:

Tyas Nurul Zafirah

(135090300111023)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2017

LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI



MICROBALANCE) HASIL MODIFIKASI DENGAN

TEKNIK PLASMA NITROGEN

Oleh:

Tyas Nurul Zafirah

135090300111023

Setelah dipertahankan di depan Majelis Penguji

Pada tanggal ………………….

Dan dinyatakan memenuhi syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains dalam bidang fisika

Pembimbing I

Dr.Eng. Masruroh, S.Si., M.Si

NIP. 19751231.200212.2.002

Pembimbing II

Dr.Ing. Setyawan P Sakti, M.Eng

NIP. 19650825.199002.1.001

Mengetahui,

Ketua Jurusan Fisika

Fakultas MIPA Universitas Brawijaya

Prof. Dr.rer. nat. Muhammad Nurhuda

NIP.19640910.199002.1.001

LEMBAR PERNYATAAN

Saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : TYAS NURUL ZAFIRAH

NIM : 135090300111023

Jurusan : FISIKA

Penulisan Skripsi berjudul:



MICROBALANCE) HASIL MODIFIKASI DENGAN

TEKNIK PLASMA NITROGEN

Dengan ini menyatakan bahwa:

1. Isi dari Skripsi yang saya buat adalah benar-benar karya sendiri dan tidak menjiplak karya orang lain, selain nama-nama yang termaktub di isi dan tertulis di daftar pustaka dan Tugas Akhir ini.

2. Apabila dikemudian hari ternyata Skripsi yang saya tulis terbukti hasil jiplakan, maka saya akan bersedia menanggung resiko yang akan saya terima.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan segala kesadaran.

Malang, 9 Agustus 2017

Yang menyatakan

(Tyas Nurul Zafirah)

NIM. 135090300111023




PLASMA NITROGEN

ABSTRAK

Pada penelitian ini dilakukan pengamatan pada permukaan QCM dengan variasi berat molekul polistiren, yaitu 35.000 g/mol,

192.000 g/mol, dan 280.000 g/mol yang kemudian diberi perlakuan

plasma nitrogen. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh berat molekul polistiren yang dideposisikan pada

permukaan QCM hasil modifikasi plasma nitrogen terhadap

kekasaran, tingkat kebasahan, dan kemampuannya dalam imobilisasi Salmonella enteriditis, serta mengetahui akibat perlakuan plasma

nitrogen terhadap pembentukan gugus fungsi baru. Lapisan tipis

polistiren dideposisikan dengan teknik spin coating dan kemudian

diberi perlakuan plasma nitrogen selama 2 menit, daya 40 Watt, tekanan 0.3 Torr, dan laju alir gas nitrogen 20 mL/menit.

Karakterisasi yang dilakukan menggunakan mikroskop optik, TMS-

1200 Polytech TopMap-µLab, contact angle measurement, FTIR, dan seperangkat alat uji imobilisasi. Hasil karakterisasi menunjukkan

nilai kekasaran dan tingkat kebasahan akan mengalami peningkatan

sebanding dengan kenaikan berat molekul polistiren, adapun untuk kemampuannya dalam imobilisasi Salmonella enteriditis

menunjukkan bahwa QCM/PS yang telah diberi perlakuan plasma

memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan QCM/PS tanpa

perlakuan plasma. Penambahan berat molekul polistiren meningkatkan kemampuannya dalam imobilisasi Salmonella

enteriditis. Akibat adanya perlakuan plasma nitrogen menyebabkan

penurunan nilai kekasaran dan tingkat kebasahan, serta terbentuknya gugus fungsi C≡N, dengan intensitas absorbsi yang semakin besar

sebanding dengan peningkatan berat molekul polistiren.

Kata Kunci : Polistiren, Berat Molekul, Kekasaran, Tingkat

Kebasahan, FTIR, Imobilisasi, Plasma Nitrogen

THE EFFECT OF POLYSTYRENE (PS) MOLECULAR

WEIGHT ON THE QCM (QUARTZ CRYSTAL

MICROBALANCE) SURFACE TREATED WITH NITROGEN

PLASMA

ABSTRACT

On this research, observations on QCM surface were made with variation of polystyrene molecular weight, are 35.000 g/mol, 192.000

g/mol, and 280.000 g/mol, then treated with nitrogen plasma. The

purpose of this research is to know the effect of polystyrene molecular weight deposited on the surface QCM (Quartz Crystal

Microbalance) treated with nitrogen plasma to its roughness,

wettability, its ability to immobilize Salmonella enteriditis, and the effect of nitrogen plasma treatment on the formation of new

functional groups. A thin layer of polystyrene deposited with spin

coating technique and then treated with nitrogen plasma for 2

minutes, power 40 Watt, pressure 0.3 Torr, and nitrogen gas flow rate 20 mL/min. The characterizations of polystyrene surface (PS)

performed using optical microscope, TMS-1200 Polytech TopMap-

µLab, contact angle measurement, FTIR, and immobilization test kit. The characterization results show the roughness and wettability

increased due to the increase in polystyrene molecular weight.

QCM/PS treated with plasma nitrogen provides better results on immobilization Salmonella enteriditis than QCM/PS without plasma

treatment. The increasing of polystyrene molecular weight increases

its ability in immobilizing Salmonella enteriditis. Due to nitrogen

plasma treatment causes a decrease in the value of roughness and wettability, as well as the formation of C≡N functional group, which

is increasing absorption intensity is proportional to the increase in

polystyrene molecular weight.

Keywords : Polystyrene, Molecular Weight, Roughness,

Wettability, FTIR, Immobilization, Nitrogen Plasma

Kata Pengantar

Puji syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan rahmat

dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang dilaksanakan di Laboratorium Material Maju dan Plasma serta

Laboratorium Teknologi Sensor Jurusan Fisika, Laboratorium

Analisis Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam, Universitas Brawijaya. Shalawat serta salam penulis haturkan kepada Nabi Muhammad SAW, beserta keluarga dan para sahabat

beliau.

Skripsi ini disusun untuk memberikan informasi mengenai

penelitian yang berjudul “Pengaruh Berat Molekul Polistiren (PS)

Terhadap Permukaan QCM (Quartz Crystal Microbalance) Hasil Modifikasi Dengan Teknik Plasma Nitrogen”. Serangkaian

penelitian tersebut dilaksanakan bulan Desember 2016 sampai

selesai. Penelitian ini didanai oleh hibah desentralisasi Penelitian

Unggulan Perguruan Tinggi (PUPT) No: 137/SP2H/LT/DPRM/III/2016 dan RISTEK DIKTI melalui LPPM

UB.

Selama proses pembuatan skripsi ini, penulis mendapatkan

dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Tanpa bantuan tersebut,

penulis tidak akan dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan tepat waktu. Ucapan terimakasih penulis ucapkan kepada :

1. Ayah dan Mama tercinta (Yuli Giswantoro dan almh Rika Zubainar) yang telah membesarkan, menyayangi,

mendorong dan membantu penulis selama ini.

2. Adikku Hapsari Mahdiyatul Karomah dan Muhammad Hidayatullah Khalafi atas semangat, hiburan, dan motivasinya bagi penulis.

3. Bapak Prof. Dr.rer.nat Muhammad Nurhuda selaku Ketua Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Brawijaya yang telah memberikan izin dan kesempatan kepada penulis untuk

melaksanakan tugas akhir.

4. Ibu Dr.Eng. Masruroh S.Si., M.Si selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis.

5. Bapak Dr. Ing. Setyawan Purnomo Sakti, M.Eng selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan

arahan kepada penulis. 6. Seluruh Bapak dan Ibu dosen atas segala ilmu dan

bimbingan yang telah diberikan.

7. Seluruh laboran beserta jajaran Staff Jurusan Fisika Universitas Brawijaya atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis.

8. Sahabat-sahabatku, Sri Ageng Sukowati dan Rani Fitri Kusumawardhani yang selalu memberikan dukungan, bantuan, dan motivasi bagi penulis selama penulisan skripsi

ini.

9. Rekan sekelompok penelitian Agnesya Ayu Febriani yang telah berjuang bersama-sama selama proses penelitian

hingga penulisan skripsi ini.

10. Teman-teman satu bimbingan penelitian (Mbak Lela, Daniel, Rudi, Somad, Haris, Bintang, Fahmi, dan Bintang Muslim) yang telah berjuang bersama-sama menyelesaikan penelitian

ini.

11. Rekan-rekan Penelitian ASMAT (Mbak Nur, Mbak Sukma, Mbak Nike, Mas Ridha, dan Mas Imran) atas bantuan dan

bimbingannya selama ini.

12. Teman-teman fisika angkatan 2013 atas dukungan serta pertemanan kita selama ini.

13. Serta semua pihak yang telah membantu penulis dalam penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

Penulis menyadari skripsi ini masih jauh dari sempurna, karena

itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk

penulis agar lebih baik lagi selanjutnya.

Malang, 18 Juli 2017

Penulis

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI .......................................... 3

LEMBAR PERNYATAAN........................................................... 5

ABSTRAK .................................................................................... 7

ABSTRACT .................................................................................. 9 Kata Pengantar ........................................................................... 11

DAFTAR ISI ............................................................................... 13

DAFTAR GAMBAR ................................................................... 15 DAFTAR TABEL ....................................................................... 17

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................... 19

BAB I PENDAHULUAN ............... Error! Bookmark not defined. 1.1. Latar Belakang ....................Error! Bookmark not defined.

1.2. Rumusan Masalah ...............Error! Bookmark not defined.

1.3. Batasan Masalah ..................Error! Bookmark not defined.

1.4. Tujuan Penelitian.................Error! Bookmark not defined. 1.5. Manfaat Penelitian ...............Error! Bookmark not defined.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .... Error! Bookmark not defined. 2.1. QCM (Quartz Crystal Microbalance)Error! Bookmark not defined. 2.2. Karakteristik Polistiren ........Error! Bookmark not defined.

2.3. Metode Deposisi Lapisan Tipis Dengan Teknik Spin

Coating ...............................Error! Bookmark not defined. 2.4. Plasma Nitrogen ..................Error! Bookmark not defined.

2.5. Interaksi Antara Plasma Dengan Permukaan PolimerError! Bookmark not defined.

2.6. Teknik Imobilisasi Sel .........Error! Bookmark not defined.

2.7. Teknik Pengukuran Sudut Kontak (Contact Angle)Error! Bookmark not defined. 2.8. Uji Kekasaran Permukaan....Error! Bookmark not defined.

2.9 FTIR (Fourier Transform Infrared)Error! Bookmark not defined.

BAB III METODE PENELITIAN Error! Bookmark not defined. 3.1. Waktu dan Tempat PelaksanaanError! Bookmark not defined.

3.2. Alat dan Bahan ....................Error! Bookmark not defined.

3.3. Tahapan Penelitian ..............Error! Bookmark not defined.

3.3.1. Persiapan Sampel ......... Error! Bookmark not defined. 3.3.2. Pembuatan Larutan ...... Error! Bookmark not defined.

3.3.4. Karakterisasi QCM Sebelum Plasma Treatment . Error!

Bookmark not defined. 3.3.5. Modifikasi Permukaan dengan Plasma Nitrogen . Error!

Bookmark not defined.

3.3.6 Karakterisasi QCM Setelah Plasma Treatment .... Error!

Bookmark not defined. 3.3.7 Pengukuran Kemampuan Imobilisasi QCM ......... Error!

Bookmark not defined. 3.3.8 Pengujian Pembentukan Gugus Fungsi dengan FTIR

Error! Bookmark not defined.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN....... Error! Bookmark not defined.

4.1. Pengaruh Berat Molekul Polistiren Terhadap Nilai

Kekasaran (Roughness) QCM Hasil Modifikasi Plasma Nitrogen .............................. Error! Bookmark not defined.

4.2. Pengaruh Berat Molekul Polistiren Terhadap Sifat

Hidrofobisitas QCM Hasil Modifikasi Plasma NitrogenError! Bookmark not defined. 4.3. Pengaruh Modifikasi Plasma Nitrogen Terhadap

Pembentukan Ikatan Kimia di Permukaan QCMError! Bookmark not defined.

4.4. Hasil Imobilisasi Salmonella enteriditis Pada QCMError! Bookmark not defined.

BAB V PENUTUP ......................... Error! Bookmark not defined. 5.1. Kesimpulan ......................... Error! Bookmark not defined.

5.2. Saran ................................... Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ..................... Error! Bookmark not defined. LAMPIRAN ................................... Error! Bookmark not defined.

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Penampang QCM dengan elektroda perakError! Bookmark not defined. Gambar 2. 2 Efek piezoelektrik akibat (a) pemberian medan

listrik, (b) perlakuan mekanikError! Bookmark not defined. Gambar 2. 3 Struktur Kimia PolstirenError! Bookmark not defined. Gambar 2. 4 Tahapan deposisi lapisan tipis dengan metode

spin coating (a) deposisi, (b) spin-up, (c) spin-off,

(d) evaporasi ...........Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 5 Modifikasi Permukaan Polimer Dengan Plasma

(a) Pembentukan Grup Fungsionalisasi,(b)

Mempengaruhi Kekasaran Permukaan,(c)

Pembentukan Crosslink, (d)Graft Polymerization, (e)Coating Lapisan TipisError! Bookmark not defined.

Gambar 2. 6 Berbagai Metode ImobilisasiError! Bookmark not defined. Gambar 2. 7 Berbagai sudut θ yang dapat terbentuk antara

liquid dengan permukaan targetError! Bookmark not defined. Gambar 2. 8 Kekasaran rata-rata RaError! Bookmark not defined. Gambar 2. 9 Interferometer dengan sumber cahaya putihError! Bookmark not defined. Gambar 2. 10 Pembagian Daerah Inframerah Berdasarkan

Panjang Gelombang Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 11 Spektrum Inframerah dalam mode (a) Absorbsi,

(b) Transmitansi ......Error! Bookmark not defined. Gambar 2. 12 Macam-Macam Vibrasi Pada Molekul

Poliatomik (a)Stretching Vibration, (b)Bending

Vibration .................Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 1 Diagram alir proses pembuatan larutan polistirenError! Bookmark not defined. Gambar 3. 2 Diagram alir proses deposisi polistiren diatas

QCM .......................Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 3 Diagram Alir Karakterisasi Sebelum Plasma

Treatment ................Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 4 Diagram Alir Proses Modifikasi Dengan Plasma

Nitrogen ..................Error! Bookmark not defined. Gambar 3. 5 Diagram Alir Karakterisasi Setelah Plasma

Treatment ................Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 1 Grafik Nilai Kekasaran Polistiren Sebelum dan

Sesudah Perlakuan PlasmaError! Bookmark not defined. Gambar 4. 2 Morfologi permukaan Polistiren sebelum

perlakuan plasma.....Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 3 Morfologi permukaan Polistiren setelah

perlakuan plasma .... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 4 Perbandingan Spektra FTIR Antara Polistiren

Tanpa Perlakuan Plasma (warna merah) Dengan

Setelah Plasma (warna biru)Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 5 Perbandingan Intensitas Gugus Fungsi Nitril

Pada Polistiren 35.000 g/mol (ungu), 192.000 g/mol (hijau), 280.000 g/mol (merah) Hasil

Modifikasi Plasma NitrogenError! Bookmark not defined. Gambar 4. 6 Grafik Perubahan Frekuensi Terhadap Waktu

Untuk Imobilisasi Antigen 0.1212 ppm Pada

QCM Tanpa Perlakuan PlasmaError! Bookmark not defined. Gambar 4. 7 Grafik Perubahan Frekuensi Terhadap

WaktuUntuk Imobilisasi Antigen 0.1212 ppm

Pada QCM Setelah Perlakuan PlasmaError! Bookmark not defined. Gambar 4. 8 Grafik Perbandingan Perubahan Frekuensi Pada

Konsentrasi Antigen 0.1212 ppmError! Bookmark not defined. Gambar 4. 9 Grafik Perbandingan Perubahan Frekuensi Pada

Konsentrasi Antigen 0.2424 ppmError! Bookmark not defined. Gambar 4. 10 Grafik Perbandingan Perubahan Frekuensi Pada

Konsentrasi Antigen 0.3636 ppmError! Bookmark not defined. Gambar 4. 11 Grafik Perbandingan Perubahan FrekuensiError! Bookmark not defined.

DAFTAR TABEL

Tabel 4. 1 Tabel Perbandingan Perbedaan Kekasaran Polistiren Sebelum dan Sesudah Perlakuan PlasmaError! Bookmark not defined.

Tabel 4. 2 Perbedaan Sudut Kontak Masing-Masing Berat

Molekul Polistiren Sebelum dan Sesudah Perlakuan

Plasma .........................Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 3 Gugus Fungsi yang Terbentuk Pada Permukaan

QCM/PS ......................Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 4 Intensitas Nitril yang Terbentuk Setelah Perlakuan

Plasma .........................Error! Bookmark not defined. Tabel 4. 5 Tabel Perbandingan Perubahan Frekuensi dalam

Imobilisasi Salmonella enteritidisError! Bookmark not defined.

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A Data Kekasaran PolistirenError! Bookmark not defined. Lampiran A. 1 Data Kekasaran Polistiren Sebelum

Perlakuan Plasma NitrogenError! Bookmark not defined. Lampiran A. 2 Data Kekasaran Polistiren Sebelum

Perlakuan Plasma NitrogenError! Bookmark not defined. LAMPIRAN B Sudut Kontak PolistirenError! Bookmark not defined.

Lampiran B. 1 Sudut Kontak Polistiren Sebelum Perlakuan

Plasma NitrogenError! Bookmark not defined. No table of figures entries found.Lampiran B. 2 Sudut Kontak Polistiren Setelah Perlakuan Plasma Nitrogen Error! Bookmark not defined.

No table of figures entries found. LAMPIRAN C Hasil Imobilisasi Salmonella enteritidisError! Bookmark not defined.

No table of figures entries found. LAMPIRAN D Hasil FTIR (Fourier Transform Infrared)Error! Bookmark not defined.

Gambar D. 1 Perbandingan Spektra FTIR Antara

Polistiren 35.000 g/mol Tanpa Plasma (warna merah) dengan Setelah Perlakuan

Plasma (warna biru)Error! Bookmark not defined. Gambar D. 2 Perbandingan Spektra FTIR Antara

Polistiren 192.000 g/mol Tanpa Plasma

(warna merah) dengan Setelah Perlakuan

Plasma (warna biru)Error! Bookmark not defined. Gambar D. 3 Perbandingan Spektra FTIR Antara

Polistiren 280.000 g/mol Tanpa Plasma

(warna merah) dengan Setelah Perlakuan

Plasma (warna biru)Error! Bookmark not defined. Tabel D. 1 Frekuensi Absorbsi Beberapa MolekulError! Bookmark not defined.

LAMPIRAN E Gambar Alat ........... Error! Bookmark not defined. Gambar E. 1 Vacuum Spin CoaterError! Bookmark not

defined. Gambar E. 2 Ultrasonic Cleaner Error! Bookmark not defined. Gambar E. 3 Contact Angle MeasurementError! Bookmark not

defined. Gambar E. 4 Frekuensi Counter Error! Bookmark not defined. Gambar E. 5 TMS 1200 Polytech TopMap-μLab ............. Error!

Bookmark not defined. Gambar E. 6 Plasma Nitrogen dan Tabung Gas Nitrogen . Error!

Bookmark not defined. Gambar E. 7 Generator Plasma .. Error! Bookmark not defined.

Gambar E. 8 Mikroskop Optik .. Error! Bookmark not defined.

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

QCM (Quartz Crystal Microbalance) adalah kristal kuarsa AT-

Cut dimana kedua sisinya dilapisi oleh elektroda yang bekerja

dengan memanfaatkan prinsip piezoelektrik. Artinya setiap

perubahan massa yang terjadi dapat terdeteksi, ditandai dengan

adanya perubahan frekuensi. QCM banyak digunakan dalam bidang

sensor mulai tahun 1959 sejak Sauerbrey berhasil menemukan

hubungan antara perubahan resonansi frekuensi dengan perubahan

densitas massa pada bagian permukaan sensornya. Secara teoritis,

perubahan massa akan sebanding dengan kuadrat frekuensi resonansi

(Montagut dkk., 2008).

Polistiren terbentuk dari kumpulan monomer stiren yang

memiliki rantai hidrokarbon panjang dengan gugus fenil yang

menempel pada atom karbonnya dan dilambangakan dengan rumus

kimia C8H8 (Gray 2011). Deposisi polistiren pada permukaan QCM

menimbulkan interaksi berupa adsorpsi yang dapat dimanfaatkan

untuk imobilisasi antigen atau antibodi serta dapat menghindari

terjadinya oksidasi pada elektroda QCM. Proses deposisi polistiren

ini tidak menyebabkan QCM damping (Sakti et.al, 2000). Polistiren

memiliki berat molekul dan derajat polimerisasi yang bervariasi

(Ghosh 2006), adapun variasi berat molekul yang digunakan pada

deposisi QCM, ternyata memberikan dampak terhadap kekasaran

permukaan dan hidrofobisitas. Semakin besar berat molekul

polistiren yang digunakan maka permukaan yang dihasilkan akan

semakin hidrofobik (Sakti dkk., 2017).

QCM dalam perannya sebagai biosensor berkaitan erat dengan

kemampuannya dalam mengikat (immobile) biomolekul maupun

mikroorganisme. Menurut Sakti & Santjojo (2012), perbedaan teknik

pelapisan polistiren pada QCM akan mempengaruhi jumlah

biomolekul yang berhasil diikat dan dideteksi. Penumbuhan

polistiren dengan teknik air brush menujukkan hasil yang lebih baik

dibandingkan dengan teknik spin coating. Masruroh dkk., (2014)

melakukan variasi jenis pelarut yang digunakan untuk melarutkan

polistiren. Diantara beberapa pelarut yang digunakan yakni toluene,

2

chloroform, xylene, dan THF (Tetrahydrofuran) diperoleh hasil

bahwa, dengan pelarut chloroform imobilisasi biomolekul pada

permukaan QCM menunjukkan hasil yang lebih siginifikan, adapun

imobilisasi biomolekul yang telah dilakukan yaitu pada protein BSA

(Bovine Serum Albumin). Interaksi yang terjadi berupa adsorpsi

fisika (Sakti & Santjojo 2012). Tetapi interaksi tersebut relatif lemah

sehingga memungkinkan terjadinya desorpsi (Brena dkk., 2013),

yaitu pelepasan biomolekul tersebut dari permukaan QCM sehingga

biomolekul tersebut berubah menjadi gas. Oleh karena itu, dilakukan

modifikasi permukaan dengan radiasi UV. Ternyata, diperoleh hasil

bahwa terbentuk suatu gugus karbonil dan hidroksil yang bersifat

polar (Sakti dkk., 2017). Adanya gugus-gugus tersebut sebagai efek

dari modifikasi polistiren (polimer) diharapkan mampu mengikat

biomolekul/mikroorganisme dengan reaksi berupa ikatan kovalen,

dimana teknik tersebut bersifat stabil (Brena dkk., 2013).

Modifikasi permukaan polimer menggunakan plasma

merupakan salah satu cara paling efektif. Hal ini dikarenakan,

plasma dapat memodifikasi sifat fisika dan sifat kimia dari

permukaan tanpa mempengaruhi karakter polimer secara

keseluruhan. Selain itu, metode ini juga membutuhkan waktu

treatment yang lebih pendek dibandingkan dengan metode

modifikasi permukaan lainnya. Ketika plasma dipaparkan pada

permukaan polimer, maka akan terbentuk fungsionalisasi grup, graft

polymerization, coating, dan pembentukan crosslink molekul.

Pembentukan tersebut dapat mempengaruhi dan sebagian lainnya

tidak mempengaruhi kekasaran dari polimer (Yoshida dkk., 2013).

Untuk membuktikan terbentuknya berbagai fenomena kimiawi

tersebut maka perlu dilakukan pengujian FTIR (Fourier Transform

Infrared). FTIR merupakan salah satu instrument yang menggunakan

prinsip spektroskopi yang berguna untuk identifikasi senyawa

organik karena spektrumnya yang sangat kompleks yang terdiri dari

puncak-puncak. Dan masing-masing kelompok fungsional menyerap

sinar inframerah pada frekuensi yang unik (Silviyah dkk., 2003).

3

1.2. Rumusan Masalah

Pada penelitian ini rumusan masalah yang akan dipaparkan

sebagai berikut :

1) Bagaimana pengaruh berat molekul polistiren terhadap nilai kekasaran (roughness) permukaan QCM yang

telah dipaparkan plasma nitrogen ?

2) Bagaimana pengaruh berat molekul polistiren terhadap sifat hidrofobisitas dan tingkat kebasahan QCM yang

telah dipaparkan plasma nitrogen ?

3) Bagaimana pengaruh metode plasma nitrogen terhadap terbentuknya ikatan kimia pada permukaan QCM ?

4) Bagaimana efisiensi QCM dalam imobilisasi Salmonella enteriditis akibat adanya variasi berat

molekul polistiren dan perlakuan plasma nitrogen ?

1.3. Batasan Masalah

Guna mempersempit fokus pembahasan, maka ditetapkan

batasan-batasan masalah sebagai berikut :

1) Polistiren dilarutkan dalam pelarut kloroform. 2) Konsentrasi Polistiren sebesar 3%. 3) Dalam proses plasma nitrogen, dilakukan pemaparan

selama 2 menit dengan daya 40 Watt, tekanan 0.3 Torr

dan laju alir 20 mL/menit.

4) Pada Proses imobilisasi, digunakan TrisCl 1M sebanyak 70 µL dan antigen Salmonella enteriditis sebanyak 30

µL.

1.4. Tujuan Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah yang telah ditetapkan

sebelumnya maka, tujuan dari penelitian ini adalah :

1) Mengetahui bagaimana pengaruh berat molekul polistiren terhadap nilai kekasaran (roughness)

permukaan QCM yang telah dipaparkan plasma

nitrogen.

2) Mengetahui bagaimana pengaruh berat molekul polistiren terhadap sifat hidrofobisitas QCM yang telah

dipaparkan plasma nitrogen.

4

3) Mengetahui bagaimana pengaruh metode plasma nitrogen terhadap terbentuknya ikatan kimia pada

permukaan QCM.

4) Mengetahui bagaimana efisiensi QCM dalam imobilisasi Salmonella enteriditis akibat adanya variasi

berat molekul polistiren dan perlakuan plasma nitrogen.

1.5. Manfaat Penelitian

Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat mendukung penelitian

mengenai QCM sebagai biosensor terutama dalam hal modifikasi

permukaan berbasis teknologi plasma guna meningkatkan

kemampuannya dalam imobilisasi biomolekul.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. QCM (Quartz Crystal Microbalance)

Quartz Crystal Microbalance (QCM) adalah sensor massa yang

mampu mendeteksi perubahan massa hingga orde nanogram (10-9

gram) (Chen 2015) yang memanfaatkan prinsip piezoelektrik dan ditemukan pertama kali oleh Curie bersaudara pada tahun 1880-an

(Ferreira dkk., 2009). Selain itu, QCM dapat disebut juga sebagai

resonator thickness shear mode (TSM) dimana pada kedua sisinya terdapat elektroda dari emas atau perak (Llanes dkk., 2006). Pada

tahun 1950-an, Sauerbrey merupakan orang pertama yang berhasil

merumuskan hubungan antara perubahan massa pada permukaan QCM dengan perubahan frekuensi osilasi, yang kemudian disebut

sebagai persamaan Sauerbrey (Liu & Schutzer 2010). Untuk

memperoleh QCM dilakukan dengan cara memotong mineral kuarsa

pada sudut potong tertentu, yakni pada sudut 35.25o

sehingga disebut juga sebagai kristal AT-Cut (Ferreira dkk., 2009).

Gambar 2. 1 Penampang QCM dengan elektroda perak

Efek piezoelektrik didefinisikan sebagai timbulnya momen dipol listrik pada permukaan zat padat setelah pemberian perlakuan

mekanik (Gambar 2.2.b) atau adanya strain yang diakibatkan

karena pemberian medan listrik (Gambar 2.2.a). Deformasi elastis (strain) yang diikuti dengan timbulnya momen dipol merambat

sebagai gelombang. Dengan besar gelombang yang timbul berupa

gelombang akustik dengan frekuensi antara 10-2

sampai 1014

Hz

(Meliyadi,2014). Yang kemudian pada QCM, besar frekuensi gelombang tersebut menunjukkan jumlah massa biomolekul yang

berhasil di imobilisasi.

Elektroda perak Kristal Kuarsa

Gambar 2. 2 Efek piezoelektrik akibat (a) pemberian medan listrik, (b) perlakuan mekanik (Zhu 2010)

Ketika QCM digunakan sebagai biosensor maka akan terjadi pembebanan massa (mass loading) pada permukaan QCM.

Akibatnya, terjadi perubahan frekuensi resonansi QCM. Dengan

menggunakan persamaan Sauerbrey berikut, maka banyaknya massa yang berhasil terperangkap pada QCM dapat diketahui.

………… (2. 1)

Perubahan frekuensi QCM , adalah frekuensi awal sebelum terjadinya mass loading, merupakan massa jenis kuarsa (2.648

g/cm3), adalah nilai modulus geser kuarsa (2.947 x 10

11 g/cm

2s

2),

A adalah luas permukaan, dan menunjukkan jumlah massa yang terdeposisi pada sensor QCM (Bai & Huang 2016). Persamaan ini digunakan dengan asumsi bahwa massa tersebut dianggap seperti

material kaca (Sakti & Santjojo 2012).

2.2. Karakteristik Polistiren

Polistiren terbentuk dari kumpulan monomer styrene yang

memiliki rantai hidrokarbon panjang dengan gugus fenil yang

menempel pada atom karbonnya dan dilambangakan dengan rumus

kimia C8H8 (Gray 2011). Adanya rantai panjang tersebut terikat dengan ikatan primer berupa ikatan kovalen yang membentuk cross-

link antar cincin-cincinnya dan ikatan sekunder berupa ikatan

+

Voltage

-

+

Charge

-

Force

↓ P

↓ P L

T

↓ P

↓ P ∆L T-∆T

hidrogen dan/atau gaya Van der Waals (Park & Bronzino, 2003).

Adapun sifat-sifat fisika yang dimiliki polystyrene yaitu :

Konstanta dielektrik : 2.4 – 2.7

Konduktivitas termal : 0.08 W/(m.K)

Modulus Young : 3000 – 6000 MPa

Kekuatan tarik (tensile strength) : 46-60 Mpa (Gray 2011)

Gambar 2. 3 Struktur Kimia Polstiren

Salah satu faktor yang sangat mempengaruhi sifat fisis dari

polistiren adalah berat molekul. Peningkatan berat molekul akan menghasilkan sifat yang lebih rigid dan kuat. Akan tetapi, akan

semakin menyulitkan dalam pengaplikasiannya. Berat molekul rata-

rata (Mw) dari polistiren yang banyak digunakan berkisar antara

150.000 - 400.000 (Anonim 1995). Polistiren merupakan polimer yang banyak digunakan dalam

kehidupan. Secara umum, polimer merupakan campuran dari

molekul-molekul yang memiliki struktur kimia dan komposisi yang sama atau hampir sama, tetapi dengan derajat polimerisasi atau berat

molekul yang berbeda (Ghosh 2006). Panjang rantai dari suatu

polimer dalam satu grup yang sama akan bervariasi. Sehingga

metode yang umum digunakan untuk mengkarakterisasi polimer tersbut menggunakan berat molekul rata-ratanya. Terdapat dua

metode yang dapat digunakan yaitu number-average (Mn) atau berat

rata-rata (Mw).

…………(2. 2) …………(2. 3)

Mi = berat molekul rata-rata pada range i

xi = Fraksi total jumlah rantai polimer pada range i wi = Fraksi berat molekul pada range i

2.3. Metode Deposisi Lapisan Tipis Dengan Teknik Spin Coating

Berbagai teknologi lapisan tipis telah banyak digunakan dalam

rangka fungsionalisasi resonator pada QCM, sebagai contoh yakni

metode spin coating dan Langmuir-Blodgett (LB) Film Preparation. Hal tersebut bertujuan untuk menghasilkan lapisan tipis yang

seragam dan homogen, sehingga mendukung fungsi dari QCM

sebagai biosensor (Llanes dkk., 2006).

Spin coating merupakan teknik pembentukan lapisan tipis dengan ketebalan pada orde mikrometer dan nanometer. Adapun

ketebalan lapisan yang dapat dibuat dengan teknik ini berkisar antara

1-2000 mikrometer. Teknik ini digunakan pertama kali sejak lima puluh tahun yang lalu. Pada umumnya, material yang digunakan

sebagai lapisan tipis merupakan polimer yang diaplikasikan dalam

bentuk larutan dengan tipe pelarut yang mudah menguap (Sahu dkk., 2009). Pada proses spin coating, larutan diteteskan pada target yang

berputar dengan kecepatan tertentu. Adanya gaya sentrifugal

menyebabkan larutan tersebut menyebar sehingga akan terbentuk

lapisan homogen pada permukaan target. Terdapat dua parameter penting dalam proses ini yaitu, volume larutan yang diteteskan dan

kecepatan putaran dari lempengan tempat target berada (Llanes dkk.,

2006). Terdapat empat tahapan dalam proses spin coating, yaitu :

a) Deposisi Material yang telah dilarutkan dalam pelarut tertentu, mulai

diteteskan pada target yang masih dalam keadaaan diam atau berputar dengan kecepatan konstan yang rendah.

b) Spin-Up Pada tahapan ini, target telah berputar dengan kecepatan final. Ciri-ciri dari fase ini yaitu, larutan yang diteteskan

mulai menyebar pada permukaan target sebagai akibat dari

adanya gaya sentrifugal. c) Spin-off

Fase ini dimulai ketika target berputar dengan kecepatan

konstan. Proses utama pada tahapan ini berupa penurunan

ketebalan lapisan dari larutan yang diteteskan. Sehingga akan diperoleh ketebalan lapisan yang seragam (homogen).

d) Evaporasi Ketika tahapan spin-off berakhir, maka akan terjadi proses penguapan pelarut. Sehingga, pada permukaan target

tersebut, akan terbentuk lapisan dengan komposisi hanya

berupa zat terlarut dari larutan yang diteteskan sebelumnya

(Sahu dkk., 2009).

(a)

(b)

(c) (d)

Gambar 2. 4 Tahapan deposisi lapisan tipis dengan metode spin

coating (a) deposisi, (b) spin-up, (c) spin-off, (d) evaporasi (Aguilar & López 2011)

2.4. Plasma Nitrogen

Modifikasi permukaan polimer menggunakan plasma

merupakan salah satu cara paling efektif. Hal ini dikarenakan,

plasma dapat memodifikasi sifat fisika dan sifat kimia dari permukaan tanpa mempengaruhi karakter polimer secara

keseluruhan. Selain itu, metode ini juga membutuhkan waktu

treatment yang lebih pendek dibandingkan dengan metode modifikasi permukaan lainnya. Ketika plasma dipaparkan pada

permukaan polimer, maka akan terbentuk fungsionalisasi grup, graft

polymerization, coating, dan pembentukan crosslink molekul. Pembentukan tersebut dapat mempengaruhi dan sebagian lainnya

tidak mempengaruhi kekasaran dari polimer (Yoshida dkk., 2013).

Akan tetapi, penggunaaan plasma treatment bersifat time-dependant.

Artinya, waktu penyimpanan yang semakin lama akan menyebabkan perubahan sifat hidrofilik pada permukaannya semakin melemah (Pal

dkk., 2015).

Pada proses plasma nitrogen terjadi proses glow discharge,

dimana hal tersebut terjadi pada saat atom-atom gas tersebut saling

bertumbukan satu sama lain sehingga akan menimbulkan cahaya (glow discharge). Cahaya yang dihasilkan berbeda-beda pada proses

tersebut bergantung pada jenis gas yang digunakan. Glow discharge

dapat terjadi apabila besarnya tegangan yang diberikan cukup. Jika

tegangan yang diberikan tidak sesuai maka tidak akan terjadi glow discharge sehingga tidak akan terbentuk plasma (Pye 2003).

Beberapa jenis gas yang dapat digunakan sebagai plasma, dengan

masing-masing gas memiliki karakteristik tertentu : a) Plasma gas Inert

Helium, neon, dan argon merupakan jenis gas inert yang

banyak digunakan dalam plasma. Walaupun argon lebih umum digunakan karena harganya yang relatif murah.

b) Plasma oksigen Banyak digunakan untuk modifikasi permukaan polimer.

c) Plasma nitrogen Penggunaan plasma nitrogen digunakan untuk meningkatkan

wettability, printability, bondability, dan biokompatibilitas

pada permukaan polimer. d) Plasma fluorin

Ketika plasma yang mengandung gas fluorin digunakan

maka reaksi pada permukaan, etching, dan plasma polimerisasi dapat terjadi secara serentak (Ebnesajjad &

Ebnesajjad 2014).

Sistem plasma berbasis Nitrogen banyak digunakan untuk

memberikan treatment pada metal, polimer, dan membran polimerik. Pemanfaatan tersebut berkaitan dengan kemampuan plasma nitrogen

dalam membentuk amine, imine, amide, nitrile, dan fungsionalisasi

grup lainnya. Adanya gugus fungsi tersebut menyebabkan permukaan polimer semakin hidrofilik dan menurunkan sudut kontak

secara signifikan (Pal dkk., 2015).

2.5. Interaksi Antara Plasma Dengan Permukaan Polimer

Reaksi yang terjadi plasma dengan permukaan polimer dapat dibagi menjadi tiga, sebagai berikut :

1) Reaksi pada permukaan yang meliputi :

a. Reaksi antara species pada plasma dengan chemical groups dan atom-atom pada permukaan polimer.

b. Reaksi antara atom-atom sehingga menghasilkan functional groups dan crosslinking pada permukaan

polimer.

Reaksi ini dapat terjadi ketika permukaan polimer di

treatment dengan menggunakan plasma yang bersumber dari gas ammonia, karbon monoksida,

karbon dioksida, fluorin, hidrogen, nitrogen

dioksida, dan oksigen. 2) Jika gas bertindak sebagai monomer, maka pada permukaan

polimer akan terjadi plasma-polimerisasi yang membentuk

suatu lapisan tipis 3) Menghilangkan (remove) bagian permukaan dari polimer

dengan memanfaatkan reaksi kimia dan physical etching

untuk menghasilkan material yang bersifat volatil

(Ebnesajjad 2014).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 2. 5 Modifikasi Permukaan Polimer Dengan Plasma (a)

Pembentukan Grup Fungsionalisasi, (b) Mempengaruhi Kekasaran Permukaan, (c) Pembentukan Crosslink, (d) Graft Polymerization,

(e)Coating Lapisan Tipis (Yoshida dkk., 2013)

Secara umum, plasma treatment akan meningkatkan energi permukaan dari polimer. Akibatnya akan menurunkan sudut

kontaknya (Ebnesajjad 2014).

2.6. Teknik Imobilisasi Sel Imobilisasi adalah istilah umum yang digunakan untuk

menggambarkan entrapment atau attachment dari sel atau partikel pada suatu permukaan sensor. Istilah tersebut dapat digunakan untuk

semua jenis biokatalis termasuk enzim, organel sel, sel tumbuhan

dan binatang. Imobilisasi sel dapat difenisikan sebagai lokalisasi sel

mikroba pada suatu daerah tertentu sehingga membatasi pergerakannya dan memunculkan karakter hidrodinamiknya.

Imobilisasi dari sel mikroba banyak diaplikasikan terutama dalam

bidang industri dan lingkungan (Cláudia dkk., 2013). Imobilisasi sel

pada permukaan biosensor dapat dipengaruhi oleh tiga faktor, yaitu faktor fisis berupa kekasaran permukaan, faktor kimiawi berupa grup

fungsionalisasi pada permukaanya dan muatan listrik, serta faktor

biologis (Liu & Schutzer 2010).

Gambar 2. 6 Berbagai Metode Imobilisasi (Blanca dkk., 2015)

Tipe-tipe imobilisasi dapat dibagi menjadi dua yaitu, pasif dan aktif. Imobilisasi dikategorikan sebagai pasif karena imobilisasi

terjadi sebagai akibat dari sifat mikroorganisme yang mudah

menempel pada suatu permukaaan. Sedangkan imobilisasi aktif terjadi pada saat adanya flocculant agents, chemical attachment, dan

gel encapsulation.

Terdapat empat teknik imobilisasi yang dapat terjadi, yaitu : a. Covalent Bonding / Cross-linking

Mekanisme imobilisasi pada teknik ini dapat terjadi akibat

adanya agen pengikat (crosslinking). Keberadaan agen

tersebut dapat menyebabkan terbentuknya ikatan kovalen

antara sel dengan permukaan sensor. Agar ikatan kovalen

dapat terjadi, maka permukaan sensor harus dimodifikasi secara kimiawi. Sehingga akan terbentuk suatu agen

pengikat (Cláudia dkk., 2013). Terdapat dua cara untuk

menghasilkan agen pengikat pada permukaan sensor (yang

telah dilapisi dengan polimer), pertama menambahkan sejumlah grup fungsionalisasi pada permukaan polimer, dan

yang kedua dengan melakukan modifikasi pada backbone

dari polimer tersebut sehingga menghasilkan suatu grup yang teraktivasi (Brena dkk., 2013). Teknik imobilisasi ini,

bersifat efektif dan tahan lama apabila diterapkan pada

enzim, tetapi jarang digunakan dalam imobilisasi sel. Hal ini disebabkan oleh agen pengikat untuk imobilisasi sel

biasanya bersifat beracun dan sulit untuk menemukan

kondisi kapan sel dapat diimobilisasi tanpa menyebabkan

kerusakan pada sel tersebut. Walaupun jarang digunakan, akan tetapi terdapat beberapa penelitian yang berhasil

melakukan imobilisasi dengam teknik ini, dimana sebagian

besar sel yang diimobilisasi merupakan ragi. b. Entrapment

Merupakan metode imobilisasi yang bersifat ireversibel. Sel

yang akan diimobilisasi akan terjebak (entrapped) di dalam matriks pendukung atau fiber. Sehingga akan terbentuk suatu

barrier atau pembatas disekitar mikroba yang telah

diimobilisasi dan akan mencegah sel tersebut berdifusi ke

lingkungan luar tetapi tetap memungkinkan adanya difusi sel dari luar barrier. Entrapment merupakan metode yang paling

sering digunakan dalam imobilisasi sel. Akan tetapi terdapat

beberapa kelemahan yaitu, adanya kemungkinan kebocoran sel, adanya batasan difusi yang terjadi, dan abrasi dari

material pendukung selama penggunaan.

c. Encapsulation Merupakan imobilisasi yang bersifat ireversibel dan serupa dengan teknik entrapment. Akan tetapi, pada encapsulation

terbentuk suatu dinding membran semipermeabel (biasanya

berbentuk kapsul) dan biokatalis tersebut akan bergerak bebas dalam ruang inti. Kelebihan, dari teknik imobilisasi ini

yaitu dapat mencegah kebocoran biokatalis sehingga akan

meningkatkan efisiensinya.

d. Adsorpsi Prinsip dari teknik ini adalah interaksi fisis antara

mikroorganisme dengan permukaan target (carrier surfaces). Berbeda dengan entrapment, pada metode adsorpsi ini akan

terjadi kontak langsung antara nutrien dengan sel yang

diimobilisasi. Prinsip adsorpsi terletak pada adanya gaya-

gaya yang bersifat lemah, namun tetap memungkinkan adanya proses pembentukan ikatan. Biasanya pada

pembentukan ikatan akan melibatkan beberapa jenis gaya

tersebut, yaitu gaya Van der Waals, ionik, interaksi hidofobik, dan ikatan hidrogen. Gaya elektrostatik (ionik)

dan interaksi hidrofobik akan mempengaruhi adhesi antara

sel dengan support surface, dimana hal tersebut merupakan langkah utama dalam mengontrol imobilisasi sel dalam

teknik ini. Mekanisme imobilisasi dengan teknik adsorpsi

dimulai dengan pengangkutan sel dari fase bulk menuju ke

permukaan sensor (bersifat berpori dan inert), kemudian diikuti oleh adanya adhesi sel, dan pada akhirnya akan

terbentuk kolonisasi pada permukaan sensor. Adapun

kelebihannya, yaitu imobilisasi yang terjadi bersifat reversibel, murah, dan lebih efisien (Cláudia dkk., 2013).

2.7. Teknik Pengukuran Sudut Kontak (Contact Angle)

Wettability dapat ditentukan dengan cara mengukur sudut

kontak yang terbentuk antara permukaan polimer dengan tetesan dari liquid tertentu yang digunakan, misalnya air distilasi. Semakin kecil

sudut kontak menunjukkan bahwa liquid tersebut membasahi

permukaan polimer sehingga material tersebut bersifat hidrofilik, dan begitu pula sebaliknya (Ebnesajjad and Ebnesajjad 2014). Dalam

menentukan sudut kontak, erat kaitannya dengan besarnya tegangan

yang terjadi pada antar permukaannya (interfacial), dimana hal ini berkaitan dengan persamaan Young :

…………… (2.4)

merupakan sudut kontak yang terbentuk pada keadaan setimbang, menunjukkan energi bebas (free energy) antar permukaan, menunjukkan tegangan permukaan yang terjadi antara permukaan

sampel (solid) dengan cairan (liquid) yang diditeteskan, dan

menunjukkan tegangan permukaan yang terjadi antara cairan (liquid)

yang diditeteskan dengan permukaan sampel (solid) (STRI GUIDE

92/1 Hydrophobicity classification guide, 1992).

Gambar 2. 7 Berbagai sudut θ yang dapat terbentuk antara

liquid dengan permukaan target (Yuan & Lee 2013)

Untuk , maka tetesan dari cairan

tersebut akan menyebar dan membasahi seluruh permukaan sampel.

Untuk hanya sebagian permukaan sampel yang

basah (wetting), dan untuk maka permukaan sampel tidak

akan basah sama sekali (non-wetting). Suatu permukaan

dikategorikan sebagai material yang bersifat hidrofilik apabila

memiliki sudut kontak dan jika memiliki sudut

kontak maka tergolong ke dalam material

hidrofobik (Tsui & Russell 2008).

2.8. Uji Kekasaran Permukaan

Kekasaran (baik pada skala nano maupun mikro) yang disimbolkan dengan R, terbentuk oleh ketidakteraturan panjang

gelombang pendek pada permukaannya, yang ditandai dengan

adanya puncak (menunjukkan keadaan maksimum) dan lembah (menandai keadaan minimum). Berbagai teknik digunakan untuk

mengukur kekasaran suatu permukaan, baik dengan menggunakan

metode optik, seperti interferensi dan hamburan cahaya, maupun dengan metode mekanik, seperti oblique sectioning dan stylus

profilometry. Secara umum, kekasaran permukaan merujuk pada

variasi ketinggian pada suatu permukaan relatif dibandingkan dengan

permukaan acuan. Menurut ANSI (American National Standards Institute) dan ISO (International Standardization Organization)

setidaknya terdapat empat jenis nilai kekasaran permukaan, yakni

Ra, Rv, Rz, Rp (Rodriguez dkk., 2011). Ra Merupakan kekasaran

permukaan rata-rata sepanjang daerah L.

Gambar 2. 8 Kekasaran rata-rata Ra (Chi dkk.,

n.d.)

……….(2. 5)

Guna mengukur kekasaran permukaan suatu material dapat

menggunakan berbagai cara, salah satunya dengan menggunakan

TMS-1200 TopMap μ.Lab yang memanfaatkan prinsip kerja Interferometer Michelson/Mirau dengan sumber berupa cahaya

putih. Alat tersebut memiliki resolusi spasial yang tinggi, mampu

menampilkan data dalam bentuk 2D maupun 3D, cepat dan presisi serta dapat menghasilkan resolusi topography dengan kualitas tinggi

untuk mengetahui fungsional permukaan dan mikrostrukturnya

sehingga dapat diketahui nilai parameter kritis seperti flatness, ripple dan roughness serta tergolong ke dalam non-contact topography

(Anon 2011), artinya dalam menentukan kekasaran permukaan tidak

menyentuh langsung sampel yang diuji, melainkan memanfaatkan

interferensi cahaya. Pertama, sumber cahaya putih akan menuju beam splitter, sehingga akan terbentuk dua berkas sinar yang sejajar.

Sinar yang pertama akan menuju sampel dan sinar yang kedua akan

menuju internal reference mirror. Selanjutnya sinar yang telah mengenai permukaan sampel akan memantul dengan sudut pantul

yang berbeda-beda dan mengalami interferensi dengan berkas sinar

kedua. Pola interferensi itulah yang kemudian akan ditangkap oleh

detektor, sehingga menghasilkan pola kekasaran permukaan dari sampel tersebut (Kaplonek & Czeslaw 2012).

Gambar 2. 9 Interferometer dengan sumber cahaya putih

(Kaplonek & Czeslaw 2012)

2.9 FTIR (Fourier Transform Infrared)

Interferogram merupakan pola optik yang dihasilkan dan

tersusun atas signal yang kompleks. Interferogram umumnya merupakan plot antara intensitas dengan waktu (time-domain

spectrum). Akan tetapi, ahli kimia lebih tertarik pada spektrum

frekuensi (frequency-domain spectrum). Sehingga dengan menggunakan persamaan matematika Transformasi Fourier dapat

mengkonversi time-domain spectrum tersebut menjadi frequency-

domain spectrum.

…………(2. 6)

Alat yang memanfaatkan prinsip ini kemudian disebut sebagai FTIR

(Fourier Transform Infrared) (Pavia, 1979).

FTIR merupakan salah satu instrumen yang menggunakan prinsip spektroskopi yang berguna untuk identifikasi senyawa

organik karena spektrumnya yang sangat kompleks yang terdiri dari

CCD detector

Magnification selector

Filter Beam

Splitter 2

External source

of white light

Interferogram

Beam splitter 1

Measuring range Examined surface

White light beam

Optical

fibre Mirau interferometer

Objective lens

Internal reference

mirror

Piezoelektrik

Driver system

puncak-puncak. Dan masing-masing kelompok fungsional menyerap

sinar inframerah pada frekuensi yang unik (Silviyah dkk., 2003).

Inframerah merujuk kepada radiasi elektromagnetik yang terjadi pada 0.7 µm hingga 1000 µm. Akan tetapi, daerah 2.5 µm hingga 25

µm (4000-400 cm-1

) lebih sering digunakan dalam analisis kimiawi.

Hal ini disebabkan oleh garis spektrum yang dihasilkan biasanya

sempit dan berbeda, sehingga memungkinkan untuk mengidentifikasi spektrum yang dihasilkan (Doyle n.d.).

Gambar 2. 10 Pembagian Daerah Inframerah Berdasarkan

Panjang Gelombang (Yang 2011)

Spektrum inframerah yang dihasilkan oleh FTIR umumnya

disajikan dalam plot antara frekuensi transmisi (atau absorbansi)

yang dinyatakan dalam bilangan gelombang (cm-1

) dengan intensitas transmisi (atau absorbansi) pada sumbu y (Wade,2003). Absorbsi

terjadi ketika terdapat perubahan besar dan arah dari momen dipol

suatu molekul. Perubahan tersebut terjadi akibat adanya vibrasi

molekul (Yang 2011). Secara umum, pada molekul poliatomik dengan n atom akan memiliki (3n-6) mode vibrasi. Dengan (n-1)

merupakan stretching vibrations dan (2n-5) bending vibrations.

Perubahan intensitas absorbsi pada inframerah akan berubah terkait dengan kesimetrisan ikatan. Semakin simetris ikatan tersebut maka

akan semakin lemah absorpsi yang terjadi. Bahkan pada molekul

diatomik yang sangat simetris seperti O2, N2, Cl2, dan H2 tidak dapat

λ (cm)

7,8 x 10-5 to 3x10-4

(0.000078-0.0003)

3x10-4 to3x10-3

(0.0003-0.003)

3x10-3 to3x10-2

(0.003-0.03)

λ (µm)

0.78 to 3

3 to 30

30 to 300

λ (cm-1)

(wavenumber)

12820 to 4000

4000 to 400

400 to 33

menyerap sinar inframerah. Hal ini dikarenakan absorbsi tidak dapat

terjadi ketika terjadi vibrasi simetris. (Robert & Caserio 1977).

Gambar 2. 11 Spektrum Inframerah dalam mode (a) Absorbsi, (b) Transmitansi (Wade,2003)

Absorption

Frequency in wavenumbers (cm-1)

Transmission

Frequency in wavenumbers (cm-1)

(a)

(b)

Gambar 2. 12 Macam-Macam Vibrasi Pada Molekul Poliatomik

(a)Stretching Vibration, (b)Bending Vibration (Yang 2011)

(a)

(b)

21

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan

Penelitian dilakukan di di Laboratorium Material Maju dan

Plasma untuk tahapan pembuatan larutan polistiren, deposisi

polistiren di atas QCM, proses modifikasi permukaan dengan plasma

nitrogen, dan karakterisasi menggunakan mikroskop optik serta

pengukuran kekasaran dengan TMS 1200 Polytech TopMap-μLab,

Laboratorium Teknologi Sensor untuk pengukuran sudut kontak,

frekuensi dan imobilisasi Salmonella enteriditis. Serangkaian

penelitian tersebut dilaksanakan pada laboratorium yang terletak di

Jurusan Fisika. Kemudian penelitian dilakukan di Laboratorium

Analisis Jurusan Kimia untuk karakterisasi FTIR., Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya

pada bulan Desember 2016 – Juni 2017.

3.2. Alat dan Bahan

Alat yang digunakan pada penelitian ini yaitu neraca digital,

cawan petri, gelas kimia, gelas ukur, pinset, mikro pipet, vacuum

ultrasound cleaner, vacuum spin coater, oven, contact angle

measurement, frekuensi counter, plasma nitrogen, TMS 1200

Polytech TopMap-μLab, dan FTIR Spectrophotometer

(8400/Shimadzu). Sedangkan bahan yang digunakan yakni QCM

dengan elektroda perak, polistiren dengan berat molekul 35.000

g.mol-1

, 192.000 g.mol-1

, dan 280.000 g.mol-1

, chloroform, Tris Cl,

dan Salmonella enteriditis.

3.3. Tahapan Penelitian

3.3.1. Persiapan Sampel

QCM terlebih dahulu dibersihkan dengan etanol dan

kemudian diletakkan di vacuum ultrasound cleaner. Proses

pembersihan dilakukan dengan cara menggetarkan QCM selama ±3

menit. Selanjutnya, untuk menghilangkan etanol yang mungkin

menempel, maka QCM diletakkan didalam oven bersuhu 100o C

selama 15 menit. Hal ini bertujuan agar molekul-molekul etanol

22

Mulai

Polistiren ditimbang dengan neraca digital

khloroform dituang di botol kimia

botol kimia diletakkan di ultrasound cleaner

Dilakukan selama 2 menit

Selesai

menguap. Sehingga permukaan QCM tidak terkontaminasi oleh

molekul lainnya.

3.3.2. Pembuatan Larutan

Konsentrasi larutan Polistiren yang digunakan pada

penelitian ini yaitu 3% yang dilarutkan dalam kloroform. Adapun

besarya konsentrasi yang digunakan dapat dihitung menggunakan

rumusan berikut :

%𝐾𝑜𝑛𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑖 =𝑔 (𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡)

𝑚𝐿 (𝑝𝑒𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡)× 100%

Langkah-langkah yang dilakukan adalah polistiren ditimbang

menggunakan neraca digital. Kemudian kloroform dituang pada

botol kimia. Polistiren yang telah ditimbang tersebut selanjutnya

diletakkan di dalam botol kimia yang telah berisi kloroform.

Selanjutnya gelas kimia tersebut diletakkan di vacuum ultrasound

cleaner selama 2 menit dengan tujuan agar polistiren dapat segera

larut dan diperoleh larutan yang homogen.

Gambar 3. 1 Diagram alir proses pembuatan larutan polistiren

23

Polistiren yang digunakan memiliki berat molekul 35.000

g.mol-1

, 192.000 g.mol-1

, dan 280.000 g.mol-1

. Untuk memperoleh

konsentrasi 3% untuk polistiren dengan berat molekul 192.000

g.mol-1

dan 280.000 g.mol-1

digunakan polistiren dengan massa 0.03

gram yang dilarutkan dalam 1 mL kloroform. Sedangkan untuk

mendapatkan konsentrasi yang sama pada polistiren dengan berat

molekul 35.000 g.mol-1

maka 0.06 gram polistiren dilarutkan di

dalam 2 mL kloroform.

3.3.3. Deposisi Polistiren di atas QCM

Masing-masing larutan polistiren yang telah dibuat

kemudian di deposisikan pada setiap sisi QCM. Untuk deposisi

polistiren menggunakan spin coater yang diatur pada kecepatan (𝜔1) dan waktu awal (𝑡1) 500 rpm dan 5 second. Sedangkan untuk kecepatan (𝜔2) dan waktu akhirnya (𝑡2) yaitu 3000 rpm dan 60 second. Selanjutnya QCM (Quartz Crystal Microbalance) yang telah

dibersihkan diletakan pada dudukan spin coater yang telah tersedia.

Dengan menggunakan micropipet, diambil larutan polistiren

sebanyak 50 μL dan diteteskan pada QCM saat terjadi transisi

menuju kecepatan akhir (𝜔2) 3000 rpm. Setelah proses deposisi dilakukan, maka QCM diletakkan di dalam oven bersuhu 150

o C

selama 60 menit. Hal ini bertujuan agar molekul yang berasal dari

pelarut yang digunakan dapat menguap. Sehingga pada permukaan

QCM hanya terdapat lapisan tipis yang tersusun atas polistiren.

24

Mulai

Spin coater diatur pada ω1 = 500 rpm dan t1 = 5 second

Spin coater diatur pada ω2 = 3000 rpm dan t2 = 60 second

QCM diletakkan di spin coater

Larutan polistiren diambil menggunakan mikropipet sebanyak 50 μL

Polistiren diteteskan saat transisi menuju v2 = 3000 rpm

QCM dianneling suhu 150o C selama 1 jam

Selesai

Gambar 3. 2 Diagram alir proses deposisi polistiren diatas QCM

3.3.4. Karakterisasi QCM Sebelum Plasma Treatment

Sebelum dilakukan plasma treatment, QCM yang telah

dideposisi dengan polistiren perlu dilakukan karakterisasi. Dengan

tujuan agar diketahui perbedaan morfologi dan frekuensi dari QCM

akibat adanya proses plasma nitrogen. Karakterisasi yang perlu

dilakukan yaitu pengukuran frekuensi, pengamatan dengan

menggunakan mikroskop optik, pengukuran kekasaran, dan

pengukuran sudut kontak.

3.3.4.1. Pengukuran Frekuensi

QCM yang digunakan memiliki frekuensi awal 10 MHz.

Adanya proses deposisi menyebabkan frekuensi dari QCM akan

menurun. Untuk itulah perlu dilakukan proses pengukuran frekuensi.

25

3.3.4.2. Pengamatan di bawah Mikroskop Optik

Setelah proses deposisi dilakukan, hal yang perlu

dilakukan kemudian adalah mengamati bagaimana lapisan tipis yang

dideposisikan. Secara kasat mata kemungkinan akan tampak bahwa

lapisan tipis yang kita tumbuhkan rapi, akan tetapi belum tentu

secara makroskopis diperoleh lapisan yang terlapis secara

menyeluruh. Untuk itulah perlu dilakukan pengamatan menggunakan

mikroskop optik. Sampel yang telah diletakkan di meja objek

kemudian diamati dengan perbesaran 100x dan 500x. Perbesaran

100x bertujuan untuk memperoleh lapang pandang yang lebih luas.

Sehingga dapat melihat baik tidaknya lapisan tipis yang

dideposisikan. Sedangkan perbesaran 500x digunakan untuk melihat

morfologi dari lapisan tipis yang digunakan.

3.3.4.3. Pengukuran Kekasaran Menggunakan TMS

Untuk mengetahui besarnya nilai kekasaran dari

permukaan, maka digunakan TMS 1200 Polytech TopMap-μLab.

Pengukuran nilai kekasaran dilakukan pada kedua sisi dengan

masing masing sisi dilakukan pengamatan pada lima titik yang

berbeda. Adanya perlakuan bertujuan untuk memperoleh nilai rata-

rata dari kekasaran pada permukaan tersebut. Adapun nilai kekasaran

yang diukur berupa parameter Ra.

3.3.4.4. Pengukuran Sudut Kontak

Karakterisasi terakhir yang perlu dilakukan adalah

mengetahui kebasahan permukaan QCM. Dengan cara mengukur

besarnya sudut kontak antara permukaan QCM dengan aquades

menggunakan Contact Angle Measurement. Volume aquades yang

diteteskan pada permukaan QCM sebanyak 15 μL. Setelah ditetesi

dengan aquades pada bagian elektrodanya kemudian diambil

gambarannya. Setiap sisi yang ditetesi dilakukan pengulangan

sebanyak 5 kali. Sehingga diperoleh hasil rata-ratanya.

26

Gambar 3. 3 Diagram Alir Karakterisasi Sebelum Plasma

Treatment

3.3.5. Modifikasi Permukaan dengan Plasma Nitrogen

Sebelum sampel diletakkan di chamber, dilakukan proses

pembersihan pada chamber. Hal ini bertujuan untuk meminimalisir

adanya zat-zat tertentu yang tidak diinginkan dan kemungkinan

berada di dalam chamber. Proses pembersihan dilakukan selama dua

menit. Setelah itu, barulah sampel diletakkan pada chamber dengan

keadaan permukaan qcm yang akan dimodifikasi menghadap ke atas.

Sebelumnya, agar QCM cukup ketika diletakkan pada elektroda

bawah, maka kedua kakinya ditekuk sedikit dan diberi pemberat.

Sehingga dalam keadaan yang lurus.

Setelah QCM dipastikan dalam keadaan yang lurus,

kemudian chamber ditutup dan Rotary Pump dinyalakan. Proses

vakum dilakukan hingga sensor tekanan menunjukkan 4.00 Volt.

Setelah mencapai tekanan 4.00 Volt kemudian dialiri gas Nitrogen

sebanyak 20 mL/menit. Barulah kemudian generator dinyalakan dan

diatur pada daya 40 Watt. Proses pemaparan dengan plasma nitrogen

Mulai

QCM yang telah dideposisi dengan Polistiren

Pengukuran Frekuensi

Pengamatan dengan Mikroskop Optik

Pengukuran kekasaran dengan TMS

Pengukuran Sudut Kontak

Selesai

27

dilakukan selama 2 menit. Kemudian, secara bertahap reaktor plasma

dimatikan. Semua tahapan tersebut diulangi untuk masing-masing

QCM yang telah dideposisi polistiren dengan berat molekul 192.000

g.mol-1

dan 280.000 g.mol-1

.

Gambar 3. 4 Diagram Alir Proses Modifikasi Dengan Plasma

Nitrogen

3.3.6 Karakterisasi QCM Setelah Plasma Treatment

Setelah dilakukan modifikasi dengan plasma nitrogen,

kemudian QCM dilakukan karakterisasi dengan tujuan untuk

mengetahui perubahan apa yang terjadi. Adanya hasil karakterisasi

ini kemudian dibandingkan dengan kondisi awal QCM. Adapun

karakterisasi yang dilakukan sama seperti sebelumnya, yaitu

pengukuran frekuensi, pengamatan dengan mikroskop optik,

pengukuran kekasaran dengan TMS, dan pengukuran sudut kontak.

Mulai

Chamber dibersihkan selama 2 menit

QCM diletakkan di chamber

Rotary Pump dinyalakan

Gas Nitrogen dialirkan ke dalam chamber

Generator daya dinyalakan

Dilakukan pemaparan selama 2 menit

Selesai

28

Gambar 3. 5 Diagram Alir Karakterisasi Setelah Plasma Treatment

3.3.7 Pengukuran Kemampuan Imobilisasi QCM

QCM yang telah diberikan perlakuan plasma nitrogen

kemudian diukur kembali frekuensinya hingga stabil (atau minimal

300 detik). Jika grafik pengukuran telah menunjukkan hasil yang

stabil selanjutnya ditetesi dengan pelarut Tris Cl sebanyak 70 µL.

Akibat penetesan ini maka grafik pengukuran akan mengalami

penurunan. Selanjutnya setelah 300 detik atau mencapai keadaan

yang stabil, dilakukan penetesan Salmonella enteriditis sebanyak 30

µL. dan ketika grafik menunjukkan keadaan yang stabil (minimal

300 detik) maka pengukuran kemampuan imobilisasi biomolekul

dinyatakan selesai. Pengukuran kemampuan imobilisasi biomolekul

juga dilakukan pada QCM yang belum diberi perlakuan plasma

nitrogen.

Mulai

QCM yang telah diberi perlakuan dengan Plasma Nitrogen

Pengukuran Frekuensi

Pengamatan dengan Mikroskop Optik

Pengukuran Kekasaran dengan TMS

Pengukuran Sudut Kontak

Selesai

29

3.3.8 Pengujian Pembentukan Gugus Fungsi dengan FTIR

Untuk mengetahui pengaruh perlakuan plasma nitrogen terhadap

QCM secara kimiawi maka dilakukan FTIR (Fourier Transfrom

Infrared) . Sehingga dapat membandingkan gugus fungsi yang

dihasilkan antara QCM tanpa perlakuan plasma dengan QCM yang

telah diberikan perlakuan plasma. Serta untuk mengetahui apakah

terbentuk gugus fungsi baru akibat adanya perlakuan plasma nitrogen

tersebut.

31

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Pengaruh Berat Molekul Polistiren Terhadap Nilai Kekasaran (Roughness) QCM Hasil Modifikasi Plasma

Nitrogen

Polistiren adalah polimer yang tersusun atas rantai stiren yang

berulang. Semakin panjang rantai yang terbentuk maka berat

molekul dari polimer tersebut semakin besar. Penambahan berat

molekul dari polistiren yang digunakan akan mempengaruhi nilai

kekasaran yang dihasilkan. Semakin besar berat molekul polistiren

maka viskositas larutan yang dihasilkan juga akan semakin kental.

Sehingga lapisan tipis yang terdeposisi akan semakin tebal.

Akibatnya lapisan polistiren yang dihasilkan akan semakin kasar

pula.

Deposisi lapisan tipis polistiren pada permukaan QCM

menggunakan metode spin coating. Polistiren yang telah dilarutkan

dalam pelarut yang mudah menguap diteteskan pada permukaan

QCM. Dengan memanfaatkan gaya sentrifugal, maka lapisan

polistiren akan tersebar merata. Saat kekentalan dari larutan

polistiren mengalami peningkatan maka, penyebaran larutan yang

terjadi semakin lambat. Akibatnya akan dihasilkan lapisan yang lebih

tebal dan nilai kekasaran yang lebih besar dibandingkan dengan

polistiren dengan berat molekul yang lebih rendah. Pada Gambar

4.1. menunjukkan grafik yang menyatakan hubungan antara berat

molekul polistiren dengan nilai kekasaran, tampak bahwa terjadi

peningkatan nilai kekasaran sebanding dengan bertambahnya berat

molekul polistiren yang digunakan.

Paparan plasma nitrogen pada permukaan QCM mempengaruhi

kekasaran dari QCM tersebut. Yaitu menyebabkan nilai kekasaran

permukaannya mengalami penurunan. Akibatnya permukaan hasil

modifikasi tersebut akan bersifat lebih halus dibandingkan sebelum

treatment. Penurunan nilai kekasaran setelah perlakuan plasma

terjadi pada seluruh berat molekul. Polistiren dengan berat molekul

paling besar mengalami degradasi yang paling banyak.Hal ini

disebabkan pada polistiren dengan rantai yang lebih panjang terjadi

pemutusan rantai oleh plasma yang lebih banyak dibandingkan

32

dengan polistiren yang lebih rendah berat molekulnya. Pemutusan

rantai tersebut terjadi sebagai adanya mekanisme ion bombardment

pada permukaan substrat.

Gambar 4. 1 Grafik Nilai Kekasaran Polistiren Sebelum dan Sesudah

Perlakuan Plasma

Tabel 4. 1 Tabel Perbandingan Perbedaan Kekasaran Polistiren Sebelum

dan Sesudah Perlakuan Plasma

Berat Molekul

(g/mol)

Kekasaran (nm) Selisih (nm)

Tanpa Plasma Setelah Plasma

35.000 355,42 329,39 26,04

192.000 427,68 388,61 39,08

280.000 519,69 456,56 63,13

Ion bombardment yang terjadi pada permukaan substrat

menyebabkan terjadi perubahan morfologi. Hal ini didukung dengan

hasil pengamatan mikroskop optik perbesaran 500x. Pada hasil

pengamatan mikroskop optik, tampak bahwa pola warna hitam

(ditunjukkan oleh lingkaran pada Gambar 4.2 dan 4.3) yang

terbentuk setelah perlakuan plasma lebih sedikit dibandingkan

dengan sebelum perlakuan plasma. Pola berwarna hitam tersebut

355,42 427,68

519,69

329,38

388,61

456,56

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

35.000 192.000 280.000

Ke

kasa

ran

(n

m)

Berat Molekul (g/mol)

Tanpa Plasama Setelah Plasma

33

menunjukkan perbedaan porositas lapisan tipis polistiren. Semakin

banyak pola berwarna hitam yang terbentuk maka porositas

polistiren semakin besar pula. Akibatnya permukaan yang dihasilkan

akan semakin kasar.

Gambar 4. 2 Morfologi permukaan Polistiren sebelum perlakuan

plasma

34

Gambar 4. 3 Morfologi permukaan Polistiren setelah perlakuan

plasma

Tumbukan yang terus-menerus antara ion dengan permukaan

substrat menyebabkan pengikisan dan pembentukan lapisan baru

disekitar permukaan substrat tersebut. Akibatnya akan menurukan

porositas dari polistiren. Perubahan ini hanya terjadi pada bagian

permukaan substrat saja tanpa mengubah keseluruhan sifat dari

substrat tersebut (Yoshida dkk., 2013).

4.2. Pengaruh Berat Molekul Polistiren Terhadap Sifat Hidrofobisitas QCM Hasil Modifikasi Plasma Nitrogen

Sifat hidrofobisitas suatu material berkaitan dengan energi

permukaannya. Semakin besar energi permukaannya maka material

tersebut bersifat hidrofilik, dan begitu pula sebaliknya. Pada material

yang bersifat hidrofilik, gaya adhesi yang terjadi antara air dengan

permukaan substrat menyebar dan lebih besar. Akibatnya tetesan air

tersebut akan menyebar merata pada permukaan substrat. Selain

berkaitan dengan energi permukaan, tingkat kebasahan (wettability)

juga bergantung pada morfologi permukaan. Pada material yang

bersifat hidrofilik, permukaan substrat akan cenderung lebih halus

sehingga air akan tersebar merata pada permukaannya. Sedangkan

pada material hidrofobik, adanya perbedaan ketinggian pada

permukaan substrat, menyebabkan air tertahan dan tidak dapat

tersebar merata pada permukaannya. Sehingga, besarnya sudut

kontak antara air dengan permukaan substrat akan semakin besar

pula.

Tabel 4. 2 Perbedaan Sudut Kontak Masing-Masing Berat Molekul

Polistiren Sebelum dan Sesudah Perlakuan Plasma

Berat Molekul

(g/mol)

Sudut Kontak (o)

Selisih (o)


35.000 82,639 42,808 39,831

192.000 84,122 46,966 37,156

280.000 85,836 52,535 33,301

35

Peningkatan sudut kontak terjadi sebagai akibat adanya

penambahan berat molekul polistiren yang digunakan. Hal ini serupa

dengan peningkatan kekasaran sebanding dengan bertambahnya

berat molekul. Adapun setelah perlakuan plasma, besar sudut kontak

seluruh variasi berat molekul mengalami penurunan. Hal ini

disebabkan oleh adanya perubahan morfologi dan struktur kimia

pada permukaanya. Perubahan morfologi yang terjadi berupa

semakin rendahnya beda ketinggian pada permukaan polistiren.

Sedangkan perubahan struktur kimia yang terjadi berupa

pembentukan fungsionalisasi grup C≡N yang bersifat polar. Ketika

air diteteskan pada permukaan tersebut akan terjadi interaksi polar-

polar antara air dengan gugus C≡N. Sehingga gaya adhesi yang

terjadi juga akan semakin besar. Akibatnya air tersebut akan tersebar

pada permukaannya dan sudut kontak yang terbentuk akan semakin

kecil.

4.3. Pengaruh Modifikasi Plasma Nitrogen Terhadap Pembentukan Ikatan Kimia di Permukaan QCM

Plasma merupakan wujud benda keempat yang terdiri dari

partikel partikel bermuatan seperti elektron, ion dan atom atau

molekul netral. Adanya partikel bermuatan dalam plasma dapat

memungkinkan terjadi interaksi antar plasma dengan material.

Reaksi yang terjadi dalam mempengaruhi material tersebut baik

secara fisis maupun kimiawi. Dalam hal ini, interaksi yang paling

banyak terjadi berupa interaksi kimiawi, yaitu terbentuk suatu gugus

fungsi baru sebagai akibat adanya perlakuan plasma nitrogen.

36

Gambar 4. 4 Perbandingan Spektra FTIR Antara Polistiren Tanpa Perlakuan

Plasma (warna merah) Dengan Setelah Plasma (warna biru)

Pada Gambar 4.4, menunjukkan adanya pembentukan gugus

fungsi baru pada daerah yang diberi lingkaran, sebagai akibat adanya

perlakuan plasma nitrogen. Gugus fungsi baru terbentuk pada daerah

bilangan gelombang 2300-2400 cm-1

. Berdasarkan database

absorbansi spektrum inframerah, pada daerah tersebut terjadi

pembentukan gugus fungsi C≡N yang bersifar polar. Selain terjadi

pembentukan gugus fungsi baru, terdapat beberapa gugus fungsi

yang mengalami penurunan intensitas absorbansi. Penurunan

intensitas tersebut menunjukkan jumlah gugus fungsi tersebut dalam

suatu material mengalami penurunan. Hal ini disebabkan oleh

adanya pemutusan rantai polimer pada proses plasma nitrogen.

Akibatnya terdapat suatu rantai yang tidak stabil. Guna mencapai

kestabilan, rantai tersebut akan menarik atom/molekul disekitarnya,

dalam hal ini berupa ion nitrogen. Sehingga terbentuklah suatu ikatan

baru, yaitu nitril C≡N.

Tabel 4. 3 Gugus Fungsi yang Terbentuk Pada Permukaan

QCM/PS

Bilangan Gelombang (cm-1

) Gugus Fungsi

1500-1600 C = C

1600-1680 C − C

Pembentukan gugus fungsi C≡N terjadi pada seluruh variasi berat

molekul. Akan tetapi, intensitas absorbansi gugus fungsi nitril

Tanpa Plasma

Setelah Plasma

37

mengalami peningkatan sebanding dengan penambahan berat

molekul polistiren. Semakin besar berat molekul polistiren yang

digunakan, maka intensitas gugus fungsi nitril yang terbentuk

semakin besar. Hal ini disebabkan oleh, pemutusan rantai polistiren

terjadi paling besar pada berat molekul 280.000 g/mol. Akibat

pemutusan rantai tersebut, maka rantai terluar dari polimer akan

menarik ion nitrogen untuk mencapai keadaan yang stabil. Semakin

banyak ion nitrogen yang berhasil diikat maka intensitas absorbsi

dari gugus nitril akan mengalami peningkatan pula.

Tabel 4. 4 Intensitas Nitril yang Terbentuk Setelah Perlakuan Plasma

Bilangan Gelombang (cm-1

) Intensitas Absorbsi

2341,41 0,275

2341,63 0,525

2341,64 0,725

Gambar 4. 5 Perbandingan Intensitas Gugus Fungsi Nitril Pada Polistiren

35.000 g/mol (ungu), 192.000 g/mol (hijau), 280.000 g/mol (merah) Hasil

Modifikasi Plasma Nitrogen

Pada Gambar 4.5, tampak dua buah puncak yang berada pada

daerah gugus fungsi C≡N. Untuk berat molekul polistiren 35.000

g/mol puncak dengan intesitas yang lebih rendah berada pada daerah

2341,64, sedangkan puncak yang lainnya berada pada daerah

2360,31. Hal ini disebakan oleh adanya efek situs/kisi (site effects),

yaitu ion Nitrogen yang seharusnya menggantikan satu atau lebih

35.000 g/mol

192.000 g/mol

280.000 g/mol

38

atom dari polistiren, tetapi ion Nitrogen tersebut menempati daerah

interstitial dari polistiren (Bernstein dkk., 1997).

4.4. Hasil Imobilisasi Salmonella enteriditis Pada QCM

Salmonella tergolong ke dalam jenis bakteri gram negatif yang

berbentuk batang. Digolongkan kedalam bakteri gram negatif karena

memiliki dinding sel yang tipis sehingga tidak dapat

mempertahankan zat warna metil ungu pada metode perwarnaan

gram. Umumnya bakteri jenis ini bersifat pathogen dan dapat

ditemui pada usus binatang. Konsumsi makanan yang kurang matang

dan higienis dapat menyebabkan seseorang terinfeksi bakteri ini.

Terdapat dua jenis Salmonella yang paling banyak dijumpai yakni

Salmonella typhimurium dan Salmonella enteriditis. Infeksi

Salmonella typhimurium dapat menyebabkan sesorang terserang

penyakit tifus, sedangkan Salmonella enteriditis menyebabkan

gastroenteritis (food poisoning).

Saat ini telah banyak metode yang dilakukan untuk mendeteksi

keberadaan bakteri Salmonella di dalam makanan. Akan tetapi

metode tersebut memakan waktu yang cukup lama. Sehingga

dibutuhkan suatu metode baru yang lebih sederhana, cepat , dan

akurat. Salah satunya adalah dengan memanfaatkan QCM sebagai

biosensor. Perubahan frekuensi yang terjadi dapat mengindikasikan

jumlah mikroorganisme yang berhasil ditangkap/immobile. Terdapat

empat macam cara imobilisasi. Yaitu adsorpsi, entrapment,

crosslinking/covalent bonding, dan encapsulation.

Imobilisasi Salmonella enteriditis pada permukaan QCM tanpa

perlakuan plasma nitrogen menghasilkan perubahan frekuensi yang

lebih rendah dibandingkan dengan imobilisasi pada permukaan QCM

yang telah diberi perlakuan plasma nitrogen. Hal ini terjadi pada

seluruh variasi konsentrasi antigen yang diberikan. Kecilnya

perubahan frekuensi yang terjadi menunjukkan jumlah bakteri yang

berhasil ditangkap/immobile. Rendahnya jumlah bakteri yang

berhasil diimobilasi pada permukaan QCM tanpa perlakuan plasma

nitrogen disebabkan oleh jenis interaksi antara bakteri dengan

permukaan QCM/PS berupa imobilisasi pasif. Imobilisasi dengan

teknik ini, sangat bergantung pada morfologi permukaan sensor.

Semakin kasar permukaan sensor tersebut maka jumlah

39

bakteri/biomolekul yang berhasil diimobilisasi semakin besar.

Besarnya Salmonella enteriditis yang diimobilisasi dapat diketahui

dengan cara menghitung besarnya ∆f dari frekuensi stabil QCM

setelah ditetesi TrisCl dikurangi frekuensi stabil QCM setelah

ditetesi antigen Salmonella enteriditis (Gambar 4.6 dan 4.7).

Gambar 4. 6 Grafik Perubahan Frekuensi Terhadap Waktu Untuk

Imobilisasi Antigen 0,1212 ppm Pada QCM Tanpa Perlakuan Plasma

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

∆f

(Hz)

Waktu (s)

∆f=198 Hz

40

Gambar 4. 7 Grafik Perubahan Frekuensi Terhadap WaktuUntuk

Imobilisasi Antigen 0,1212 ppm Pada QCM Setelah Perlakuan

Plasma

Pada subbab pembahasan sebelumnya, diketahui bahwa

terbentuk suatu fungsionalisasi grup baru yaitu nitril C≡N akibat

perlakuan plasma nitrogen. Nitril merupakan gugus fungsi yang

bersifat polar. Sehingga gugus tersebut bersifat aktif untuk mengikat

atom/molekul lain disekitarnya. Kemudian keberadaaan gugus fungsi

tersebut dimanfaatkan untuk mengimobilisasi Salmonella enteriditis.

Sehingga interaksi yang terjadi dalam imobilisasi Salmonella

enteriditis bersifat imobilisasi aktif. Kelebihan dari teknik

imobilisasi ini adalah lebih tahan lama. Adanya peningkatan

intensitas absorbsi C≡N ternyata juga meningkatkan kemampuan

imobilisasinya. Pada paparan sebelumnya, peningkatan intensitas

absorbsi nitril ini sebanding dengan peningkatan berat molekul

polistiren. Hal ini tampak pada Gambar 4.8. Peningkatan berat

molekul polistiren akan meningkatkan jumlah bakteri yang berhasil

diimobilisasi.

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

∆f

(Hz)

Waktu (s)

∆f=270 Hz

41

Gambar 4. 8 Grafik Perbandingan Perubahan Frekuensi Pada

Konsentrasi Antigen 0,1212 ppm



39,5

198

396

55,5

270

1221,5

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

35.000 192.000 280.000

∆f

(Hz)



213 246,5

1143

311,5 347

2248,5

0

500

1000

1500

2000

2500

35.000 192.000 280.000

∆f

(Hz)



42



351 250

1150

524

1617

4858

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

35.000 192.000 280.000

∆f

(Hz)



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

35.000 192.000 280.000

∆F

(Hz)


0.1212 ppm 0.2424 ppm 0.3636 ppm

- - - - - Tanpa Plasma

̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ ̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶ Setelah Plasma

43

Gambar 4. 11 Grafik Perbandingan Perubahan Frekuensi

Tabel 4. 5 Tabel Perbandingan Perubahan Frekuensi dalam Imobilisasi

Salmonella enteritidis

Konsentrasi

(ppm)

Berat

Molekul

(g/mol)

Perubahan Frekuensi

(Hz) Selisih (Hz)

Tanpa

Plasma

Setelah

Plasma

0.1212

35.000 39,5 55,5 16

192.000 198 270 72

280.000 396 1221,5 825,5

0.2424

35.000 213 311,5 98,5

192.000 246,5 347 100,5

280.000 1143 2248,5 1105,5

0.3636

35.000 351 524 173

192.000 250 1617 1367

280.000 1150 4858 3708

Guna mengetahui titik optimum QCM hasil modifikasi plasma

nitrogen dalam hal imobilisasi Salmonella enteriditis maka dilakukan

pengamatan pada tiga konsentrasi antigen yang berbeda. Yaitu 0,121

ppm, 0,2424 ppm, dan 0,3636 ppm. Berdasarkan Gambar 4.11

diperoleh hubungan yang linear antara konsentrasi antigen yang

diberikan dengan perubahan frekuensi QCM yang terjadi. Hal ini

terjadi pada QCM/PS tanpa perlakuan plasma nitrogen (ditandai

dengan garis putus-putus) maupun pada QCM/PS setelah perlakuan

plasma nitrogen (ditandai dengan garis lurus). Semakin besar

konsentrasi antigen yang diberikan, maka semakin banyak pula

jumlah bakteri yang terkandung didalamnya. Oleh karena itu,

besarnya perubahan frekuensi yang terjadi akan semakin besar pula.

45

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat

disimpulkan :

1. Nilai kekasaran mengalami kenaikan sebanding dengan penambahan berat molekul polistiren yang digunakan. Hal

ini terjadi baik pada QCM tanpa perlakuan plasma maupun

pada QCM hasil modifikasi plasma nitrogen.

2. Tingkat kebasahan QCM/PS mengalami peningkatan sebanding dengan bertambahnya berat molekul polistiren

yang digunakan. Adanya penurunan tingkat kebasahan

terjadi sebagai akibat dari perlakuan plasma nitrogen,

dengan degradasi paling besar terjadi pada polistiren dengan

berat molekul yang paling besar.

3. Perlakuan plasma nitrogen mengakibatkan permukaan QCM/PS menjadi hidrofilik. Hal ini dibuktikan pada hasil

FTIR terbentuk gugus C≡N yang bersifat polar.

4. Perlakuan plasma nitrogen juga mempengaruhi kemampuannya dalam hal imobilisasi. QCM/PS yang telah

diberi perlakuan plasma nitrogen menunjukkan hasil yang

lebih baik dibandingkan dengan QCM/PS tanpa plasma

untuk masing-masing berat molekul polistiren dan antigen

yang diberikan.

5.2. Saran Saran yang dapat diberikan pada penelitian ini adalah dilakukan

kajian lebih lanjut mengenai jenis interaksi imobilisasi yang terjadi

antara gugus C≡N dan Salmonella enteriditis.

47

DAFTAR PUSTAKA

Aguilar, R.G. & López, J.O., 2011. Low cost instrumentation for

spin-coating deposition of thin films in an undergraduate

laboratory. Latin-American Journal of Physics Education, 5(2),

hal.368–373.

Anon, 2011. Data Sheet Tms-1200 TopMap.

Anon, 1995. DSC Measurement of Polystyrene.

Anon, 1992. STRI GUIDE 92/1 Hydrophobicity classification guide.

Swedish Transmission Research Institute. Available at:

http://scholar.google.com/scholar?hl=en&btnG=Search&q=intit

le:Hydrophobicity+Classification+Guide#0.

Bai, Q. & Huang, X., 2016. Using Quartz Crystal Microbalance for

Field Measurement of Liquid Viscosities. Journal of Sensors,

2016.

Bernstein, M.P., Sandford, S.A. & Allamandola, L.J., 1997. The

Infrared Spectra Of Nitriles And Related Compounds Frozen.

The Astrophysical Journal, 20(1983).

Blanca A.G. Rodriguez, Erika K.G. Trindade, Diego G.A. Cabral,

Erika C.L. Soares, Cayo E.L. Menezes, Danielle C.M.

Ferreira, Renata K. Mendes & Rosa F. Dutra. 2015.

Nanomaterials for Advancing the Health Immunosensor,

Biosensors - Micro and Nanoscale Applications, Dr. Toonika

Rinken (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/61149.

Brena, B., González-pombo, P. & Batista-viera, F., 2013.

Immobilization of Enzymes : A Literature Survey. , 1051.

Bruno, N. & Marek, P. ed., 2013. Geology and Mineralogy Research

Developments : New Developments in Quartz Research:

Varieties, Crystal Chemistry and Uses in Technology :

Varieties, Crystal Chemistry and Uses in Technology, New

York: Nova Pulishers.

Chen, H.X., 2015. Study on Liquid QCM Sensor Design and its

Response Model. Applied Mechanics and Materials, 742,

hal.32–35. Available at:

http://www.scientific.net/AMM.742.32.

Chi, T, T Ballinger, R Olds, M Zecchino, Characterizing Surface

Texture High and Low Pass Filters.

48

Cláudia, S., Martins Silveira, Martins Claudia Miranda, Maria

Larissa, Guedes Cidrão. Santaella Sandra Tédde, 2013. Immobilization of microbial cells : A promising tool for

treatment of toxic pollutants in industrial wastewater. , 12(28),

hal.4412–4418.

Doyle, W.M., Principles and Applications of Fourier Transform

Infra- red ( FTIR ) Process Analysis.

Ebnesajjad, S. & Ebnesajjad, C.F., 2014. Surface Treatment of

Materials for Adhesive Bonding second edi., Waltham, USA:

Elsevier Inc.

Ferreira, G.N.M., da-Silva, A.-C. & Tomé, B., 2009. Acoustic wave

biosensors: physical models and biological applications of

quartz crystal microbalance. Trends in biotechnology, 27(12),

hal.689–697.

Ghosh, P., 2006. Polymer Science Molecular Weights of Polymers.

Gray, J.E., 2011. Materials Science and Technologies : Polystyrene:

Properties, Performance and Applications, New York: Nova

Science Publishers, Inc.

Kaplonek, W. & Czeslaw, L., 2012. Coherence Correlation

Interferometry in Surface Topography Measurements, Recent

Interferometry Applications. Topography and Astronomy,

hal.1–27.

Llanes, Doris Susana, Hempel Ulrike, Ocampo Aquiles, 2006. Interface Layer to Improve Polystyrene Attachment on Quartz

Crystal Microbalance Resonator. , hal.9–19. Liu, Q. & Schutzer, D., 2010. Cell-Based Biosensors Principles and

Applications, Norwood: Artech House.

Masruroh, D.J.D.H Djoko, Lalu A. Didik, Eka Rahmawati, Masdiana

Pagaga, Abdurrouf & S.P Sakti, 2014. Solvent effect on

morphology of polystyrene coating and their role to

improvement for biomolecule immobilization in application of

QCM based biosensor. Applied Mechanics and Materials, 530–

531, hal.54–57.

Meliyadi, Lalu Ahmad Didik. 2014. Pengaruh Kloroform Dan

Toluena Sebagai Pelarut Polistiren Terhadap Pelapisan Zinc

Phthalocyanine (ZnPc) Pada Permukaan QCM Untuk

Meningkatkan Imobilisasi Protein. Malang : Universitas

Brawijaya.

49

Montagut, Yeison, García José Vicente, Jiménez Yolanda,

March Carmen, Montoya Ángel, Arnau Antonio, 2008. QCM Technology in Biosensors.

Pal, D., Neogi, S. & De, S., 2015. Surface modi fi cation of

polyacrylonitrile co-polymer membranes using pulsed direct

current nitrogen plasma. Thin Solid Films, 597, hal.171–182.

Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2015.11.050.

Pavia, Donald L., Gary M Lampman, George S.Kriz, 1979.

Introduction to Spectroscopy. Bellingham : Harcourt Brace

College Publishers.

Pye, D., 2003. Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing,

USA: ASM International.

Rober

Documents

PENGARUH BERAT MOLEKUL POLISTIREN (PS) TERHADAP …repository.ub.ac.id/4769/1/Tyas Nurul Zafirah.pdf · 2020. 6. 2. · QCM dengan variasi berat molekul polistiren, yaitu 35.000 g/mol,