PENGEMBANGAN SENSOR GIANT MAGNETORESISTANCE (GMR) BERBASIS LAPISAN TIPIS Co/Cu MULTILAYER UNTUK MENDETEKSI BIOMOLEKUL DENGAN RANGKAIAN JEMBATAN WHEATSTONE

GANESHA ANTARNUSA, Dr. Edi Suharyadi

2017 | Tesis | S2 Ilmu Fisika

Pada penelitian ini telah berhasil dikembangkan sensor berbasis GMR dengan metode rangkaian jembatan Wheatstone sebagai deteksi biomaterial yang potensial. Dalam rangka mencapai tujuan ini, lapisan tipis [Co(1.5nm/Cu(1.0nm)]20 multilayer difabrikasi dengan menggunakan metode DC magnetron sputtering yang menunjukkan nilai magnetoresistansi (MR) sebesar 2,7%. Hasil pengukuran pola spektrum X-Ray diffraction (XRD) menunjukkan bahwa lapisan tipis Co/Cu multilayer memiliki derajat kristalinitas yang tinggi dengan puncak tunggal yang merupakan struktur face-centered cubic (111) pada 2 theta = 44,2 derajat. Lapisan tipis Co/Cu multilayer menunjukkan sifat soft magnetic dengan nilai magnetisasi saturasi (Ms) sebesar 1459,6 emu/cc dan koersifitas (Hc) sebesar 10 Oe. Nanopartikel magnetik Fe3O4 digunakan sebagai label yang disintesis menggunakan metode kopresipitasi menunjukkan sifat superparamagnetik dengan nilai Ms sebesar 77,1 emu/g dan Hc sebesar 49 Oe. Pola spektrum XRD dan hasil karakterisasi transmission electron microscopy (TEM) memperlihatkan bahwa Fe3O4 memiliki derajat kristalinitas yang tinggi dengan struktur invers spinel yang memiliki ukuran kristalit sebesar 10,3 nm. Sensor GMR digunakan untuk mendeteksi biomolekul berupa partikel magnetik streptavidin dengan variasi konsentrasi 10, 20, 30, dan 40 mikroliter/ml dan enzim alfa-amylase dengan variasi konsentrasi 10, 20, 30, dan 40 mikroliter/ml yang telah diikat menggunakan polyethylene glycol (PEG)/ Fe3O4. Variasi medan magnet eksternal sebesar 0-650 Gauss digunakan dengan variasi arus sebesar 0-5 A. Perubahan tegangan keluaran partikel magnetik streptavidin sebesar 1,2 mV pada konsentrasi 10 mikroliter/ml. Perubahan tegangan keluaran mengalami kenaikkan dengan bertambahnya konsentrasi biomolekul magnetik. Hasil ini menunjukkan bahwa perubahan tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone memiliki hubungan linear dengan konsentrasi partikel magnetik streptavidin dan enzim alfa-amylase sehingga sensor cocok sebagai detektor konsentrasi biomolekul. Hasil ini menunjukkan bahwa kombinasi Co/Cu multilayer, jembatan Wheatstone, nanopartikel magnetik dan polimer PEG sangat potensial sebagai aplikasi deteksi biomolekul.

A Wheatstone bridge-giant magnetoresistance (GMR) sensor was successfully developed for a potential biomaterial detection. In order to achieve this, a giant magnetoresistive [Co(1.5nm/Cu(1.0nm)]20 multilayer structures has been fabricated by DC magnetron sputtering method, showing a magnetoresistance (MR) of 2.7%. The X-Ray diffraction (XRD) patterns showed that Co/Cu film multilayer has a high degree of crystallinity with a single peak corresponding to face-centered cubic (111) structure at 2 tehta = 44.2 degree. Co/Cu multilayers exhibit a soft magnetic behavior with the saturation magnetization (Ms) of 1459 emu/cc and the coercivity (Hc) of 10 Oe. The magnetite Fe3O4 nanoparticles used as biomolecular labels (nanotags) were synthesized via co-precipitation method, exhibiting a soft magnetic behavior with Ms of 77.1 emu/g and Hc of 49 Oe. XRD patterns and transmission electron microscopy (TEM) images showed that Fe3O4 was well crystallized and it grew in their inverse spinel structure with an average size of around 10.3 nm. The GMR sensor design was used to detect a biomolecules of streptavidin magnetic particles with concentration 10, 20, 30, and 40 microliter/ml and alpha-amylase enzyme with consentration 10, 20, 30, and 40 microliter/ml captured using polyethylene glycol (PEG)/ Fe3O4 nanoparticles. Various applied magnetic fields of 0-650 Gauss have been performed using electromagnetic with the various currents of 0-5 A. Here, the final value of the output voltage signals for the streptavidin magnetic particles concentration is 1.2 mV (10 microliter/ml). The output voltage changes with the increase of concentration. It was reported that the output voltage signal of the Wheatstone bridge exhibits log-linear function in real time measurement of the concentration of streptavidin magnetic particles and alpha-amylase enzyme respectively, making the sensor suitable for use as a biomolecule concentration detector. Thus, the combination of Co/Cu multilayer, Wheatstone bridge, magnetite and PEG polymer has potential application to be used in bio-detection applications where ultra-small bio-labels are needed.

Kata Kunci : giant magnetoresistance (GMR), jembatan Wheatstone, nanopartikel magnetik, Fe3O4, biosensor.