Penggunaan Spektroskopi Surface Plasmon Resonance untuk Menentukan Ketebalan MonolayerOlehFitrilawatiSaid SesiriaJurusan FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Padjadjaran20061. PendahuluanSpektroskopi surface plasmon resonance (SPR) merupakan teknik optik yang dapat digunakan untuk mengukur kinetik adsorpsi molekul pada substrat secara insitu [9]. Teknik ini merupakanpengukuran (probe) kuantitatif dengan cara mengukur intensitas cahaya pantul pada bahan dielektrik. Teknik ini digunakan untuk mengamati interaksi dari berbagai jenis biopolimer, seperti protein, ligand,membran termasuk didalamnya DNA [5]. Selain digunakanuntukmengamati danmengukur kinetikadsorpsi molekul, teknikSPRdapat digunakan untuk menghitung konstanta keseimbangan, konstanta kinetik, perubahan indeks bias, mengamati ikatan antar protein, mengamati kinetik disosiasi, dan mengukur ketebalan monolayer [5,7]. Surface plasmon merupakan osilasi kolektif dari elektron bebas yang merambat pada film logam tipis [1]. Surface plasmon juga didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik yangmerambatsepanjang interfacelapisan logam tipis dan bahan dielektrik [5]. Eksitasi surface plasmon memerlukan divais kopling berupa prisma yang memiliki indeks bias tinggi. Panjanggelombangyangdigunakanuntukeksitasi beradapadaselang6301200nm. Dengan menggunakan konfigurasi Kretschmann [5,11] yang diperlihatkan pada gambar 2.9, substrat optik (prisma) dilapisi oleh lapisan logam dengan ketebalan sekitar 50 nm [ 5,9 11,17 ].Gambar 2.9Konfigurasi Kretschmannyangmenggunakanprismasebagai kopling sinar datang pada spektroskopi SPRSurfaceplasmonditentukanolehsifat dari prisma, logamdanmediumdielektrik sekitar medim. Padasudut sinar datangtertentu, elektronbebasdari logamberesonansi dengan cahaya datang, mengakibatkan reflektansi menurun tajam sampai kondisi minimum. Berdasarkan persamaan Maxwell, timbulnya surface plasmon mengakibatkan ketebalan (d ) dan konstanta dielektrik () dari medium yang berada disekitarnya akan berubah [5,11]. Hal Substrat AutersebutmenyebabkanSPRmerupakan metode yang sangat ideal untuk memonitor reaksi permukaan.Surface plasmondibangkitkan oleh gelombangdatangyangterpolarisasi dalam metodeTM (tranversemagnetude)[5,11]. Jikagelombangdatangmengenai permukaan logamdielektrik, makagelombang tersebut akan mengalami transmisi dan refleksi sesuai denganhukumSnellius. Jikasudut datangmembesar, intensitascahayapantul mencapai maksimumdanterjadi kondisitotal internal reflection(TIR), yaitusuatukondisi ideal dimana tidak ada gelombang yang dibiaskan. Nilai sudut datang yang menjadi batas terjadinya pemantulan total disebut sebagai sudut kritis (c). Pemantulantotal hanyadapatterjadi padasatunilai sudut kritissaja, diatasnilai sudut kritisakanterjadi pelemahanataupenguranganintensitassinarpantul. Kondisi ini disebut Attenuated total reflection (ATR). Surface plasmon terjadi pada kondisi ATR, karena pembangkitan surface plasmon memerlukan energi yang cukup besar dari gelombang datang.Prinsip kerja spektroskopi SPRberdasarkan pada reflektansi sinar laser yang terpolarisasi pada lapisan logam akibat pemantulan sempurna yang terjadi pada dasar prisma. Pada sudut sinar datang tertentu (sudut kopling), momentum sinar laser akan sama dengan momentum elektron pada logam. Pada kondisi ini, ion-ion logam akan terpisah dan bergetar di permukaanmembentuksurfaceplasmonsehinggaenergi laserpadapermukaanlogam mencapaikondisi resonansi, akibatnya reflektansinya menjadi minimum. Kondisi tersebut menunjukkan bahwa panjang gelombang laser yang mengenai prisma seluruhnya diadsorp menghasilkan surface plasmon yang ditandai dengan timbulnya cahaya terang pada permukaan substrat Au. Perubahan nilai indeks bias yang dapat diamati pada SPR menandai proses pertumbuhanmolekul dalampermukaansubstrat emas. Set-upspektroskopi SPR ditunjukan pada gambar 2.102. 3. Spektroskopi Surface Plasmon ResonanceSpektroskopiSurface Plasmon Resonance (SPR) adalah salah satu alat karakterisasi optik yang dipakai untuk menentukan ketebalan dan konstanta dielektrik bahan serta mengukurkinetikadsorpsi molekul padasuatupermukaan[4]. SPRbekerjaberdasarkan prinsip Attenuated Total Reflection (ATR).Pemantulansempurnaterjadi apabilamediumtempat jatuhnyacahayamempunyai indeks bias lebih besar dibandingkan dengan medium sekitarnya (n1 _n2), Pemantulan yang terjadi pada permukaan dengan medium yang mengabsorbsi mempunyai kesamaan dengan pemantulanpadamediumdielektrik.Olehkarenacahayayangdigunakanadalahcahaya laserp-polarized maka pemantulan yang ditinjau adalah pemantulan dengan gelombang p (gelombang TM), seperti ditunjukkan pada Gambar 1, dengan syarat batas yaitu kontinuitas pada Ez dan Hy yang dituliskan pada persamaan (1) dan (2).Gambar 1 Pembiasan dan pemantulan dari gelombang p (TM)( ) ( )2'2 2 1'1 1cos cos p p p pE E E E + +(1)( ) ( )'2 222 '1 111p p p pE E E E (2)Selanjutnya koefisien pemantulan dari gelombang p dirumuskan seperti persamaan (3).01'1'2

,_

pEpppEEr(3)DenganEp=0menunjukkanhanyaadagelombangyangdibiaskanyaituE2pyang berada pada medium 2 sebab gelombang p datang dari medium 1. dari persamaan (3) dan persamaan (2) dan mengasumsikan2=1, diperoleh rumus Fresnel [11] seperti pada persamaan 4.1 2 2 11 2 2 1cos coscos cos n nn nrp+(4)2. Gelombang evanescentApabilacahayadatangmempunyai sudut lebihbesar dari sudut kritismakaakan terjadi pemantulan sempurna, dimana energi dari cahaya datang akan dipantulkan seluruhnya. Namun dalam hal ini tidak berarti tidak ada cahaya yang dibiaskan. Terdapat cahayayangdibiaskansecara eksponensial terhadapjarakdari antar mukayangdapat dijelaskan sebagai berikut. Persamaan gelombang elektromagnetik dari gelombang datang, gelombang refleksi dan gelombang bias (seperti Gambar 1) dapat dituliskan sebagai gelombang datang (persamaan (5)), gelombang pantul (persamaan (6)) dan gelombang bias (persamaan (7)).( ) [ ]( ) [ ] t r k i H Ht r k i E E1 1 1 11 1 1 1expexp (5)( ) [ ]( ) [ ] t r k i H Ht r k i E E'1 1'1'1'1 1'1'1expexp (6)( ) [ ]( ) [ ] t r k i H Ht r k i E E2 2 2 22 2 2 2expexp (7)__ __ __ _Dengan ki =(kix,kiy_kiz), i= 1, 2;r = (x y_z);1,1dan 2masing-masing adalah frekuensicahayadatang, frekuensi cahayarefleksi danfrekuensi cahayabias. Selanjutnya vektor gelombang k2zdapat diungkapkan dengan menerapkan kontinuitas pada syarat batas di antarmuka seperti pada persamaan (8).2121212 21222222 2 x x x zk knnk k k k k

,_

(8)_____ _ dengan menggunakan hubungan geometri k2z dapat dituliskan menjadi persamaan (9).12212121 12 212122sin sin

,_

,_

nnk k knnkz(9)_ _ ___Dari persamaan (9) dapat ditinjau dua hal yaitu kondisi jika n2 n1 maka k2z R dan jika n2 n1 maka k2z I. Persamaan (10) mengGambarkan persamaan pada keadaan sudut kritis.cnn sin12(10)Pada keadaan sudut kritis, persamaan (9) dapat dituliskan menjadi persamaan (11).__12 21 2sin sin c zk k (11)Dari persamaan (11) jika c 212sin sin > makaI kz 2misalkan i kz2, kemudian substitusikan ke persamaan (6) sehingga diperoleh persamaan (12)( ) [ ]( ) [ ] t xk i e E Et xk i e E Exzxz2 2 22 2 2expexp (12)Dari persamaantersebut dapatdisimpulkanbahwabesardari gelombangbiasakan meluruh secara eksponensial terhadap jarak dari antarmuka yang dikenal sebagai gelombang evanescent.3. Surface Plasmon ResonancePada 1962, Ferrell dan Stern memperkirakan Surface PlasmonWave dapat terbentuk dari gelombang bidang,Surface Plasmon Wave juga dapat menghasilkan kondisi resonansi [12] dengan persamaan (13).2 12 1 +cksp(13)__ _Resonansi terjadi dimanacahayadatangharusmemenuhi beberapakondisi, energi total akan dikopel kedalam plasmon pada antarmuka logam hingga terjadi resonansi, yang penjelasannya adalah sebagai berikut. Untuk gelombang-p, persamaan gelombang elektromagnetik dari gelombang datang dan gelombang bias untuk z > 0 dinyatakan oleh persamaan (14) dan untuk z < 0 dinyatakan oleh persamaan (15).( ) [ ]( ) [ ] t z k x k iEEEt z k x k i H Hz xzxz x y +

,_

+

,_

1 11111 1 1 1exp 0exp00(14)__ _( ) [ ]( ) [ ] t z k x k iEEEt z k x k i H Hz xzxz x y +

,_

+

,_

2 22222 2 2 2exp 0exp00(15)DenganmenggunakanpersamaanMaxwell danpenerapansyarat kontinuitas pada bidang batas akan diperoleh persamaan (18). Persamaan Maxwell diperlihatkan pada persamaan (16).0011 ii iiiii iHEtHcEtEcH(16)Selanjutnya, syarat kontinuitas pada bidang batas diperlihatkan dalam persamaan (17).x x xz z y y x xk k kE E H H E E 2 12 2 1 1 2 1 2 1 (17)Penerapan sayarat batas tersebut pada persamaan Maxwell, akan diperoleh hubungan seperti yang diperlihat oleh persamaan (18).22 22121

,_

+ ck kkki zi xzz (18)Selanjutnya diperoleh persamaan (19). Karena 2_2i_ _2, persamaan (19) dapat ditulis menjadi persamaan (20).2 12 1 +ckx(19)( ) '

,_

+

,_

++ 2'2' '2231' '21'2 ' '211' '21'2 '' ' '2 ckckik k kxxx x x(20)Dari persamaan (20) hanya digunakan bagian real karena bagian imajiner merupakan redaman atau absorpsi internal. Dengan demikian vektor gelombang dariSurface Plasmon Wave pada arah x dinyatakan oleh k_ x, seperti pada persamaan (21).' '2 1' '2 1 ' +ckx(21)dengan 2 _2 diperoleh( ) Rckx+2 , 12 12 1 (22)Persamaan (22) disebut kondisi resonansi dari gelombang surface plasmon. Dengan membandingkan persamaan (18) dan (22), Jika 2 =0, 1 0 dan 2,__1 (antarmuka udara logam), kx _sehingga kzi I. Bilangan kompleks pada arah z menunjukkan surface plasmon nonradiatif dan energi akan meluruh secara eksponensial dari antarmuka [12]. Resonansi dari gelombang surface plasmon tidak dapat langsung terbentuk dari gelombang cahaya karena momentumnya terlalu lemah [4] sehingga digunakancouplersuntuk menambah besar momentum, Salahsatustruktur koplingyangdigunakanadalahprismcoupler, dimana fenomena gelombang surface plasmon resonance dapat terjadi melalui resonansi gelombang evanescent dengan gelombang surface plasmon.4. Pandu gelombang optik tiga lapisanGambar 2 adalah pandu gelombang tiga lapisan dengan struktur Kretschmann. Dengan menggunakan persamaan Fresnel, kita dapat menganalisa konstanta dielektrik dan ketebalan optik. Persamaan Fresnel [11] ditunjukkan oleh persamaan (23).Gambar 2 Struktur Kretchmann untuk menghasilkan SPR______( )ck k ks q kp qk ZZ ZZ Zrs p qr rr rri iziziziqiqjqiqjqiijd ik q qd ik q qqiziz '+++02 / 120 0223 12223 12, sin,, ,exp 1exp(23)Gambar 10 adalah plotRp()menggunakan GNUPlot (perhitungan numerik diselesaikan dengan GFORTRAN) untuk cahaya datang yaitu laser He-Ne 632.8 nm dengan tebal lapisan emas 50 nm, dimana Rp ()didefinisikan dari r2 p_. Dari kurva dapat ditinjau bahwahanyagelombangpyangdapat menimbulkanresonansi padagelombangsurface plasmon. Dari persamaan (23) yangmempengaruhi koefisienrefleksi (Rp) diantaranya adalah tebaldari film logam(d), frekuensi dari cahaya datang (), sudut datang () dan permitivitas (1 _ 2 _ 3). Besaran yang diketahui adalah dengan frekuensi () dari laser He-Ne (= 632.8 nm), bahan prisma yang digunakan adalah LaSFN9 (n = 1.845 pada = 632.8 nm) dan indeks bias dari logam emas untuk = 632.8 nm (n2) adalah (0.1726 + 3.4218i), Untuk menentukan permitivitas dari medium ketiga dapat dilakukan fitting kurva data hasil eksperimen dan masukan data pada persamaan Fresnel dengan menggunakan metode nonlinear least-squares.Untuk mengamati fotoisomerisasi dari molekul-molekul azobenzen disulfida, setidaknyaterdapat4mediumpadaspektroskopiSurface Plasmon Resonance. medium1 adalahprismayangmempunyai nilai indeks bias lebihbesar daripadaudarakemudian medium 2 adalah logam emas pada dasar prisma yang juga merupakan tempat terbentuknya monolayer dari molekul-molekul yangdigunakan(medium3), lalupadakeduamedium (logam emas dan molekul) terdapat larutan tertentu (medium 4). Grafik fungsi dari refleksi terhadap sudutRp__untuk 4 medium yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 2.11 untuk gelombang p (gelombang TM).2.5 Konfigurasi Surface Plasmon ResonanceSet-upperalatanSPRumumnyaberdasarkankonfigurasi yangdiperkenalkanoleh Kretschmann [13, 4]. Set-up peralatan SPR ditunjukkan pada Gambar 3. Bagian utama dari peralatan SPR adalah laser HeNe (= 632.8 nm), prisma simetris 90_yang berindeks bias tinggi (LaSFN9, n = 1.845 pada = 633 nm) dan fotodioda.Gambar 3 Set up sample holder pada peralatan SPR2.6 Pengukuran KuantitatifPadaumumnyaterdapatdua modepada peralatan SPRyaitu modescandanmode kinetics. Pada mode kurva scan menampilkan perubahan intensitas cahaya yang dipantulkan oleh bagian dasar prisma sebagai fungsi dari sudut datang sedangkan Pada mode kinetics kurva kinetics menampilkan perubahan intensitas dari cahaya yang dipantulkan pada sudut datang tertentu sebagai fungsi waktu. Contoh spektrumscanSPRdankineticsSPR ditunjukkan pada Gambar 4.Gambar 4 Contoh mode scan dan mode kinetics dari SPR3.2 Penentuan ketebalan monolayer dan Fotoisomerisasi3.2.1 Penentuan ketebalan monolayerUntuk mengestimasi ketebalan optik dan konstanta dielektrik monolayer dari masing-masing molekul yaitu dengan cara mencocokkan kurva data hasil eksperimen dengan kurva yang dihasilkan oleh persamaan Fresnel (2.23). fitting kurva dapat dilakukan secara iterative atau manual dengan metodenonlinear least-squaresdengan menggunakan software WINSPALL 2.20. Estimasi dilakukan pertama kali untuk sistem tiga lapisan yang terdiri dari prisma (r= 3.405), lapisan emas (d = 48 nm,r= -12.9 dan i= 1.3) dan pelarut heksan (=1.88). Nilai yangdimasukkanmerupakan nilaiparameteruntukpersamaan Fresnel sebelumdicocokkandengandata eksperimen. Kemudiandilakukanpencocokkankurva terlebih dahulu pada daerah sudut kritis untuk menentukan konstanta dielektrik dari pelarut, hasil sebelum dan sesudah fitting ditunjukkan pada gambar 3.2Gambar 3.2 Hasil fitting untuk menentukan indeks bias pelarut heksan. sebelum fitting (atas) dan sesudah fitting (bawah)Dari hasil simulasi diperoleh konstanta dielektrik pelarut heksan (r=1.8834), kemudian dilakukan fitting kurva pada daerah sudut minimum untuk menentukkan konstanta dielektrik serta ketebalan dari lapisan emas. Hasil sebelum dan sesudah fitting ditunjukkan padagambar 3.3. Dari hasil simulasi diperolehkonstantadielektriklapisanemas (r= -12.9925,i= 1.2805) dengan ketebalan (d = 485.8 ). Hasil keseluruhan simulasi untuk mengestimasikonstantadielektrikpelarutheksan sertakonstantadielektrikdan ketebalan dari lapisan emas ditunjukkan pada gambar 3.4.Gambar 3.3 Hasil fitting untuk menentukan ketebalan dan konstanta dielektrik substrat emas. sebelumfitting (atas) dan sesudah fitting (bawah)Gambar 3.4 Hasil fitting spektrum SPR untuk substrat emas didalam pelarut heksanSimulasi dilanjutkan dengan sistemempat lapisan dengan penambahan lapisan azobenzen disulfida (d = 4.45 nm, r = 2.25). Kemudian dilakukan fitting kurva pada daerah sudut SPR untuk menentukan ketebalan lapisan azobenzen disulfida. Hasil fitting ditunjukkan pada gambar 3.5Gambar 3.5 Hasil fitting spektrum SPR untuk substrat emas didalam pelarut heksanDari hasilsimulasi diperolehketebalanlapisanazobenzendisulfida(d=4.98nm). Karena fotoisomerisasi monolayer azobenzen disulfida ditinjau didalam larutan buffer maka simulasi kembali dilakukanpadadaerahsudut kritisuntukdataeksperimenpadalarutan buffer. Fittingkurva jugadilakukan pada daerah sudut SPR untuk menentukan ketebalan lapisanazobenzendisulfidadidalamlarutanbuffer. Hasil fittingkurvaditunjukkanpada gambar 3.6Gambar 3.6 Hasil fitting untuk menentukan ketebalan monolayer dan indeks bias larutan bufferpada kondisi transDari hasil simulasi diperoleh ketebalan lapisan azobenzen disulfida (d = 4.69 nm) pada larutanbufferyang merupakan ketebalan lapisan untuk isomer trans sedangkan ketebalan lapisanazobenzendisulfidauntukisomer cisdiperolehdenganmelakukanfittingkurva untukdataeksperimenpadasaat lapisantersebutdisinaricahaya UV.Hasilfitting kurva untuk lapisan azobenzen disulfida disinari cahaya UVditunjukkan pada gambar 3.7. Ketebalan lapisan azobenzen disulfida yang diperoleh pada isomer cis adalah d = 4.42 nm. Dari hasil fitting kurva tersebut dapat ditentukan perbedaan ketebalan antara isomer trans dan isomer cis.Gambar 3.7 Hasil fitting untuk menentukan ketebalan monolayer pada kondisi cisDaftar Pustaka[1] Jason Quenneville.First Principles Studies of cis-trans photoisomerization dynamics and excited states in ethylene,stilbene, azobenzeneandtatb. PhDthesis, University of illinois, 2003.[2] Winter B. Weber R. and Hertel I.V. Photoemission from azobenzene alkanethiol selfassembled monolayers.J. Phys. Chem B, 107(31):7768-7775, July 2003.[3] Abe K. Tamada K. and Nagasawa J. Tamaki T., Akiyama H. Photoreactivity in selfassembled monolayers formed from asymmetric disulfides having para-substituted azobenzenes. J. Phys. Chem B, 107(1):130-135, October 2003.[4] Knoll W. Integrated optics for the characterization of photoreactive organic thin film. Pure Appl.Chem, 67(1):87-94, 1995.[5] van Veggel F.C.J.M. Flink S. and Reinhoudt D.N. Sensor functionalities in selfassembled monolayers.Adv.Mater, 12(18):1315-1328, September 2000.[6] Akiyama H. Tamada K. and Wei T. X. Photoisomerization reaction of unsymmetrical azobenzene disulfide self-assembled monolayers studiedbysurfaceplasmonspectroscopy.Langmuir, 18(13):5239-5246, April 2002.[7] Mermut O. El HalabiehR.H. andBarret C.J. Usinglighttocontrol physical properties of polymers and surface with azobenzene chromophores. Pure Appl.Chem, 76(78):1445-1465, 2004.[8] Brzozowski L. andSargent E.H. Azobenzenefor photonicnetwork application : Thirdorder nonlinear optical properties.Material in Electronic, 12:483-489, 2001.[9] Uli Jonas.lecture IntroSurfChem 1e.pdf.http://www.mpip-mainz.mpg.de.[10] Ulman A. An Introduction to Ultrathin Organic Films, From Langmuir-Blodgett to Self-Assembly. Academic Press, Inc, 1991.[11] YehP.OpticalWavesinLayered Media.John WileyandSons, Inc, 1998.[12] Peng C.C. The design and fabrication of fiber-type surface plasmon resonance sensor andpolarizer byusingd-shapedoptical fiber. Master's thesis, National Cheng Kung University, Jun 2004.[13] KretschmannE. andRaetherH. Z. Radiativedecayof non-radiatif surface plasmon excited by light.Z.Naturforsch, 23:2135-2136, 1968.[14] Peterlinz K.A. and Georgiadis R. In situ kinetics of self-assembly by surfaceplasmonresonancespectroscopy.Langmuir, 12(20):4731-4740, June 1996.