Inovasi Deteksi Glukosa dengan Elektroda Kertas

Majalah Farmasetika ― Pada penderita diabetes, pemantauan kadar glukosa dengan cara pengambilan darah bukanlah hal yang menyenangkan. Untuk mengurangi risiko infeksi, maka dilakukan pendekatan non-invasif melalui penggunaan sampel berupa urin ataupun keringat.

Dengan pendekatan ini tidak ada bagian tubuh yang harus dilukai. Pendekatan non-invasif ini sangat mendukung alat pemeriksaan point of care dengan sensitivitas tinggi, cepat, murah, dan user-friendly.

Pada tahun 2017, peneliti mengembangkan alat pemantau glukosa darah dengan sampel keringat manusia (0,02-1,0 mg/mL) berbasis elektroda kertas. Meskipun alat tersebut menunjukkan sensitivitas yang baik (1,35 μA/mM), tetapi dibutuhkan instrumentasi eksternal untuk mengukur daya dan arus maksimumnya, di mana hal tersebut bertolak belakang dengan prinsip user-friendly dari suatu alat pemeriksaan point of care.

Oleh karena itu, pada tahun 2019, peneliti yang sama mengembangkan alat pemantau glukosa darah dengan sampel urin berbasis elektroda kertas. Dengan elektroda berbasis kertas, maka point of care dapat dilakukan. Sampel yang digunakan adalah urin karena mudah dan non-invasif.

Konsentrasi glukosa khas dalam sampel urin normal adalah 0-1 mM. Namun, dalam beberapa kasus, tingkat glukosa tinggi dapat meningkatkan komplikasi pada penderita diabetes. Ambang batas konsentrasi glukosa dalam urin dapat terdeteksi dengan pengujian elektrokimia secara semikuantitatif. Pengembangan sensor on-chip glukosa urin sederhana ini terdiri atas lima elektroda kertas PEDOT: PSS-GOx yang dihubungkan pada LED sebagai indikator konsentrasi glukosa. Apabila semua lampu LED menyala terang, maka konsentrasi glukosa dalam urin yang terdeteksi sangat tinggi.

Alat pemantau glukosa darah dari urin dengan elektroda kertas ini dibuat dengan menggunakan kertas Whatman #1 yang ditetesi PEDOT: PSS (campuran dua inomer yaitu natrium polistiren sulfonat dengan polythiophen yang membentuk suatu polimer), kemudian dilekatkan pada elektroda graphite-ink. Setelah itu, ditetesi kembali dengan PEDOT: PSS-GOx, di mana lima daerah elektroda ini dibatasi dengan lilin.

Glucose oxidase (GOx) berperan dalam mengkatalisis proses oksidasi glukosa menjadi hidrogen peroksida dan D-glucono-d-lactone (glucolactone). Enzim ini bersifat tidak stabil sehingga perlu dienkapsulasi dengan polimer PEDOT: PSS. Secara umum, prinsip kerja dari sensor on-chip glukosa urin ini berdasarkan amperometri.

Sekitar 40 µl sampel urin artifisial dengan variasi konsentrasi glukosa diletakkan ke masing-masing reservoir elektroda kertas (kotak abu-abu) dan seluruh permukaan elektroda harus tertutupi sampel. Setelah diberikan voltasi sebesar 3V, sampel akan bergerak menuju reservoir enzim di anoda (lingkaran biru) melalui gaya kapilaritas. Sampel akan teradsorpsi sehingga glukosa dalam sampel akan memicu transfer elektron melalui proses oksidasi GOx yang kemudian terbaca sebagai arus yang mampu menerangi LED dalam kurun waktu kurang dari 2 menit.

Alat pemantau glukosa darah dari urin dengan elektroda kertas ini memiliki tingkat keakuratan lebih dari 80%. Alat ini dapat menawarkan fleksibilitas dalam pengukuran kadar gula darah dan dapat menjadi alternatif yang dapat diadopsi untuk pengukuran senyawa lain dalam rangka point of care.

Daftar Pustaka

Bruen, D., C. Delaney, L. Florea, et al. 2017. Glucose Sensing for Diabetes Monitoring: Recent Developments. Sensors. 17: 1866.

Cho, E., M. Mohammadifar, dan S. Choi. 2017. A Single-Use, Self-Powered, Paper-Based Sensor Patch for Detection of Exercise-Induced Hypoglycemia. Micromachines. 8: 265.

Claussen, J. C., A. Kumar, D. B. Jaroch, et al. 2012. Nanostructuring Platinum Nanoparticles on Multilayered Graphene Petal Nanosheets for Electrochemical Biosensing. Adv. Funct. Mater. 22: 3399–3405.

Corrie, S., J. Coffey, J. Islam, et al. 2015. Blood, Sweat, and Tears: Developing Clinically Relevant Protein Biosensors for Integrated Body Fluid Analysis. Analyst. 140: 4350– 4364.

Cosnier, S., A. Le Goff, A., dan M. Holzinger. 2014. Towards Glucose Biofuel Cells Implanted in Human Body for Powering Artificial Organs. Electrochem. Commun. 38: 19–23.

Fischer, C., A. Fraiwan, dan S. Choi. 2016. A 3D Paper-Based Enzymatic Fuel Cell for Self-Powered, Low-Cost Glucose Monitoring. Biosens. Bioelectron. 79: 193–197.

Jain, P., A. M. Joshi, dan S. P. Mohanty, S. P. 2020. iGLU: An Intelligent Device for Accurate Noninvasive Blood Glucose-Level Monitoring in Smart Healthcare. IEEE Consumer Electronics Magazine. 9(1): 35–42.

Kim, H. Y., K. J. Jang, M. Veerapandian, et al. 2014. Reusable Urine Glucose Sensor Based on Functionalized Graphene Oxide Conjugated Au Electrode with Protective Layers. Biotechnol. Rep. 3: 49–53.

Kros, A., S. W. van Hövell, N. A. Sommerdijk, et al. 2001. Poly (3, 4-Ethylenedioxythiophene)-Based Glucose Biosensors. Adv. Mater. 13: 1555–1557.

Lacina, K., dan P. Skládal. 2015. Bipolar Transistor Amplifier for Transduction of Electrochemical Response to Visual Perception. Sens. Actuators B Chem. 210: 183–189.

Lacina, K., J. Žák, J. Sopoušek, et al. 2016. Transistor Amplifier as an Electrochemical Transducer with Intuitive Optical Read-Out: Improving Its Performance with Simple Electronic Solutions. Electrochim. Acta. 216: 147–151.

Liu, J., M. Agarwal, dan K. Varahramyan. 2008. Glucose Sensor Based on Organic Thin Film Transistor Using Glucose Oxidase and Conducting Polymer. Sens. Actuators B Chem. 135: 195–199.

Makaram, P., D. Owens, dan J. Aceros. 2014. Trends in NanomaterialBased Non-Invasive Diabetes Sensing Technologies. Diagnostics. 4: 27–46.

Mohammadifar, M., M. Tahemia, S. Choi. 2019. An Equipment-Free, Paper-Based Electrochemcial Sensor for Visual Monitoring of Glucose Level in Urine. SLAS Technology. 00(0): 1-7.

Robinson, S., dan N. Dhanlaksmi. 2017. Photonic Crystal Based Biosensor for the Detection of Glucose Concentration in Urine. Photonic Sensors. 7: 11–19.

Rozlosnik, N. 2009. New Directions in Medical Biosensors Employing Poly (3, 4-Ethylenedioxy Thiophene) Derivative-Based Electrodes. Anal. Bioanal. Chem. 395: 637–645.

Sarfraz, J., D. Tobjork, R. Osterbacka, et al. 2012. Low-Cost Hydrogen Sulfide Gas Sensor on Paper Substrates: Fabrication and Demonstration. IEEE Sens. J. 12: 1973–1978.

Sun, L., dan R. M. Crooks, R. 2005. Photonic Reporting of Electrochemical Reactions Using Light-Emitting Diodes. J. Electrochem. Soc. 152: E371–E377.

Zhang, W., Y. Du, dan M. L. Wang. 2015. On-Chip Highly Sensitive Saliva Glucose Sensing Using Multilayer Films Composed of Single-Walled Carbon Nanotubes, Gold Nanoparticles, and Glucose Oxidase. Sens. Biosensing Res. 4: 96– 102.

Zhu, Z., J. T. Mabeck, C. Zhu, et al. 2004. A Simple Poly (3, 4-Ethylene Dioxythiophene)/Poly (Styrene Sulfonic Acid) Transistor for Glucose Sensing at Neutral pH. Chem. Commun. 1556–1557.