Makalah Nanomaterial :))

SINTESIS NANOPARTIKEL TiO₂ (TITANIA) MENGGUNAKAN MIKROORGANISME

Arindha Reni Pramesti (080810115) dan Windi Aprilyanti Putri (080810152)

Teknobiomedik – Universitas Airlangga

2011

ABSTRAK

Dengan biaya yang murah, ramah lingkungan, dan menggunakan mikroba yang dapat dikembangbiakan (Lactobacillus sp. Dan Sachharomyces cerevisae) bertindak sebagai penengah dalam biosintesis nanopartikel TiO₂. Sintesis dilakukan pada suhu kamar dalam suasana laboratorium.  Analisis dengan difraksi X-ray (XRD) dan transmission electron microscopy (TEM) dilakukan untuk memastikan pembentukan nanopartikel TiO₂. Nanopartikel tersebut memiliki ukuran 8-35 nm. Concentric Scherrer rings pada daerah yang dipilih dalam pola difraksi electron menunjukkan bahwa nanopartikel mengalami semua orientasi. Mekanisme yang terlibat adalah biosintesis nano-TiO₂ dimana pH serta tekanan parsial gas hidrogen (rH2) atau potensial redoks memainkan peran penting dalam proses sintesis.

PENDAHULUAN

            Bahan dengan ukuran nano telah menarik perhatian para peneliti karena sangat berpotensi di hampir semua bidang kehidupan. Bahan biologis dan anorganik memang saling berhubungan dalam kehidupan ini. Titania (TiO₂) merupakan material yang bersifat Non-toksik dan biokompatibel sehingga dapat di aplikasikan dalam ilmu biomedis, teknik jaringan tulang, serta dalam industri farmasi (digunakan sebagai anti UV dalam kosmetik). Pembentukan titania bubuk telah diteliti dengan menggunakan berbagai metode seperti metode sol-gel, hidrotermal, solvothermal, flame combustion, emulsion precipitation, biosintesis jamur, dll. Pada teknologi nano modern, interaksi antara nanopartikel anorganik  dan struktur biologis adalah salah satu yang paling menarik bidang penelitian. Hal ini didasarkan bahwa banyak organisme yang dapat menghasilkan bahan anorganik baik pada level intra atau ekstraselular. Selain itu penggunaan bahan biologis dalam protocol sintesis bersifat ramah lingkungan sehingga mengurangi penggunaan bahan kimia beracun.

            Molekul sederhana namun mudah beradaptasi berasal dari mikroba yang memiliki sifat hidup yang unik baik itu mikroba prokariot maupun eukariot. Lactobacillus, bakteri yang biasa digunakan sebagai pengental susu, sangat bermanfaat pada sistem ini. Lactobacillus bersifat non pathogenic, toleransi oksigen, gram positive, prokariotik, anaerobic-mesophilic microbe. Karena itu, Lactobacillus sangat energik, mudah beradaptasi dan menjanjikan karena bersifat potensial metabolic fluks. Dalam makalah ini digunakan Lactobacillus strain ( diperoleh dari susu mentega ) untuk tujuan sintesis nanopartikel TiO₂. Selanjutnya, ragi masuk dalam kelas Ascomycetes ( juga disebut jamur kantung ) dalam kerajaan jamur. Untuk transformasi nanopartikel TiO₂ (selanjutnya disingkat n- TiO₂ ) menggunakan ragi roti ( Saccharomyces cerevisiae ). 

            Penggunaan bakteri Lactobacillus sp. dan ragi roti ( Saccharomyces cerevisiae ) untuk sintesis nanopartikel TiO₂ (n- TiO₂) memiliki beberapa keunggulan diantaranya biayanya lebih murah, ramah lingkungan, dan dapat berkembang biak (diproduksi terus-menerus).

MATERIAL DAN METODE

1.      Sintesis nanopartikel TiO₂ menggunakan Lactobacillus sp.

Sel Lactobacillus diizinkan untuk tumbuh sebagai kultur suspensi dalam air suling steril yang juga mengandung karbon dan nitrogen selama 36 jam dan diperlakukan sebagai sumber kultur. Sumber kultur ini kemudian diambil sebanyak 25 ml dan diencerkan dengan menambahkan 75 ml air suling steril yang mengandung nutrisi. Kultur yang sudah diencerkan dibiarkan tumbuh selama 24 jam. Kemudian, 20 ml larutan dari 0.025 (M) TiO.(OH)₂  ditambahkan ke dalam larutan kultur yang telah diencerkan dan kemudian dipanaskan sampai dengan suhu 60^oC selama 10-20 menit hingga endapan putih mulai muncul pada dasar tabung elenmeyer, ini menunjukkan awal dari perubahan. Sekarang, larutan kultur yang telah didinginkan di-inkubasi pada suasana suhu kamar di laboratorium. Setelah 12-48 jam, larutan kultur diamati dan terlihat jelas endapan-endapan putih yang tersimpan pada bagian bawah tabung elenmeyer (Gambar 1a ).

Gambar 1a.

2.      Sintesis nanopartikel TiO2 menggunakan yeast (ragi).

Sel ragi diizinkan untuk tumbuh sebagai kultur suspensi yang mengandung karbon dan nitrogen selama 36 jam dan diperlakukan sebagai sumber kultur. Sumber kultur ini diambil sebanyak 25 ml dan disaring, kemudian diencerkan dengan menambahkan 30% nutrisi yang mengandung Et-OH. Kultur yang sudah diencerkan dibiarkan tumbuh selama 24 jam hingga mencapai warna terang kekuning-kuningan. Sekarang, 20 ml larutan dari 0.025 (M) TiO.(OH)₂ ditambahkan ke dalam larutan kultur yang telah diencerkan dan kemudian dipanaskan sampai dengan suhu 60^oC selama 10-20 menit hingga endapan putih mulai muncul pada dasar tabung elenmeyer, ini menunjukkan awal dari perubahan. Sekarang, larutan kultur yang telah didinginkan di-inkubasi pada suasana suhu kamar di laboratorium. Setelah 12-48 jam, larutan kultur diamati dan terlihat jelas endapan-endapan putih kekuningan yang tersimpan pada bagian bawah tabung elenmeyer (Gambar 1b ).  

Gambar 1b.

3.      Karakterisasi

Pembentukan nanopartikel TiO₂ diperiksa menggunakan difraksi X-ray (XRD) dengan radiasi CuKα λ = 1.5405 Ά dengan rentang sudut antara 20^o ≤ 2Ɵ≤80^o. Kemudian juga dilakukan analisis dengan menggunakan TEM (Transmission Electron Microscope). Specimen diendapkan dalam air suling, di dispersikan dengan ultrasonically untuk memisahkan partikel-partikelnya, dan satu atau dua tetes suspense di endapkan diatas karbon yang dilapisi tembaga dan dikeringkan dibawah lampu inframerah.

HASIL

Gambar. 1a dan 1b, masing-masing, menunjukkan mikrograf TEM dari nanopartikel TiO₂ yang dibentuk dengan menggunakan Lactobacillus sp. dan ragi. Mikrograf tersebut menggambarkan dengan jelas bentuk nanopartikel serta jumlah agregat yang sangat sedikit. Pengukuran dilakukan sepanjang diameter terbesar dari partikel-partikel. Partikel yang ditemukan hampir berbentuk bulat yang memiliki ukuran antara 8-35 nm. Histogram ukuran partikel n- TiO₂ (Gambar 1c dan 1d), menunjukkan distribusi luas partikel yang berkisar antara 8-35 nm. Ukuran partikel rata-rata 24,63 ± 0,32 nm untuk Lactobacillus dan 12,57 ± 0,22 nm untuk nanopartikel TiO₂ yang disintesis dengan ragi. Sebagian besar n- TiO₂ tersebar dengan sedikit menunjukkan adanya agregat berbagai ukuran seperti yang diamati di bawah TEM. Perbedaan  ukuran mungkin karena adanya kenyataan bahwa nanopartikel dibentuk pada waktu yang berbeda, yang dapat membatasi ukuran nanopartikel karena kendala yang berkaitan dengan nukleasi partikel di dalam organisme. Gambar. 1e dan 1f merupakan pola elektron difraksi yang diperoleh dari nanopartikel-TiO₂, masing-masing pada Gambar. 1a dan 1b. Concentric Scherrer rings yang jelas terlihat, menunjukkan bahwa telah terbentuk nanopartikel- TiO₂.

Gambar 1. (a dan b) Foto TEM n-TiO₂ disintesis menggunakan Lactobacillus sp. dan ragi. Inset di A dan B adalah pengendapan n-TiO2. (c dan d) ukuran Partikel
distribusi (%). (e dan f) pola SAED (Selected-area electron diffraction) n-TiO₂ (atas: sintesis dibantu Lactobacillus  dan bawah: sintesis dibantu ragi).

Gambar 2. Pola difraksi sinar-X n-TiO₂ pada suhu kamar.

Gambar. 2 menunjukkan pola difraksi sinar-X nanopartikel TiO₂ yang disintesis menggunakan Lactobacillus sp. dan ragi. Pola XRD menunjukkan adanya puncak-puncak. Lebar puncak menunjukkan tiap partikel mempunyai ukuran kristal yang sangat kecil, atau partikel memiliki karakteristik semikristalin di alam. Puncak pola-XRD yang digunakan sebagai acuan dan parameter sel ditentukan dengan standar komputer program 'POWD' menggunakan eksperimental nilai d dari puncak pada kristal yang berbeda. Regresi kuadrat yang paling sesuai dengan data difraksi adalah yang dihasilkan oleh parameter kisi. Parameter kisi yang diperoleh untuk nanopartikel-TiO₂ sesuai dengan fase anatase tetragonal: α = 3.786 Å dan c= 9.512 Å. Selain fase anatase, beberapa puncak fasa dengan parameter kisi α = 4.593 Å dan c = 2.958 Å juga muncul pada kedua pola XRD. Fase ini sesuai dengan literatur (JCPDS). Selanjutnya, parameter kisi ditemukan hampir sama pada kedua pola XRD, parameter kisi ditemukan bervariasi. Ukuran partikel yang tampak dari n-TiO₂ diperoleh dengan menganalisis puncak difraksi sinar-X, menggunakan persamaan Scherrer's: P_hkl = 0.89l/b_1/2 cos q, di mana b_1/2 = full width at half maximum (FWHM) garis perluasan pada setengah dari intensitas maksimum dalam radian. Ukuran partikel rata-rata diperkirakan adalah 30 nm pada Lactobacillus sp dan 18 nm pada nanopartikel-TiO2 yang disintesis dengan ragi. Kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi kebenaran itu, adalah dengan uji pengindeksan dan struktur titania SDd {=S (d_obs-d_calc)} ditemukan sangat rendah. Dari data XRD menunjukkan bahwa ukuran n-TiO2 diperkirakan sama dengan analisis menggunakan TEM. Selain itu, struktur n-TiO₂ seperti yang diamati dalam pola SAED menyerupai dengan hasil XRD. Ukuran partikel yang diperoleh pada sintesis dengan ragi adalah lebih kecil terutama karena ragi adalah tingkat sel  eukariot. Reaksi kimia yang berlangsung dalam medium kultur mungkin sebagai berikut: 

Untuk Lactobacillus:

 Untuk Ragi :

PEMBAHASAN

1. Lactobacillus

Lactobacillus, seperti sebagian besar bakteri, memiliki potensi elektrokinetik negatif; yang siap menarik kation dan bertindak sebagai inti dari prosedur biosintesis. Sebelumnya, seperti kemungkinan bioarbsorpsi dan bioreduction telah dilaporkan dalam kasus iodida perak oleh Lactobacillus sp. A09. Kapasitas Lactobacillus untuk tumbuh bahkan dengan adanya oksigen adalah lebih baik. Penambahan reducing agents seperti glukosa cenderung untuk menurunkan nilai potensial oksidasi-reduksi. Potensial oksidasi-reduksi menunjukkan karakter kuantitatif tingkat Aerobiosis memiliki unit yang dinyatakan sebagai rH₂ (logaritma negatif dari tekanan parsial gas hidrogen). Jadi, dengan mengendalikan potensi oksidasi-reduksi dari media nutrisi, kondisi bisa direkayasa untuk pertumbuhan anaerob dengan adanya oksigen dengan cara menurunkan rH₂, dan juga dengan melatih aerob dalam kondisi anaerobik dengan meningkatkan rH₂ pada medium. Oleh karena itu, komposisi media nutrisi memainkan peran penting dalam biosintesis nanopartikel logam dan atau oksida yang dilakukan dalam penelitian ini. Energi berasal dari glukosa (dengan mengontrol nilai rH₂), status ionik pH menengah dan keseluruhan potensial oksidasi-reduksi (rH₂) yang sebagian dikendalikan oleh bikarbonat, semua faktor tersebut secara kumulatif bernegosiasi pada sintesis nanopartikel TiO2 dengan Lactobacillus.  pH agak asam dan penurunan rH₂ mengaktifkan ikatan membrane oksidoreduktase dan membuat suasana yang diperlukan untuk sintesis nanopartikel oksida seperti digambarkan dalam Gambar. 3.

Gambar 3. Skema untuk biosintesis n-TiO₂.

2. Ragi

Ikatan membran (sama seperti sitosol) oxidoreductase dan kuinon telah memainkan peranan penting dalam proses biosintesis ini.  Oxidoreductase dengan pH sensitive dan bekerja dengan cara alternatif. Pada nilai pH rendah, oksidase akan diaktifkan sedangkan pada nilai pH tinggi akan mengaktifkan reduktase. Seiring dengan itu, sejumlah hidroksi sederhana atau derivatif metoksi dari benzoquinon dan toluquinon yang dimiliki oleh jamur tingkat rendah (terutama Penicillium dan Aspergillus). Ragi bisa tumbuh pada setiap quinone seperti lainnya karena memiliki kelas yang sama dari jamur sehingga memfasilitasi reaksi redoks pada tautomerization. Transformasi tampaknya terjadi di dua tingkat yang berbeda, pada tingkat membran sel segera setelah penambahan larutan TiO•(OH)₂ yang memicu tautomerization dari kuinon dan pH rendah pada oksidasi dan membuat molekul tersedia untuk transformasi. Setelah masuk ke sitosol, TiO•(OH)₂ mungkin telah memicu oxygenase berlabuh di retikulum endoplasma (RE), terutama dimaksudkan untuk detoksifikasi tingkat sel melalui proses oksidasi atau oksigenasi. Menggunakan fakta-fakta yang disebutkan di atas, penelitian lain  sebelumnya melaporkan sintesis logam selenium, kadmium, perak, titanium, serta oksida antimon. Skema untuk biosintesis n-TiO₂ diilustrasikan pada Gambar. 3. Oleh karena itu, dibandingkan dengan ada tidaknya protokol, prosedur yang ada sekarang adalah lebih murah, tidak beracun dan ramah lingkungan.

APLIKASI TiO₂                      

Nanopartikel adalah partikel yang berukuran sangat kecil dengan diameter antara 1-100 nanometer. Ukuran partikel diklasifikasikan berdasarkan criteria berikut ini :

Kasar                                            : Partikel dengan diameter rata-rata < 10 m.

Halus                                            : Partikel dengan diameter rata-rata <2.5 m.

Nanopartikel (sangat halus)        : Partikel dengan diameter rata-rata 1-100 nm.

Partikel-partikel yang berukuran sangat halus ini bermanfaat bagi industry kosmetik karena dapat mengisi celah-celah mikroskopik di kulit dan masuk ke dalam kulit dengan lembut. Tapi , bagaimanapun juga ternyata partikel nano juga dapat menimbulkan resiko kesehatan yang serius ketika dihirup atau diserap oleh tubuh.

Ketika terhirup, nanopartikel dapat menempel di paru-paru, sehingga tidak mungkin bagi tubuh untuk menghilangkan partikel asing. Make-up yang terdiri dari material bubuk yang berukuran nano dapat beresiko bagi kesehatan, terutama bagi mereka yang menderita bronchitis.

Penelitian menunjukkan bahwa Titanium Dioksida (TiO₂) dalam bentuk nanopartikel dapat menyebabkan kanker paru-paru dan memiliki efek yang sama ketika kontak dengan jaringan hidup. Beberapa orang mengatakan bahwa selama nanopartikel TiO₂ digunakan dalam bentuk non udara seperti dalam bentuk krim, umumnya masih diakui aman. Namun, penelitian menunjukkan bahwa nanopartikel mungkin dapat lolos langsung melalui kulit, terutama bila kulit tertekuk selama gerakan, dan melalui folikel rambut dan luka. Penelitian lebih lanjut perlu dilakukan untuk memastikan tingkat penyerapan nanopartikel melalui kulit.

Aplikasi nanopartikel TiO₂ dapat ditemukan dalam produk kosmetik sebagai UV filter dalam tabir surya. Nanopartikel Titania menjadi sangat populer karena tetap dapat mempertahankan sifat UV filter dan penyerapan, selain itu dapat menghilangkan penampilan ‘kapur putih’ seperti pada tabir surya tradisional. Produk yang menggunakan nanopartikel TiO₂ bersifat transparan sehingga meningkatkan daya tarik estetika, tidak berbau, tidak terlalu berminyak, dan lebih mudah diserap oleh kulit. Banyak tabir surya dan pelembab yang tersedia sekarang menggunakan nanopartikel TiO₂, seperti produk dari The Body Shop, Avon, L’Oréal, dan Nivea.

KESIMPULAN

Metode biosintetik ini mempunyai beberapa keunggulan yaitu dengan biaya yang efektif mampu menghasilkan nanopartikel TiO₂.  Hasil analisa dengan menggunakan TEM menunjukkan ukuran partikel rata-rata 24,63 ± 0,32 nm untuk Lactobacillus dan 12,57 ± 0,22 nm untuk nanopartikel TiO₂ yang disintesis dengan ragi. Sedangkan hasil analisis dengan menggunakan XRD menunjukkan sintesis n-TiO₂ dengan menggunakan lactobacillus menghasilkan partikel nano dengan ukuran 30nm sedangkan sintesis n-TiO₂ dengan menggunakan ragi menghasilkan partikel nano dengan ukuran 18nm.

DAFTAR PUSTAKA

Anal K. Jha, K. Prasad, A.R. Kulkarni. 2009. Synthesis of TiO2 nanoparticles using microorganisms. Elsevier B.V.

Beauty by the batch. 2011. http://www.beautybythebatch.com/articles/nanoparticlesmineralmakeup.asp . diakses tanggal 19 April 2011.

The Mineral Powder Foundation Ingredients List. http://people.delphiforums.com/tracikenyon/IngredList22405.htm