Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi
HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN
DROPLET MICROFLUIDICS FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Homogenisasi Substrat
Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi” adalah benar karya
saya dengan arahan dari pembimbing di Prancis dan komisi pembimbing di
Institut Pertanian Bogor dan telah juga diajukan sebagai laporan internship di
Ecole Nationale des Pont et Chaussées Paristech pada bulan September 2013.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Maret 2014
Angga Perima
NIM F451110031
RINGKASAN
ANGGA PERIMA. Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet
Microfludics Frekuensi Tinggi. Dibimbing oleh YULI SUHARNOTO dan
MEISKE WIDYARTI.
Masalah dalam pencampuran material mentah dalam saluran mikro
merupakan masalah pencampuran klasik dalam microfludic, dan banyak solusi
yang telah ditawarkan. Terdapat pada beberapa kasus masalah pencampuran
dalam saluran mikro tidak terpecahkan dengan baik. Oleh sebab itu permasalahan
ini akan dicoba untuk diselesaikan dalam penelitian ini.
Secara spesifik, masalah dalam pencampuran material granular basah
dalam saluran mikro berbeda dengan pencampuran cairan pada umumnya yang
dilakukan pada alat yang sama. Penelitian ini bertujuan untuk (1) Mendapatkan
struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan membuat chip
microfluidics berdasarkan desain tersebut; (2) Menguji kinerja chip microfluidics.
Kedua tujuan ini bermaksud untuk mendapatkan distribusi yang homogen dari
material mentah di dalam droplet microfluidics. Desain yang baik adalah yang
memiliki standar deviasi (σ) gray scale 85%.
Untuk mencapai tujuan ini, dibuat beberapa desain microfluidic dan masingmasing dibandingkan satu sama lain dan juga dengan desain standar. Beberapa
perlakuan awal juga dianalisis untuk mengurangi heterogenitas lebih jauh. Derajat
homogenitas diperoleh dengan menganalisa distribusi kehitaman (gray scale)
yang dideteksi pada frame 8-bit video yang direkam dengan kamera berkecepatan
tinggi dan dianalisis pada MATLAB®.
Dua tipe material granular pertanian yang digunakan dalam penelitian ini
adalah dedak gandum dan rapeseed. Dalam penelitian dibuat 10 rancangan desain
dan perlakuan untuk mendapatkan hasil yang terbaik. Hasil dari penelitian
didapatkan bahwa :1) Terjadi peningkatan nilai terisi di dalam
droplet dibandingkan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 65.59%
menjadi 99.98%, dan untuk rapeseed dari 65.33% menjadi 97%; 2). Didapatkan
peningkatan homogenitas dari material mentah di dalam droplet dibandingkan
dengan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 15.78% menjadi 7.33%,
dan untuk rapeseed dari 27.92% menjadi 12.1%; 3) Homogenitas ukuran diameter
droplet juga berhasil ditingkatkan yaitu : untuk dedak gandum dari 10.99%
menjadi 0.10%, dan rapeseed dari 16.09% menjadi 0.83%.
Kata kunci: desain chip, droplet microfluidics, homogenitas, material granular,
pencampuran
SUMMARY
ANGGA PERIMA. Homogenization of Agricultural Substrate Using High
Frequency Droplet Microfluidics. Supervised by YULI SUHARNOTO and
MEISKE WIDYARTI.
Mixing of raw materials in micro channel may appear to be a classical
mixing problem in microfluidics and numerous solutions have been proposed.
However, in several cases, mixing problem of wet granular material in micro
channel have not been properly solved. This study tries to solve this problem.
In particular, the problem of mixing wet granular materials in microchannels
turns out to be significantly different from that of mixing common liquid solution
in the same device. This study aimed (1) To obtain the new structure design of
chip based on theory calculation and make the microfluidics chip based on the
new design; (2) To test the performance of microfluidics chip. Both of this aims,
intended to obtain the homogeneous distribution of raw material within droplet
microfluidics. The best design is the design which has a standard deviation of gray
scale (σ) 85%. To achieve these objectives, ten
microfluidic designs were employed and were compared against one another, and
against a benchmark design. Furthermore, several pre-treatments were also
analyzed to reduce the heterogeneity even further. The degree of homogeneity
was obtained from analyzing grey scale distribution extracted from the videos
recorded from an 8-bit high speed camera by using home-made video. Analysis
routine were done in MATLAB ®.
Two types of granular materials of agricultural were investigated namely
wheatbran and rapeseed. In this research, 10 chip designs and traitements were
made to get the best result. The result of this research were : 1) The improvement
of occupancy rate inside droplet comparing to standard design, for wheatbran
from 65.59% to 99.98%, and for rapeseed from 65.33% to 97%; 2) The
improvement of homogeneity of raw material inside droplet comparing to
standard design, for wheatbran from 15.78% to 7.33%, and for rapeseed from
27.92% to 12.1%; 3) Homogeneity of droplet diameter also had been improved,
for wheatbran, from 10.99% to 0.10%, and for rapeseed from 16.09% to 0.83%.
Keywords: chip design, droplet microfluidics, granular material, homogeneity,
mixing
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN
DROPLET MICROFLUIDICS FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Penguji luar pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA
Judul Tesis : Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics
Frekuensi Tinggi
Nama
: Angga Perima
NIM
: F451110031
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng
Ketua
Dr. Ir. Meiske Widyarti, M. Eng
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Sipil dan Lingkungan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, M.Si
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 26 Februari 2014
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur dipanjatkan kepada Allah Bapa di Surga dan Putra-Nya
terkasih Yesus Kristus sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih merupakan salah satu teknologi terkini di bidang keteknikan dan biologi.
Terima kasih diucapkan kepada :
1. Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng dan Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng selaku
komisi pembimbing yang telah dengan sabar membimbing penyelesaian
tesis ini.
2. I Putu Mahendra Wijaya, yang telah menjadi pembimbing selama di
Prancis dan telah memberikan banyak sekali nasehat, arahan, bimbingan,
motivasi untuk dapat terus menjadi lebih baik.
3. Mama, Papa, Terry, dan keponakan tercinta Tiffany atas segala doa dan
cinta kasih yang telah diberikan.
4. Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA yang telah memberikan kesempatan
untuk dapat mengambil beasiswa BU BPKLN DIKNAS DDIP (Double
Degree Indonesia Prancis) serta atas kesabaran dan bimbingannya selama
ini.
5. BPKLN DIKNAS yang telah memberikan beasiswa DDIP.
6. GROUPPE SOUFFLET yang telah mendanai penelitian ini.
7. Antoine Drevelle, yang telah memberikan kesempatan untuk dapat
magang di laboratorium ESPCI Paristech.
8. Semua tim di laboratorium biokimia ESPCI Paristech yang telah
memberikan banyak bantuan.
9. Teman-teman angkatan SIL yang telah memberi keceriaan selama kuliah
S2 : Lisma, Avazbek, Farid, Latifah, Yasmin, Dwinata, Nasir, Puji, dan
Helena. Terutama kepada kak Habib Krisna Wijaya yang telah membantu
dalam tahap penyelesaian akhir tesis.
10. Sandra Le Thiec yang memberikan makna baru dalam hidup ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Maret 2014
Angga Perima
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vii
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
1
1
2
2
2 TINJAUAN PUSTAKA
Reologi di Microfluidics
Suspensi Fluida dari Material Mentah Pertanian
Droplet Microfluidics
2
2
7
8
3 METODE
Waktu dan Tempat
Bahan dan Alat
Tahapan Penelitian
Prosedur Analisis Data
10
10
10
10
17
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
19
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
27
27
27
DAFTAR PUSTAKA
28
LAMPIRAN
31
RIWAYAT HIDUP
40
DAFTAR TABEL
1
Jumlah droplet untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed pada
setiap desain
23
DAFTAR GAMBAR
1 Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung, et. al., 2002)
2 Struktur kimia PDMS
3 Skema representasi dari aliran geser tak langsung (Chhabra dan
Richardon, 2008)
4 Tiga cara terbentuknya droplet. (a) co-focusing; (b) T-junction;
(c) flow-focusing
5 Kerangka Penelitian
6 Proses Fotolitografi
7 Sketsa Proses Fotolitografi
8 Hasil Wafer dari Proses Fotolitografi
9 Kerangka Pembuatan PDMS 2D
10 Tahapan Pengujian Microfluidics
11 Pengujian Microfluidic
12 Ambang batas Penentuan Derajat Kehitaman droplet
13 Hasil analisa desain standar pada (a) rapeseed; (b) dedak gandum; (c)
tingkat kehitaman pada rapeseed; (d) tingkat kehitaman pada dedak
gandum
14 Hasil uji viskositas dengan menggunakan rheometer
15 (a) Dean Mixer (Sudarsan dan Ugaz, 2006); (b) saluran pada dean
mixer; (c) droplet dedak gandum; (d) droplet rapeseed; (e) droplet hasil
campuran tinta dan air
16 Kondisi macet pada saluran mikro lurus (a) dedak gandum
dan (b) rapeseed
17 Ilustrasi tabrakan inelastik antar partikel yang dapat menyebabkan
terjadinya gumpalan
18 Desain Standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10)
19 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet dedak gandum untuk desain
standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10)
20 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet rapeseed untuk desain
standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10)
21 Standar Deviasi dari Nilai Gray dan tingkat okupansi (droplet terisi)
untuk rapeseed dan dedak gandum
22 Desain 6
2
6
8
9
11
12
14
14
15
16
17
18
19
20
21
22
22
23
24
24
25
26
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data 250 droplet pertama dari Desain 6 untuk Dedak Gandum dan
Rapeseed
33
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penemuan pada bidang mikroelektronik tentang bagaimana memproduksi
benda dalam skala mikron telah melahirkan cabang penelitian baru yang
dinamakan microfluidics. Microfluidics merupakan teknologi multidisiplin yang
mencakup teknik sipil, teknik lingkungan, teknik material, teknik mesin, teknik
elektro, nanoteknologi dan bioteknologi. Microfluidics banyak diaplikasikan
dalam berbagai bidang, yang salah satunya adalah pada bidang biologi.
Microfluidics bertujuan untuk memanipulasi fluida dalam tingkat mikro,
dan menyederhanakan kompleksitas dari sifat mekanika fluida dalam
laboratorium tradisional menjadi satu chip. Keuntungan yang diperoleh yaitu :
biaya ekperimen yang rendah, dan chip microfluidics itu mudah dibawa, sehingga
banyak industri telah menerapkan penelitian ini, termasuk dalam bidang pertanian.
Microfluidics memiliki cabang-cabang teknologi diantaranya microfluidics
digital, microfluidics kontinyu, microfluidics tekanan katup, dan droplet
microfluidics. Penelitian ini dikhususkan dalam konteks teknologi droplet
microfluidics. Droplet microfluidics adalah teknologi yang memanipulasi fluida
dalam bentuk droplet atau tetesan. Salah satu aplikasi dari droplet microfluidics
diantaranya adalah memanipulasi lingkungan tempat tinggal mikro organisme
untuk mendorong terjadinya evolusi langsung dari mikro organisme itu sendiri,
sehingga pada akhirnya dapat ditemukan organisme baru hasil dari evolusi
langsung tersebut. Lingkungan tempat tinggal mikro organisme itu adalah droplet.
Dalam penelitian ini, droplet microfluidics digunakan untuk menangani
sampel pertanian yang dialirkan dengan kecepatan tinggi (>300 droplet/detik)
untuk dicampurkan dengan substrat pertanian (dedak gandum dan rapeseed) dan
air yang diionisasi untuk memperoleh droplet-droplet dengan konsentrasi yang
sama. Terdapat beberapa tantangan dalam aplikasi ini antara lain, pertama adalah
penanganan agregasi dari sampel pertanian di dalam chip microfluidics. Kedua,
tingkat keseragaman (homogenitas) antara droplet sangat rendah. Ketiga, metode
untuk menganalisis droplet-droplet yang bisa berjumlah lebih dari 100 ribu untuk
menjadi data kuantitatif dan dianalisis derajat keseragamannya.
Perumusan Masalah
Bagaimana mendesain microfluidics chip yang memungkinkan
pencampuran substrat pertanian dengan air yang diionisasi dapat dilakukan pada
kecepatan tinggi dan diperoleh homogenisasi yang tinggi.
Tujuan Penelitian
1. Mendapatkan struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan
membuat chip microfluidics berdasarkan desain tersebut.
2. Menguji kinerja chip microfluidics.
2
Manfaat Penelitian
Penelitian ini akan bermanfaat sebagai blue print untuk penelitian lanjutan
yaitu untuk menemukan organisme baru melalui evolusi langsung (direct
evolution). Hal ini dilakukan dengan memasukkan (enkapsulasi) organisme
tertentu ke dalam droplet microfluidics, dan hasil yang diharapkan adalah
organisme baru yang dapat digunakan untuk pengembangan bio-etanol.b.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini pada bidang mikroteknologi.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Reologi di Microfluidics
Reologi merupakan cabang ilmu alam yang muncul lebih dari 70 tahun
yang lalu. Cabang ilmu ini berasal dari pengamatan perilaku aneh dan tidak
normal tentang material-material yang tidak dapat dipecahkan seperti : cat
merupakan cairan karena ia dapat dituangkan dalam kontainer, akan tetapi kenapa
mereka tetap pada posisi vertikal di dinding tanpa jatuh ke bawah seperti cairan
lainnya? (Jakovlevich dan Isayev, 2006).
Reologi juga merupakan suatu studi mengenai aliran dan deformasi dari
sebuah zat. Reologi biasa digunakan untuk mendeskripsikan aliran dan deformasi
dari material kompleks seperti karet, plastik molten, larutan polimer, slurries dan
pasta, fluida elektro-reologi, darah, otot, komposit, tanah, dan cat. Studi tentang
material ilmu reologi sangat penting untuk dua alasan utama. Pertama, reologi
dapat digunakan dalam penentuan proses untuk operasi-operasi tertentu seperti
pencampuran, transportasi, dispensasi dan penyimpanan dalam proses produksi.
Kedua, reologi dapat digunakan sebagai alat kontrol kualitas pada proses dan
tahap produksi untuk mengidentifikasi variasi batch ke batch (Durairaj, et al,
2013).
Secara garis besar, wilayah studi microfluidics mencakup aliran cairan
dalam skala mikro. Meskipun berasal dari hidrodinamik, microfluidics sendiri
telah memperluas aplikas dari fisika fluida ke arah dunia mikro melalui aplikasi
dari proses fabrikasi yang biasanya digunakan dalam wilayah mikroelektronik.
Oleh sebab itu, konsep dari microfluidics dapat diterjemahkan sebagai usaha
untuk meminiaturisasikan instrumentasi laboratorium yang menangani cairan
hingga skala mikro. Dalam microfluidics, laboratorium yang telah
diminiaturisasikan didefinisikan sebagai sistem Laboratory on Chip (LOC), untuk
menerangkan integrasi alam dari alat yang ideal. Dalam konteks ini, LOC dapat
dijelaskan sebagai ekstensi dari tren peminiaturan yang terjadi dalam wilayah
mikroelektronik. Dapat disimpulkan bahwa LOC membawa keuntungan besar
seperti : pengurangan ukuran sampel dan biaya eksperimen, meningkatkan
keamanan (terutama ketika menangani bahan kimia yang mudah meledak atau
3
korosif), mudah dibawa-bawa, dan merupakan suatu sistem yang terintegrasi
dalam satu chip (Bruus, 2008).
Bruus (2008) telah mendefinisikan suatu persamaan skala (persamaan 1)
dalam microfluidics yang menunjukkan variasi dari jumlah fisik dengan ukuran
yang diberikan sistem atau objek, dan menjaga nilai lainnya seperti waktu,
tekanan, dan suhu tetap konstan. Persamaan yang diberikan adalah sebagai
berikut:
………………………….
(1)
Dimana l menunjukkan panjang (L).
Gambar 1. Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung dan Werely,
2002)
Pada Gambar 1 dapat dilihat hubungan skala panjang dan skala volume
dimana semakin besar panjang dari chip microfluidic akan membuat semakin
besar volume yang bisa ditempati.
Menurut perspektif fluida, makna dari energi permukaan lebih menaikkan
simplifikasi pada sifat fluida. Pada umumnya, persamaan Navier-Stokes
mendeskripsikan perilaku fluida dalam saluran yang mereduksi pada persamaan
diferensial parsial Stokes, yang tidak mencakup banyak gaya inersia dalam
penjelasannya. Pada persamaan Navier-Stokes (persamaan 2), v merupakan
kecepatan (LT-1), ρ merupakan densitas (ML-3), p merupakan tekanan (ML-1T-2), µ
adalah viskositas (ML-1T-1),
adalah operasi laplacian (tanpa dimensi), dan f
adalah gaya yang bekerja pada fluida (MLT-2).
!…………………………….. (2)
Satu-satunya gaya inersia pada cairan yang masih berperan dalam skala
mikro adalah gaya hambat viskositas, yang berhubungan dengan ketergantungan
linear dari peluruhan bilangan Reynold. Gaya ini hanya berlaku pada saluran skala
fluida yang direduksi pada skala mikro.
Bidang penelitian yang dapat menggunakan pengembangan teknologi
microfluidics itu adalah diagnosa medis, pengurutan genetik, produksi kimia,
penemuan obat baru, dan proteomik. Tentunya microfluidics diharapkan dapat
4
memiliki dampak yang signifikan terhadap perkembangan biologi, kimia, dan
bidang lainnya, seperti dampak dari penemuan sirkuit yang terintegrasi pada
komputer pada dekade lalu (Nam-Tung dan Werely, 2002).
Pada saat sekarang, ada beberapa tipe teknologi microfluidics yang secara
aktif dikembangkan dan digunakan dalam komunitas ilmuwan yaitu microfluidics
kontinyu (Nie et al., 2005), mikrofluidics tekanan katup (Vincent et al., 2004),
microfluidics digital(Fair, 2007), dan droplet microfluidics (Teh et al., 2008).
Setiap teknologi dikembangkan untuk diaplikasikan secara spesifik. Penelitian ini
dibatasi terhadap aplikasi dari reologi dalam droplet microfluidics. Berlawanan
dengan microfluidics aliran kontinu, fluida dalam microfluidics digital dan droplet
dimanipulasi dalam bentuk droplet. Droplet yang diharapkan dalam penelitian ini
adalah berbentuk lingkaran.
Droplet yang dibentuk dan dimanipulasi dalam microfluidics digital dan
droplet berbeda dengan cara droplet yang diproduksi dan dimanipulasi di dalam
chip microfluidics. Dalam kasus microfluidics digital, droplet diproduksi dengan
mengendalikan sifat elektro-basah (electrowetting) cairan yang mengalir melalui
susunan elektroda (Pollack et al., 2002). Secara singkat, electrowetting adalah
sifat permukaan cairan di mana perilaku pembasahan cairan terhadap permukaan
dimodulasi melalui penerapan medan listrik. Oleh karena itu, dalam kasus
microfluidics digital, droplet cairan biasanya dihasilkan berdasarkan permintaan
dengan menggunakan tegangan tertentu di droplet sehingga tegangan permukaan
salah satu ujung droplet akan lebih besar dari yang lain. Droplet fluida akan selalu
menuju area yang memiliki tegangan permukaan yang lebih tinggi - sebuah
fenomena yang dikenal sebagai aliran Marangoni. Chip digital microfluidic
biasanya memiliki geometri terbuka, sehingga tidak ada saluran mikro dalam
produksi dan manipulasi droplet menggunakan microfluidics digital (Fair, 2007).
Sebaliknya, chip microfluidic digital biasanya menggunakan arsitektur substrat
kaca dihiasi dengan pola elektroda emas/krom yang dibuat dengan menggunakan
litografi . Selain itu, volume kandungan microfluidic digital biasanya berkisar
antara nanoliter yang tinggi sampai beberapa mikroliter (Fair, 2007).
Sebaliknya dalam chip microfluidic digital, droplet yang diproduksi dalam
chip microfluidic droplet jauh lebih kecil (beberapa picoliter ke kisaran setengah
nanoliter) (Fair, 2007). Selanjutnya, produksi droplet dalam chip droplet
microfluidics dilakukan secara kontinyu pada kecepatan tinggi (umumnya
beberapa ribu droplet per detik) (Teh et al., 2008). Mekanisme pinching yang
mendorong pembentukan droplet dalam chip mikofluida droplet juga menjamin
bahwa variasi volume droplet yang dihasilkan lebih kecil dari 5%. Semua
karakteristik chip droplet microfluidics memberikan beberapa keunggulan
dibandingkan teknologi microfluidics antara lain: (1) produksi yang tinggi dan
tingkat penanganan tingkat chipdroplet microfluidics berarti bahwa teknologi
dapat digunakan untuk menyaring berbagai parameter eksperimental dalam
rentang waktu yang singkat (Whitesides, 2006), (2) Ukuran droplet yang kecil dan
seragam berarti bahwa konsentrasi tinggi dapat dicapai bahkan apabila jumlah
molekul kecil yang tersedia hanya sedikit (Xu et al., 2005), (3) Pembagian cairan
yang menjamin bahwa konsentrasi molekul seragam di setiap droplet (Song et al.,
2006), (4) enkapsulasi mikroorganisme dan biomolekul dalam droplet
menyediakan hubungan mekanik antara genotipe dan ekspresi fenotipe dalam
5
droplet yang sama, serta memungkinkan studi respon sel tunggal dengan berbagai
tekanan yang berbeda (Eun et al, 2010).
Dalam paragraf sebelumnya, telah dijelaskan bahwa microfluidics
diuntungkan dari pengembangan proses fabrikasi yang ditemukan dalam bidang
mikroelektronik. Secara spesifik, fabrikasi dari saluran mikro dalam alat
microfluidics dilakukan melalui fotolitografi lunak. Fabrikasi dari litografi lunak
dimulai dengan mendesain sirtkuit saluran mikro, biasa dikenal dengan sebutan
mask dalam program CAD, seperti AutoCAD® dari Autodesk. Melalui
penggambaran teknis ini, mask kemudian dikirimkan kepada penyedia jasa yang
spesial yang dapat mencetak desain dengan printer resolusi tinggi (>10,000 dpi).
Kemudian, desain dua-dimensi dalam mask dikonversi menjadi struktur tigadimensi melalui fotolitografi. Struktur-struktur tersebut kemudian digunakan
sebagai bas-relief master untuk sirkuit saluran mikro. Akhirnya, sebuah cairan
dari campuran poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agents dituangkan ke
dalam bas-relief master untuk menghasilkan saluran akhir mikro. Saluran mikro
kemudian yang dihilangkan oleh PDMS (Polydimethil siloxane) lalu dikunci
secara permanen pada kaca dengan menggunakan ikatan plasma (Bruus, 2008).
Fotolitografi didefinisikan sebagai suatu proses yang mentransfer
gambaran dua dimensi dalam sebuah medium ke yang lain melalui penggunaan
cahaya. Secara analogi, proses fotolitografi merupakan ekstensi dari fotografi
ruang gelap tradisional, yang memiliki kemampuan untuk menciptakan struktur
tiga-dimensi, tidak hanya berupa gambar seperti yang ditemukan dalam fotografi
tradisional (Bruus, 2008).
Lima komponen yang diperlukan untuk mentransfer pola dua dimensi
dengan fotolitografi : mask, fotoresis, wafer silikon, spin coater, dan maskaligner. Pola yang ditemukan dalam mask kemudian ditransfer dalam suatu
substrat, sebuah wafer silikon yang telah dilapisi dengan lapisan dari fotoresis
dengan ketebalan tertentu. Fotoresis adalah bagian kimia yang dapat melewati
reaksi cross-linking melalui eksposur terhadap cahaya dari panjang gelombang
tertentu pada energi yang spesifik dalam rentang waktu tertentu. Parameterparameter (tipe fotoresis, laju perputaran, laju akselerasi, dan waktu putar) yang
mempengaruhi proses pelapisan spin ditentukan oleh ketebalan saluran mikro
yang diinginkan (Bruus, 2008).
Setelah dilapisi dengan fotoresis, substrat silikon kemudian disinari cahaya
UV (panjang gelombang 436 nm) untuk beberapa waktu dalam photomask
aligner. Photomask aligner adalah suatu alat untuk menyesuaikan tanda dalam
mask dengan yang telah ada dalam substrat untuk memastikan ketepatan dari
setiap layar pada desain dengan yang lain, yang diperlukan untuk mengekspos
fotoresis melalui mask kepada cahaya UV. Meskipun photomask aligner dapat
beroperasi dalam berbagai konfigurasi, hanya dua dari konfigurasi tersebut yang
digunakan untuk penelitian ini, yaitu kontak lembut dan eksposur flood.
Keuntungan utama dari fotolitografi kontak adalah mask aligners dan optik yang
relatif tidak mahal untuk dipergunakan dalam memperoleh resolusi lateral (Banks,
2006), disebabkan minimalisasi dari masalah difraksi yang dapat terjadi dalam
bidang eksposur yang lebih jauh dan konfigurasi yang lain (Bruus, 2008).
Setelah memperoleh struktur dasar dan substrat silikon sebagai cetakan
master untuk fabrikasi saluran mikro, sebuah cairan yang terdiri dari campuran
dari poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agent (10:1 (w/w)) dituangkan ke
6
master. Kemudian master diletakkan ke dalam oven pada suhu 90oC selama kirakira satu jam, untuk menciptakan reaksi cross-linking pada PDMS (Bruus, 2008).
PDMS biasa digunakan dalam fabrikasi alat microfluidics untuk aplikasi
biologi karena beberapa keuntungan yang ditawarkan oleh polimer termoset
(Duffy et al., 1998). Dalam perspektif fabrikasi, PDMS menawarkan prototipe
yang cepat dari saluran mikro. Adanya keringanan operasi dengan menggunakan
litografi lunak, dan biaya yang relatif murah, maka dengan PDMS dapat dilakukan
desain dan eksplorasi banyak konfigurasi saluran mikro yang berbeda secara
cepat. PDMS cocok secara biologi dengan hampir semua sel, sehingga hal ini
menjadi alasan utama banyaknya studi biologi dalam microfluidics menggunakan
pilihan material PDMS. PDMS juga berbentuk transparan hingga rentang UV
(
DROPLET MICROFLUIDICS FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Homogenisasi Substrat
Pertanian dengan Droplet Microfluidics Frekuensi Tinggi” adalah benar karya
saya dengan arahan dari pembimbing di Prancis dan komisi pembimbing di
Institut Pertanian Bogor dan telah juga diajukan sebagai laporan internship di
Ecole Nationale des Pont et Chaussées Paristech pada bulan September 2013.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Maret 2014
Angga Perima
NIM F451110031
RINGKASAN
ANGGA PERIMA. Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet
Microfludics Frekuensi Tinggi. Dibimbing oleh YULI SUHARNOTO dan
MEISKE WIDYARTI.
Masalah dalam pencampuran material mentah dalam saluran mikro
merupakan masalah pencampuran klasik dalam microfludic, dan banyak solusi
yang telah ditawarkan. Terdapat pada beberapa kasus masalah pencampuran
dalam saluran mikro tidak terpecahkan dengan baik. Oleh sebab itu permasalahan
ini akan dicoba untuk diselesaikan dalam penelitian ini.
Secara spesifik, masalah dalam pencampuran material granular basah
dalam saluran mikro berbeda dengan pencampuran cairan pada umumnya yang
dilakukan pada alat yang sama. Penelitian ini bertujuan untuk (1) Mendapatkan
struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan membuat chip
microfluidics berdasarkan desain tersebut; (2) Menguji kinerja chip microfluidics.
Kedua tujuan ini bermaksud untuk mendapatkan distribusi yang homogen dari
material mentah di dalam droplet microfluidics. Desain yang baik adalah yang
memiliki standar deviasi (σ) gray scale 85%.
Untuk mencapai tujuan ini, dibuat beberapa desain microfluidic dan masingmasing dibandingkan satu sama lain dan juga dengan desain standar. Beberapa
perlakuan awal juga dianalisis untuk mengurangi heterogenitas lebih jauh. Derajat
homogenitas diperoleh dengan menganalisa distribusi kehitaman (gray scale)
yang dideteksi pada frame 8-bit video yang direkam dengan kamera berkecepatan
tinggi dan dianalisis pada MATLAB®.
Dua tipe material granular pertanian yang digunakan dalam penelitian ini
adalah dedak gandum dan rapeseed. Dalam penelitian dibuat 10 rancangan desain
dan perlakuan untuk mendapatkan hasil yang terbaik. Hasil dari penelitian
didapatkan bahwa :1) Terjadi peningkatan nilai terisi di dalam
droplet dibandingkan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 65.59%
menjadi 99.98%, dan untuk rapeseed dari 65.33% menjadi 97%; 2). Didapatkan
peningkatan homogenitas dari material mentah di dalam droplet dibandingkan
dengan desain standar yaitu : untuk dedak gandum dari 15.78% menjadi 7.33%,
dan untuk rapeseed dari 27.92% menjadi 12.1%; 3) Homogenitas ukuran diameter
droplet juga berhasil ditingkatkan yaitu : untuk dedak gandum dari 10.99%
menjadi 0.10%, dan rapeseed dari 16.09% menjadi 0.83%.
Kata kunci: desain chip, droplet microfluidics, homogenitas, material granular,
pencampuran
SUMMARY
ANGGA PERIMA. Homogenization of Agricultural Substrate Using High
Frequency Droplet Microfluidics. Supervised by YULI SUHARNOTO and
MEISKE WIDYARTI.
Mixing of raw materials in micro channel may appear to be a classical
mixing problem in microfluidics and numerous solutions have been proposed.
However, in several cases, mixing problem of wet granular material in micro
channel have not been properly solved. This study tries to solve this problem.
In particular, the problem of mixing wet granular materials in microchannels
turns out to be significantly different from that of mixing common liquid solution
in the same device. This study aimed (1) To obtain the new structure design of
chip based on theory calculation and make the microfluidics chip based on the
new design; (2) To test the performance of microfluidics chip. Both of this aims,
intended to obtain the homogeneous distribution of raw material within droplet
microfluidics. The best design is the design which has a standard deviation of gray
scale (σ) 85%. To achieve these objectives, ten
microfluidic designs were employed and were compared against one another, and
against a benchmark design. Furthermore, several pre-treatments were also
analyzed to reduce the heterogeneity even further. The degree of homogeneity
was obtained from analyzing grey scale distribution extracted from the videos
recorded from an 8-bit high speed camera by using home-made video. Analysis
routine were done in MATLAB ®.
Two types of granular materials of agricultural were investigated namely
wheatbran and rapeseed. In this research, 10 chip designs and traitements were
made to get the best result. The result of this research were : 1) The improvement
of occupancy rate inside droplet comparing to standard design, for wheatbran
from 65.59% to 99.98%, and for rapeseed from 65.33% to 97%; 2) The
improvement of homogeneity of raw material inside droplet comparing to
standard design, for wheatbran from 15.78% to 7.33%, and for rapeseed from
27.92% to 12.1%; 3) Homogeneity of droplet diameter also had been improved,
for wheatbran, from 10.99% to 0.10%, and for rapeseed from 16.09% to 0.83%.
Keywords: chip design, droplet microfluidics, granular material, homogeneity,
mixing
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
HOMOGENISASI SUBSTRAT PERTANIAN DENGAN
DROPLET MICROFLUIDICS FREKUENSI TINGGI
ANGGA PERIMA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Penguji luar pada Ujian Tesis: Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA
Judul Tesis : Homogenisasi Substrat Pertanian dengan Droplet Microfluidics
Frekuensi Tinggi
Nama
: Angga Perima
NIM
: F451110031
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng
Ketua
Dr. Ir. Meiske Widyarti, M. Eng
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Sipil dan Lingkungan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, M.Si
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 26 Februari 2014
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur dipanjatkan kepada Allah Bapa di Surga dan Putra-Nya
terkasih Yesus Kristus sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih merupakan salah satu teknologi terkini di bidang keteknikan dan biologi.
Terima kasih diucapkan kepada :
1. Dr. Ir. Yuli Suharnoto, M.Eng dan Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng selaku
komisi pembimbing yang telah dengan sabar membimbing penyelesaian
tesis ini.
2. I Putu Mahendra Wijaya, yang telah menjadi pembimbing selama di
Prancis dan telah memberikan banyak sekali nasehat, arahan, bimbingan,
motivasi untuk dapat terus menjadi lebih baik.
3. Mama, Papa, Terry, dan keponakan tercinta Tiffany atas segala doa dan
cinta kasih yang telah diberikan.
4. Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA yang telah memberikan kesempatan
untuk dapat mengambil beasiswa BU BPKLN DIKNAS DDIP (Double
Degree Indonesia Prancis) serta atas kesabaran dan bimbingannya selama
ini.
5. BPKLN DIKNAS yang telah memberikan beasiswa DDIP.
6. GROUPPE SOUFFLET yang telah mendanai penelitian ini.
7. Antoine Drevelle, yang telah memberikan kesempatan untuk dapat
magang di laboratorium ESPCI Paristech.
8. Semua tim di laboratorium biokimia ESPCI Paristech yang telah
memberikan banyak bantuan.
9. Teman-teman angkatan SIL yang telah memberi keceriaan selama kuliah
S2 : Lisma, Avazbek, Farid, Latifah, Yasmin, Dwinata, Nasir, Puji, dan
Helena. Terutama kepada kak Habib Krisna Wijaya yang telah membantu
dalam tahap penyelesaian akhir tesis.
10. Sandra Le Thiec yang memberikan makna baru dalam hidup ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Maret 2014
Angga Perima
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vii
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
1
1
2
2
2 TINJAUAN PUSTAKA
Reologi di Microfluidics
Suspensi Fluida dari Material Mentah Pertanian
Droplet Microfluidics
2
2
7
8
3 METODE
Waktu dan Tempat
Bahan dan Alat
Tahapan Penelitian
Prosedur Analisis Data
10
10
10
10
17
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
19
5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
27
27
27
DAFTAR PUSTAKA
28
LAMPIRAN
31
RIWAYAT HIDUP
40
DAFTAR TABEL
1
Jumlah droplet untuk suspensi dedak gandum dan rapeseed pada
setiap desain
23
DAFTAR GAMBAR
1 Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung, et. al., 2002)
2 Struktur kimia PDMS
3 Skema representasi dari aliran geser tak langsung (Chhabra dan
Richardon, 2008)
4 Tiga cara terbentuknya droplet. (a) co-focusing; (b) T-junction;
(c) flow-focusing
5 Kerangka Penelitian
6 Proses Fotolitografi
7 Sketsa Proses Fotolitografi
8 Hasil Wafer dari Proses Fotolitografi
9 Kerangka Pembuatan PDMS 2D
10 Tahapan Pengujian Microfluidics
11 Pengujian Microfluidic
12 Ambang batas Penentuan Derajat Kehitaman droplet
13 Hasil analisa desain standar pada (a) rapeseed; (b) dedak gandum; (c)
tingkat kehitaman pada rapeseed; (d) tingkat kehitaman pada dedak
gandum
14 Hasil uji viskositas dengan menggunakan rheometer
15 (a) Dean Mixer (Sudarsan dan Ugaz, 2006); (b) saluran pada dean
mixer; (c) droplet dedak gandum; (d) droplet rapeseed; (e) droplet hasil
campuran tinta dan air
16 Kondisi macet pada saluran mikro lurus (a) dedak gandum
dan (b) rapeseed
17 Ilustrasi tabrakan inelastik antar partikel yang dapat menyebabkan
terjadinya gumpalan
18 Desain Standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10)
19 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet dedak gandum untuk desain
standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10)
20 Distribusi derajat kehitaman dalam droplet rapeseed untuk desain
standar (a) dan desain yang dibuat (Desain 1 - 10)
21 Standar Deviasi dari Nilai Gray dan tingkat okupansi (droplet terisi)
untuk rapeseed dan dedak gandum
22 Desain 6
2
6
8
9
11
12
14
14
15
16
17
18
19
20
21
22
22
23
24
24
25
26
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data 250 droplet pertama dari Desain 6 untuk Dedak Gandum dan
Rapeseed
33
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penemuan pada bidang mikroelektronik tentang bagaimana memproduksi
benda dalam skala mikron telah melahirkan cabang penelitian baru yang
dinamakan microfluidics. Microfluidics merupakan teknologi multidisiplin yang
mencakup teknik sipil, teknik lingkungan, teknik material, teknik mesin, teknik
elektro, nanoteknologi dan bioteknologi. Microfluidics banyak diaplikasikan
dalam berbagai bidang, yang salah satunya adalah pada bidang biologi.
Microfluidics bertujuan untuk memanipulasi fluida dalam tingkat mikro,
dan menyederhanakan kompleksitas dari sifat mekanika fluida dalam
laboratorium tradisional menjadi satu chip. Keuntungan yang diperoleh yaitu :
biaya ekperimen yang rendah, dan chip microfluidics itu mudah dibawa, sehingga
banyak industri telah menerapkan penelitian ini, termasuk dalam bidang pertanian.
Microfluidics memiliki cabang-cabang teknologi diantaranya microfluidics
digital, microfluidics kontinyu, microfluidics tekanan katup, dan droplet
microfluidics. Penelitian ini dikhususkan dalam konteks teknologi droplet
microfluidics. Droplet microfluidics adalah teknologi yang memanipulasi fluida
dalam bentuk droplet atau tetesan. Salah satu aplikasi dari droplet microfluidics
diantaranya adalah memanipulasi lingkungan tempat tinggal mikro organisme
untuk mendorong terjadinya evolusi langsung dari mikro organisme itu sendiri,
sehingga pada akhirnya dapat ditemukan organisme baru hasil dari evolusi
langsung tersebut. Lingkungan tempat tinggal mikro organisme itu adalah droplet.
Dalam penelitian ini, droplet microfluidics digunakan untuk menangani
sampel pertanian yang dialirkan dengan kecepatan tinggi (>300 droplet/detik)
untuk dicampurkan dengan substrat pertanian (dedak gandum dan rapeseed) dan
air yang diionisasi untuk memperoleh droplet-droplet dengan konsentrasi yang
sama. Terdapat beberapa tantangan dalam aplikasi ini antara lain, pertama adalah
penanganan agregasi dari sampel pertanian di dalam chip microfluidics. Kedua,
tingkat keseragaman (homogenitas) antara droplet sangat rendah. Ketiga, metode
untuk menganalisis droplet-droplet yang bisa berjumlah lebih dari 100 ribu untuk
menjadi data kuantitatif dan dianalisis derajat keseragamannya.
Perumusan Masalah
Bagaimana mendesain microfluidics chip yang memungkinkan
pencampuran substrat pertanian dengan air yang diionisasi dapat dilakukan pada
kecepatan tinggi dan diperoleh homogenisasi yang tinggi.
Tujuan Penelitian
1. Mendapatkan struktur desain chip yang baru berdasarkan kalkulasi teori, dan
membuat chip microfluidics berdasarkan desain tersebut.
2. Menguji kinerja chip microfluidics.
2
Manfaat Penelitian
Penelitian ini akan bermanfaat sebagai blue print untuk penelitian lanjutan
yaitu untuk menemukan organisme baru melalui evolusi langsung (direct
evolution). Hal ini dilakukan dengan memasukkan (enkapsulasi) organisme
tertentu ke dalam droplet microfluidics, dan hasil yang diharapkan adalah
organisme baru yang dapat digunakan untuk pengembangan bio-etanol.b.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini pada bidang mikroteknologi.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Reologi di Microfluidics
Reologi merupakan cabang ilmu alam yang muncul lebih dari 70 tahun
yang lalu. Cabang ilmu ini berasal dari pengamatan perilaku aneh dan tidak
normal tentang material-material yang tidak dapat dipecahkan seperti : cat
merupakan cairan karena ia dapat dituangkan dalam kontainer, akan tetapi kenapa
mereka tetap pada posisi vertikal di dinding tanpa jatuh ke bawah seperti cairan
lainnya? (Jakovlevich dan Isayev, 2006).
Reologi juga merupakan suatu studi mengenai aliran dan deformasi dari
sebuah zat. Reologi biasa digunakan untuk mendeskripsikan aliran dan deformasi
dari material kompleks seperti karet, plastik molten, larutan polimer, slurries dan
pasta, fluida elektro-reologi, darah, otot, komposit, tanah, dan cat. Studi tentang
material ilmu reologi sangat penting untuk dua alasan utama. Pertama, reologi
dapat digunakan dalam penentuan proses untuk operasi-operasi tertentu seperti
pencampuran, transportasi, dispensasi dan penyimpanan dalam proses produksi.
Kedua, reologi dapat digunakan sebagai alat kontrol kualitas pada proses dan
tahap produksi untuk mengidentifikasi variasi batch ke batch (Durairaj, et al,
2013).
Secara garis besar, wilayah studi microfluidics mencakup aliran cairan
dalam skala mikro. Meskipun berasal dari hidrodinamik, microfluidics sendiri
telah memperluas aplikas dari fisika fluida ke arah dunia mikro melalui aplikasi
dari proses fabrikasi yang biasanya digunakan dalam wilayah mikroelektronik.
Oleh sebab itu, konsep dari microfluidics dapat diterjemahkan sebagai usaha
untuk meminiaturisasikan instrumentasi laboratorium yang menangani cairan
hingga skala mikro. Dalam microfluidics, laboratorium yang telah
diminiaturisasikan didefinisikan sebagai sistem Laboratory on Chip (LOC), untuk
menerangkan integrasi alam dari alat yang ideal. Dalam konteks ini, LOC dapat
dijelaskan sebagai ekstensi dari tren peminiaturan yang terjadi dalam wilayah
mikroelektronik. Dapat disimpulkan bahwa LOC membawa keuntungan besar
seperti : pengurangan ukuran sampel dan biaya eksperimen, meningkatkan
keamanan (terutama ketika menangani bahan kimia yang mudah meledak atau
3
korosif), mudah dibawa-bawa, dan merupakan suatu sistem yang terintegrasi
dalam satu chip (Bruus, 2008).
Bruus (2008) telah mendefinisikan suatu persamaan skala (persamaan 1)
dalam microfluidics yang menunjukkan variasi dari jumlah fisik dengan ukuran
yang diberikan sistem atau objek, dan menjaga nilai lainnya seperti waktu,
tekanan, dan suhu tetap konstan. Persamaan yang diberikan adalah sebagai
berikut:
………………………….
(1)
Dimana l menunjukkan panjang (L).
Gambar 1. Karakteristik ukuran dari microfluidics chip (Nam-Tung dan Werely,
2002)
Pada Gambar 1 dapat dilihat hubungan skala panjang dan skala volume
dimana semakin besar panjang dari chip microfluidic akan membuat semakin
besar volume yang bisa ditempati.
Menurut perspektif fluida, makna dari energi permukaan lebih menaikkan
simplifikasi pada sifat fluida. Pada umumnya, persamaan Navier-Stokes
mendeskripsikan perilaku fluida dalam saluran yang mereduksi pada persamaan
diferensial parsial Stokes, yang tidak mencakup banyak gaya inersia dalam
penjelasannya. Pada persamaan Navier-Stokes (persamaan 2), v merupakan
kecepatan (LT-1), ρ merupakan densitas (ML-3), p merupakan tekanan (ML-1T-2), µ
adalah viskositas (ML-1T-1),
adalah operasi laplacian (tanpa dimensi), dan f
adalah gaya yang bekerja pada fluida (MLT-2).
!…………………………….. (2)
Satu-satunya gaya inersia pada cairan yang masih berperan dalam skala
mikro adalah gaya hambat viskositas, yang berhubungan dengan ketergantungan
linear dari peluruhan bilangan Reynold. Gaya ini hanya berlaku pada saluran skala
fluida yang direduksi pada skala mikro.
Bidang penelitian yang dapat menggunakan pengembangan teknologi
microfluidics itu adalah diagnosa medis, pengurutan genetik, produksi kimia,
penemuan obat baru, dan proteomik. Tentunya microfluidics diharapkan dapat
4
memiliki dampak yang signifikan terhadap perkembangan biologi, kimia, dan
bidang lainnya, seperti dampak dari penemuan sirkuit yang terintegrasi pada
komputer pada dekade lalu (Nam-Tung dan Werely, 2002).
Pada saat sekarang, ada beberapa tipe teknologi microfluidics yang secara
aktif dikembangkan dan digunakan dalam komunitas ilmuwan yaitu microfluidics
kontinyu (Nie et al., 2005), mikrofluidics tekanan katup (Vincent et al., 2004),
microfluidics digital(Fair, 2007), dan droplet microfluidics (Teh et al., 2008).
Setiap teknologi dikembangkan untuk diaplikasikan secara spesifik. Penelitian ini
dibatasi terhadap aplikasi dari reologi dalam droplet microfluidics. Berlawanan
dengan microfluidics aliran kontinu, fluida dalam microfluidics digital dan droplet
dimanipulasi dalam bentuk droplet. Droplet yang diharapkan dalam penelitian ini
adalah berbentuk lingkaran.
Droplet yang dibentuk dan dimanipulasi dalam microfluidics digital dan
droplet berbeda dengan cara droplet yang diproduksi dan dimanipulasi di dalam
chip microfluidics. Dalam kasus microfluidics digital, droplet diproduksi dengan
mengendalikan sifat elektro-basah (electrowetting) cairan yang mengalir melalui
susunan elektroda (Pollack et al., 2002). Secara singkat, electrowetting adalah
sifat permukaan cairan di mana perilaku pembasahan cairan terhadap permukaan
dimodulasi melalui penerapan medan listrik. Oleh karena itu, dalam kasus
microfluidics digital, droplet cairan biasanya dihasilkan berdasarkan permintaan
dengan menggunakan tegangan tertentu di droplet sehingga tegangan permukaan
salah satu ujung droplet akan lebih besar dari yang lain. Droplet fluida akan selalu
menuju area yang memiliki tegangan permukaan yang lebih tinggi - sebuah
fenomena yang dikenal sebagai aliran Marangoni. Chip digital microfluidic
biasanya memiliki geometri terbuka, sehingga tidak ada saluran mikro dalam
produksi dan manipulasi droplet menggunakan microfluidics digital (Fair, 2007).
Sebaliknya, chip microfluidic digital biasanya menggunakan arsitektur substrat
kaca dihiasi dengan pola elektroda emas/krom yang dibuat dengan menggunakan
litografi . Selain itu, volume kandungan microfluidic digital biasanya berkisar
antara nanoliter yang tinggi sampai beberapa mikroliter (Fair, 2007).
Sebaliknya dalam chip microfluidic digital, droplet yang diproduksi dalam
chip microfluidic droplet jauh lebih kecil (beberapa picoliter ke kisaran setengah
nanoliter) (Fair, 2007). Selanjutnya, produksi droplet dalam chip droplet
microfluidics dilakukan secara kontinyu pada kecepatan tinggi (umumnya
beberapa ribu droplet per detik) (Teh et al., 2008). Mekanisme pinching yang
mendorong pembentukan droplet dalam chip mikofluida droplet juga menjamin
bahwa variasi volume droplet yang dihasilkan lebih kecil dari 5%. Semua
karakteristik chip droplet microfluidics memberikan beberapa keunggulan
dibandingkan teknologi microfluidics antara lain: (1) produksi yang tinggi dan
tingkat penanganan tingkat chipdroplet microfluidics berarti bahwa teknologi
dapat digunakan untuk menyaring berbagai parameter eksperimental dalam
rentang waktu yang singkat (Whitesides, 2006), (2) Ukuran droplet yang kecil dan
seragam berarti bahwa konsentrasi tinggi dapat dicapai bahkan apabila jumlah
molekul kecil yang tersedia hanya sedikit (Xu et al., 2005), (3) Pembagian cairan
yang menjamin bahwa konsentrasi molekul seragam di setiap droplet (Song et al.,
2006), (4) enkapsulasi mikroorganisme dan biomolekul dalam droplet
menyediakan hubungan mekanik antara genotipe dan ekspresi fenotipe dalam
5
droplet yang sama, serta memungkinkan studi respon sel tunggal dengan berbagai
tekanan yang berbeda (Eun et al, 2010).
Dalam paragraf sebelumnya, telah dijelaskan bahwa microfluidics
diuntungkan dari pengembangan proses fabrikasi yang ditemukan dalam bidang
mikroelektronik. Secara spesifik, fabrikasi dari saluran mikro dalam alat
microfluidics dilakukan melalui fotolitografi lunak. Fabrikasi dari litografi lunak
dimulai dengan mendesain sirtkuit saluran mikro, biasa dikenal dengan sebutan
mask dalam program CAD, seperti AutoCAD® dari Autodesk. Melalui
penggambaran teknis ini, mask kemudian dikirimkan kepada penyedia jasa yang
spesial yang dapat mencetak desain dengan printer resolusi tinggi (>10,000 dpi).
Kemudian, desain dua-dimensi dalam mask dikonversi menjadi struktur tigadimensi melalui fotolitografi. Struktur-struktur tersebut kemudian digunakan
sebagai bas-relief master untuk sirkuit saluran mikro. Akhirnya, sebuah cairan
dari campuran poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agents dituangkan ke
dalam bas-relief master untuk menghasilkan saluran akhir mikro. Saluran mikro
kemudian yang dihilangkan oleh PDMS (Polydimethil siloxane) lalu dikunci
secara permanen pada kaca dengan menggunakan ikatan plasma (Bruus, 2008).
Fotolitografi didefinisikan sebagai suatu proses yang mentransfer
gambaran dua dimensi dalam sebuah medium ke yang lain melalui penggunaan
cahaya. Secara analogi, proses fotolitografi merupakan ekstensi dari fotografi
ruang gelap tradisional, yang memiliki kemampuan untuk menciptakan struktur
tiga-dimensi, tidak hanya berupa gambar seperti yang ditemukan dalam fotografi
tradisional (Bruus, 2008).
Lima komponen yang diperlukan untuk mentransfer pola dua dimensi
dengan fotolitografi : mask, fotoresis, wafer silikon, spin coater, dan maskaligner. Pola yang ditemukan dalam mask kemudian ditransfer dalam suatu
substrat, sebuah wafer silikon yang telah dilapisi dengan lapisan dari fotoresis
dengan ketebalan tertentu. Fotoresis adalah bagian kimia yang dapat melewati
reaksi cross-linking melalui eksposur terhadap cahaya dari panjang gelombang
tertentu pada energi yang spesifik dalam rentang waktu tertentu. Parameterparameter (tipe fotoresis, laju perputaran, laju akselerasi, dan waktu putar) yang
mempengaruhi proses pelapisan spin ditentukan oleh ketebalan saluran mikro
yang diinginkan (Bruus, 2008).
Setelah dilapisi dengan fotoresis, substrat silikon kemudian disinari cahaya
UV (panjang gelombang 436 nm) untuk beberapa waktu dalam photomask
aligner. Photomask aligner adalah suatu alat untuk menyesuaikan tanda dalam
mask dengan yang telah ada dalam substrat untuk memastikan ketepatan dari
setiap layar pada desain dengan yang lain, yang diperlukan untuk mengekspos
fotoresis melalui mask kepada cahaya UV. Meskipun photomask aligner dapat
beroperasi dalam berbagai konfigurasi, hanya dua dari konfigurasi tersebut yang
digunakan untuk penelitian ini, yaitu kontak lembut dan eksposur flood.
Keuntungan utama dari fotolitografi kontak adalah mask aligners dan optik yang
relatif tidak mahal untuk dipergunakan dalam memperoleh resolusi lateral (Banks,
2006), disebabkan minimalisasi dari masalah difraksi yang dapat terjadi dalam
bidang eksposur yang lebih jauh dan konfigurasi yang lain (Bruus, 2008).
Setelah memperoleh struktur dasar dan substrat silikon sebagai cetakan
master untuk fabrikasi saluran mikro, sebuah cairan yang terdiri dari campuran
dari poli monomer (dimetil siloksan) dan curing agent (10:1 (w/w)) dituangkan ke
6
master. Kemudian master diletakkan ke dalam oven pada suhu 90oC selama kirakira satu jam, untuk menciptakan reaksi cross-linking pada PDMS (Bruus, 2008).
PDMS biasa digunakan dalam fabrikasi alat microfluidics untuk aplikasi
biologi karena beberapa keuntungan yang ditawarkan oleh polimer termoset
(Duffy et al., 1998). Dalam perspektif fabrikasi, PDMS menawarkan prototipe
yang cepat dari saluran mikro. Adanya keringanan operasi dengan menggunakan
litografi lunak, dan biaya yang relatif murah, maka dengan PDMS dapat dilakukan
desain dan eksplorasi banyak konfigurasi saluran mikro yang berbeda secara
cepat. PDMS cocok secara biologi dengan hampir semua sel, sehingga hal ini
menjadi alasan utama banyaknya studi biologi dalam microfluidics menggunakan
pilihan material PDMS. PDMS juga berbentuk transparan hingga rentang UV
(