CHEMICAL BIOSENSOR GLUCOSE SENSOR: A WEARABLE NONINVASIVE GLUCOSE MONITOR USING NIR ABSOPTION
MAKALAH
MATA KULIAH ELEKTRONIKA BIOMEDIK
CHEMICAL BIOSENSOR
GLUCOSE SENSOR: A WEARABLE NONINVASIVE
GLUCOSE MONITOR USING NIR ABSOPTION
Filbert
0403030446
DEPARTEMEN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK
2006
ABSTRAK
Penyakit diabetes sangat berbahaya karena dapat menimbulkan resiko seperti
kebutaan, amputasi, dan bahkan kematian. Karena itu para penderita penyakit diabetes
memerlukan suatu kontrol terhadap kadar gula darah dalam tubuhnya.
Oleh sebab itu kadar gula darah dalam tubuh mereka harus diketahui untuk
diagnosa dan perawatan diabetes tersebut. Dalam perkembangannya, ada banyak sensor
glukosa yang telah dikembangkan, mulai dari yang pertama kali yaitu elektroda enzim
glukosa oleh Clark dan Lyons pada tahun 1962, in vivo glucose monitoring, ferrocene
mediators, personal glucose meter, electrical wiring of enzymes, in vivo glucose sensor,
dan wearable noninvasive glucose monitor yang diluncurkan oleh Cygnus Inc. Dan yang
akan dibahas adalah mengenai wearable noninvasive glucose monitor.
Kata kunci: diabetes, kadar gula darah, sensor glukosa, elektroda enzim glukosa, in vivo
glucose monitoring, ferrocene mediators, personal glucose meter, electrical wiring of
enzymes, in vivo glucose sensor, wearable noninvasive glucose monitor.
2
ABSTRACT
Diabetes is very dangerous because it can cause many risks such as blindness,
amputation, and even death. Thus, the victims of the Diabetes should need a control
about their blood glucose.
Their blood glucose needs to know in order to diagnosis and treatment of this
disease. In the progress, there are many glucose sensor developed, starting from glucose
enzyme electrode by Clark and Lyons in 1962, in vivo glucose monitoring, ferrocene
mediators, personal glucose meter, electrical wiring of enzymes, in vivo glucose sensor,
and wearable noninvasive glucose monitor manufactured by Cygnus Inc. And it will be
discussed about wearable noninvasive glucose monitor.
Keywords: diabetes, blood glucose, glucose sensor, glucose enzyme electrode, in vivo
glucose monitoring, ferrocene mediators, personal glucose meter, electrical wiring of
enzymes, in vivo glucose sensor, wearable noninvasive glucose monitor.
3
BAB I
DIABETES
Glukosa adalah karbohidrat utama yang bersirkulasi di dalam tubuh. Glukosa
adalah salah satu tipe dari gula. Ketika seseorang berbicara mengenai glukosa darah,
berarti mengacu kepada jumlah (kadar) glukosa di dalam darah.
Diabetes atau sering juga disebut sebagai Diabetes Mellitus, menggambarkan kadar
glukosa yang lebih banyak daripada normal di dalam darah. Ada banyak sebab dan tipe
dari diabetes, namun semuanya mengacu pada kadar glukosa yang berlebih di dalam
darah.
Darah membawa glukosa ke setiap sel dalam tubuh. Sel-sel tersebut menggunakan
glukosa sebagai sumber bahan bakar (tenaga). Glukosa masuk ke sel dan terjadilah proses
metabolisme (pembakaran), dan memberikan energi ke sel. Untuk semua sel, glukosa
adalah sumber energi utama. Untuk beberapa sel, seperti sel-sel otak, glukosa hanyalah
satu-satunya sumber energi yang dapat digunakan, mereka tidak dapat melakukan
tugasnya tanpa glukosa.
Jika glukosa tidak dapat mencapai sel dengan tepat, glukosa tersebut akan
bertumpuk di darah, tidak ada yang dituju. Ini menghasilkan jumlah glukosa yang lebih
tinggi di darah. Peristiwa tersebut disebut juga hyperglycemia (hyper artinya lebih tinggi
daripada normal, glyc artinya glukosa, dan emia artinya di dalam darah). Ketika kadar
glukosa di darah tersebut mencapai tingkat tertentu, maka kita mengklasifikasikan
sebagai Diabetes.
Dalam kondisi puasa (tidak makan atau minum selama 8 jam), tingkat normal
glukosa dalam darah adalah kurang dari 6,1 mmol/L (atau antara 80 dan 90 mg/100 mL).
Ketika kadar glukosa dalam darah lebih besar dari 6,9 mmol/L, dalam kondisi puasa,
maka hal ini dapat didiagnosis sebagai diabetes.
Glukosa dapat berasal dari:
1.
Makanan. Setelah kita makan, maka makanan dihancurkan oleh usus atas dan
diserap, sebagian dalam bentuk glukosa. Kemudian langsung masuk ke darah dan
akibatnya menambah glukosa darah.
4
2.
Hati. Tubuh harus dapat memproduksi glukosa sendiri. Bila tidak demikian, maka
setiap kali kita kelaparan, maka sel akan mengambil dari glukosa darah sehingga
glukosa darah kita akan turun, lama kelamaan akan habis, dan dengan sendirinya
tidak ada energi yang disuplai.
Istilah lain yang sangat berkaitan dengan diabetes adalah insulin. Insulin adalah
suatu hormon (suatu zat kimia yang bersirkulasi di darah dan mempengaruhi banyak sel
di berbagai bagian dari tubuh). Insulin dibuat oleh sel khusus di pankreas yang disebut sel
beta, yang berlokasi di sekumpulan sel yang disebut islets. Setelah pembentukan dan
pelepasan oleh sel beta, insulin bersirkulasi di dalam darah, menuju ke seluruh sel.
Insulin bertindak dengan mekanisme seperti gembok dan kunci. Pada setiap sel ada
“pintu” dimana glukosa dapat masuk. Tetapi pintu itu tetap terkunci sampai insulin
datang. Insulin adalah kunci yang membuka pintu. Ketika insulin tersedia dan “pintu
telah terbuka” maka glukosa dapat masuk. Ketika glukosa meninggalkan darah untuk
masuk ke sel, glukosa darah yang tersisa akan turun konsentrasinya. Karena itu, efek
utama dari insulin adalah menurunkan glukosa darah.
Diabetes dapat digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu:
1.
Diabetes tipe I, dimana penderita jenis diabetes ini mengandalkan penyuntikan
insulin untuk bertahan hidup (paling tidak satu kali satu hari). Sangat penting untuk
memeriksa kadar gula darahnya sesering mungkin.
2.
Diabetes tipe II, dimana penderita penyakit ini tidak tergantung dari penyuntikan
insulin. Untuk itu maka diperlukan diet, olahraga, dan obat-obatan untuk mengatur
jenis diabetes ini.
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa seseorang yang menderita diabetes
tidak dapat menghasilkan insulin dengan baik, dengan demikian maka glukosa tidak
dapat masuk ke sel sehingga konsentrasinya akan bertambah di darah.
5
BAB II
NON-INVASIVE GLUCOSE MONITOR
Salah satu media untuk mengukur konsentrasi glukosa darah adalah non-invasive
glucose monitor. Alat ini mengukur glukosa darah melalui kulit, tidak dari darah
(mengambil darah dari jari (finger-prick)), karena itu dinamakan noninvasive. Gambar 1
adalah gambar dari salah satu contoh non-invasive glucose monitor, yang dibuat oleh
SugarTrac™:
Gambar 1. Non-invasive glucose monitoring
Tingkat glukosa diukur dan ditampilkan secara otomatis setiap 20 menit selama 12
jam. Selain itu, The GlucoWatch Biographer juga menciptakan suatu electronic diary
yang merekam 4000 nilai untuk menentukan perkembangan dari glukosa darah.
Ada bermacam-macam teknologi untuk noninvasive glucose monitoring ini. Salah
satunya adalah dengan menggunakan teknik optikal yang berbasiskan spektroskopik.
Teknik tersebut meliputi near-infrared absorbtion/diffuse reflectance, Raman scattering,
dan polarimetry technique serta near-infrared scattering technique. Namun yang akan
dibahas hanya yang pertama saja, yaitu near-infrared absorption/diffuse reflectance.
Near-Infrared Absorption/Diffuse Reflectance: Pengantar
Teknik ini adalah yang paling tua dan yang paling sering dikembangkan. Teknik ini
menggunakan gelombang dekat-inframerah (near-infrared – untuk selanjutnya akan
disingkat NIR), yaitu gelombang dengan panjang gelombang antara 700 sampai 2.500
nm.
6
Ketika suatu jaringan diradiasikan dengan radiasi NIR maka jaringan tersebut dapat
saja menyerap, mengirimkan, atau memencarkan sinar tersebut. Peristiwa demikian
digambarkan dalam gambar 2.
Gambar 2. Kemungkinan jalannya foton pada kulit dan jaringan
Penyerapan foton hasil radiasi tersebut disebabkan karena adanya kelebihan
gerakan dan kombinasi dari getaran molekul, dan pemencaran disebabkan karena
ketidak-kontinuan pada indeks refraksi dari jaringan pada tingkat mikroskopik. Koefisien
penyerapan dan pemencaran yang dilambangkan dengan µ a dan µ s berurut-turut, dengan
satuan mm-1 adalah tingkat dari energi radiasi yang hilang –d dz φ karena penyerapan dan
pemencaran tiap pertambahan panjang unit photon di suatu jaringan. Dalam pemantulan
difusi, sinar yang dipencarkan kembali ke permukaan setelah “pencuplikan” volume
jaringan yang dikehendaki akan dianalisis (gambar 2).
Gambar 3. Diagram blok teknik NIR absorption
Secara umum/garis besar proses dari teknik NIR absorption digambarkan dalam
gambar 3. Tiap molekul dapat menyerap sinar dengan frekuensi yang tertentu yang
bersesuaian dengan getarannya dan osilasi perputarannya. Lebih lanjut, konsentrasi dari
suatu molekul tertentu mempunyai hubungan yang linear dengan intensitas dari puncak
7
penyerapan (Hukum Beer), yang dapat digunakan untuk memprediksi konsentrasi
molekul tertentu dalam zat. Intensitas pada puncak penyerapan diberikan oleh:
A = µ aλlc
dimana µ a adalah koefisien penyerapan, l adalah panjang jalan, dan c adalah konsentrasi.
Pertimbangan Panjang Gelombang
Karena tiap molekul dapat menyerap sinar pada frekuensi tertentu saja, maka tugas
pertama adalah untuk menentukan panjang gelombang berapa yang cocok. Glukosa dapat
menyerap banyak sinar mulai dari NIR sampai dengan mid-infrared (selanjutnya disebut
MIR), yaitu mulai dari 800 nm sampai 10 µm, meskipun tidak semuanya baik. Puncak
pada daerah MIR bersesuaian dengan getaran fundamental, dimana di NIR, mereka
bersesuaian dengan getaran kombinasi dan overtone. Daerah panjang gelombang NIR
mempunyai beberapa kelebihan untuk diagnosis in vivo dibandingkan MIR.
Dalam rentang ini, air, komponen yang paling dominan pada darah dan jaringan
menyerap banyak sinar MIR, sehingga kurang baik. Sebaliknya NIR dapat penetrasi ke
kulit sampai 1 cm. Sehingga dapat disimpulkan vahwa gelombang yang baik adalah
mulai dari 700 nm sampai 1900 nm (NIR).
Jenis Spektrometer
Untuk menghasilkan spektrum sinarnya ada beberapa cara yaitu teknik dispersi dan
teknik transformasi Fourier. Spektrometer dispersi menggunakan prisma untuk
mendispersikan sinar menjadi spektrum yang terdiri dari beberapa panjang gelombang.
Sebuah celah digunakan untuk memilih yang mana yang akan memasuki detektor.
Diagram optiknya ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4. Spektrometer dispersi
8
Cara lain yang dapat digunakan untuk memecah sinat menjadi spektrumspektrumnya adalah dengan menggunakan teknik interferometrik. Skema dari
spektrometer ini yang menggunakan interferometer Michelson ditunjukkan gambar 5.
Gambar 5. Spektrometer transformasi Fourier
Suatu sinar yang ditembakkan dari sumber memasuki interferometer dan kemudian
ke beam-splitter, dimana sebagian dipantulkan dan sebagian lagi dikirimkan. Sinar yang
dipantulkan menuju ke cermin yang bergerak dan yang diam dan kemudian akan
direkombinasi di beam-splitter, dan dicerminkan ke sample dan akhirnya ke detektor.
Begitu salah satu cermin bergerak, dua sinar yang direkombinasi mengalami interferensi
amplitude karena perbedaan jalan. Hal ini menghasilkan interferogram, yang dapat dilihat
oleh detektor dan direkam oleh komputer. Interferogram ini kemudian dilakukan
transformasi Fourier untuk menghasilkan spectrum dari sinar yang ditransmisikan dari
9
sampel. Interferometer yang kedua dengan laser dan detektor laser digunakan sebagai
pengatur posisi dan kecepatan dari cermin yang bergerak.
Sistem dispersi yang menggabungkan prisma dan celah keluar, hanya elemen
spektrum yang disampel oleh detektor pada suatu waktu. Sebaliknya, pada spektroskopi
transformasi Fourier, akan mengevaluasi semua panjang gelombang yang datang pada
detektor secara bersamaan, yang menghasilkan keluaran yang tinggi. Keuntungan lainnya
dari teknik interferometri adalah superioritas pada perbandingan sinyal terhadap derau
(signal-to-noise ratio – selanjutnya disebut SNR). Secara teori, semua spektrometer dapat
menampilkan suatu SNR yang meningkat jika spektra dirata-ratakan. Tetapi, hal ini
tergantung pada fakta bahwa spektra bisa dilapis. Segala perpindahan kesalahan antara
spektra dapat menyebabkan bentuk pita terdistorsi, dan sebagai hasilnya, SNR akan gagal
meningkat. Sistem interferometer yang menggunakan laser He-Ne untuk trigger akuisisi
data dan pengendalian gerak adalah sangat stabil. Ini adalah alasan mengapa kita
menggunakan spectrometer transformasi Fourier.
Desain Spektrometer Transformasi Fourier untuk NIR
Disini
akan
diberikan
perhitungan
bagaimana
meningkatkan
SNR
dari
spektrometer. Secara umum diagram blok untuk spektrometer transformasi Fourier
adalah digambarkan pada gambar 6.
Gambar 6. Diagram blok spektrometer transformasi Fourier
Rumus untuk SNR diberikan oleh:
Dimana U v (T ) adalah kepadatan spectral pada bilangan gelombang v dari suatu sumber
benda hitam pada temperature T (W / sr.cm2.cm-1), Θ adalah keluaran (throughput) dari
system (cm2.sr), Δ v adalah resolusi dari spectrum (cm-1), t adalah waktu dalam sekon, ζ
10
adalah efisiensi karena loss yang disebabkan oleh komponen-komponen optik, dan NEP
adalah kepanjangan dari noise equivalent power, yaitu sensitivitas figure-of-merit dari
detektor (W.Hz-1/2).
Untuk memulai analisis desain, kita akan memulai dengan melihat dua batasan atau
parameter yang tetap, yaitu kebutuhan resolusi dan rentang bilangan gelombang untuk
bekerja. Untuk penyerapan NIR, resolusi 32 cm-1 biasanya cukup. Untuk desain ini,
resolusi terbaik yang dapat dicapai diputuskan 10 cm-1, dan rentang bilangan gelombang
antara 14300 cm-1 dan 5000 cm-1, yang bersesuaian dengan rentang panjang gelombang 1
antara 700 dan 2000 nm.
Pertimbangan Detektor
Derau pada detektor adalah yang paling mendasar dan tidak dapat dihindarkan.
Sensitivitas dari detektor inframerah biasanya dinyatakan dalam NEP. Ia menyatakan
energi yang dibutuhkan untuk membangkitkan suatu response yang sama dengan tingkat
derau pada system detektor (atau untuk menghasilkan SNR = 1) seperti yang diukur pada
amplifier keluaran pada frekuensi yang diberikan. NEP didefinisikan sebagai arus derau
(A.Hz-1/2) dibagi dengan responsivitas (WA-1). Semakin baik detektornya maka NEPnya
semakin kecil karena hal ini berarti memberikan SNR yang semakin besar. Hal lain yang
perlu dipertimbangkan adalah luasnya. Semakin luas maka semakin banyak sinar yang
dapat diterima. NEP semakin naik.
Pertimbangan interferometer dan optik
Setelah diberikan resolusinya, maka dapat dihitung selisih jalan l, yang pada
interferometer bersisi-dua, sama dengan jarak total dari cermin yang berjalan. Resolusi
berbanding terbalik dengan jarak.
Karena adanya ketidaksempurnaan sinar mencapai beam splitter dan cermin,
interferensi wavefront-splitting (pemisahan muka-gelombang) terjadi, yang menghasilkan
lingkaran pinggir (circular fringes) ketika cermin dan beam splitter diluruskan. Untuk
1
Panjang gelombang (nm) =
10 7
bilangan gelombang(cm -1 )
11
menghindari ini, kita menggunakan filter spasial. Dimana diameter celahnya diberikan
oleh persamaan:
--------------------------------------(*)
Dimana f adalah panjang focus dari lensa yang mengumpulkan sinar memandu sinar
memasuki interferometer.
Sebelum kita memutuskan panjangnya focus, kita mempertimbngkan keluarannya
(throughput) terlebih dahulu. Keluaran didefinisikan sebagai:
-----------------------------------------(**)
Dimana ΩD adalah sudut dari sinat yang akan difokuskan pada detektor (Sr). Untuk lensa
focus dengan diameter d dan panjang focus f, maka
Gambar 7. Gambar lensa yang akan digunakan
Desain selanjutnya dari spectrometer adalah bagaimana keluaran dibatasi oleh
keluaran detektor. Keluaran spectrometer didefinisikan sebagai:
-------------------------------(***)
Dimana AB adalah area dari xinar yang bertubrukan masuk ke interferometer, dan
v max adalah frekuensi gelombang sinar tertinggi pada spectrum. Menyamakan persamaan
(**) dan (***) memberikan hubungan antara α dan AB. α harus dipilih untuk
memaksimalkan energi dengan batasan penyimpangan optik. Dengan kembali ke
persamaan (*) kita dapat menghitung diameter celah.
Percobaan
Suatu Nicolet Magna-IR 860 yang dilengkapi dengan detektor DTGS dan beamsplitter
CaF2 digunakan untuk menentukan efek dari glukosa pada air dan darah manusia. Spektra
didapatkan pada mode transmisi, dengan resultan spektra transmisi diubah ke plot
12
penyerapan. Sampel ditempatkan pada suatu 10 mm pathlength quartz cuvette. Untuk
setiap larutan, spektra dari larutan murninya direkam. Lalu suatu komposisi bubuk Dglucose ditambahkan.
.
Gambar 8. Gambar spektra dari larutan air karena penambahan glukosa
Gambar 9 Gambar spektra dari serum darah karena tambahan glukosa
Gambar 8 dan 9 menunjukkan suatu spektrum glukosa-dengan-air dan glukosadengan-serum berturut-turut. Dalam setiap grafik, spektra dari setiap pelarut dikurangi.
13
Menggunakan spektrometer ini, perubahan spektra karena glukosa dapat direkam pada 7
mmol/L pada larutan air dan 10 mmol/L pada serum darah, yang bersesuaian dengan
rentang psikologi yang lebih tinggi.
Dapat dilihat bahwa kehadiran glukosa mempengaruhi penterapan pada bilangan
gelombang sekitar 7150 cm-1 (1400 nm). Juga tampaknya ada beberapa pengaruh pada
sekitar 5400 cm-1 (1850 nm), yang seharusnya diinvestigasi lebih lanjut. Hasil ini
membuktikan spektroskopi NIR adalah suatu teknik yang dapat dikerjakan dengan mudah
untuk pengukuran glukosa.
Beberapa masalah
1.
Akurasi rendah karena SNR. Untuk konsentrasi psikologi, glukosa memproduksi
sedikit perubahan ang dapat dihitung pada keluaran spektral di daerah NIR, karena
fakta bahwa konsentrasi glukosa di dalam darah sangat kecil, sekitar 0.1% untuk
yang normal.
2.
Kesalahan pembacaan karena variasi jaringan. Hasil telah menunjukkan bahwa
variasi jaringan telah menyebabkan perubahan pada spektra keluaran, yang
menghasilkan data tidak dapat diproduksi kembali dan butuh untuk kalibrasi yang
sering. Perubahan ini mungkin disebabkan karena adanya perubahan temperatur
kulit, konsentrasi hemoglobin, dan berbagai yang lainnya.
Pembacaan Glukosa
Pada dasarnya, spektrum penyerapan glukosa adalah unik, namun ia bertindihan
dengan spektra-spektra yang lainnya, seperti pada gambar 10. Untuk menguraikan
spektra tersebut, dapat digunakan berbagai macam teknik seperti partial least-squares
regression.
Setelah spektrum glukosa tersebut didapatkan, maka didapatkan puncak intensitas
penyerapannya. Semula kita telah memilih berapa panjang gelombang yang akan
digunakan. Oleh karena itu, menurut hukum Beer yang telah diuraikan diatas, yaitu
A = µ aλlc
14
Dengan A, µ a, λ, dan l yang telah diketahui dari hasil pengukuran, maka nilai konsentrasi
c dapat diketahui. Setelah itu dapat dilihat, jika kadar glukosanya melebihi 6,9 mmol/L,
maka orang tersebut telah mengalami diabetes.
Gambar 10. Gambar spektra dari beberapa molekul
15
BAB III
KESIMPULAN
Untuk mengukur konsentrasi glukosa dalam darah dapat dipakai metode
noninvasive, yaitu suatu metode yang tidak menggunakan darah. Metode noninvasive
tersebut banyak jenisnya, salah satunya yang menggunakan penyerapan NIR.
Peralatan yang digunakan untuk metode tersebut meliputi beberapa pertimbangan,
seperti pertimbangan panjang gelombang yang akan digunakan, spectrometer, detektor,
interferometer, dan optik.
Namun metode tersebut masih mempunyai beberapa kelemahan yaitu akurasi
rendah dan kesalahan pembacaan.
16
DAFTAR PUSTAKA
[1] J Wang. Glucose Biosensors: 40 Years of Advances and Challenges. Department of
Chemistry and Biochemistry, New Mexico State University.
[2] Prof. Kamal Youcef-Toumi and Vidi A. Saptari. Noninvasive Blood Glucose Using
Near Infrared Spectroscopy.
[3] Jonathon T. Olesberg. Noninvasive Blood Glucose Monitoring in the 2.0 – 2.5 µm
Wavelength Range. Department of Chemistry and the Optical Science and
Technology Center The University of Iowa.
[4] Prof. Kamal Youcef-Toumi and Vidi A. Saptari. Noninvasive Blood Glucose
Quantitation using Spectroscopic-based Optical Technique.
[5] www.homeglucose.org
17
MATA KULIAH ELEKTRONIKA BIOMEDIK
CHEMICAL BIOSENSOR
GLUCOSE SENSOR: A WEARABLE NONINVASIVE
GLUCOSE MONITOR USING NIR ABSOPTION
Filbert
0403030446
DEPARTEMEN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK
2006
ABSTRAK
Penyakit diabetes sangat berbahaya karena dapat menimbulkan resiko seperti
kebutaan, amputasi, dan bahkan kematian. Karena itu para penderita penyakit diabetes
memerlukan suatu kontrol terhadap kadar gula darah dalam tubuhnya.
Oleh sebab itu kadar gula darah dalam tubuh mereka harus diketahui untuk
diagnosa dan perawatan diabetes tersebut. Dalam perkembangannya, ada banyak sensor
glukosa yang telah dikembangkan, mulai dari yang pertama kali yaitu elektroda enzim
glukosa oleh Clark dan Lyons pada tahun 1962, in vivo glucose monitoring, ferrocene
mediators, personal glucose meter, electrical wiring of enzymes, in vivo glucose sensor,
dan wearable noninvasive glucose monitor yang diluncurkan oleh Cygnus Inc. Dan yang
akan dibahas adalah mengenai wearable noninvasive glucose monitor.
Kata kunci: diabetes, kadar gula darah, sensor glukosa, elektroda enzim glukosa, in vivo
glucose monitoring, ferrocene mediators, personal glucose meter, electrical wiring of
enzymes, in vivo glucose sensor, wearable noninvasive glucose monitor.
2
ABSTRACT
Diabetes is very dangerous because it can cause many risks such as blindness,
amputation, and even death. Thus, the victims of the Diabetes should need a control
about their blood glucose.
Their blood glucose needs to know in order to diagnosis and treatment of this
disease. In the progress, there are many glucose sensor developed, starting from glucose
enzyme electrode by Clark and Lyons in 1962, in vivo glucose monitoring, ferrocene
mediators, personal glucose meter, electrical wiring of enzymes, in vivo glucose sensor,
and wearable noninvasive glucose monitor manufactured by Cygnus Inc. And it will be
discussed about wearable noninvasive glucose monitor.
Keywords: diabetes, blood glucose, glucose sensor, glucose enzyme electrode, in vivo
glucose monitoring, ferrocene mediators, personal glucose meter, electrical wiring of
enzymes, in vivo glucose sensor, wearable noninvasive glucose monitor.
3
BAB I
DIABETES
Glukosa adalah karbohidrat utama yang bersirkulasi di dalam tubuh. Glukosa
adalah salah satu tipe dari gula. Ketika seseorang berbicara mengenai glukosa darah,
berarti mengacu kepada jumlah (kadar) glukosa di dalam darah.
Diabetes atau sering juga disebut sebagai Diabetes Mellitus, menggambarkan kadar
glukosa yang lebih banyak daripada normal di dalam darah. Ada banyak sebab dan tipe
dari diabetes, namun semuanya mengacu pada kadar glukosa yang berlebih di dalam
darah.
Darah membawa glukosa ke setiap sel dalam tubuh. Sel-sel tersebut menggunakan
glukosa sebagai sumber bahan bakar (tenaga). Glukosa masuk ke sel dan terjadilah proses
metabolisme (pembakaran), dan memberikan energi ke sel. Untuk semua sel, glukosa
adalah sumber energi utama. Untuk beberapa sel, seperti sel-sel otak, glukosa hanyalah
satu-satunya sumber energi yang dapat digunakan, mereka tidak dapat melakukan
tugasnya tanpa glukosa.
Jika glukosa tidak dapat mencapai sel dengan tepat, glukosa tersebut akan
bertumpuk di darah, tidak ada yang dituju. Ini menghasilkan jumlah glukosa yang lebih
tinggi di darah. Peristiwa tersebut disebut juga hyperglycemia (hyper artinya lebih tinggi
daripada normal, glyc artinya glukosa, dan emia artinya di dalam darah). Ketika kadar
glukosa di darah tersebut mencapai tingkat tertentu, maka kita mengklasifikasikan
sebagai Diabetes.
Dalam kondisi puasa (tidak makan atau minum selama 8 jam), tingkat normal
glukosa dalam darah adalah kurang dari 6,1 mmol/L (atau antara 80 dan 90 mg/100 mL).
Ketika kadar glukosa dalam darah lebih besar dari 6,9 mmol/L, dalam kondisi puasa,
maka hal ini dapat didiagnosis sebagai diabetes.
Glukosa dapat berasal dari:
1.
Makanan. Setelah kita makan, maka makanan dihancurkan oleh usus atas dan
diserap, sebagian dalam bentuk glukosa. Kemudian langsung masuk ke darah dan
akibatnya menambah glukosa darah.
4
2.
Hati. Tubuh harus dapat memproduksi glukosa sendiri. Bila tidak demikian, maka
setiap kali kita kelaparan, maka sel akan mengambil dari glukosa darah sehingga
glukosa darah kita akan turun, lama kelamaan akan habis, dan dengan sendirinya
tidak ada energi yang disuplai.
Istilah lain yang sangat berkaitan dengan diabetes adalah insulin. Insulin adalah
suatu hormon (suatu zat kimia yang bersirkulasi di darah dan mempengaruhi banyak sel
di berbagai bagian dari tubuh). Insulin dibuat oleh sel khusus di pankreas yang disebut sel
beta, yang berlokasi di sekumpulan sel yang disebut islets. Setelah pembentukan dan
pelepasan oleh sel beta, insulin bersirkulasi di dalam darah, menuju ke seluruh sel.
Insulin bertindak dengan mekanisme seperti gembok dan kunci. Pada setiap sel ada
“pintu” dimana glukosa dapat masuk. Tetapi pintu itu tetap terkunci sampai insulin
datang. Insulin adalah kunci yang membuka pintu. Ketika insulin tersedia dan “pintu
telah terbuka” maka glukosa dapat masuk. Ketika glukosa meninggalkan darah untuk
masuk ke sel, glukosa darah yang tersisa akan turun konsentrasinya. Karena itu, efek
utama dari insulin adalah menurunkan glukosa darah.
Diabetes dapat digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu:
1.
Diabetes tipe I, dimana penderita jenis diabetes ini mengandalkan penyuntikan
insulin untuk bertahan hidup (paling tidak satu kali satu hari). Sangat penting untuk
memeriksa kadar gula darahnya sesering mungkin.
2.
Diabetes tipe II, dimana penderita penyakit ini tidak tergantung dari penyuntikan
insulin. Untuk itu maka diperlukan diet, olahraga, dan obat-obatan untuk mengatur
jenis diabetes ini.
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa seseorang yang menderita diabetes
tidak dapat menghasilkan insulin dengan baik, dengan demikian maka glukosa tidak
dapat masuk ke sel sehingga konsentrasinya akan bertambah di darah.
5
BAB II
NON-INVASIVE GLUCOSE MONITOR
Salah satu media untuk mengukur konsentrasi glukosa darah adalah non-invasive
glucose monitor. Alat ini mengukur glukosa darah melalui kulit, tidak dari darah
(mengambil darah dari jari (finger-prick)), karena itu dinamakan noninvasive. Gambar 1
adalah gambar dari salah satu contoh non-invasive glucose monitor, yang dibuat oleh
SugarTrac™:
Gambar 1. Non-invasive glucose monitoring
Tingkat glukosa diukur dan ditampilkan secara otomatis setiap 20 menit selama 12
jam. Selain itu, The GlucoWatch Biographer juga menciptakan suatu electronic diary
yang merekam 4000 nilai untuk menentukan perkembangan dari glukosa darah.
Ada bermacam-macam teknologi untuk noninvasive glucose monitoring ini. Salah
satunya adalah dengan menggunakan teknik optikal yang berbasiskan spektroskopik.
Teknik tersebut meliputi near-infrared absorbtion/diffuse reflectance, Raman scattering,
dan polarimetry technique serta near-infrared scattering technique. Namun yang akan
dibahas hanya yang pertama saja, yaitu near-infrared absorption/diffuse reflectance.
Near-Infrared Absorption/Diffuse Reflectance: Pengantar
Teknik ini adalah yang paling tua dan yang paling sering dikembangkan. Teknik ini
menggunakan gelombang dekat-inframerah (near-infrared – untuk selanjutnya akan
disingkat NIR), yaitu gelombang dengan panjang gelombang antara 700 sampai 2.500
nm.
6
Ketika suatu jaringan diradiasikan dengan radiasi NIR maka jaringan tersebut dapat
saja menyerap, mengirimkan, atau memencarkan sinar tersebut. Peristiwa demikian
digambarkan dalam gambar 2.
Gambar 2. Kemungkinan jalannya foton pada kulit dan jaringan
Penyerapan foton hasil radiasi tersebut disebabkan karena adanya kelebihan
gerakan dan kombinasi dari getaran molekul, dan pemencaran disebabkan karena
ketidak-kontinuan pada indeks refraksi dari jaringan pada tingkat mikroskopik. Koefisien
penyerapan dan pemencaran yang dilambangkan dengan µ a dan µ s berurut-turut, dengan
satuan mm-1 adalah tingkat dari energi radiasi yang hilang –d dz φ karena penyerapan dan
pemencaran tiap pertambahan panjang unit photon di suatu jaringan. Dalam pemantulan
difusi, sinar yang dipencarkan kembali ke permukaan setelah “pencuplikan” volume
jaringan yang dikehendaki akan dianalisis (gambar 2).
Gambar 3. Diagram blok teknik NIR absorption
Secara umum/garis besar proses dari teknik NIR absorption digambarkan dalam
gambar 3. Tiap molekul dapat menyerap sinar dengan frekuensi yang tertentu yang
bersesuaian dengan getarannya dan osilasi perputarannya. Lebih lanjut, konsentrasi dari
suatu molekul tertentu mempunyai hubungan yang linear dengan intensitas dari puncak
7
penyerapan (Hukum Beer), yang dapat digunakan untuk memprediksi konsentrasi
molekul tertentu dalam zat. Intensitas pada puncak penyerapan diberikan oleh:
A = µ aλlc
dimana µ a adalah koefisien penyerapan, l adalah panjang jalan, dan c adalah konsentrasi.
Pertimbangan Panjang Gelombang
Karena tiap molekul dapat menyerap sinar pada frekuensi tertentu saja, maka tugas
pertama adalah untuk menentukan panjang gelombang berapa yang cocok. Glukosa dapat
menyerap banyak sinar mulai dari NIR sampai dengan mid-infrared (selanjutnya disebut
MIR), yaitu mulai dari 800 nm sampai 10 µm, meskipun tidak semuanya baik. Puncak
pada daerah MIR bersesuaian dengan getaran fundamental, dimana di NIR, mereka
bersesuaian dengan getaran kombinasi dan overtone. Daerah panjang gelombang NIR
mempunyai beberapa kelebihan untuk diagnosis in vivo dibandingkan MIR.
Dalam rentang ini, air, komponen yang paling dominan pada darah dan jaringan
menyerap banyak sinar MIR, sehingga kurang baik. Sebaliknya NIR dapat penetrasi ke
kulit sampai 1 cm. Sehingga dapat disimpulkan vahwa gelombang yang baik adalah
mulai dari 700 nm sampai 1900 nm (NIR).
Jenis Spektrometer
Untuk menghasilkan spektrum sinarnya ada beberapa cara yaitu teknik dispersi dan
teknik transformasi Fourier. Spektrometer dispersi menggunakan prisma untuk
mendispersikan sinar menjadi spektrum yang terdiri dari beberapa panjang gelombang.
Sebuah celah digunakan untuk memilih yang mana yang akan memasuki detektor.
Diagram optiknya ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4. Spektrometer dispersi
8
Cara lain yang dapat digunakan untuk memecah sinat menjadi spektrumspektrumnya adalah dengan menggunakan teknik interferometrik. Skema dari
spektrometer ini yang menggunakan interferometer Michelson ditunjukkan gambar 5.
Gambar 5. Spektrometer transformasi Fourier
Suatu sinar yang ditembakkan dari sumber memasuki interferometer dan kemudian
ke beam-splitter, dimana sebagian dipantulkan dan sebagian lagi dikirimkan. Sinar yang
dipantulkan menuju ke cermin yang bergerak dan yang diam dan kemudian akan
direkombinasi di beam-splitter, dan dicerminkan ke sample dan akhirnya ke detektor.
Begitu salah satu cermin bergerak, dua sinar yang direkombinasi mengalami interferensi
amplitude karena perbedaan jalan. Hal ini menghasilkan interferogram, yang dapat dilihat
oleh detektor dan direkam oleh komputer. Interferogram ini kemudian dilakukan
transformasi Fourier untuk menghasilkan spectrum dari sinar yang ditransmisikan dari
9
sampel. Interferometer yang kedua dengan laser dan detektor laser digunakan sebagai
pengatur posisi dan kecepatan dari cermin yang bergerak.
Sistem dispersi yang menggabungkan prisma dan celah keluar, hanya elemen
spektrum yang disampel oleh detektor pada suatu waktu. Sebaliknya, pada spektroskopi
transformasi Fourier, akan mengevaluasi semua panjang gelombang yang datang pada
detektor secara bersamaan, yang menghasilkan keluaran yang tinggi. Keuntungan lainnya
dari teknik interferometri adalah superioritas pada perbandingan sinyal terhadap derau
(signal-to-noise ratio – selanjutnya disebut SNR). Secara teori, semua spektrometer dapat
menampilkan suatu SNR yang meningkat jika spektra dirata-ratakan. Tetapi, hal ini
tergantung pada fakta bahwa spektra bisa dilapis. Segala perpindahan kesalahan antara
spektra dapat menyebabkan bentuk pita terdistorsi, dan sebagai hasilnya, SNR akan gagal
meningkat. Sistem interferometer yang menggunakan laser He-Ne untuk trigger akuisisi
data dan pengendalian gerak adalah sangat stabil. Ini adalah alasan mengapa kita
menggunakan spectrometer transformasi Fourier.
Desain Spektrometer Transformasi Fourier untuk NIR
Disini
akan
diberikan
perhitungan
bagaimana
meningkatkan
SNR
dari
spektrometer. Secara umum diagram blok untuk spektrometer transformasi Fourier
adalah digambarkan pada gambar 6.
Gambar 6. Diagram blok spektrometer transformasi Fourier
Rumus untuk SNR diberikan oleh:
Dimana U v (T ) adalah kepadatan spectral pada bilangan gelombang v dari suatu sumber
benda hitam pada temperature T (W / sr.cm2.cm-1), Θ adalah keluaran (throughput) dari
system (cm2.sr), Δ v adalah resolusi dari spectrum (cm-1), t adalah waktu dalam sekon, ζ
10
adalah efisiensi karena loss yang disebabkan oleh komponen-komponen optik, dan NEP
adalah kepanjangan dari noise equivalent power, yaitu sensitivitas figure-of-merit dari
detektor (W.Hz-1/2).
Untuk memulai analisis desain, kita akan memulai dengan melihat dua batasan atau
parameter yang tetap, yaitu kebutuhan resolusi dan rentang bilangan gelombang untuk
bekerja. Untuk penyerapan NIR, resolusi 32 cm-1 biasanya cukup. Untuk desain ini,
resolusi terbaik yang dapat dicapai diputuskan 10 cm-1, dan rentang bilangan gelombang
antara 14300 cm-1 dan 5000 cm-1, yang bersesuaian dengan rentang panjang gelombang 1
antara 700 dan 2000 nm.
Pertimbangan Detektor
Derau pada detektor adalah yang paling mendasar dan tidak dapat dihindarkan.
Sensitivitas dari detektor inframerah biasanya dinyatakan dalam NEP. Ia menyatakan
energi yang dibutuhkan untuk membangkitkan suatu response yang sama dengan tingkat
derau pada system detektor (atau untuk menghasilkan SNR = 1) seperti yang diukur pada
amplifier keluaran pada frekuensi yang diberikan. NEP didefinisikan sebagai arus derau
(A.Hz-1/2) dibagi dengan responsivitas (WA-1). Semakin baik detektornya maka NEPnya
semakin kecil karena hal ini berarti memberikan SNR yang semakin besar. Hal lain yang
perlu dipertimbangkan adalah luasnya. Semakin luas maka semakin banyak sinar yang
dapat diterima. NEP semakin naik.
Pertimbangan interferometer dan optik
Setelah diberikan resolusinya, maka dapat dihitung selisih jalan l, yang pada
interferometer bersisi-dua, sama dengan jarak total dari cermin yang berjalan. Resolusi
berbanding terbalik dengan jarak.
Karena adanya ketidaksempurnaan sinar mencapai beam splitter dan cermin,
interferensi wavefront-splitting (pemisahan muka-gelombang) terjadi, yang menghasilkan
lingkaran pinggir (circular fringes) ketika cermin dan beam splitter diluruskan. Untuk
1
Panjang gelombang (nm) =
10 7
bilangan gelombang(cm -1 )
11
menghindari ini, kita menggunakan filter spasial. Dimana diameter celahnya diberikan
oleh persamaan:
--------------------------------------(*)
Dimana f adalah panjang focus dari lensa yang mengumpulkan sinar memandu sinar
memasuki interferometer.
Sebelum kita memutuskan panjangnya focus, kita mempertimbngkan keluarannya
(throughput) terlebih dahulu. Keluaran didefinisikan sebagai:
-----------------------------------------(**)
Dimana ΩD adalah sudut dari sinat yang akan difokuskan pada detektor (Sr). Untuk lensa
focus dengan diameter d dan panjang focus f, maka
Gambar 7. Gambar lensa yang akan digunakan
Desain selanjutnya dari spectrometer adalah bagaimana keluaran dibatasi oleh
keluaran detektor. Keluaran spectrometer didefinisikan sebagai:
-------------------------------(***)
Dimana AB adalah area dari xinar yang bertubrukan masuk ke interferometer, dan
v max adalah frekuensi gelombang sinar tertinggi pada spectrum. Menyamakan persamaan
(**) dan (***) memberikan hubungan antara α dan AB. α harus dipilih untuk
memaksimalkan energi dengan batasan penyimpangan optik. Dengan kembali ke
persamaan (*) kita dapat menghitung diameter celah.
Percobaan
Suatu Nicolet Magna-IR 860 yang dilengkapi dengan detektor DTGS dan beamsplitter
CaF2 digunakan untuk menentukan efek dari glukosa pada air dan darah manusia. Spektra
didapatkan pada mode transmisi, dengan resultan spektra transmisi diubah ke plot
12
penyerapan. Sampel ditempatkan pada suatu 10 mm pathlength quartz cuvette. Untuk
setiap larutan, spektra dari larutan murninya direkam. Lalu suatu komposisi bubuk Dglucose ditambahkan.
.
Gambar 8. Gambar spektra dari larutan air karena penambahan glukosa
Gambar 9 Gambar spektra dari serum darah karena tambahan glukosa
Gambar 8 dan 9 menunjukkan suatu spektrum glukosa-dengan-air dan glukosadengan-serum berturut-turut. Dalam setiap grafik, spektra dari setiap pelarut dikurangi.
13
Menggunakan spektrometer ini, perubahan spektra karena glukosa dapat direkam pada 7
mmol/L pada larutan air dan 10 mmol/L pada serum darah, yang bersesuaian dengan
rentang psikologi yang lebih tinggi.
Dapat dilihat bahwa kehadiran glukosa mempengaruhi penterapan pada bilangan
gelombang sekitar 7150 cm-1 (1400 nm). Juga tampaknya ada beberapa pengaruh pada
sekitar 5400 cm-1 (1850 nm), yang seharusnya diinvestigasi lebih lanjut. Hasil ini
membuktikan spektroskopi NIR adalah suatu teknik yang dapat dikerjakan dengan mudah
untuk pengukuran glukosa.
Beberapa masalah
1.
Akurasi rendah karena SNR. Untuk konsentrasi psikologi, glukosa memproduksi
sedikit perubahan ang dapat dihitung pada keluaran spektral di daerah NIR, karena
fakta bahwa konsentrasi glukosa di dalam darah sangat kecil, sekitar 0.1% untuk
yang normal.
2.
Kesalahan pembacaan karena variasi jaringan. Hasil telah menunjukkan bahwa
variasi jaringan telah menyebabkan perubahan pada spektra keluaran, yang
menghasilkan data tidak dapat diproduksi kembali dan butuh untuk kalibrasi yang
sering. Perubahan ini mungkin disebabkan karena adanya perubahan temperatur
kulit, konsentrasi hemoglobin, dan berbagai yang lainnya.
Pembacaan Glukosa
Pada dasarnya, spektrum penyerapan glukosa adalah unik, namun ia bertindihan
dengan spektra-spektra yang lainnya, seperti pada gambar 10. Untuk menguraikan
spektra tersebut, dapat digunakan berbagai macam teknik seperti partial least-squares
regression.
Setelah spektrum glukosa tersebut didapatkan, maka didapatkan puncak intensitas
penyerapannya. Semula kita telah memilih berapa panjang gelombang yang akan
digunakan. Oleh karena itu, menurut hukum Beer yang telah diuraikan diatas, yaitu
A = µ aλlc
14
Dengan A, µ a, λ, dan l yang telah diketahui dari hasil pengukuran, maka nilai konsentrasi
c dapat diketahui. Setelah itu dapat dilihat, jika kadar glukosanya melebihi 6,9 mmol/L,
maka orang tersebut telah mengalami diabetes.
Gambar 10. Gambar spektra dari beberapa molekul
15
BAB III
KESIMPULAN
Untuk mengukur konsentrasi glukosa dalam darah dapat dipakai metode
noninvasive, yaitu suatu metode yang tidak menggunakan darah. Metode noninvasive
tersebut banyak jenisnya, salah satunya yang menggunakan penyerapan NIR.
Peralatan yang digunakan untuk metode tersebut meliputi beberapa pertimbangan,
seperti pertimbangan panjang gelombang yang akan digunakan, spectrometer, detektor,
interferometer, dan optik.
Namun metode tersebut masih mempunyai beberapa kelemahan yaitu akurasi
rendah dan kesalahan pembacaan.
16
DAFTAR PUSTAKA
[1] J Wang. Glucose Biosensors: 40 Years of Advances and Challenges. Department of
Chemistry and Biochemistry, New Mexico State University.
[2] Prof. Kamal Youcef-Toumi and Vidi A. Saptari. Noninvasive Blood Glucose Using
Near Infrared Spectroscopy.
[3] Jonathon T. Olesberg. Noninvasive Blood Glucose Monitoring in the 2.0 – 2.5 µm
Wavelength Range. Department of Chemistry and the Optical Science and
Technology Center The University of Iowa.
[4] Prof. Kamal Youcef-Toumi and Vidi A. Saptari. Noninvasive Blood Glucose
Quantitation using Spectroscopic-based Optical Technique.
[5] www.homeglucose.org
17