Pengembangan Metode Deteksi Miristisin Dan Metil Eugenol Pada Pala Menggunakan Elektrode Pasta Karbon Termodifikasi

Abstract

Miristisin merupakan senyawa penciri utama tanaman pala (Myristica fragrans Houtt.), sehingga deteksinya penting untuk evaluasi kualitas pala. Penelitian ini bertujuan untuk memfabrikasi, mengoptimasi, dan memvalidasi sensor elektrokimia berbasis komposit Fe3O4-grafena sebagai metode alternatif yang efisien untuk mengkuantifikasi analit miristisin pada pala, dengan tingkat keandalan dan akurasi yang setara dengan instrumen standar Kromatografi Gas-Spektrometri Massa (KG-SM). Penelitian ini terdiri atas 2 (dua) tahap terdiri dari: tahap pertama yaitu pengembangan metode sensor miristisin dengan Glassy Carbon Electrode (GCE) termodifikasi Fe3O4-grafena dan tahap kedua optimasi ekstraksi miristisin dari pala menggunakan Response Surface Methodology-Box-Behnken Design (RSM-BBD). Ekstrak hasil optimasi digunakan sebagai sampel nyata untuk mevalidasi keandalan elektrode yang dikembangkan. Penelitian tahap pertama diawali dari sintesis Fe3O4 menggunakan metode hidrotermal dan menggabungkan Fe3O4 hasil sintesis dengan grafena membentuk komposit Fe3O4-grafena. Hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope- Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX), Transmission Electron Microscopy (TEM) dan XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) untuk mengevaluasi struktur kristal, morfologi, komposisi unsur, serta karakteristik material pada skala nano. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa partikel kristal Fe3O4 terdistribusi secara homogen pada struktur grafena dua dimensi. Keberhasilan modifikasi fisik ini berbanding lurus dengan peningkatan performa elektrokimianya. Fe3O4 bersifat elektrokatalitik yang mempercepat transfer elektron setelah analit miristisin diadsorbsi oleh permukaan grafena yang luas. Komposit tersebut kemudian diaplikasikan untuk pengembangan sensor elektrokimia miristisin. Evaluasi perilaku elektrokimia telah dilakukan dengan penentuan pH optimum larutan uji yaitu pada pH 5 dalam Britton-Robinson Buffer (BRB) dan komposisi massa material pemodifikasi Fe3O4:grafena terbaik pada rasio 1:2 b/b. Selanjutnya, estimasi luas permukaan elektroaktif dihitung berdasarkan Persamaan Randles-Sevcik melalui variasi laju pemindaian 25 mV/s hingga 150 mV/s menggunakan larutan probe redoks K3[Fe(CN)6] 1 mM dalam KCl. Hasil perhitungan menunjukkan terjadinya perluasan area aktif yang masif, dari A=0,108 cm2 pada GCE tanpa modifikasi meningkat 5 kali menjadi A=0,515 cm2 setelah dimodifikasi. Fenomena peningkatan area serah-terima elektron ini didukung oleh data Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) pada kurva Nyquist, di mana nilai hambatan transfer muatan (R2) menurun 7 kali dari 3770 O (GCE tanpa modifikasi) menjadi hanya 501,6 O pada elektrode GCE/Fe3O4-grafena yang menunjukkan peningkatan sifat konduktivitas sensor. Keandalan sensor dalam mendeteksi miristisin dilakukan evaluasi kinerja analitik. Kurva linearitas memberikan nilai sensitivitas yang tinggi sebesar 0,21509 µA/µM, dengan Batas Deteksi (Limit of Detection, LOD) mencapai 0,19 µM dan Batas Kuantifikasi (Limit of Quantitation, LOQ) sebesar 0,58 µM. Tingkat selektivitas elektrode yang diuji terhadap senyawa interferen struktural (safrol) maupun interferen elektroaktif (asam askorbat, dopamin, dan tiamin) pada rasio konsentrasi 1:1 menunjukkan ketahanan sistem yang baik dengan nilai %RSD sebesar 3,45%. Selain itu, aspek durabilitas sensor terbukti andal berdasarkan uji stabilitas melalui 6 kali pengukuran berulang dengan %RSD sebesar 3,88% serta uji ketersalinan pada 6 elektrode berbeda yang menghasilkan nilai %RSD sebesar 4,29%. Meskipun fabrikasi sensor GCE/Fe3O4-grafena ini telah teruji keandalan analitiknya pada sistem standar murni miristisin, validasi aplikasi pada sampel nyata juga diujikan pada ekstrak pala, dalam penelitian ini menggunakan ekstrak biji pala. Tahap kedua penelitian adalah strategi optimasi ekstraksi menggunakan pendekatan statistik RSM-BBD dengan teknik maserasi menggunakan serbuk biji pala dan fuli masing-masing 10 g untuk setiap percobaan. Percobaan maserasi menggunakan pelarut etanol dirancang dengan perangkat lunak Design Expert 13.0 dengan formulasi variabel bebas, terdiri dari 3 faktor, yaitu konsentrasi etanol (A), volume etanol (B), dan waktu maserasi (C) secara ringkas diambil 12 percobaan (runs). Berdasarkan hasil maserasi diperoleh ekstrak biji pala yang dilanjutkan dengan analisis KG-SM untuk ditentukan kadar miristisinnya yang akan digunakan sebagai respons pada rancangan percobaan RSM-BBD. Hasil evaluasi statistik dari ANOVA Design Expert menunjukkan bahwa efisiensi ekstraksi paling optimum untuk kedua matriks tercapai pada penggunaan 50 mL pelarut etanol 90%. Kondisi volume etanol optimum pada 50 mL merupakan volume yang tepat agar tidak terjadi pengenceran ekstrak sedangkan konsentrasi etanol 90% disebabkan karakteristik miristisin yang bersifat semipolar hingga nonpolar. Perbedaan kinetika ekstraksi hanya terletak pada waktu maserasi: matriks biji pala (serbuk tepung) mampu mencapai kesetimbangan difusi dalam 2 jam, sedangkan matriks fuli (berserat) membutuhkan penetrasi pelarut selama 17 jam. Ekstrak dengan profil optimum inilah yang selanjutnya dipersiapkan sebagai matriks sampel nyata untuk divalidasi menggunakan sensor elektrokimia GCE/Fe3O4-grafena pada tahapan akhir. Analisis pada sampel nyata ekstrak biji pala menggunakan sensor elektrokimia GCE/Fe3O4-grafena untuk deteksi miristisin menggunakan metode adisi standar. Pengukuran dilakukan dengan teknik DPV pada konsentrasi 1-50 µM yang menunjukkan hubungan linier antara arus dan konsentrasi, dengan nilai R² sebesar 0,99824 pada konsentrasi 176,334 ± 16,250 µM. Nilai koefisien korelasi (R2) yang tinggi tersebut menunjukkan bahwa sensitivitas dan akurasi pada setiap konsentrasi melebihi 97%. Konsentrasi miristisin yang diperoleh menggunakan sensor elektrokimia GCE/Fe3O4-grafena sebanding dengan hasil pengukuran miristisin menggunakan KG-SM, yaitu sebesar 181,423 ± 16,171 µM. Komparasi menggunakan uji statistik ANOVA menunjukkan bahwa p > 0,05 membuktikan bahwa tidak terdapat perbedaan signifikan antara kedua metode tersebut. Secara keseluruhan, alur penelitian ini menunjukkan bahwa metode yang dikembangkan memiliki tingkat akurasi yang ekuivalen dengan metode standar untuk evaluasi mutu pala melalui deteksi miristisin sebagai senyawa penciri, sehingga metode ini dapat menjadi deteksi awal yang cepat dan akurat.

Myristicin is a key characteristic compound of nutmeg (Myristica fragrans Houtt.), making its detection crucial for evaluating nutmeg quality. This study aims to fabricate, optimize, and validate an electrochemical sensor based on a Fe3O4-grafena composite as an efficient alternative method for quantifying myristicin in nutmeg, with a level of reliability and accuracy comparable to standard Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) instruments. This study consisted of two stages: the first stage was the development of a myristicin sensor method using a Glassy Carbon Electrode (GCE) modified with Fe3O4-grafena, and the second stage was the optimization of myristicin extraction from nutmeg using Response Surface Methodology-Box-Behnken Design (RSM-BBD). The optimized extract was used as a real-world sample to validate the reliability of the developed electrode. The first stage of the study began with the synthesis of Fe3O4 using the hydrothermal method and combined the synthesized Fe3O4 with grafena to form a Fe3O4-grafena composite. The synthesis results were characterized using XRD (X-Ray Diffraction), SEM-EDX (Scanning Electron Microscope- Energy Dispersive X-Ray), TEM (Transmission Electron Microscopy) and XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) to evaluate the crystal structure, morphology, elemental composition, and material characteristics at the nanoscale. The characterization results showed that Fe3O4 crystal particles had been distributed homogeneously over the two-dimensional structure of grafena. The success of this physical modification is directly proportional to the increase in its electrochemical performance. Fe3O4 exhibits electrocatalytic properties that accelerate electron transfer after myristicin analyte adsorbs onto the large graphene surface. The composite was then used to develop myristicin electrochemical sensors. The electrochemical behaviour has been evaluated by determining the optimum pH of the test solution at pH 5 in Britton-Robinson Buffer (BRB) and the optimum mass composition of Fe3O4:graphene modifying material at a 1:2 w/w ratio. Furthermore, the electroactive surface area was estimated using the Randles-Sevcik equation at scan rates ranging from 25 mV s-1 to 150 mV s-1, with a 1 mM K3[Fe(CN)6] redox probe solution in KCl. The calculation results showed a massive expansion of the active area, from A=0.108 cm2 on the unmodified GCE to A=0.515 cm2 after modification, an increase of 5 times. This phenomenon of increasing the electron transfer area is supported by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) data on the Nyquist curve, where the charge transfer resistance (R2) value decreased 7 times from 3770 O (unmodified GCE) to only 501.6 O on the GCE/Fe3O4-graphene electrode, indicating an increase in the sensor's conductivity properties. The sensor's reliability in detecting myristicin was evaluated based on analytical performance. The linearity curve provides a high sensitivity value of 0.21509 µA/µM, with a Limit of Detection (LOD) of 0.19 µM and a Limit of Quantitation (LOQ) of 0.58 µM. The electrode selectivity, tested against structural interfering compounds (safrole) and electroactive interfering compounds (ascorbic acid, dopamine, and thiamine) at a 1:1 concentration ratio, demonstrated good system robustness with a %RSD of 3.45%. Furthermore, the sensor's durability was proven reliable through stability tests comprising six repeated measurements with a %RSD of 3.88%, as well as a copyability test using six different electrodes, which yielded a %RSD of 4.29%. Although the analytical reliability of the GCE/Fe3O4-grafena sensor fabrication has been tested with a pure myristicin standard system, validation of its application to real samples was also tested with nutmeg extract in this study. The second stage of the research was an extraction optimization strategy using the RSM-BBD statistical approach, using a maceration technique using 10 g of nutmeg seed powder and mace for each experiment. The maceration experiment using ethanol solvent was designed in Design-Expert 13.0, with three independent variables: ethanol concentration (A), ethanol volume (B), and maceration time (C). A summary of 12 runs was taken. Based on the maceration results, nutmeg seed extract was obtained, which was then analyzed using GC-MS to determine the myristicin content, which will be used as a response in the RSM-BBD experimental design. The Design-Expert ANOVA results showed that the optimum extraction efficiency for both matrices was achieved with 50 mL of 90% ethanol solvent. The optimum ethanol volume of 50 mL was sufficient to prevent extract dilution, while the 90% ethanol concentration was due to myristicin's semipolar to nonpolar properties. The only difference in extraction kinetics was the maceration time: the nutmeg seed matrix (powder) reached diffusion equilibrium in 2 hours, whereas the mace matrix (fibrous) required 17 hours for solvent penetration. The extract with the optimum profile was then prepared as a real sample matrix for validation using the GCE/Fe3O4-grafena electrochemical sensor in the final stage. Analysis of real nutmeg seed extract samples using the GCE/Fe3O4-grafena electrochemical sensor for myristicin detection using the standard addition method. Measurements were performed using the DPV technique over 1-50 µM, demonstrating a linear relationship between current and concentration (R² = 0.99824 at 176.334 ± 16.250 µM). This high correlation coefficient (R²) indicates sensitivity and accuracy of 97% or higher at each concentration. The myristicin concentration obtained with the GCE/Fe3O4-graphene electrochemical sensor was comparable to the GC-MS measurement (181.423 ± 16.171 µM). A comparison using the ANOVA statistical test showed p>0.05, indicating no significant difference between the two methods. Overall, the developed method has accuracy equivalent to the standard method for evaluating nutmeg quality by detecting myristicin as a marker compound, making it a fast, accurate initial detection method.