STUDY DAN APLIKASI EFEK MEDAN ELEKTRIK TERHADAP MEMBRAN SEL BAKTERI ESCHERICHIA COLI TESIS. Oleh MARTUA DAMANIK, S.

STUDY DAN APLIKASI EFEK MEDAN ELEKTRIK TERHADAP MEMBRAN SEL BAKTERI ESCHERICHIA COLI

TESIS Oleh

MARTUA DAMANIK, S.SI 117026020/FIS

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2013

STUDY DAN APLIKASI EFEK MEDAN ELEKTRIK TERHADAP MEMBRAN SEL BAKTERI ESCHERICHIA COLI

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi

Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana Fakultasn MIPA Universitas Sumatera Utara

Oleh

MARTUA DAMANIK, S.SI 117026020/FIS

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2013

PENGESAHAN TESIS

Judul Tesis : STUDY DAN APLIKASI EFEK MEDAN ELEKTRIK TERHADAP

MEMBRAN SEL BAKTERI ESCHERICHIA COLI

Universitas Sumatera Utara

Menyetujui Komisi Pembimbing

Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc Promotor

Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc Co. Promotor

Ketua Program Studi Dekan,

Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc Dr. Sutarman, MS Nama Mahasiswa : MARTUA DAMANIK, S.Si

Nomor Induk Mahasiswa : 117026020 Program Studi : Magister Fisika

Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

PERNYATAAN ORISINALITAS

STUDY DAN APLIKASI EFEK MEDAN ELEKTRIK TERHADAP MEMBRAN SEL BAKTERI ESCHERICHIA COLI

TESIS

Dengan ini saya nyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah di jelaskan sumbernya dengan

benar.

Medan, Juni 2013

Martua Damanik, S.Si NIM. 117026020

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Martua Damanik, S.Si

NIM : 117026020

Program Studi : : Magister Fisika Jenis karya Ilmiah : Tesis

Dengan pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Exclusive Royalti Free Right) atas Tesis saya yang berjudul:

STUDY DAN APLIKASI EFEK MEDAN ELEKTRIK TERHADAP MEMBRAN SEL BAKTERI ESCHERICHIA COLI

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan).Dengan hak bebas Royalti Non Ekslusif ini., Universitas Sumatera Utara berhak meyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.

Medan, 18 Juni 2013 Martua Damanik, S.Si

Telah diuji pada

Tanggal : 18 Juni 2013

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc

Anggota : 1. Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc 2. Dr. Anwar Dharma Sembiring, MS 3. Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng.Sc 4. Dr. Poltak Sihombing, M.Eng.Sc 5, Drs. Adityawarman, MS

Kata Pengantar

Pertama-tama kami panjatkan puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rakhmat dan karuniaNya sehingga tesis ini dapat diselesaikan.

Dengan selesainya tesis ini, perkenankan kami mengucapkan terima ksih yang sebesar-besarnya kepada:

Rektor Universitas Sumatera Utara, Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Progrm Magister.

Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Dr. Sutarman, MS atas kesempatan menjadi mahasiswa program Magister pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.

Ketua Program Studi Magister Fisika, Dr. Nasruddin MN, M.Eng, Sc, Sekretaris Program Studi Dr. Anwar Dharma Sembiring, MS beserta seluruh Staf Pengajar pada Program Studi Magister Fisika Program Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.

Terimakasih yang tak terhingga dan penghargaan setinggi-tingginya kami ucapkan kepada Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc selaku promotor Utama yang denga penuh perhatian dan telah memberikan dorongan, bimbingan dan arahan, demikian juga kepada Dr. Kerista Tarigan, M.Eng. Sc selaku Co. Promotor yang penuh kesabaran menuntun dan membimbing kami sehingga selesainya penelitian ini.

Kepada Bapak (Alm) A. Damanik dan Ibu Berta Napitu serta isteri tersayang Josepa Nora Donata br Simanjuntak dan anak-anakku terkasih Yosephin ME, Geraldine IC dan Stella PM. Terima kasih atas segala pengorbanan kalian baik berupa moril maupun materil, budi baik ini tidak dapat dibalas hanya diserahkan kepada Tuhan Yang Maha Esa.

Martua Damanik, S.Si

halaman

ABSTRAK i

ABSTRACT ii

KATA PENGANTAR iii

DAFTAR ISI v

DAFTAR TABEL vii

DAFTAR GAMBAR viii

DAFTAR LAMPIRAN x

DAFTAR LAMBANG xi

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Permasalahan Masalah 3

1.3 Tujuan 4

1.4 Manfaat Penelitian 4

1.5 Model Rangkaian Penelitian 4

BAB II Tinjauan Pustaka 6

2.1 Medan Elektrik dan Potensial 6

2.1.1 Intensitas Medan Elektrik 7

2.1.2 Potensial dan Medan Elektrik 7

2.1.3 Arus Konduksi 7

2.1.4 Potensial dan Momen Dipole 8

2.1.5 Dielektrik dan Polarisasi 10

2.2.3 Pembentuk Impulsa 15

2.2.4 Sphere Gap 17

2.2.5 Penyimpan Muatan 18

2.3 Potensial Nernst Pada Membran 21

2.3.1 Struktur Membran Sel dan Fungsi Sel 22

2.3.2 Tubuh Dan Membran Saraf Nematoda 25

2.3.3 Dielektrik Rupture 26

2.3.4 Elektro-Gravimetri dan Kapasitansi Membran Sel 28

2.3.5 Elektroporasi 29

BAB III BAHAN DAN METODE PENELITIAN 30

3.1 Tempat Penelitian 30

3.2 Komponen Dan Bahan 30

3.2.1 Komponen 30

3.2.2 Peralatan 30

3.2.3 Sampel 31

3.3 Pembangkit Medan Elektrik 32

3.4. Prosedur Penelitian 33

3.5. Metode Penelitian 34

3.5.1 Distribusi V dan E Dalam Ruang 34

3.5.2 Distribusi Potensial Dalam Ruang Sampel 34 3.5.3 Faktor Peningkatan Potensial Membran Sel 36

3.5.4 Variabel Pengamatan 37

3.5.4.1 Parameter θ 37

3.5.4.2 Parameter r 37

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 38

4.1 Data Pengujian Sphere Gap 38 4.1.1 Analisa Tegangan Break down Sphere Gap 39

4.2 Data Pengujian Pembangkit Impulsa 39

4.2.1 Analisis Data Pengujian Pembangkit Impulsa 41

4.3 Penentuan Potensial, Sudut dan Impulsa 42

4.3.1 Penentuan Potensial Velek dan Vsel 42

4.3.2 Penentuan Vin Terhadap Velek 44

Penentuan Sudut 6 Terhadap Vin, Velek Dan Es 45 4.3.3 Bentuk Impulsa Vi, Velek Terhadap Terhadap Waktu 47

4.3.4 Penentuan Kondisi Rupture 48

4.4 Data Hasil Penelitian Objek 49

4.4.1 Data Dampak Peningkatan Tegangan 49

4.4.2 Data Foto Dampak Peningkatan Tegangan 50

4.5. Analisis Data Penelitian Objek 52

4.5.1. Analisis Tegangan Pada Media Air 54

4.5.2. Analisa Intensitas E Pada Media Air 55

4.5.3. Analisis Rupture Pada Lipid Bilayer 56

4.6. Analisis Pengaruh Faktor Diameter 58

4.7. Analisis Kapasitansi Sel Saraf Terhadap waktu 59

4.8. Penentuan Daya Serap Energi Membran Sel 60

4.9. Penentuan Kapasitansi dan Energi Ruang Sampel 60 4.10 Simulasi Komputasi Tegangan Terhadap Media 61 4.10.1. Simulasi Tegangan Elektroda Media Tanah 62 4.10.2. Simulasi Tegangan Elektroda Media Udara 62 4.11. Simulasi Tegangan Elektroda Velek Media Terhadap Sudut 63

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 65

5.1 Kesimpulan 65

5.2 Saran 66

Daftar Pustaka 67

Daftar Riwaya Hidup

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Dielektrik Relatif Beberapa Material 24

4.1 Efek Variasi Tegangan Medan Elektrik Pada bakteri escericia coli 68

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1.1 Diagram Model Penelitian 5

2.1 Intensitas E Terhadap Muatan Titik 6

2.2 Kontour Garis Medan dan Momen Dipol 9

2.3 Polarisasi Pengaruh Medan Elektrik 10

2.4. Polarisasi Pada Slab Kapasitor 11

2.5 Diagram Pembangkit Impulsa 12

2.6 Skematik Tranformator Penaik Tegangan Dua Tingkat 13

2.7 Rangkaian Pembangkit Tegangan Tinggi Searah 15

2.8 Rangkaian Pembentuk Impulsa Dengan Jaringan RC 16

2.9 Bentuk Gelombang Impulsa, U (t) 17

2.10 Gamb ar Sphere Gap 17

2.11 Skema Kapasitor Plat Sejajar 19

2.12 Gambar Arah Medan Elektrik pada Plat Kapasitor 20

2.13 Rangkaian Setara Transmisi Pada Saraf. 21

2.14 Membran Plasma Model Mosaic Cair 23

2.15 Sistem Sara Nematoda 24

2.16 Bagian Tubuh Nematoda 25

2.17 Irisan Tubuh Saraf Nematoda 26

2.18 Rangkaian Setara Membran 28

3.1 Model Rangkaian Lengkap Penelitian 32

Distribusi Garis Equipotensial V dan E Dalam Ruang Sampel

3.2 Model Ruang Sampel 35

3.3 Arah Medan Elektrik E Tarhadap θ 37

4.1 Peralatan Pembangkit Tegangan Impulsa RC 40

4.2 Hubungan Tegangan Input vs Output Impulsa 41

4.3 Bentuk Tegangan Impulsa U(t) Terhadap Waktu 41

4.4 Bentuk Gelombang Impulsa dari Osiloskop 42

4.5 Grafik Hubungan E Velek-vs-Av dan Sudut 6 44

4.6 Grafik Hubungan Vin-vs-Velek 45

4.8 Grafik Hubungan Pengaruh Sudut Vin, Velek, Es. 47

4.9 Bentuk Tegangan Impulsa 47

4.10 Dampak Pertubasi Medan 51

4.11 54

4.12 Grafik Tegangan Elektroda Wadah Air terhadap Sudut 56

4.13 Grafik Peningkatan Intensitas E Dielektrik 58

4.14 Grafik Tegangan V sel Membran terhadap Impulsa t 59 4.15 Grafik Tegangan Wadah Tanah Terhadap Sudut dan 62 4.16 Tegangan Elektroda Wadah Udara Terhadap Sudut dan 63 4.17 Simulasi Tegangan Elek. Wadah Air, Tanah dan Udara 64

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1 Diagram Alir Proses Peningkatan Tegangan Elektroda 72

2 Struktur lipid bilayer dalam keadaan normal dan rusak 73

DAFTAR LAMBANG

LAMBANG

Cm Kapasitansi Membran Sel D Densitas Fluksi, C/m^A2 dc Arus Rata, direct current

Dn Densitas Fluksi Dalam Keadaan Normal Dr Densitas Fluksi Dalam KeadaanRupture, Pecah dc Diameter sel

E Intensitas Medan Elektrik

Er Medan Elektrik Dalam Keadaa Rupture En Medan Elektrik Dalam Keadaan Normal Es Medan Elektrik Membran Sel

Ei Medan Elektrik Pada Isolator

sr air Konstanta Dielektrik Relatif Air

sr Konstanta Dielektrik Relatif

sri Dielektrik Membran Relatif Isolator srk Konstanta Dielektrik Relatif Kutikula srs Dielektrik Membran Relatif Sel srt Konstanta Dielektrik Relatif Tanah

srr Konstanta Dielektrik Membran Dalam Keadaan Rupture so Konstanta Dielektrik Udara

W Energi Yang Tersimpan Dlam Kapasitor, Joule AVs PotensiaMembran θ Sudut Antara Arah Medan Elektrik E Terhadap Membran Sel.

STUDY APPLICATION OF ELECTRIC FIELD EFFECTS ON CELL MEMBRANCE ESCHERICHIA COLI BACTERIA

ABSTRACT

The application using of electric field in the cell membrane in bacteria escherichia coli, with to determine influence field toward cell membrance, due to an increase in transmembrane potensial in bacteria escherichia coli cells and also to find out how the effects on the cell membrane caused by changes in the applied voltage. The using at variation of pulse electric field at 20kV/19mm, 40kV/19mm, 50kV/19mm and 55kV/19mm. Of the transmembrane potensial increase to the critical condition of the ionization process will occur and increase the concentration of ions in the positive and negative ion out of the cell, so that the metabolism in the cell as activation energy had stalled due to rupture cell membranes or broken. The result show reduction in the number of bacteria that survive 20kV/19mm = 331CFU; 40kV/19mm = 279 CFU, 50kV/mm = 232 CFU and 55kV/19mm = 212 CFU. This result show that improvement change effect existence influencing reduction bacteria estherichia coli colony which live on.

Keywords : Method of electric field pulse, transmembrance potential, rupture.

ABSTRAK

Penerapan penggunaan aplikasi medan elektrik pada membran sel bakteri escherichia coli, dengan tujuan untuk mengetahuui pengaruh medan elektrik terhadap membran sel karena terjadi peningkatan potensial transmembran sel pada bakteri escherichia coli dengan perubahan tegangan yang diberikan, pada variasi pulsa medan elektrik 20kV/19mm, 40kV/19mm, 50kV/19mm dan 55kV/19mm. Dari peningkatan potensial transmembran sampai pada kondisi kritis akan terjadi proses ionisasi dan peningkatan konsentrasi ion-ion positif di dalam dan ion-ion negatif keluar dari dalam sel, sehingga metabolisma dalam sel sebagai energi aktivasi terhenti dikarenakan membran sel mengalami rupture atau pecah.

Data hasil yang diperoleh menunjukkan terjadinya pengurangan jumlah bakteri yang bertahan hidup yaitu pada pulsa medan elektrik 20kV/19mm = 331CFU, 40kV/19mm = 279 CFU, 50kV/19mm = 232 CFU, dan 55kV/19mm = 212 CFU. Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa adanya efek perubahan peningkatan tegangan yang mempengaruhi pengurangan jumlah koloni bakteri escherichia coli yang bertahan hidup.

Kata Kunci : Metode Medan elektrik berpulsa, potensial transmembran, rupture

STUDY APPLICATION OF ELECTRIC FIELD EFFECTS ON CELL MEMBRANCE ESCHERICHIA COLI BACTERIA

ABSTRACT

The application using of electric field in the cell membrane in bacteria escherichia coli, with to determine influence field toward cell membrance, due to an increase in transmembrane potensial in bacteria escherichia coli cells and also to find out how the effects on the cell membrane caused by changes in the applied voltage. The using at variation of pulse electric field at 20kV/19mm, 40kV/19mm, 50kV/19mm and 55kV/19mm. Of the transmembrane potensial increase to the critical condition of the ionization process will occur and increase the concentration of ions in the positive and negative ion out of the cell, so that the metabolism in the cell as activation energy had stalled due to rupture cell membranes or broken. The result show reduction in the number of bacteria that survive 20kV/19mm = 331CFU; 40kV/19mm = 279 CFU, 50kV/mm = 232 CFU and 55kV/19mm = 212 CFU. This result show that improvement change effect existence influencing reduction bacteria estherichia coli colony which live on.

Keywords : Method of electric field pulse, transmembrance potential, rupture.

ABSTRAK

Penerapan penggunaan aplikasi medan elektrik pada membran sel bakteri escherichia coli, dengan tujuan untuk mengetahuui pengaruh medan elektrik terhadap membran sel karena terjadi peningkatan potensial transmembran sel pada bakteri escherichia coli dengan perubahan tegangan yang diberikan, pada variasi pulsa medan elektrik 20kV/19mm, 40kV/19mm, 50kV/19mm dan 55kV/19mm. Dari peningkatan potensial transmembran sampai pada kondisi kritis akan terjadi proses ionisasi dan peningkatan konsentrasi ion-ion positif di dalam dan ion-ion negatif keluar dari dalam sel, sehingga metabolisma dalam sel sebagai energi aktivasi terhenti dikarenakan membran sel mengalami rupture atau pecah.

Data hasil yang diperoleh menunjukkan terjadinya pengurangan jumlah bakteri yang bertahan hidup yaitu pada pulsa medan elektrik 20kV/19mm = 331CFU, 40kV/19mm = 279 CFU, 50kV/19mm = 232 CFU, dan 55kV/19mm = 212 CFU. Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa adanya efek perubahan peningkatan tegangan yang mempengaruhi pengurangan jumlah koloni bakteri escherichia coli yang bertahan hidup.

Kata Kunci : Metode Medan elektrik berpulsa, potensial transmembran, rupture

BAB I PEDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sel adalah unit terkecil yang fungsional, struktural, hereditas, produksi dan kehidupan. Dilapisi oleh membran atau plasmalemina yang berfungsi untuk mengatur keluar masuknya zat di dalam dan di luar sel, memisahkan sel hidup dari sekelilingnya yang mati, menyampaikan atau menerima rangsang. Sedangkan permeabilitas dan semipermeabilitas merupakan kemampuan membran sel dalam menyeleksi material-material yang akan melalui membran sel, dan strukturnya terdiri dari dua lapisan lipoprotein, dan berdasarkan komposisi kimia membran dapat disimpulkan bahwa membran sel terdiri atas lipid dan protein.

Telah diketahui bahwa mengkonsumsi air yang tercemar mikroorganisme bakteri escherichia coli memiliki peningkatan resiko terkena tekanan darah tinggi, masalah ginjal dan juga penyakit jantung di kemudian hari dan dapat merugikan bagi manusia, seperti diare, penyakit keputihan terhadap wanita dan bayi dalam kandungan tekanan darah tinggi dan juga penyakit kardiovaskular, juga merupakan salah satu penyebab utama meningitis pada bayi.

Telah diketahui bahwa pengaruh medan elektrik pada suatu membran sel, lipid bilayer dapat meningkatan gradient potensial, bahkan dapat merusak molekul lipoprotein dan enzyme serta dapat mematikan mikroorganisme (Zhao, et al., 2008). Untuk sterilisasi umumnya intensitas medan elektrik yang digunakan adalah berada pada kisaran 20 - 80 kV/cm.

Penggunaan metode sterilisasi dengan menggunakan medan elektrik dalam dunia industri melalui proses suatu olahan yang bebas pencemaran dan tanpa zat kimia. Adapun metode yang telah diterapkan untuk mempelajari dan menyelidiki sistem membran sel, lipid bilayer, dari suatu mikroorganisme dengan memanfaatkan perturbasi dalam metode konvensional yaitu metode fisika yaitu

bersumber dari radiasi elektromagnetik seperti, sinar ultraviolet (UV), sinar laser nitrogen (N2) (Tarigan, 1989).

1.2. Batasan Masalah

Beberapa pembatasan masalah dalam penelitiaan ini adalah:

1. Medan elektrik tegangan tinggi sebagai sumber pembangkit medan elektrik yang kuat.

2. Perubahan yang terjadi pada membran sel karena intensitas medan elektrik.

1.3. Rumusan Masalah

Masalah yang akan diteliti dalam penelitian ini adalah bagaimana terjadinya perubahan membran sel karena:

1. Intensitas medan elektrik terhadap membran sel.

2. Efek perubahan tegangan terhadap membran sel.

1.4. Tujuan Penelitian.

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Untuk mengetahui seberapa besar intensitas medan elektrik berpengaruh terhadap membran sel pada escherichia coli.

2. Untuk menentukan efek medan elektrik pada kondisi tertentu.

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah dapat dipergunakan sebagai informasi tentang efek medan elektrik terhadap perubahan membran sel yang dapat mengakibatkan rupture membran sel dan kematian mikro organisme, sehingga dapat diaplikasikan dalam bidang kedokteran, industri, pertanian, lingkungan hidup dan peningkatan ilmu pengetahuan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Medan Elektrik dan Potensial.

Medan elektrik adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya.

Medan listrik memiliki satuan N/C dan Intensitas medan elektrik dapat digambarkan sebagai gaya, F persatuan muatan uji Q2 yang diakibatkan oleh suatu muatan sumber Q1, seperti gambar 2.1.

Gambar 2.1 Intensitas Medan Elektrik, E Terhadap Muatan Titik.

Dan dapat dirumuskan seperti pada persamaan 2-1.

Ē = ி_భ

ொ_భ ^{2 - 1}

Dimana, E adalah medan elektrik, F adalah Gaya dan Q adalah muatan.

2.1.1. Potensial Dan Medan Elektrik

Sebuah muatan Q akan mengalami gaya F karena adanya medan elektrik E yang dirumuskan dengan F = QE. Sedangkan kerja yang didefenisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu jarak tertentu adalah dW = F.dl = QE.dl Joule.

Potensial dan medan elektrik dapat diperoleh hubungannya melalui persamaan usaha dalam bentuk integral yaitu, VAB = ^ௐ

ொ

=

_{− ∫ ܧ݈݀௔}^௕ . J/C atau Volt, atau secara umum dapat ditulis:

V =

− ∫ ܧ݈݀= ∫ ܧܿ݋ݏ_௔^௕ _௔^௕ ߠ. ݈݀ 2 – 2

Q1

Q2

F

Medan elektrik, E dapat juga diperoleh dari hubungan diferensial potensial yang diketahui (Kraus, 1999) yaitu dengan persamaan: E = - grad V.

2.1.2. Potensial Dan Momen Dipole

Potensial dan Momen Dipole terjadi jika dua buah muatan Q yang berlainan tanda dipisahkan dengan jarak L, dengan hasil kali antara muatan Q dan jarak L, kontour garis-garis medan yang ekuipotensial diperlihatkan pada gambar 2.2 seperti di bawah ini.

Gambar 2.2 Kontour Garis Medan Elektrik (a) dan (b) Momen Dipole.

Potensial total akibat dari kedua muatan pada suatu titik p adalah:

V = V1+ V2= ^ொ

ସగఌ_బ ቀ_௥^ଵ

భ+_௥^ଵ

మቁ Dimana, r1= r -^௅

ଶcos ߠ dan r²= r +^௅

ଶcos ߠ

Sehingga, potensial p pada jarak r dari dipole elektrik adalah, V =^{ொ௅஼௢௦௾}

ସగఌబ௥^మ 2 – 3

a b

2.1.3. Dielektrik, Polarisasi Dan Densitas Fluks 2.1.3.1. Sifat Listrik Dielektrik

Suatu material dielektrik tidak memiliki elektron bebas, yang dapat bergerak dengan mudah di dalam material. Dengan kondisi tertentu material dielektrik jika dikenai pada suatu medan elektrik E, maka elektron-elektron yang mengalami gaya, arahnya akan berlawanan dengan arah medan, E. Pengaruh medan elektrik terhadap material dielektrik dapat merubah sifat dielektrik bahan dari sifat isolator menjadi konduktor. Hal ini dapat terjadi apabila medan elektrik E melampaui batas kritis ketahanan suatu bahan dielektrik, yang akan mengakibatkan muatan-muatan di dalam bahan dielektrik mengalami ionisasi berantai, yang akhirnya dapat mengakibatkan kerusakan lokal pada material dielektrik, tembus listrik atau breakdown.

2.1.3.2. Polarisasi

Medan elektrik yang diberikan pada material dielektrik akan mempengaruhi elektron, ion dan moleku-molekul polar di dalam material dielektrik. Peristiwa polarisasi menyebabkan dielektrik terpolarisasi, suatu keadaan dimana dua sisi yang berlawanan dari selembar dielektrik mengandung muatan yang berlawanan.

Bila material dielektrik di dalam suatu volume seperti pada slab kapasitor dengan n adalah jumlah dipole, dan Q = nq adalah muatan semua dipole, serta QL’ adalah net momen dipole dalam volum maka polarisasi, P atau momen dipole per unit volum adalah:

P =^௡

௩qL’ =^ொ௅′

௩ 2 – 4

Sedangkan volum silinder dengan volum permukaan adalah A dan tinggi adalah t , sedangkan v = At’ , maka persamaan 2 – 4 menjadi:

P =^ொ௧

஺௧’ = Q/A=ρs C.m^-2 2 – 5

2.1.3.3. Densitas Fluks

Dimensi muatan persatuan luas adalah densitas fluks elektrik, D. Dengan demikian fluks elektrik, D pada bahagian slab atas pada suatu kapasitor, adalah:

D₀=ࢿ^oE 2 – 6

Dimana, D₀ adalah Densitas fluks elektrik dalam ruang vakum (udara), Cm^-2,ࢿ^o adalah permitivitas dalam ruang vakum = 8.85 pF/m, E adalah V/d merupakan intensitas medan elektrik, V/m, V adalah tegangan elektroda adalah V elek, dan Ρ adalah densitas muatan permukaan dari muatan polarisasi yang muncul pada permukaan slab.

Persamaan (2-6) berlaku untuk bahan dielektrik linier, isotropic.

Sedangkan D pada bahagian bawah slab dengan bahan dielektrik, terjadi polarisasi di dalam medan elektrik yang menyebabkan densitas muatan permukaan ρsmuncul pada kedua permukaan pada slab elektrik.

Jadi densitas fluks elektrik pada bahan elektrik menjadi:

D₀= ࢿ⁰E + ρs 2 – 7

Sedangkan dari persamaan (2 – 5), ρs = P , maka persamaan (2 – 7) berlaku untuk nonisotropic (non homogen), dengan P adalah polarisasi (bahan dielektrik). Atau secara umum dapat ditulis:

D = Dd= ࢿE = ࢿ0E + P 2 – 8

2.2. Pembangkit Tegangan Tinggi.

Umumnya sistem catu daya difungsikan sebagai sumber energi listrik pada setiap sistem peralatan elektronik dalam bentuk tegangan dan arus rata.

Sedangkan sumber catu daya itu sendiri adalah bersumber dari jaringan listrik PLN.

Pembangkit tegangan impuls pada dasarnya dapat dibuat dengan gabungan beberapa komponen yang terdiri dari suatu trafo penaik tegangan, dioda penyearah, kapasitor dan suatu jaringan pembentuk pulsa. Skema pembangkit

Gambar 2.3 Diagram Pembangkit Impuls

2.2.1. Pembangkit Tegangan Tinggi Searah

Pembangkit Tegangan Tinggi Searah (DC) menggunakan penyearah yang terdiri atas sejumlah semikonduktor terpasang seri, dalam prakteknya sering dipergunakan pada pengujian isolasi peralatan yang kapasitansinya besar seperti kabel dan kapasitor, untuk meneliti terjadinya peluahan muatan dan penelitian sifat-sifat dielektrik bahan. Tegangan tinggi searah dibangkitkan dengan menyearahkan tegangan tinggi bolak-balik. Rangkaiannya sama dengan rangkaian penyearah peralatan elektronika, tetapi semua komponen dirancang untuk mampu memikul tegangan tinggi.

Gambar 2.4 Rangkaian pembangkit tegangan tinggi DC dengan penyearah Apabila digambarkan keluaran tegangan DC dengan penyearah setengah gelombang adalah seperti gambar 2.7 dibawah ini.

R Cs

D Uo (t=0)

Test trafo Ototrafo

PLN Trafo tegangan

tinggi _penyearah^{Dioda Pembentuk}_impuls

Gambar 2.5 Tegangan keluaran pembangkit tegangan tinggi DC dengan penyearah setengah gelombang

Tegangan uji searah didefinisikan sebagai nilai rata-rata dengan persamaan:

U =^ଵ

୘∫ u(t)dt_଴^୘ . 2 - 9

Fluktuasi tegangan searah antara nilai puncak U dan nilai dinyatakan dengan amplitudo tegangan cacat:

δU = ½ (U - Umin) 2 – 10 Dimana, U adalah tegangan, T adalah waktu periode, . δ adalah sudut rugi daya.

2.2.2. Pembangkit Tegangan Impuls RLC

Rangkaian pembentuk pulsa impuls umumnya dapat dibangun dengan berbagai bentuk rangkaian seperti, rangkaian generator impuls RC, RLC, MARX dan sebagainya.

Dalam penelitian ini rangkaian generator impuls adalah dengan menggunakan rangkaian RLC. Generator ini membutuhkan tegangan tinggi dc yang tegangan keluarannya dapat diatur, dan yang dipergunakan dalam penelitian ini memiliki karakteristik dengan proses pelepasan muatan dalam waktu yang sangat singkat, sebab yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah tegangan tinggi dc dapat mencapai target atau membran sel dalam waktu yang sangat singkat yaitu mikrodetik. Rangkaian generator impuls RLC dapat dilihat seperti gambar 2.6.

Gambar 2.6. Rangkaian Generator Impuls RLC

Dari gambar 2.6, rangkaian generator ini membutuhkan tegangan tinggi DC, dimana tegangan tinggi DC dihasilkan dari penyearah atau dioda yang tegangan keluarannya dapat diatur. Generator pembangkait impuls ini dilengkapi dengan sela picu F. Sumber tegangan tinggi DC yang melalui resistor RP akan mengisi kapasitor pemuat C, misalnya dalam hal rangkaian ini tegangan kapasitor pemuatnya sebesar V. Jika sela picu diopersikan, maka sela elektroda F terhubung singkat dalam waktu yang sangat singkat. Melalui sela picu ini muatan kapasitor C dilepaskan ke rangkaian Rs, L, dan R0. Nilai resistor Rp dibuat besar untuk menghambat muatan yang datang dari sumber tegangan tinggi DC selama proses pelepasan muatan dari kapasitor C berlangsung.

Karena pelepasan muatan dari kapasitor muatan C berlangsung dalam waktu yang sangat singkat dan nilai resistor R_p dibuat besar, maka muatan yang datang dari sumber tegangan DC dapat dianggap tidak ada. Karena itu selama proses pelepasan muatan, tidak ada muatan yang sempat mengisi kapasitor muatan C. Artinya, hanya muatan pada kapasitor pemuat C yang dilepaskan ke rangkaian R_s, L, dan R₀. Dengan demikian, rangkaian ekuivalen generator setelah sela picu bekerja dapat dibuat seperti gambar 2.7 berikut.

Vo F

C

D Rp Rs L

R0

∼

V_dc V

AT AU

Gambar 2.7 Rangkaian Ekuivalen Generator Setelah Sela Picu Bekerja Persamaan arus pada rangkaian ini adalah:

V =^ଵ

஼∫ ݅݀ݐ+ (R⁰+R_s) i + L^ௗ௜

ௗ௧ 2 – 11

Tegangan kapasitor pemuat (V) adalah konstan, maka turunan persamaan 2 – 11 terhadap waktu adalah:

0 =^ଵ

஼i + (R₀+ R_s)^ௗ௜

ௗ௧+ L^ௗమ௜

ௗ௧^మ 2 – 12

Atau

0 =^ଵ

஼i + R^ௗ௜

ௗ௧+ L^ௗమ௧

ௗ௧^మ 2 – 13

Dengan R = R0+ Rs 2 – 14

dimana penyelesaian 2-13 adalah sebagai berikut:

I =^{௏(∝భା∝మ)}

ோ(∝మି∝భ)(ߝ^ି∝భ೟-ߝ^ି∝మ೟) 2 – 15

Dengan α1=^ିோ

ଶ௅+ ටቀ_ଶ௅^ோቁ^ଶ−_௅஼^ଵ 2 – 16

α2=^ିோ

ଶ௅- ටቀ_ଶ௅^ோቁ^ଶ−_௅஼^ଵ 2 – 17

nilai R, L dan C dapat diatur sedemikian rupa seingga nilai suku-suku yang di bawah tanda akar menjadi positif, yang demikian nilai α1dan α2menjadi bilangan nyata dan positip. Hal ini dapat dipenuhi jika

V

i

Rs L

C R0 V0

V₀ = i R₀ 2 – 19 Substitusi persamaan 2.14 ke dalam persamaan 2.18 menghasilkan

V0=^{௏ோబ(∝మାןభ)}

ோሺן_మିן_భ) (ߝ^ିןభ೟-ߝ^ିןమ೟) 2 – 20 Bentuk gelombang yang dihasilkan persamaan 2-19 ditunjukkan pada gambar 2.8 sebagai berikut:

Gambar 2.8 Bentuk Gelombang Impuls Rangkaian RLC

Dari gambar 2.8 dapat ditentukan lebar pulsa yaitu, mencari titik P pada muka gelombang yang menunjukkan tegangan pulsa sama dengan 0,3 kali tegangan puncak Vmaks, karena titik acuan waktu untuk tegangan pulsa petir tidak sama dengan nol. Lalu dicari titik Q pada muka gelombang yang menunjukkan tegangan pulsa sama dengan 0,9 kali tegangan puncak Vmaks. Lalu ditarik garis lurus dari titik P ke titik Q sehingga memotong sumbu waktu. Titik potong garis ini dengan sumbu waktu adalah titik acuan waktu pulsa.

Suatu tegangan pulsa dinyatakan dengan tiga besaran, yaitu tegangan puncak V_maks, waktu muka T_f , dan waktu ekor T_t . Dan T_t adalah lamanya berlangsung impuls hubung buka dengan nilai tegangan lebih besar daripada 0,9V_maks. Beberapa negara telah membakukan waktu muka dan waktu ekor ini.

Menurut IEC, waktu muka dan waktu ekor untuk tegangan impuls petir adalah;

T_f x T_t = 1,2 x 50µs sedangkan waktu muka dan waktu ekor untuk tegangan impuls hubung buka adalah T_fx T_t= 1,2 x 50µs.

Persamaan 2-20 dapat disederhanakan menjadi:

V0 = K (ߝ^ି∝భ೟ - ߝ^ି∝మ೟) 2– 21

Dengan

K=^{௏(∝మା∝భ)}

ோ_బ(∝మି∝_భ) 2 – 22

Untuk nilai waktu mencapai tegangan maksimum diperoleh dengan membuat turunan pertama persamaan 2-19 sama dengan nol (dV/dt=0), hasilnya adalah:

ܶ_௙= _ఈ^ିଵ

భିఈ_మln^஑_஑^మ

భ 2 – 23

Nilai Tf ini disubstitusikan ke dalam persamaan 2-19 yang menghasilkan

ܸ௠ ௔௞௦=^௏ோ_ோ(ఈ^{బ(ఈమାఈభ}

మିఈ_భ) ߝ^{ഀభషഀమഀభ ୪୬ಉమಉభ} −ߝ^{ഀభషഀమഀమ ୪୬ಉమಉభ} 2 – 24 Defenisi efesiensi generator impuls, adalah perbandingan harga maksimum tegangan keluaran dengan tegangan pada kapasitor pemuat C, atau

ߟ = ^{௏೘ ೌೖೞ}_௏ =^ோ_ோ(ఈ^{బ(ఈమାఈభ}

మିఈభ) ߝ^{ഀభషഀమഀభ ୪୬ಉమಉభ} −ߝ^{ഀభషഀమഀమ ୪୬ಉమಉభ} 2 – 25 Sedangkan untuk menetukan nilai R, L dan C adalah sebagai berikut.

Dalam merencanakan suatu generator impuls, terlebih dahulu ditentukan spesifikasi tegangan keluarannya yaitu tegangan puncak (Vmaks), waktu muka gelombang Tf dan waktu ekor gelombang Tt. Disamping itu, ditentukan juga kapasitasnya (W) dan efesiensi tegangan generator (ߟ) yang diinginkan.

Dengan diketahuinya semua spesifikasi di atas, besarnya komponen R, L dan C dapat ditentukan. Kapasitas generator impuls dinyatakan sebagai energi yang tersimpan pada kapasitor pemuat, yaitu:

ݓ =^ଵ_ଶܥܸ^ଶ= ^ଵ_ଶܥ(^{௏೘ ೌೖೞ}_ఎ )^ଶ 2 – 26

Dari persamaan 2-25 ini besar kapasitansi kapasitor pemuat C dapat dihitung.

Persamaan 2-22 menyatakan bahwa waktu muka gelombang tegangan adalah

ܶ_௙ = −1

ߙ_ଵ− ߙ_ଶlnα_ଶ α_ଵ

ߝ^{ିఈభ்೟}− ߝ^{ିఈమ்೟}= ^ଵ_ଶ(ߝ^{ିఈభ்೑}− ߝ^{ିఈమ்೑}) 2 – 27 Dari persamaan 2-22 dan 2-26 dapat diperoleh nilai α1 dan α2, nilai ini disubstitusikan ke dalam persamaan 2-16 dan 2-17 diperoleh,

α1=^ିோ

ଶ௅ + ටቀ_ଶ௅^ோቁ^ଶ−_௅஼^ଵ dan α2=^ିோ

ଶ௅ - ටቀ_ଶ௅^ோቁ^ଶ−_௅஼^ଵ

Jika nilai C sudah diketahui, kedua persamaan di atas merupakan dua persamaan dengan dua bilangan yang tidak diketahui, yaitu R dan L sehingga nilai R dan L dapat dihitung.

Selanjutnya nilai Rs dapat dihitung dengan persamaan 2-14 perhitungan menurut cara diatas memerlukan waktu dan sangat sulit dilaksanakan dengan cara manual. Karena itu perhitungan RLC dapat dilakukan dengan cara pendekatan.

2.2.3. Pengukuran Tegangan dan Lebar pulsa

Salah satu instrumen dasar untuk menganalisa besaran – besaran dalam kelistrikan seperti mengukur tegangan puncak dan lebar pulsa (pulse width) adalah dengan menggunakan osiloskop. Osiloskop merupakan rangkaian alat untuk pengukuran dan analisa bentuk gelombang serta gejala lain dalam rangkaian elektronik dengan memanfaatkan masukan berupa sinyal-sinyal listrik. Tegangan adalah besaran beda potensial listrik, dinyatakan dalam volts antara dua titik rangkaian. Tegangan diukur dari puncak kepuncak yaitu dari dari titik puncak maksimum ke titik puncak minimum. Pengukuran tegangan dilakukan dengan menghitung jumlah pembagi yang meliputi muka gelombang pada bagian skala vertikal. Sinyal dapat diatur dengan mengubah–ubah kontrol vertikal dan pengukuran terbaik dalam skala volts/div. Untuk mengukur amplitudo puncak ke puncak sinyal sinus menggunakan rumus dibawah ini

Vpp = (jumlah div arah vertikal) x (Volts/div)

Pada saat pengukuran waktu dengan menggunakan skala horizontal pada osiloskop, dapat diukur lebar pulsa, perioda dan waktu dari pulsa.

2.2.4. Sela Picu Atau Sphere Gap.

Sela picu adalah alat untuk generator impuls yang berguna untuk menghubungkan dan memutuskan hubungan antara rangkaian. Terdiri dari dua elektroda, yaitu elektroda tegangan tinggi berbentuk bola dan elektroda yang ditanahkan berbentuk setengah bola yang memiliki satu lubang berbentuk silinder, dan pada lubang itu dimasukkan satu tabung gelas diselubungi logam, dan dalam tabung gelas itu ada satu jarum logam yang dihubungkan dengan alat picu triggering devices seperti pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Sela Picu Elektronik

Proses atau mekanisme operasi sela picu tersebut adalah sebagai berikut, yaitu mula-mula kedua elektroda diberi tegangan, V yang mengakibatkan timbul medan elektrik, E diantara kedua elektroda.

Jarak antara kedua elektroda diatur sedemikian rupa sehingga kuat medan elektrik, E mendekati kekuatan dielektrik udara yaitu 3 MV/m (Krauss, 1999) maka apabila alat picu dioperasikan ia akan menghasilkan suatu tegangan pulsa 5- 10 kV (Kind, 1978; Bonggas, 2003), yang diteruskan ke jarum logam.

Akibatnya terjadi percikan di sela anular yang mengakibatkan jarak konduktif sela utama berkurang. Pengurangan jarak konduktif sela utama

Dalam tembus elektrik, kedua elektroda terhubung singkat seperti saklar yang menutup dengan kecepatan tinggi yaitu mikro detik.

Hubungan antara tegangan elektroda bola, U dan tegangan pemicu, Us adalah sebagai berikut. (Kind, 1978):

ܷഥ = 0.386 _{ଶ଻ଷା்}^௉ ܷതതത_௦ 2 – 28

Dimana, p adalah tekanan udara dalam mmHg dan T adalah temperatur udara dalam⁰C.

Diameter elektroda bola sphere gap ini terdiri atas beberapa ukuran standart, dalam ukuran cm. Sedangkan dengan melihat tabel, maka dalam kondisi udara standar, yaitu temperatur udara 20⁰C, tekanan udara 760 mmHg, dan kelembapan mutlak 11 gr/m³ maka tegangan tembus sela bola standart untuk berbagai jarak sela bola adalah tetap.

2.2.5. Kapasitor Atau Penyimpan Muatan

Penyimpan muatan elektrik dapat dilakukan pada berbagai komponen, diantaranya adalah akkumulator, induktor dan kapasitor. Salah satu komponen penyimpan energi yang handal yang sekaligus mudah untuk melepaskan energinya adalah kapasitor.

Kapasitor pada dasarnya terdiri dari dua buah plat konduktor sejajar, yang dipisahkan oleh material dielektrik, yang masing-masing bermuatan +Q dan –Q.

Kemampuan suatu bahan material untuk menyimpan sejumlah muatan elektrik dikenal sebagai kapasitansi. Untuk meningkatkan kapasitansi dari suatu kapasitor dapat dilakukan dengan beberapa metoda, salah satu adalah dengan metoda penambahan material dielektrik diantara kedua palat kapasitor.

Beberapa material dielektrik untuk meningkatkan kapasitansi kapasitor adalah seperti pada tabel 2.1 berikut.

Tabel 2.1 Dielektrik Dari Beberapa Jenis Material (Tarigan K, 2008)

No Material Dielektrik,ࢿ^relatif

1 Udara 1,0

2 Membran sel 2,0 (Singh,2001)

3 Tanah 2,8

4 Tanah liat (kering) 3,4

5 Otot (hewan) 10 (Kraus, 1999)

6 Air 80

8 Acrylic 2,7-4,5

9 Lemak (fat) 5,5

Material dielektrik akan terpolarisasi bila berada pada suatu medan elektrik, E dan akan menghasilkan kerapatan fluks magnetik, D yang lebih besar bila dibandingkan dengan kondisi dalam ruang hampa.

Efek polarisasi akan terjadi akibat pengaruh ikatan pasangan muatan positif dan negatif di dalam bahan dielektrik adalah dikenal dengan momen dipole. Meningkatnya kerapatan fluks yang diakibatkan oleh polarisasi material isotropik, linier, muncul sebagai permitivitas bahan yang merelasikan:

D =ࢿ.E 2 – 29

Dimana,ࢿ= ࢿ0.ࢿr

ࢿ^radalah dielektrik relatif danࢿ⁰adalah permitivitas atau dielektrik dalam ruang hampa yang besarnya adalah 8,854. 10^-12F/m.

Apabila diberikan beda tegangan, V diantara kedua bahan konduktif maka akibatnya salah satu konduktor akan bermuatan +Q dan pada konduktor yang lainnya bermuatan –Q,dimana besar kapasitansinya adalah:

ܥ =^୕_୚ =^ୈ୅_୉ୢ= ε^୉୅_୉ୢ= ε^୅_ୢF 2 – 30

Q =ρ_sA = DA =ߝܧܣ C 2 – 31

Dengan A adalah luas plat, m²; ρs adalah densitas muatan permukaan, Cm^-2; D

Perubahan energi, W yang tersimpan dalam kapasitor adalah karena diberikannya besar potensianl pertambahan muatan, sehingga:

dW = V.dq = 1/C. Qdq. J 2 – 32

dan total energinya adalah:

W =^భ_಴.=∫ ݍ݀ݍ_଴^ொ =_మ^భQ²/C =^భ_మCV²=_మ^భQV =^భ_మεE²Ah. Joule 2 – 33 Akibat dari medan elektrik yang diberikan maka energi densitasnya, W menjadi:

W = ½ߝE² 2 – 34

2.3. Potensial Nernst Pada Membran Sel

Potensial atau beda tegangan yang terdapat pada membran sel merupakan properti yang dimiliki oleh mahluk hidup, membran sel mempunyai sifat semipermeabilitas, sehingga memungkinkan ion-ion atau molekul dapat masuk atau keluar dari membran tersebut. Adanya ion-ion positip di luar sel dan ion-ion negatip di dalam sel, yaitu Na⁺,K⁺,Ca⁺⁺, ܥ݈^ି, ܣ^ି dan sebagainya (Gabi, et al., 2007) maka akan menimbulkan suatu beda potensial.

Beda potensial kimia akibat perbedaan konsentrasi ion-ion telah dirumuskan oleh Nernst yaitu:

Gradien Potensial (mV) = 61.1 Logቀ௄௢௡௦௘௡௧௥௔௦௜௜௢௡ௗ௜௦௜௦௜ௗ௔௟௔௠ ௠ ௘௠ ௕௥௔௡௘

௞௢௡௦௘௡௧௥௔௦௜௜௢௡ௗ௜௦௜௦௜௟௨௔௥௠ ௘௠ ௕௥௔௡௘ ቁ. ݉ ܸ Sedangkan secara kuantitatif persamaan potensial dalam keadaan normal, resting dalam sel menurut Goldman-Hodgkin-Katz adalah sesuai dengan potensial Nernst termasuk konsentrasi anion-anionnya (Gabi et al., 2007).

Besar potensial istirahat berbagai sel berbeda-beda, misalnya untuk sel syaraf adalah sebesar -90 mV dan untuk sel cairan tubuh adalah sebesar -74 mV ,sel adipose -40mV sel Thyroid -50mV,Sel Skeletal muscle -85mV, sel Cardiac muscle -90mV dan sebagainya, sedangkan potensial aksi, depolarisasi normal + 40 mV.

2.3.1. Bentuk , Ukuran Dan Struktur Sel Bakteri 2.3.1.1 Bentuk Dan Ukuran

Bentuk dan ukuran sel bakteri bervariasi, ukurannya berkisar 0,4 – 2,0m, sel bakteri dapat terlihat bentuknya di bawah mikroskop cahaya. Bakteri berbentuk seperti kokus (bulat), basil (batang), dan spiral. Bakteri escherichia coli yang berbentuk batang dengan panjang sekitar 2 micrometer dan diamater 0.5 micrometer dan volume sel berkisar 0.6-0.7 micrometer kubik (µm³). Bentuk sel kokus terdapat sebagai sel bulat tunggal, berpasangan (diplokokkus), berantai (streptokokkus), atau tergantung bidang pembelahan, dalam empat atau dalam kelompok seperti buah anggur (stafilokokkus)(Tortora Gerard J. et al., 1992)

Ujung sel bakteri serupa batang dapat berupa lingkaran halus, seperti pada bakteri enterik Salmonella typhosa, atau berbentuk kotak seperti pada Bacillus anthracis. Bentuk batang serupa benang panjang yang tidak dapat dipisahkan menjadi sel tunggal diketahui sebagai filamen. Bentuk batang fusiform, meruncing pada kedua ujungnya ditemukan pada beberapa bakteri rongga mulut dan lambung.

Tebal membran sel yaitu antara 5-10 nm. Apabila diamati dengan mikroskop cahaya tidak terlihat jelas, tetapi untuk keberadaannya dapat dibuktikan pada waktu sel mengalami plasmolisis (Tortora Gerard J. et al., 1992). Membran sel yang disebut membran mozaik cair, hal ini menjelaskan bahwa membran sel terdiri atas protein yang tersusun seperti mozaik atau tersebar dan masing-masing tersisip di antara dua lapis fosfolipid. Membran sel mengandung kira-kira 50% lipid dan 50% protein. Lipid yang menyusun membran sel terdiri atas fosfolipid dan sterol. Bagian sterol bersifat tidak larut dalam air (hidrofobik) yang disebut dengan ujung nonpolar.

Gambar 2.10 Struktur Lapisan Bakteri Escherichia Coli

Penyusun membran sel yang berupa karbohidrat berikatan dengan molekul protein yang bersifat hidrofilik sehingga disebut dengan glikoprotein. Adapun karbohidrat yang berikatan dengan lipid yang bersifat hirofilik disebut dengan glikopolid.

Sifat dari membran sel ini adalah selektif permeabel artinya adalah dapat dilalui oleh air dan zat-zat tertentu yang terlarut di dalamnya. Dinding sel adalah bagian sel bakteri yang berfungsi memberi bentuk dan kekuatan/perlindungan terhadap sel. Dinding sel bakteri tersusun atas bahan peptidoglikan, yaitu suatu molekul yang mengandung rangkaian amino disakarida dan rantai peptida.

Berdasarkan dinding selnya bakteri dibagi menjadi dua kelompok yaitu bakteri gram positip dan gram negatif.

Gambar 2.11 Gram Negatif Dan Positip Membran Sel Bakteri

Untuk menunjang fungsinya ini, membran sel memiliki kemampuan untuk mengenali zat. Zat yang dibutuhkan akan diizinkan masuk, sedangkan zat yang sudah tidak digunakan berupa sampah akan dibuang. Masuknya zat dari luar melalui membran sel yaitu melalui peristiwa transpor pasif dan transpor aktif.

2.3.1.2. Struktur Sel Bakteri

Sebagian besar sel bakteri memiliki lapisan pembungkus sel, berupa membran plasma, dinding sel yang mengandung protein dan polisakarida.

Dinding selnya merupakan struktur yang kaku berfungsi membungkus dan melindungi protoplasma dari kerusakan akibat faktor fisik dan menjada pengaruh lingkungan luar seperti kondisi tekanan osmotik yang rendah (Brock. TD, et al.,1991)

Protoplasma terdiri dari membran sitoplasma beserta komponen komponen seluler yang ada di dalamnya.

Gambar 2.12 Gambaran Umum Struktur Sel Bakteri

diinginkan. Putaran flagela dikuatkan oleh arus listrik. Fungsi flagela dibangun oleh respon kemotaktik, menunjukkan suatu sistem regulasi sensori umpan balik.

Gambar 2.13 Tipe Flagel Pada Sel Bakteri

Fimbria, disebut juga pili dapat diamati dengan mikroskop elektron pada permukaan beberapa jenis sel bakteri. Fimbria merupakan mikrofibril serupa rambut berukuran 0,004 – 0,008 m,. Salah satu bakteri yang memiliki banyak fimbria, dapat menginfeksi saluran urin. Fungsi fimbria dianggap membantu bakteri untuk bertahan hidup dan berinteraksi dengan inang dapat dianggap memiliki aktivitas fungsional seperti adhesin, lektin, evasin, agresin, dan pili seks.

Dinding sel, ditemukan pada semua bakteri hidup bebas kecuali pada Mycoplasma. Dinding sel berfungsi melindungi kerusakan sel dari lingkungan bertekanan osmotik rendah dan memelihara bentuk sel. Hal ini dapat diperlihatkan melalui plasmolisis, dengan mengisolasi partikel selubung sel setelah sel bakteri mengalami kerusakan secara mekanik, atau dengan penghancuran oleh lisozim.

Kelompok Bakteri Gram-positif dapat menghasilkan polisakarida permukaan yang spesifik (10-50% dari dinding sel) dan protein yang berhubungan dengan peptidoglikan. Pada sel bakteri Gram-negatif, titik hubungan di antara membran luar dan dalam disebut sebagai daerah perlekatan atau Bayer junctions.

Bayer junction aktif secara fisiologi,dapat digambarkan seperti berikut:

Periplasma, merupakan komponen yang terdapat diantara membran dalam dan membran luar dari membran sel bakteri.

Sel Gram-negatif lebih mudah mengalami plasmolisis dibanding sel Gram- positif, yang berhubungan dengan tekanan osmotik dalam selnya. Pada bakteri Gram-positif, suatu gradien 300 – 400 kali lipat dapat melintasi lapisan

permukaan. Aktivitas asmotik juga ditunjukkan melalui permeabilitas selektif untuk berbagai senyawa.

2.3.2 Dielektrik Rupture

Dielektrik rupture adalah terjadinya pemecahan dinding membran sel sehingga terjadi penonaktifan suatu sel mikroorganisme, ada beberapa teori yang sangat mendukung pada peningkatan potensial transmembran dengan perturbasi medan elektrik yang dapat mengakibatkan terjadinya efek merusak, dan dapat mereduksi ketebalan dinding sel (Fang, et al., 2006), diantaranya adalah teori dielektrik rupture yaitu potensial membran sel melampaui potensial normal yang disebut sebagai potensial trans membran PTN. Hubungan antara kuat medan elektrik, E dengan peningkatan PTN, secara empiris (Lebovka, et al., 2003) diberikan dengan persamaan sebagai berikut:

∆V^s= 0.75 dcE Cosߠ 2 – 35

Dimana ∆V^s adalah potensial transmembran sel, dc diameter sel, r adalah radius sel, E adalah medan elektrik, V/m,ߠ adalah sudut diantara sisi membran terhadap arah medan, fs adalah faktor geometrik, f adalah 1 bila berbentuk lingkaran dan ߬ adalah konstanta waktu induksi.

2.3.3. Elektro Gravimetri Dan Kapasitansi Membran Sel

Umumnya sebagai dasar penentuan suatu karakteristik membran sel dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu dengan cara kimia dan fisika. Secara kimia salah satu cabang dari ilmu elektro-gravimetri khususnya pada bidang elektrokimia, menyatakan bahwa suatu sel terdiri dari dua elektroda dan satu atau lebih larutan dalam wadah yang sesuai sehingga suatu sel dapat dipandang sebagai suatu sel elektrolisis.

Sedangkan secara fisika suatu sel dapat dipandang sebagai suatu sel yang analogi sebagai suatu sel kapasitor. Dengan demikian kapasitansi dwilapis membran sel saraf dapat diasumsikan sebagai kapasitor plat sejajar. (Fang, 2000;

Gambar 2.14 Rangkaian Setara Membran Sel Saraf

Rangkaian setara kapasitor tersebut adalah merupakan suatau rangkaian seri antara R saraf dan Csaraf, dimana Rsaraf adalah suatu resistensi atau arus bocoran dan C saraf adalah merupakan suatu kapasitansi atau menyimpan energi muatan dari sel. Secara geometri umum dan dengan hukum-hukum elektrostatika, maka besar suatu resistensi, sesuai dengan persamaan 2.9 adalah sebagai berikut.

R =^ఘ௟

஺ 2 – 36

Dan untuk sel membran diasumsikan berlaku hubungan berikut.

R =^ఘ௟

஺ =ߪ^{ିଵ ௗ}_஺ 2 – 37

Dan,

C =ߝ଴ߝ௥஺

௟ 2 – 38

Sehingga bila persamaan (2-37) dan (2-38) disederhanakan maka berlaku hubungan C dan R seperti persamaan (2-39), berikut.

C = R^-1ఌ

ఙ 2 - 39

Dengan besaran ߩ adalah resistifitas, ߪ adalah konduktifitas, l adalah satuan panjang, A adalah satuan luas dan d adalah diameter sel.

Sedangkan konstanta waktu adalah merupakan perkalian antara R dan C dalam detik atau:

߬=RC 2 - 40

C saraf R saraf

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Dan Waktu Penelitian

Tempat penelitian ini dilaksanakan dibeberapa tempat seperti:

1. Fakultas Teknik Elektro USU Laboratorium Tegangan Tinggi.

2. Fakultas Biologi FMIPA USU Laboratorium Mikrobiologi.

Waktu penelitian dilakukan mulai bulan Maret sampai dengan Juni 2013.

Di dalam melakukan penelitian terlebih dahulu dipersiapkan peralatan dengan berbagai tahap yaitu:

1. Penyediaan sumber tegangan tinggi.

2. Penyediaan komponen tegangan tinggi.

3. Penyediaan rangkaian pembentuk pulsa.

4. Penyediaan sela picu/ sphere gap, switching dengan triger device.

5. Penyediaan elektroda yang terbuat dari material stainless stell.

6. Penyediaan ruang sampel dan 7. Penyediaan sampel.

3.2. Komponen Dan Bahan

Komponen dan bahan yang dipergunakan dalam penelitian ini merupakan bagian-bagian dari peralatan unit pembangkit tegangan tinggi impulsa, dan beberapa peralatan diluar dari unit tersebut dipergunakan untuk mengukur dan mendukung pengambilan data.

Peralatan pembangkit tegangan tinggi impulsa terdapat di Fakultas Teknik Laboratorium Tegangan Tinggi, adapun komponennya dan beberapa alat pengukur untuk mendukung pengambilan data dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Oto transformator.

5. Capasitor.

6. Dioda.

7. Sela picu atau Sphere Gap.

10. Generator tegangan tinggi type YHIG-100KV, 5 KVA.

11. Resistor, Rp = 416 Ω, 140 kV; Rs = 9500Ω, 140 kV.

12. Capasitor, Cs = 6000 pF, 140 kV.

13. Sela picu atau Sphere Gap 14. Pemicu.

15. Alat ukur AVO meter.

16. Oscilloscope dan X-Y recorder YEW 3023

Pada penelitian ini kedua elektroda didesain sesuai dengan kebutuhan yang lebih kecil dari ukuran chamber , tujuannya adalah untuk menghindari terjadinya loncatan listrik atau efek frigging antara elektroda, adapun gambaran secara fisik yang dipakai dalam penelitian ini adalah seperti gambar 3.2, dibuat dari material stainless stell dengan bentuk lingkaran, ukuran elektroda negatif d =10 mm dan elektroda positif d = 6mm, sedangkan ruang sampel berbentuk silinder dengan tinggi =19 mm, r = 14mm dan tebal = 2mm terbuat dari acrylic ( dielectric strength 500 V/mm), seperti gambar 3.3.

3.2.1. Bahan dan Peralatan

Untuk penyediaan peralatan dan bahan yang dilakukan di Fakultas Biologi FMIPA Laboratorium Mikrobiologi adalah seperti yang terdapat di bawah ini:

a. Cawan petri.

b. Tabung Reaksi.

c. Cultur escericia coli.

d. Larutan MC Farland.

e. H₂O (Aquades).

f. Larutan NaCl

g. PCA (Plate Count Agar) h. Pipet serologi.

i. Bunsen

j. Alkohol.

k. Gelas ukur 500ml l. spidol, kertas label.

m. spatula n. Beaker glass

3.2.2. Sampel

Sebagai objek pada penelitian ini adalah suatu mikroorganisme yaitu bakteri escherichia coli, yang telah dikulturkan sebelumnya di Laboratorium Mikrobiologi. Dalam pembuatan sampel dilakukan beberapa proses, seperti sterilisasi untuk menghindari kontaminasi, metode penghitungan bakteri melalui pengenceran, yang dilakukan di Fakultas Biologi FMIPA Laboratorium Mikrobiologi.

3.2.3. Penghitung Jumlah Koloni atau Colony Counter

Koloni bakteri adalah sekumpulan dari bakteri-bakteri yang sejenis yang mengelompok menjadi satu dan membentuk suatu koloni-koloni. Untuk mengetahui pertumbuhan suatu bakteri dapat dilakukan dengan menghitung jumlah koloni bakteri. Metode yang biasa digunakan adalah metode pour plate atau hitung cawan. Metode ini mengasumsikan jumlah bakteri yang ditanam pada suatu cawan sama dengan jumlah koloni pada cawan tersebut. Untuk memudahkan menghitung koloni yang berjumlah ratusan pada metode ini perhitungan dapat dilakukan dengan cara menghitung hanya seperempat pada bagian cawan dengan hasil perhitungan jumlah perhitungan tersebut dikalikan empat. Perhitungan pada metode ini juga dibantu dengan alat yang disebut Colony Counter, setiap koloni yang ditandai maka counter akan menghitung alat penghitung koloni seperti pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Alat Penghitung Koloni

3.2.4 Pembangkit Medan Elektrik

Peralatan suatu pembangkit medan elektrik untuk membangkitkan suatu tegangan tinggi berpulsa dapat dilakukan dengan berbagai metoda, diantaranya adalah dengan mengumpan rangkaian RC dari suatu sumber tegangan tinggi (Kerista, 2007). Dalam penelitian ini rangkaian yang dipergunakan adalah generator impul atau rangkaian RLC.

Untuk memperoleh tegangan yang cukup tinggi, kV, dan lebar pulsa yang sangat sempit maka dapat dilakukan dengan cara mengatur besaran-besaran komponen pendukung suatu rangkaian, diantaranya adalah: Ototrafo, Test trafo, Dioda penyearah, Kapasitor C, Resistor Rp, Rs, L dan Ro serta pemicu sphere gap, F. Sehingga tegangan out put pada Vo pada gambar (2.7) adalah sama dengan pada persamaan (2-24). Rancangan secara elektronik pembangkit medan elektrik seperti pada gambar 3.2 berikut ini:

Gambar 3.2 Model Rangkaian Penelitian

Adapun sebagai objek dari penggunaan medan elektrik pada penelitian ini adalah suatu chamber, ruang sampel, yang terbuat dari bahan dielektrik yang berfungsi sebagai komponen kapasitor C.

Sesuai dengan prinsip dasar dari kapasitor C, dimana diantara kedua plat konduktor dibuat bahan dielektrik, lalu dalam penelitian ini yang menjadi objek pengamatan adalah bakteri escherichia coli yang merupakan sel, dan sel tersebut terdiri dari membran. Sel bakteri escherichia coli dalam penelitian ini diperlakukan sebagai bahan dielektrik.

Bahan elektroda yang terbuat dari stainless stell yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah seperti di bawah ini:

Ototrafo

PLN

Test Trafo

elektroda Ruang sampel elektroda Rs

Rp

C D F

Vo

L

Ro

Vdc V