Study Dan Aplikasi Efek Medan Elektrik Terhadap Membran Sel Bakteri Escherichia Coli

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

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

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

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

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

Telah diuji pada

Tanggal : 18 Juni 2013

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua

:

Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc

i

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.

ii

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 Pembangkit Tegangan Tinggi 12

2.2.1 Sistem Pembangkit Tegangan Tinggi 12

iii

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 DielektrikRupture 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 DistribusiVdanEDalam 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 Parameterθ 37

3.5.4.2 Parameterr 37

iv

4.1 Data PengujianSphere Gap 38

4.1.1 Analisa Tegangan Break downSphere 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 PotensialVelekdanVsel 42

4.3.2 PenentuanVinTerhadapVelek 44

Penentuan Sudut6TerhadapVin, VelekDanEs 45

4.3.3 Bentuk ImpulsaVi, VelekTerhadapTerhadap Waktu 47

4.3.4 Penentuan KondisiRupture 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 IntensitasEPada Media Air 55

4.5.3.

AnalisisRupturePadaLipid 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

v

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 65

5.1 Kesimpulan 65

5.2 Saran 66

Daftar Pustaka 67

vi

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Dielektrik Relatif Beberapa Material 24

vii

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1.1 Diagram Model Penelitian 5

2.1 IntensitasETerhadap 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 arSphere 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 ElektrikETarhadapθ 37

4.1 Peralatan Pembangkit Tegangan Impulsa RC 40

4.2 Hubungan Tegangan Input vs Output Impulsa 41

4.3 Bentuk Tegangan ImpulsaU(t)Terhadap Waktu 41

4.4 Bentuk Gelombang Impulsa dari Osiloskop 42

4.5 Grafik HubunganE Velek-vs-Avdan Sudut6 44

4.6 Grafik HubunganVin-vs-Velek 45

4.8 Grafik Hubungan Pengaruh SudutVin, Velek, Es. 47

viii

4.10 Dampak Pertubasi Medan 51

4.11 54

4.12 Grafik Tegangan Elektroda Wadah Air terhadap Sudut 56

4.13 Grafik Peningkatan IntensitasEDielektrik 58

4.14 Grafik TeganganV selMembran terhadap Impulsat 59

4.15 Grafik Tegangan Wadah Tanah Terhadap Sudut dan 62

4.16 Tegangan Elektroda Wadah Udara Terhadap Sudut dan 63

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1 Diagram Alir Proses Peningkatan Tegangan Elektroda 72

x

DAFTAR LAMBANG

LAMBANG

Cm Kapasitansi Membran Sel

D Densitas Fluksi, C/mA2

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

xi

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.