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
MEDAN
2013

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
2013

Universitas Sumatera Utara

PENGESAHAN TESIS

Judul Tesis

:

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

Nama Mahasiswa

:

MARTUA DAMANIK, S.Si

Nomor Induk Mahasiswa

:

117026020


Program Studi

:

Magister Fisika

Fakultas

:

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara

Menyetujui
Komisi Pembimbing

Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Promotor


Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc
Co. Promotor
Ketua Program Studi

Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc

Dekan,

Dr. Sutarman, MS

Universitas Sumatera Utara

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

Universitas Sumatera Utara

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK
KEPENTINGAN AKADEMIS

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

Nama
NIM
Program Studi :
Jenis karya Ilmiah


:
:
:
:

Martua Damanik, S.Si
117026020
Magister Fisika
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

Universitas Sumatera Utara

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

Universitas Sumatera Utara

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

i
Universitas Sumatera Utara

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

6

BAB II Tinjauan Pustaka
2.1

2.2

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

Pembangkit Tegangan Tinggi

12

2.2.1

Sistem Pembangkit Tegangan Tinggi

12

2.2.2

Transformator Penaik Tegangan

13

ii
Universitas Sumatera Utara

2.3

2.2.3

Pembentuk Impulsa

15

2.2.4

Sphere Gap

17

2.2.5

Penyimpan Muatan

18

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
3.1

30

Tempat Penelitian

30

3.2 Komponen Dan Bahan

30

3.3

3.2.1

Komponen

30

3.2.2

Peralatan

30

3.2.3

Sampel

31

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

38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
iii

Universitas Sumatera Utara

4.1

Data Pengujian Sphere Gap
4.1.1

4.2

38

Analisa Tegangan Break down Sphere Gap

39

Data Pengujian Pembangkit Impulsa

39

4.2.1

41

Analisis Data Pengujian Pembangkit Impulsa

4.3 Penentuan Potensial, Sudut dan Impulsa

4.4

4.5.

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

Data Hasil Penelitian Objek

49

4.4.1

Data Dampak Peningkatan Tegangan

49

4.4.2

Data Foto Dampak Peningkatan Tegangan

50

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

iv
Universitas Sumatera Utara

65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1

Kesimpulan

65

5.2

Saran

66
67

Daftar Pustaka

Daftar Riwaya Hidup

v
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL
Nomor

Judul

Halaman

2.1

Dielektrik Relatif Beberapa Material

24

4.1

Efek Variasi Tegangan Medan Elektrik Pada bakteri escericia coli

68

vi
Universitas Sumatera Utara

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
vii
Universitas Sumatera Utara

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

viii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN
Nomor

Judul

Halaman

1

Diagram Alir Proses Peningkatan Tegangan Elektroda

72

2

Struktur lipid bilayer dalam keadaan normal dan rusak

73

ix
Universitas Sumatera Utara

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

θ

Sudut Antara Arah Medan Elektrik E Terhadap Membran Sel.

x
Universitas Sumatera Utara

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

xi
Universitas Sumatera Utara