Youngter Phyic Journal ISSN: 232-7371 Simulai numerik gaya dielektroforei ada bioartikel berbentuk bola M. Azam Deartemen Fiika, Fakulta Sain dan Matematika, Univerita Dionegoro, Semarang E-mail: azamfiika@gmail.com ABSTRACT Thi aer reent reult of imulation of the electric field and dielectrohoretic force on a bioarticel uended in a hot liquid lying between oint-late electrode. The method of calculation i baed on the method of diole image uing the finite-elemen technique. We have invetigated the effect of the bioarticle ermittivity, and liquid ermittivity on the dielectrohorei ectrum. The reult how that the bioarticle ermittivity, and liquid ermittivity influence to the dielectrohorei ectrum on the different frekueni range and the oint-late electrode configuration i uitable with dielectrohorei ytem becaue the configuration can roduce the inhomogen electric field. Keyword: Dielectrohorei, here bioarticle, ermittivity, oint-late elecrode ABSTRAK Pada tulian ini telah dilakukan imulai medan litrik dan gaya dielektroforei ada bioartikel dalam medium yang berada diantara elektroda titi-bidang. Metode enghitungan gambar diol dan medan litrik didaarkan ada metode elemen hingga. Telah diteliti ula engaruh ermitivita bioartikel meuun mediumnya terhada ektrum dielektroforei. Hailnya menunjukkan bahwa nilai ermitivita dari bioartikel dan mediumnya berengaruh terhada ektrum dielektroforei ada daerah frekueni yang berbeda dan konfigurai elektroda titik-bidang euai untuk item dielektroforei, karena menghailkan medan litrik yang tak homogen. Kata kunci: Dielectroforei, bio artikel berbentuk bola, ermittivita, elektroda titik bidang PENDAHULUAN Bakteri meruakan umber utama kontaminai dalam air minum dan makanan ehingga daat menimbulkan keracunan dan terjangkitnya enyakit. Mekiun monitoring konentrai bakteri yang ering dilakukan daat mengurangi timbulnya enyakit yang berkaitan dengan makanan, enghitungan bakteri dalam medium makanan membutuhkan waktu yag lama dan ukar dilakukan. Menurut Biho dkk [1], amai aat ini metode yang ering digunakan untuk menghitung bakteri yaitu tandard late count (SPC atau ychrotrohic bacteria count (PBC, kedua metode ini dilakukan di dalam laboratorium dan butuh waktu yang lama. Bakteri meruakan bioartikel yang daat dibedakan berdaarkan ermitivita dan konduktivita dari membran el dan itolamanya. Perkembangan eralatan dan metode engukuran ada enentuan ifatifat dielektrik dari amel biologi telah mendorong terjadinya eningkatan uaha di bidang Biofiika. Rajewki dan kawankawannya telah berhail mengukur konduktivita dari beberaa material, mencaku jaringan dan cairan biologi ada frekueni beberaa khz amai 1 MHz dengan menggunakan frekueni radio [2].Aldaeu [3] memerkenalkan dua kone baru untuk emiahan ecara dielektroforei dan engukuran ifat dielektrik dari bioartikel. Dari enelitian yang telah dilakukan dicoba uatu metode yang daat digunakan untuk memonitor ertumbuhan bakteri dengan memanfaatkan fenomena Dielektroforei. Dalam tulian ini akan difokukan ada 11
M. Azam Simulai numerik gaya... analia numerik menggunakan metode elemen hingga untuk menentukan engaruh ermitivita bakteri, ermitivita medium dan jarak elektroda terhada kuat medan litrik dan gaya dielektroforei. DASAR TEORI Dielektroforei Pada Gambar 1 terlihat bioartikel dielektrik berada dalam medan tak homogen.. Medan litrik akan menyebabkan terjadinya olariai (emiahan muatan dalam artikel. Interaki momen diol litrik induki dengan medan litrik menimbulkan ebuah gaya dielektroforei. + + + + + + + + + - - - - ++ + + - - - - - - - - - - Gambar 1. Skema bioartikel yang terolariai di antara dua elektroda tak homogen Perbedaan ditribui muatan litrik dalam bioartikel, menyebabkan bioartikel bergerak ke daerah yang memiliki intenita medan litriknya lebih bear. Jika olarita elektroda dibalik, muatan litrik dalam artikel meloncat ke ii yang lain, tetai arah gaya tidak berubah. Momen diol litrik bioartikel model kulit bola akibat induki medan litrik E daat menurut Mahaworaila dkk [4] ditulikan ( ' ' 3 ( 4 R E (1 ( ' 2' dengan R : jari-jari bioartikel : ermittivita medium : ermittivita komlek medium : ermittivita bioartikel : frekueni anguler (=2f f : frekueni medan litrik AC : konduktivita medium. Atau daat ditulikan dalam bentuk lain: 3 ( 4 R ( E (2 dengan menyatakan olariabilita atau faktor Clauiu Mooti ada bioartikel (el model bola dan daat ditulikan: ' ' ( ( (3 ' ( ' 2 dan ' i i (i, i j (4 dengan indek dan berturut-turut menyatakan artikel dan medium. menyatakan ermitivita dari dielektrik, menyatakan konduktivita dielektrik, 2f menyatakan frekueni anguler dari medan litrik dan j 1. Gaya dielektroforei yang bekerja ada bioartikel dielektrik berbentuk bola dan homogen menurut Hughe [5] ditulikan : F DEP 2 R 3 ( E 2 Re[ ( ] (5 dengan E menyatakan medan litrik antara dua elektroda. Medan litrik antara dua Elektroda Menurut Baoyu Songa dkk [6] ada daerah dielektrik ideal, otenial litrik ditentukan dengan eramaan oion : 111
Youngter Phyic Journal ISSN: 232-7371. r (6 Jika didalam medium ada raat muatan dielektrik ( d dan muatan ruang ( maka eramaan (5 bia dituli: d E (7 atau dalam bentuk eramaan Gau: dv V re. nd (8 Untuk raat muatan =, eramaan Lalace daat digunakan untuk menyeleaikan kuat medan litrik antara dua elektroda dan eramaannya ditulikan: 2 (9 Pada tulian ini telah dilakukan imulai engaruh ermitivita bioartikel mauun mediumnya terhada ektrum dielektroforei dan enghitungan kuat medan litrik diantara elektroda titik-bidang. METODE PENELITIAN Simulai yang dilakukan didaarkan ada uunan eralatan dielektroforei eerti terlihat ada gambar 2, Gambar 2. Sitem Dielektroforei Sitem dielektroforei terdiri dari eaang elektroda yang terbuat dari ema dan dihubungkan dengan generator ula. Elektroda diletakkan dalam medium yang berii aquabide dan diantara elektroda ditaruh bioartikel. Jarak antara dua elektroda bia divariai. Jeni bioartikel dan media bioartikel bia divariai dengan nilai ermitivitanya yang berbeda-beda. Simulai ada gaya dielektroforei yang dilakukan meliuti: 1. Variai jarak elektroda terhada medan litrik 2. Variai ermitivita medium terhada medan litrik 3. Variai ermitivita bioartikel terhada medan litrik Pada enelitian ini, untuk imulai medan litrik yang dihailkan diantara dua elektroda yang dihubungkan dengan generator ula digunakan metode elemen hingga dengan bantuan rogram ESTAT 7.. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Permitivita Dielektrik Terhada Sektrum Frekueni Dielektroforei. Faktor Clauiu Mooti tergantung ada frekueni medan litrik AC euai eramaan (5. Dengan variai frekueni terebut maka daat dibuat ektrum frekueni dielektrofoteii. Sektrum ini diengaruhi oleh emilihan arameter dielektrik ( ermitivita dari el. Secara umum erbedaan nilai ermitivita berengaruh terhada tamilan grafik. Pada gambar 3a, 3b dan 3c terlihat imulai ektrum dielektroforei dari artikel model bola untuk nilai ermitivita medium luar (, ermitivita itolama ( c dan ermitivita membran el ( m yang berbeda-beda. Parameter yang digunakan dalam imulai: = 1-2 Sm -1, m = 1-7 Sm -1, c =,1 Sm -1, = 8 o, m = 1 o, c = 6 o dan R el =7.1-4 m. Pada Gambar 3.a terlihat bahwa untuk daerah frekueni 1 2-1 5 Hz, erbedaan nilai ermitivita membran el ( m angat berengaruh terhada nilai Re[f(]. Semakin bear nilai m emakin 112
Re[f(] Re[f(] Re[f(] M. Azam Simulai numerik gaya... bear ula nilai Re[ f(]-nya, edangkan untuk daerah frekueni kurang dari 1 2 Hz mauun lebih dari 1 5 Hz, erbedaan nilai m tidak berengaruh terhada tamilan ektrum. 1..8.6 - m / Fm -1 = 1 = 1 = 1 (a Log (f / Hz AC 3b. Dari gambar terebut diketahui bahwa kenaikan nilai ada daerah frekueni lebih dari 1 7 Hz akan menurunkan nilai Re[(]. Sedangkan ada daerah frekueni dibawah 1 7 Hz, tamilan ektrum tidak terengaruh oleh erbedaan nilai. Perbedaan nilai ermitivita itolama ( c berengaruh terhada tamilan ektrum hanya ada daerah frekueni diata 1 7 Hz eerti terlihat ada gambar 3c. Pada daerah frekueni terebut, nilai c emakin bear akan menyebabkan nilai Re[f(] emakin kecil. Sedangkan ada daerah frekueni yang lebih kecil dari 1 7 Hz, nilai Re[f(] tidak terengaruh oleh erbedaan nilai c. 1..8.6 - / Fm -1 = 7 = 8 = 9 (b Log(f / Hz AC Simulai Numerik Medan litrik antara elektroda titik-bidang Hail imulai medan litrik diantara elektroda titik-bidang dengan menggunakan metode elemen hingga daat dilihat ada gambar 4. 1..8.6 - / Fm -1 c = 5 = 6 = 7 (c Log (f / Hz AC Gambar 3. Sektrum Dielektroforei untuk arameter dielektrik yang berbeda: (a Permitivita membran el (b Permitivita medium (c Permitivita Sitolama Pengaruh erbedaan nilai ermitivita medium luar temat el ( terhada nilai Re[ (] daat dilihat ada Gambar Gambar 4: Hail imulai diol litrik dan medan litrik antara elektroda titik -bidang. Pada Gambar 4 terlihat bahwa medan litrik yang dihailkan oleh elektroda titikbidang tidak homogen, emakin dekat dengan elektroda titik maka medan litrik yang dihailkan emakin bear. Bear kecilnya medan litrik bia diketahui dari warnanya. Semakin mendekati warna merah maka 113
Youngter Phyic Journal ISSN: 232-7371 menunjukkan emakin kuat medan litriknya. Ketidakhomogenan medan litrik yang dihailkan oleh elektroda titik bidang daat dijadikan keimulan bahwa konfigurai elektroda titik-bidang euai untuk item dielektroforei. Semakin bear gradien erubahan medan litriknya maka akan emakin bear gaya dielktroforei yang dihailkan. KESIMPULAN Hail enelitian menunjukkan bahwa nilai ermitivita dari bioartikel dan mediumnya berengaruh terhada ektrum frekueni dielektroforei ada daerah frekueni yang berbeda. Konfigurai elektroda titik-bidang euai untuk item dielektroforei, karena medan litrik yang dihailkan tak homogen. UCAPAN TERIMA KASIH Penuli mengucakan terimakaih keada Pemerintah Reublik Indoneia ata dukungan dana ada rogram enelitian. DAFTAR PUSTAKA [1] Biho, J. R.; White, C. H.; Firtenberg- Eden, R.(1984,:Raid imedimetric method for determining the otential helf-life of ateurized whole milk. J. Food Protect. 47(6, 471-475. [2] Foter,K.R. dan Schwan,H.P.,(1996, Dielectric Proertie of Tiue dalam Handbook of Biologica l. Effect of Electromagnetic Field, CRC, Pre, Inc, U.S [3] Aldaeu,F, Yuan Lin, Gutav Amberg, Johan Roeraade,(26 Simulation of dielectrohoretic motion of microarticle, uing a molecular dynamic aroach, Submitted to Proceeding of ASME ICNMM 26 4th International Conference on Nanochannel, Microchannel and Minichannel,Limerick, Ireland, June 19 21, 26 [4] Mahaworaila,T.L, Coter,H.G.L dan George,E.P., (1994, Force On Biological Cell Due to Alied Alternating(AC Electric Field,Dielectrohorei,Biochimica et Biohyic Acta 1193,118-126 [5] Hughe, M.P., 1999, AC Electrokinetic: Alication for Nanotechnology, htt://www.foreight.org/conference /MNT7/Paer/Hughe/index.html. [6] Baoyu Songa, Deli Liub, Lining Sunb, Liguo Chenca, (211, Numerical Study of a Dielectrohorei Searation Device at Multile Frequencie, Procidia Engineering 15, 341 345, 114