Penentuan Konduktivitas Listrik dan Frekuensi Karakteristik Sel Ragi dengan Memanfaatkan Proses Dielektroforesis

## Much. Azam, Wahyu Setia Budi, dan Hermin Pancasakti
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Diponegoro, Semarang

## Abstract
Dielectrophorestic   (DEP),   a   phenomenon   where   small   particles   such   as   yeast   cells   are manipulated by non-uniform electric fields.  The net dielectrophoretic force is proportional to the polarisability of the cell and cause this cell moving toward higher field. By measuring velocity of the cell on the various frequency of the electric field, it can determine the electrical conductivity and the characteristic frequency of the yeast cells. The results showed that the conductivity of the yeast cell was (10,0 ± 0,4)10- 9 Sm-1  and the characteristic frequency was 60 kHz.
Key words : Dielectrophoresis, cell membrane, electrical conductivity, yeast cell

## Pendahuluan
Sel   mikroba   dapat   dibedakan   berdasarkan   permitivitas   dan   konduktivitas   dari membran sel dan sitoplasmanya. Perkembangan peralatan dan metode pengukuran pada penentuan   sifat-sifat   dielektrik   dari   sampel   biologi   telah   mendorong   terjadinya peningkatan usaha di bidang biofisika. Konduktivitas dari beberapa material, mencakup jaringan dan cairan biologi pada frekuensi beberapa kHz sampai 100 MHz  telah berhasil diukur menggunakan frekuensi radio (Foster dan  Schwan,  1996). Mahaworasilpa et al . (1994)   menerapkan   proses   dielektroforesis   dan   elektrorotasi   untuk   menentukan permitivitas dan konduktivitas membran sel darah merah pada tikus dan  manusia.
Hasil   simulasi   menunjukkan   bahwa   perbedaan   nilai   parameter   dielektrik (permitivitas), konduktansi listrik sel, medium sel dan jari-jari sel berpengaruh terhadap tampilan   spektrum   frekuensi   pada   proses   dielektroforesis.   Masing-masing   parameter memiliki pengaruh yang berbeda pada daerah frekuensi  medan listrik AC  yang berbeda (Azam, 2001).
Gaya   dielektroforesis   dipengaruhi   juga   oleh   gradien   medan   listrik   AC.   Hasil penelitian   menunjukkan   bahwa   gaya   dielektroforesis   berbanding   lurus   dengan   gradien medan listrik kuadrat (  E 2 ). Besar gradien ini dapat divariasi dengan mengubah beda tegangan antara dua elektroda (Azam, 2001) . Dengan mengukur kecepatan gerak sel telur ikan mas akibat gaya dielektroforesis dan mensimulasikannya, maka permittivitas dan konduktivitas listrik sel dapat ditentukan. Metode ini telah digunakan untuk pemisahan bakteri   jenis   Gram-positif   (Markx et   al .,   1994),   pelabelan   bakteri,   penggabungan   sel, deteksi     bakteri     patogen   dalam   darah,   pemisahan   sel   tumor   dari   sumsum   tulang, pengujian   sensitivitas   antibiotika   dan   pemisahan   virus   dari   plasma.   Aldaeus memperkenalkan   dua   konsep   baru   untuk   pemisahan   secara   dielektroforesis   dan pengukuran   sifat dielektrik dari biopartikel (Aldaeus, 2006).  Penggunaan cahaya laser untuk menimbulkan induksi dielektroforesis pada manipulasi DNA dilakukan oleh Marco Hoeb et al . (2007).
Dari penelitian yang   telah   dilakukan dicoba suatu metode yang dapat digunakan untuk   mengetahui   karakteristik   dari   mikroba   dengan   memanfaatkan   fenomena dielektroforesis. Dengan sistem ini diharapkan akan diperoleh suatu metode yang dapat digunakan   untuk   mendeteksi   mikroba   yang   lebih   unggul   dibanding   alat   atau   metode pendeteksi   yang  telah   ada   sebelumnya   karena  hasilnya   lebih   cepat   diketahui,   murah, lebih akurat dan dapat mendeteksi jenis mikroba yang tidak dapat dideteksi oleh alat lain. Penelitian   difokuskan   pada   penggunaan   metode   dielektroforesis   untuk   menentukan konduktivitas   listrik   dan   frekuensi   karakteristik   dari   sel   ragi   ( yeast   cell )   dengan mengasumsikan bahwa sel fungi berbentuk bola.
Partikel   dielektrik   berada   dalam   medan   tidak   seragam.   Medan   listrik   akan menyebabkan   terjadinya   polarisasi   (pemisahan   muatan)   dalam     partikel   (Gambar   1). Interaksi   momen  dipol   listrik  induksi   dengan   medan  listrik   menimbulkan  sebuah   gaya. Karena   perbedaan   distribusi   muatan   listrik   dalam   partikel,   gaya   tersebut   akan menyebabkan partikel bergerak ke daerah dengan intensitas medan listriknya lebih besar. Jika  polaritas elektroda dibalik, muatan  listrik dalam partikel meloncat ke sisi yang lain, tetapi arah gaya tidak berubah.
Gambar  1.   Skema partikel yang   terpolarisasi di dalam    sistem dua elektroda tidak homogen pada dielektroforesis (Aldeus et al .,  2006).
Figure 1. The graph of polarized particles in non-homogenous two system electrode on the dielectrophoresys (Aldeus et al., 2006)
Gaya dielektroforesis tergantung pada  momen dipol induksi dan tidak terpengaruh oleh arah medan listrik, tetapi hanya berkaitan dengan gradien medan listrik. Oleh karena itu,   gaya   ini   dapat   dibangkitkan     dengan   medan   listrik   AC.   Efek   ini     disebut Dielektroforesis  (Pohl,1978).
Gaya   dielektroforesis   yang   bekerja   pada   partikel   dielektrik,   berbentuk   bola   dan homogen  dinyatakan oleh Hughes (1999) sebagai berikut:
)] ( Re[ ) ( 2 2 3   f E R s DEP   F ..................................    (1)
dengan E sebagai  kuat medan listrik  akar kuadrat rata-rata ( rms ).
Momen   dipol   listrik   sel   model   kulit   bola   akibat   induksi   medan   listrik E dapat dinyatakan oleh Azam (2001) sebagai berikut:
E ) ( 4 ) ( 3     f R s   ……………………….. .   (2)
Partikel yang berada di dalam medium  dengan viskositas  , berbentuk bola  (jari- jari R )  dan bergerak secara  translasi  di  bawah    pengaruh  gaya  dielektroforesis  ( F DEP ) akan diimbangi  oleh gaya  Stoke ( F  ), dengan v F R s   6   . Dengan menggunakan persamaan   (1)   maka   kecepatan   gerak   partikel   dapat   ditentukan   sebagai   berikut (Mahaworasilpa et al .,1994):
   3 ) ( )] ( Re[ 2 2 E f R s   v ..................................... (3)

## Materi dan Metode
Penentuan   konduktivitas   sel   ragi   dan   pengukuran   kecepatan   gerak   sel   ragi dilakukan   dengan   menggunakan   alat   yang   terdiri   dari   handycam   (kamera   CCD), mikroskop,  komputer dan sumber tegangan  AC yang disusun  seperti pada  gambar 2. Sampel sel ragi diencerkan kemudian diletakkan dalam medium yang berisi akuades dan terletak diantara dua buah elektroda yang terbuat dari emas. Medium diletakkan di bawah mikroskop dengan perbesaran 400x. Elektroda diberi tegangan listrik AC dari generator
sinyal   dengan   frekuensi   yang   bervariasi.   Gambar   sel   yang   diperoleh   direkam   dengan Video   Handycam   yang   terhubung   Komputer.   Hasil   rekaman   diolah   dengan   software simulasi dielektroforesis, sehingga dapat diketahui konduktivitas sel ragi dan kecepatan rata-rata gerak sel ragi.
Secara keseluruhan, sistem peralatan dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2. Sistem dielectrophoresis Figure 2: Dielectophoretic system Keterangan: 1. perangkat pembangkit medan listrik AC
2. Pemisah mikroba terdiri dari elektroda emas, media, sampel, dan perangkat optik
3. Perekam citra
4. TV Capture
5. Komputer
6. Periferal Input/Output (I/O) yaitu monitor, printer, disk drive/hard disk
7. Program simulasi

## Hasil dan Pembahasan
Kecepatan   sel   ragi   optimal   pada   frekuensi   6   x10 4 Hz.   Data   nilai   frekuensi karakteristik yang diperoleh dapat digunakan untuk memisahkan mikroba tersebut dari mikroba jenis yang lain (Gambar 3).
0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 v 10 (m /s ) frekuensi 10  (Hz) 5
Gambar 3. Grafik hubungan antara frekuensi medan AC dengan kecepatan gerak sel ragi Figure 3. Relationship between frequency of electric current and yeast velocity
Pengaruh   ukuran   sel   terhadap   gaya   dielektroforesis   dapat   diketahui  dengan membuat grafik kecepatan rata-rata sel sebagai fungsi  ( E 2 ) untuk beberapa sel dengan ukuran yang berbeda. Nilai Re[ f (  )] yang diperoleh dari gradien grafik digunakan untuk menunjukkan besar gaya dielektroforesis yang bekerja pada sel. Penelitian menggunakan dua macam sel ragi dengan ukuran sel yang berbeda. Hasil pencocokan data dengan garis linier menggunakan program Origin 40 bahwa nilai Re[ f (  )] dari ke dua sel (Tabel 1).
Tabel 1.   Nilai  Re[ f (  )] Table 1. The value of Re[ f (  )]
No. Jenis mikroba R sel ( 10 -6 m) Re[ f (  )]
1. A 6,0  0,5 0,1261  0,0047 2. B 12,0  0,5 0,3547  0,0411
1 4 7 2 3 5 6 
Nilai   Re[ f (  )]   dipengaruhi   oleh   ukuran   sel.   Semakin   besar   ukuran   sel,   semakin besar nilai Re[ f (  )]-nya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa gaya  dielektroforesis  akan semakin besar jika  ukuran sel juga semakin besar.
Semakin besar gradien medan listrik kuadrat akan menyebabkan  kecepatan gerak mikroba   meningkat.  Pengaruh   besar   gradien   medan   listrik   kuadrat   (  ( E 2 ))   terhadap kecepatan gerak sel dapat dilihat gambar 4.a dan 4.b.
-2 0 2 4 6 8 10 12 0.0 0.5 1.0 Re[f(  )]= 0.1261 + 0.0047 K ec ep at an S el / (1 0 -3 m s -1 )  E 2 / (10 10 V 2 m -3 )
Gambar  4a.  Grafik  kecepatan rata-rata sel sebagai fungsi  ( E 2 ) untuk    sel A.
Figure 4a. Mean velocity of the cells as a function of  ( E 2 ) in celll A
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 Re[f(  )]= 0.3547 + 0.0411 K ec ep at an S el / (1 0 m s ) -3 -1  E 2 / (10 10 V 2 m -3 )
Gambar  4b.  Grafik  kecepatan rata-rata sel sebagai fungsi  ( E 2 )  untuk  sel B.
Figure 4b. Mean velocity of the cells as a function of  ( E 2 ) in cell B
Permitivitas membran sel, konduktivitas membran sel,  konduktivitas medium dan konduktivitas   sitoplasma   ditentukan   dengan   mensimulasikan   parameter   tersebut menggunakan program simulasi dielektroforesis.  Sebagai acuan simulasi, nilai   Re[ f (  )] untuk tiap macam sel (Tabel 1) digunakan. Permitivitas akuades (medium), permitivitas sitoplasma   dan   viskositas   akuades   diambil   dari   referensi   (Claveland,   1987).   Dalam simulasi   diasumsikan bahwa tebal membran sel 10 nm. Hasil simulasi dapat dilihat pada gambar  5.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 R e [f ( )]  = Simulasi = Data Log (f  / Hz) AC
Gambar  5. Plot  simulasi terhadap data  eksperimen, untuk sel berjejari (6,0  0,5)10 -6 m.
Sel A Sel B
Figure 5. Simulated plot of the experimental data for the cells with radii of (6,0  0,5)10 -6 m
Pada gambar  tersebut tampak  titik  data  penelitian terletak tepat pada spektrum dielektroforesis  hasil   simulasi.  Nilai   parameter  yang  digunakan     dalam   simulasi     dan merupakan hasil estimasi (Tabel  2).
Tabel  2. Parameter hasil simulasi. Table 2. Resulted simulation parameters
No Parameter Hasil 1.  c ( Sm -1 ) ( 1,20  0,05)10 -1
2.  m ( Sm -1 ) ( 10,0  0,4 )10 -9

## Kesimpulan
Nilai konduktivitas listrik membrane sel  dari sel ragi  sebesar (10,0 ± 0,4)10- 9 Sm-1 dan (0,12 ± 0,05)  Sm-1 dan diperoleh frekuensi karakteristiknya sebesar 60 kHz.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada DP2M  DIKTI yang telah memberi dana penelitian lewat Hibah HPSN.

## Daftar Pustaka
Azam, M., 2001. Pengaruh gradien medan listrik terhadap kecepatan sel telur ikan pada proses dielektroforesis. Berkala Fisika 4(3).
Aldaeus,,F.,  Yuan Lin, Amberg, G., Roeraade, J., 2006.  Simulation of dielectrophoretic motion   of   microparticles,  using   a   molecular   dynamics   approach,  Submitted   to Proceedings   of   ASME   ICNMM   2006   –   4th   International   Conference   on Nanochannels, Microchannels and Minichannels (2006), Limerick, Ireland, June 19- 21, 2006.
Claveland, 1987, Handbook of chemistry and physics. Edisi 67. CRC Press Inc.
Foster,K.R.   and  Schwan,   H.P.,   1996.   Dielectric   properties   of   tissues.   In:   Polk,   C.   and Postow, E. (Eds). Handbook of biologica l: Effect   of electromagnetic fields. CRC, Press, Inc., London.
Hughes,   M.P,   1999,   AC   electrokinetics   application   for   Nanotechnology, http://www.foresight.org/Conferences /MNT7/Paper/Hughes/index.html.
Hoeb, M., Radler,J.O., Klein, S., Stutzmann, M., and Brandt, M.S., 2007.  Light-induced dielectrophoretic manipulation of DNA. Biophisical Journal 93(3), 1032-1038.
Mahaworasilpa, T.L , Coster, H.G.L., and George, E.P., 1994. Forces  on  biological cells due   to   applied   alternating   (AC)   electric   fields,dielectrophoresis.   Biochimica   et Biophysics Acta 1193,118-126.
Markx,   G.H.,   Huang,   Y.,   Zhou,   X-F.   and   Pethig,   R.,   1994.   Dielectrophoretic characterization and separation of micro-organisms. Microbiology 140, 585-591.
Pohl, H.A, 1978. Dielectrophoresis. Cambridge University, Cambridge.