Simulasi Model Biosensor Berbasis Satu Enzim dengan Penambahan Faktor pH

Abstract

Model matematika pada biosensor berbasis satu enzim dengan penambahan pH didasarkan pada sistem persamaan difusi dan reaksi bergantung waktu yang menggambarkan mekanisme laju reaksi substrat dan produk yang sesuai dengan reaksi katalis Michaelis-Menten. Model tersebut dideskripsikan melalui bentuk persamaan diferensial parsial, lalu persamaan tersebut diubah dalam bentuk tak berdimensi dengan cara mereduksi parameter-parameter dari persamaan. Persamaan tersebut diselesaikan menggunakan metode beda hingga secara eksplisit dan perangkat lunak MATLAB. Hasil simulasi divalidasi melalui proses kekekalan massa pada reaksi substrat dan produk. Solusi numerik dari penelitian ini dapat menggambarkan konsentrasi substrat dan produk serta respons arus listrik di dalam lapisan enzimatik ketika ditambahkan pH. Perubahan nilai parameter-parameter dalam model dapat menyebabkan perubahan dalam proses laju difusi dan reaksi. Penambahan pH dalam simulasi ini mempercepat laju reaksi substrat-produk serta melihat lebih teliti puncak arus listrik yang dihasilkan pada saat biosensor bekerja. Model biosensor berbasis satu enzim dengan penambahan pH ini diharapkan dapat dikembangkan lebih lanjut dengan fokus pada jenis enzim dan analit yang spesifik. Nilai parameter-parameter yang digunakan dalam penelitian ini dapat disempurnakan melalui studi literatur ataupun eksperimen untuk lebih mengoptimalkan model ini.

The mathematical model of a single enzyme-based biosensor with pH addition is based on a system of time-dependent diffusion and reaction equations that describe the mechanism of substrate and product reaction rates corresponding to the Michaelis-Menten catalyst reaction. The model is described through the form of partial differential equations, then the equations are converted into dimensionless form by reducing the parameters of the equations. The equation is solved using the explicit finite difference method and MATLAB software. The simulation results are validated through the mass conservation process in the substrate and product reactions. The numerical solution of this study can describe the substrate and product concentrations as well as the electric current response in the enzymatic layer when pH is added. Changes in the values of the parameters in the model can cause changes in the diffusion and reaction rate processes. The addition of pH in this simulation accelerates the substrate-product reaction rate and looks more closely at the peak of the generated electric current when the biosensor is working. This single enzyme-based biosensor model with pH addition is expected to be further developed with a focus on specific types of enzymes and analytes. The values of the parameters used in this research can be refined through literature studies or experiments to further optimize this model.