Sterilisationseigenschaften schmaler Schläuche durch Stickoxide, die in Luftplasma bei Atmosphärendruck erzeugt werden

May 25, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6947 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Sterilisationseigenschaften aktiver Spezies, die durch ein atmosphärisches Entladungsplasma mit dielektrischer Barriere unter Verwendung von Luft und Sauerstoff an der Innenoberfläche von Silikonschläuchen erzeugt werden, wurden untersucht. An einem Ende des Rohrs wurde eine dielektrische Barriere-Entladungsbrenner-Plasmavorrichtung installiert, die langlebige aktive Spezies erzeugte, die in das Rohr flossen. Am gegenüberliegenden Ende des 60-cm-Röhrchens wurde ein streifenförmiger biologischer Indikator mit einer 105-zelligen Bakterienspore platziert. Die Sterilisation wurde innerhalb von 30 Minuten durch aktive Partikel abgeschlossen, die aus dem Luftplasma erzeugt wurden. Die Hauptfaktoren, die zur Sterilisation durch Luftplasma beitrugen, waren HNO3 und N2O5. Wenn organische Materialien (Keratin, Asparaginsäure und Dipicolinsäure), die Bestandteile der Bakterienspore widerspiegeln, durch das Sterilisationsverfahren behandelt wurden, zeigte sich nur eine geringe Wirkung auf Dipicolinsäure. Keratin wurde durch Ozon und NOx oxidiert, die aus dem Sauerstoff- bzw. Luftplasma erzeugt wurden. Die Zusammensetzung von Asparaginsäure änderte sich kaum gegenüber dem aus dem Sauerstoffplasma erzeugten Ozon, wohingegen Nitro- (NO2), Nitroso- (NO) und Aldehydgruppen (CHO) aus Ozon und NOx gebildet wurden, die aus dem Luftplasma erzeugt wurden.

Die Sterilisation medizinischer Geräte ist ein wichtiger Vorgang in Krankenhäusern, der die Wiederverwendung der Geräte erleichtert. Medizinische Kunststoffschläuche haben eine lange und schmale Form und sind schwer zu sterilisieren. Aufgrund der häufigen Verwendung werden medizinische Schläuche in großen Mengen verbraucht. Obwohl es wünschenswert wäre, Schläuche zu sterilisieren und wiederzuverwenden, um die Gesundheitskosten zu senken, stehen keine wirksamen Sterilisationsmethoden zur Verfügung. Die Wiederverwendung medizinischer Geräte ist auch im Weltraum wichtig, wo die Menge der zu transportierenden Geräte begrenzt ist. Zu den derzeit in der medizinischen Praxis verwendeten Sterilisationsmethoden, die auf die Sterilisation von Schläuchen anwendbar sind, gehören die Sterilisation mit Ethylenoxidgas (EOG) und die Sterilisation mit Wasserstoffperoxid (H2O2). Diese Chemikalien sind jedoch giftig und relativ stabil und hinterlassen Rückstände, die sich nur schwer von schmalen Kunststoffschläuchen entfernen lassen1,2. Normalerweise dauert es etwa einen Tag, um EOG aus medizinischen Geräten nach der Sterilisation zu entfernen. Rückstände giftiger und/oder krebserregender Chemikalien können Patienten, Sterilisationspersonal und medizinisches Fachpersonal gefährden. Kürzlich wurden Plasmasterilisationsmethoden aufgrund ihres Potenzials für eine geringe Toxizität und kürzere Sterilisationszeiten untersucht2,3,4,5,6. Obwohl viele Plasmasterilisationsmethoden auf Kunststoffschläuche angewendet wurden, müssen wirksame Sterilisationsmethoden aufgrund von Hitze und Schäden am Schlauchmaterial noch entwickelt werden7,8,9,10.

Wenn eine elektrische Entladung in der Luft auftritt, entstehen Ozon (O3)11,12,13,14 und Stickoxide (NOx)15,16,17, wie Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Distickstoffpentoxid (N2O5). ), werden bei Atmosphärendruck erhalten. Es können auch kurzlebige Radikale wie NO3 und aus NOx und Ozon abgeleitete aktive Sauerstoffspezies entstehen. Diese Stickstoffspezies und aktiven Sauerstoffspezies sind hochreaktiv und werden zersetzt oder verändern Biomaterialien wie Proteine, Aminosäuren und DNA. Bemerkenswert ist, dass diese stabilen reaktiven Spezies in einem Plasma bei Raumtemperatur erzeugt werden. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Sterilisation mit Ozon und NOx zu einer thermischen Verschlechterung oder Oberflächenbeschädigung der Kunststoffschläuche führt.

In den letzten Jahren wurden Versuche unternommen, die Innenwand langer, schmaler Röhren mit Sauerstoffplasmen zu sterilisieren10; Allerdings erforderten diese Ansätze lange Verarbeitungszeiten. Durch die Kombination eines Sauerstoffplasmas mit Bestrahlung mit ultraviolettem (UV) Licht wurde eine Sterilisierung der Innenwände langer, schmaler Röhren in relativ kurzer Zeit erreicht. Allerdings kann jede Behinderung der UV-Lichtquelle diesen Sterilisationsansatz einschränken. In dieser Studie wurde die Sterilisation schmaler Rohre auf der Grundlage langlebiger aktiver Spezies untersucht, die aus einem atmosphärischen dielektrischen Barrierenentladungsbrennerplasma (DBD) unter Verwendung von Sauerstoffgas und Luft als Speisegase erzeugt wurden. Es wurden die Auswirkungen der Plasmasterilisation auf organische Materialien einschließlich Bakteriensporen untersucht. Diese Forschung zeigt, dass sowohl die Sterilisation der Innenwand eines langen, schmalen Rohrs mit ausreichender Länge für medizinische Zwecke und ausreichender Materialkompatibilität durch das Plasma unter Verwendung von Sauerstoffgas und Luft erreicht werden kann, als auch die Partikelarten untersucht wurden, die zur Sterilisation beitragen. Die erzielten Ergebnisse werden wesentlich zur Demonstration einer Methode zur Sterilisation der Innenwand eines langen, schmalen Rohrs beitragen.

Abbildung 1a und b zeigen das schematische Diagramm der Versuchsapparatur bzw. das Foto der DBD-Brennerplasmavorrichtung. Das Brennerplasmagerät mit dielektrischer Barrierenentladung (DBD) für die Plasmaerzeugung wurde am Ende des zu sterilisierenden Probensilikonschlauchs installiert. Das Keramikrohr für die Plasmaerzeugung des DBD-Brenners hat einen Außendurchmesser von ϕ 3,0, einen Innendurchmesser von ϕ 3,0 und eine Länge von 100 mm. Ein rostfreies Netz mit 50 Maschen/Zoll und einer Dicke von 0,23 mm ist auf die Innenfläche des Keramikrohrs als Entladungselektrode gewickelt. Wenn eine Hochspannung und eine Hochfrequenz an eine Netzelektrode im Inneren des Keramikrohrs angelegt wurden, kam es zu einer DBD um die Netzelektrode herum, wie in Abb. 1c dargestellt. In der Nähe der Maschenelektrode wird eine Lichtemission durch die Entladung beobachtet. Die in dieser Studie verwendete Spannungsquelle war ein kapazitiv gekoppeltes Wechselstrom-Hochspannungsnetzteil mit einer maximalen Ausgangsleistung von 100 W (Logy Electric, LHV-10AC). Die an die Elektroden angelegte Spannung betrug 8,1 kVpk-pk und die Frequenz der angelegten Spannung betrug 9,8 kHz. Die Einsatzgase für die Plasmaerzeugung waren Sauerstoffgas (99,99 % Reinheit) oder Umgebungsluft. Das Sauerstoffgas wurde aus einer Gasflasche zugeführt und mithilfe eines kleinen Luftkompressors wurde Umgebungsluft in den Plasmabrenner und den Probensilikonschlauch eingeleitet. Die Gasdurchflussrate wurde bei 0,4 l/min gehalten. Durch Einleiten von Sauerstoffgas oder Luft in das DBD-Brennerplasmagerät wurden aktive Spezies im Luft- und Sauerstoffplasma erzeugt. Die aktiven Spezies strömten unter dem Gasstrom aus dem DBD-Brennerplasmagerät, wurden in den Probensilikonschlauch transportiert und sterilisierten dessen Innenfläche. Wenn Umgebungsluft für die Plasmaerzeugung verwendet wird und die Luftfeuchtigkeit nicht kontrolliert wird, neigt Wasser, das im Keramikdielektrikum der Barrierenentladungselektrode absorbiert wird, im Allgemeinen dazu, die Entladung zu löschen oder abzuschwächen. Das für die Oberflächenbarrierenentladung verwendete keramische Dielektrikum wird durch die Kollision hochenergetischer Partikel während der Entladung effektiv erhitzt, und das Wasser im Dielektrikum verdampft einige Minuten nach Beginn der Entladung18. Danach erholt sich der Ausfluss in feuchter Luft und entspricht nahezu dem Ausfluss in trockener Luft19. In diesem Experiment beginnt der Sterilisationsprozess nach einer 30-minütigen Aufwärmphase nach Beginn der Entladung.

Schematische Darstellung der Versuchsapparatur (a), ein Foto der DBD-Brenner-Plasmavorrichtung (b) und eine axiale Ansicht des Plasmas im Inneren des Keramikrohrs (c).

Um aktive Spezies zu identifizieren, die für die mikrobielle Inaktivierung verantwortlich sind, wurden die Zusammensetzungen der aktiven Spezies im Abgasstrom des Probensilikonschlauchs untersucht. Die Konzentrationen von O3 und NO2, bei denen es sich um relativ langlebige Spezies handelt, die im aus dem Luftplasma erzeugten Gasstrom enthalten sind, wurden mit Gasdetektionsröhrchen gemessen. Andere Gasarten in der Strömung wurden mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) analysiert. FTIR-Spektren wurden für den Gasfluss durch die Plasmaquelle (Brenner), für den zu sterilisierenden Silikonschlauch und von einer angeschlossenen FTIR-Gaszelle gemessen. Das Gas floss mit einer Durchflussrate von etwa 0,4 l/min aus dem Silikonschlauch in die FTIR-Gasmesszelle (Kapazität 50 ml); Daher wurde das Gas in der Zelle innerhalb von 1 Minute ausgetauscht. Die zur Messung des FTIR-Spektrums benötigte Zeit betrug etwa 30 s. Daher betrug die zur Analyse des aus dem Rohr ausgestoßenen Gases erforderliche Zeit etwa 2 Minuten. Diese Zeit ist im Vergleich zu den Halbwertszeiten von HNO3 und N2O5 (beide mehrere Stunden) ausreichend kurz, so dass jegliche Zersetzung dieser Spezies vernachlässigbar war. Die Messungen wurden 10 Minuten nach Beginn der Plasmaerzeugung durchgeführt. Während des gesamten Sterilisationsprozesses wurde das Plasma konstant erzeugt und die Ozonkonzentration, die ungefähr proportional zur Dichte des erzeugten Plasmas ist, erreichte einen konstanten Wert. Daher blieben die Mengen der erzeugten Gasarten wie O3, NO2, HNO3 und N2O5 im Laufe der Zeit konstant. Die FTIR-Spektren wurden achtmal gemessen und ein Durchschnittswert ermittelt. Die Variation in den Spektren von O3, NO2, HNO3 und N2O5 betrug weniger als 1 %.

Sowohl in Luft- als auch in Sauerstoffplasmen sind aktive Sauerstoffspezies die Schlüsselkomponenten, die zur Sterilisation beitragen. Um die Mengen an aktiven Sauerstoffspezies am Ende des engen Probenrohrs zu messen, wurde ein chemischer Indikator (CI) zum Nachweis von atomarem Sauerstoff verwendet. Das CI war eine mit einem Phthalocyaninpigment beschichtete Folie, die je nach Kontaktgrad mit der aktiven Sauerstoffspezies von violett nach grün wechselte. Das CI wurde am Ziel in Abb. 1 platziert, wo Proben für die Sterilisationsbehandlung platziert wurden. Die Farbänderungsrate des CI zu Grün wurde als numerischer G-Wert (Grün) von einem Scanner basierend auf dem Farbmodell (RGB) bestimmt. Zur Quantifizierung der Menge an aktiven Sauerstoffspezies gibt ΔG den Unterschied der G-Werte vor und nach der Verarbeitung an. Es wurden Beziehungen zwischen der Rohrlänge und der Reichweite von aktivem Sauerstoff sowie Unterschiede zwischen Luft- und Sauerstoffplasmen ausgewertet.

Am Ende eines Probensilikonschlauchs mit einem Innendurchmesser von 4 mm wurde ein DBD-Brennerplasmagerät installiert. Um die Sterilisationseigenschaften dieser Methode zu bewerten, wurde ein streifenförmiger biologischer Indikator (BI) mit Bakteriensporen (G. stearothermophilus, etwa 105 Zellen) am Ende des Röhrchens gegenüber dem Plasmagerät platziert. Es wurden Bestrahlungszeiten im Bereich von 15 bis 180 Minuten untersucht. Für jede Bestrahlungsbedingung wurden drei BIs verwendet. Der behandelte BI wurde in tryptischer Sojabrühe bei 58 °C kultiviert. Die Wirksamkeit der Sterilisation wurde anhand der Farbänderung des pH-Indikators in der Kulturlösung nach 24-stündiger Kultivierung bestimmt. Der Abstand zwischen dem Plasmagerät und BI im Inneren der Röhre variierte zwischen 20 und 100 cm.

Um die Materialschädigung zu untersuchen, die durch die Bestrahlung mit den aus den Plasmen erzeugten aktiven Spezies verursacht wird, wurden Veränderungen der chemischen Bindungen auf der Oberfläche von Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylchlorid (PVC) und Silikon mittels ATR-FTIR gemessen. Variationen der Höhen typischer Peaks des FTIR-Spektrums jedes Materials wurden verwendet, um auf eine Zersetzung oder Modifikation der Oberflächenstruktur zu schließen. Die Geschwindigkeit der Zusammensetzungsänderung wurde durch Vergleich der Peakhöhen unbehandelter und sterilisierter Materialproben berechnet. Spektren wurden über den Wellenlängenbereich von 4000–500 cm−1 mit einer spektralen Auflösung von 2 cm−1 aufgezeichnet. Hintergrundspektren wurden in Umgebungsluft gemessen. Um Proben für Materialverträglichkeitsmessungen vorzubereiten, wurde ein PET- oder PVC-Streifen auf eine Breite von 4 mm zugeschnitten, in ein 60 cm langes Rohr an der gleichen Position wie der BI platziert und der Sterilisation unterzogen. Für die Silikonprobe wurde das Ende des behandelten 60-cm-Silikonschlauchs abgeschnitten, um ein Stück mit einer Breite von 2 mm zu erhalten. Diese Proben wurden 0, 2, 4, 8 und 10 Stunden lang sterilisiert.

Um strahlungsbedingte Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung von mit Bakteriensporen kontaminierten organischen Materialien zu untersuchen, wurden Proben mit reinen pulverförmigen Reagenzien (z. B. Keratin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Dipicolinsäure) hergestellt, die an Calciumfluoridplatten hafteten. Diese Chemikalien sind Bestandteile organischer Stoffe, die in Bakteriensporen enthalten sind. Diese organischen Proben wurden mit aktiven Spezies bestrahlt und Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Materialien wurden mittels FTIR gemessen. Wollkeratin wurde aufgrund seiner Ähnlichkeit mit den keratinähnlichen Proteinen bakterieller Sporen als Keratinreagenz ausgewählt20,21.

Um die in Plasmen erzeugten Partikel des Sterilisationsfaktors zu spezifizieren, wurden FTIR-Spektren des Abgases aus der Röhre gemessen. Beim Sauerstoffplasma wurde Ozon erzeugt und in das Probenröhrchen transportiert. Ozon zerfällt durch Autolyse in Sauerstoffmoleküle und eine aktive Sauerstoffspezies, Singulett-Sauerstoffatome O(1D). Die Sterilisation des langen, schmalen Rohrs, das dem Sauerstoffplasma ausgesetzt war, wurde hauptsächlich dem aus Ozon stammenden O(1D) zugeschrieben, das ein starkes Oxidationspotential und eine relativ lange Lebensdauer aufweist. Bei Luftplasma entstehen Stickoxide, die mit Ozon interagieren22. Peaks, die HNO3 bei 1325 cm-1, NO2 bei 1627 cm-1, N2O5 bei 1718 cm-1 und N2O bei 2210 und 2236 cm-1 zugeschrieben werden, wurden beobachtet, wie in Abb. 2 gezeigt. Die NO2-Konzentration wurde durch die Gasdetektion gemessen Die Konzentration in den Röhrchen betrug weniger als 25 ppm und NO wurde nicht nachgewiesen. Ozon wurde auch in den FTIR-Spektren bei etwa 1030 und 1055 cm−1 beobachtet. Die Ozonkonzentration in den Gasdetektionsrohren lag unabhängig von der Rohrlänge zwischen 100 und 280 ppm. Im Sauerstoffplasma lag die Ozonkonzentration zwischen 500 und 760 ppm. Daher trugen Ozon und NOx zur Sterilisation im Inneren des Schlauchs bei. Verbindungen mit relativ langer Lebensdauer und hoher Reaktivität, die aus Ozon und NOx erzeugt wurden, trugen zur Sterilisation bei.

Typisches IR-Spektrum von Abgasen, die aus Luftplasma erzeugt werden.

Um die Menge der im Probenröhrchen fließenden aktiven Sauerstoffspezies zu bestätigen, wurde die Beziehung zwischen der Bestrahlungsdauer und der Verfärbungsrate von CIs untersucht. In dieser Studie wurde angenommen, dass aus Ozon stammendes O(1D) die wichtigste aktive Sauerstoffspezies ist, die die Farbe des CI verändert. Wie in Abb. 3 gezeigt, nahm die Menge des aus dem Luftplasma stammenden O(1D) mit der Bestrahlungsdauer für etwa 60 Minuten zu und nahm danach über die Bestrahlungsdauer allmählicher zu. Außerdem hing die nachgewiesene Ozonmenge von der Rohrlänge ab, und der Unterschied in der Geschwindigkeit der Farbänderung lag zwischen 40–60 cm und 80–100 cm bei etwa 10 %. Die Mengen an aktiven Sauerstoffspezies wurden zwischen Sauerstoffplasma und Luftplasma verglichen. Wie in Abb. 4 dargestellt, wurde in einem Rohr mit einer Länge von 100 cm mehr O(1D) aus dem Sauerstoffplasma erzeugt als aus dem Luftplasma.

CI-Verfärbungsrate in Bezug auf Rohrlänge und Luftplasma-Behandlungszeit.

CI-Verfärbungsrate von Luftplasma und Sauerstoffplasma für ein Rohr von 100 cm.

Die Sterilisationseigenschaften der BIs wurden bewertet. Tabelle 1 zeigt die Sterilisationsergebnisse von BIs im Probenröhrchen mit einer Länge von 20 cm basierend auf Luft- und Sauerstoffplasmen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Im Fall des Sauerstoffplasmas war die Sterilisation des BI nur bei einer Probe erfolgreich, die der 30-minütigen Behandlung unterzogen wurde. Im Gegensatz dazu war die Sterilisation beim Luftplasma unter allen Bedingungen erfolgreich. Tabelle 2 zeigt Sterilisationsergebnisse mit Luftplasma für Röhrchen mit Längen von 40 bis 100 cm. Der 60 cm lange Schlauch wurde innerhalb von 30 Minuten durch Luftplasma vollständig sterilisiert. Obwohl es einige Schwankungen gab, folgte die Beziehung zwischen ΔG und der Sterilisationswahrscheinlichkeit des BI bei unterschiedlichen Röhrchenlängen einer ähnlichen Tendenz, wie in Abb. 4 und Tabelle 2 dargestellt. Daher können aktive Sauerstoffspezies, die das Ende des Probenröhrchens erreichten, auftreten auch in der Lage sein, eine Sterilisation herbeizuführen.

Die Ozondichte hing nicht von der Rohrlänge ab. Obwohl das Sauerstoffplasma eine hohe Ozondichte erzeugte, war die Sterilisationsrate des Sauerstoffplasmas viel geringer. Daher wurde der Unterschied in der Sterilisationsrate zwischen Luft- und Sauerstoffplasmen nicht allein durch die Ozondichte bestimmt. Darüber hinaus nahm die Ozondichte nicht ab, selbst wenn das Ozon das Ende des längeren Rohrs erreichte. Somit wurde der größte Teil des Ozons nicht dissoziiert und floss in Form von Ozon aus dem Rohr. Daher war die Dichte des durch Autolyse von Ozon in den Röhren gebildeten O(1D) relativ gering. Das O(1D) entsteht wahrscheinlich nicht durch die natürliche Selbstzersetzung von Ozon, sondern durch seine Wechselwirkungen mit reaktiven Oberflächen wie dem CI und Bakteriensporen im BI. Die Oxidationsreaktion verursachte wahrscheinlich eine Verfärbung des CI und eine Sterilisation des BI.

In diesem Experiment erzeugte das Luftplasma am Ende des 100-cm-Rohrs Ozon mit einer Konzentration von 100–280 ppm und eine geringere Menge an aktivem Sauerstoff als das Sauerstoffplasma, wie in Abb. 4 dargestellt. Laut früheren Studien kann eine Sterilisation von G. stearothermophilus durch Ozon bei einer Konzentration von 250 ppm und einer Behandlungsdauer von 100 Minuten erreicht werden23. Wenn also Ozon der einzige Faktor ist, der zur Sterilisation im Luftplasma beiträgt, wären für eine vollständige Sterilisation mehr als 100 Minuten erforderlich. Daher waren Ozon und O(1D) nicht die einzigen Faktoren, die zur Sterilisation beitrugen. In einer anderen Studie wurde berichtet, dass NO2 bei 5.000 ppm Bakteriensporen innerhalb von 30 Minuten sterilisierte24. Da die NO2-Konzentration in diesem Experiment etwa 25 ppm betrug und deutlich niedriger war als in der oben genannten vorherigen Arbeit, kann gefolgert werden, dass NO2 keinen wesentlichen Beitrag zur Sterilisation leistete.

Der beobachtete Sterilisationseffekt des Luftplasmas war höher als der des Sauerstoffplasmas. Der Unterschied in den Sterilisationsraten des Luftplasmas und des Sauerstoffplasmas kann auf andere NOx-Spezies zurückgeführt werden. Abbildung 5 vergleicht die Spitzenhöhe jeder Komponente und die Erfolgsrate der Sterilisation für 60- und 100-cm-Röhrchen. Hinsichtlich des Ozons gab es keinen nennenswerten Unterschied zwischen den 60- und 100-cm-Röhren, was mit der Tatsache übereinstimmt, dass sich die Ozonkonzentration über die Röhrenlänge nicht veränderte. Umgekehrt waren die NOx-Spitzen bei den 60-cm-Röhren höher als bei den 100-cm-Röhren. Daher dürften die Mengen an HNO3 und N2O5, die nicht von den Prüfröhrchen gemessen wurden, für das 60-cm-Röhrchen höher sein. HNO3 ist stark oxidierend und kann als Sterilisationsfaktor wirken. N2O ist bekanntermaßen sehr reaktionsträge und hat eine lange Lebensdauer an der Luft. Darüber hinaus zersetzt sich N2O in der Stratosphäre, wie die folgenden Gleichungen zeigen25.

Zusammenhänge zwischen der Absorption von Gaskomponenten und der Sterilisationsrate durch Luftplasma und Rohrlänge.

Da NO weder im Prüfröhrchen noch im FTIR beobachtet wurde, war es unwahrscheinlich, dass die Zersetzung von N2O eine Rolle bei der Sterilisation spielte oder dass N2O in dieser Studie mit den sterilisierten Objekten reagierte. N2O5 hängt mit NO3 zusammen, wie in den Gleichungen gezeigt. (6)–(9). NO3 ist stark oxidierend und ein instabiles und hochreaktives Molekül; Allerdings besitzt es kein ungepaartes Elektron und seine Reaktivität ist nicht so hoch wie die eines OH-Radikals. Daher ist es denkbar, dass NO3 eine längere Lebensdauer als Ionen oder atomarer Sauerstoff hat und daher das Probenröhrchen passiert. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Reaktion von NOx und Ozon im Gasstrom aus dem Luftplasma sofort NO3 um den BI herum erzeugt und das NO3 durch Oxidation und/oder Nitrierung auf Bakterien einwirken kann. Reaktion (9) bezieht sich auf die thermische Zersetzung, die unter 40 °C eine Zersetzungsrate von weniger als 12 % aufweist26. Unter den Versuchsbedingungen befand sich im Gleichgewicht mit der Anwesenheit von N2O5 eine kleine Menge NO3. Daher kann davon ausgegangen werden, dass NO3 in dieser Studie zur Sterilisation des Röhrchens beiträgt.

Darüber hinaus wurde geschätzt, dass die folgenden gasförmigen Komponenten sekundär aus dem durch FTIR qualitativ analysierten aktiven Gas gebildet werden. Wie in Abb. 2 gezeigt, gehörten zu den aktiven Spezies Wasser, und es wurde angenommen, dass die Reaktionsprodukte NO3, O3, HNO3, N2O5, NO2 und H2O sekundär aktive Gaskomponenten mit sterilisierender Wirkung erzeugen, die in FTIR-Spektren nicht beobachtet wurden. Möglicherweise befand sich auch Wasser in flüssigem Zustand im Luftstrom aufgrund von Kondensation, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem Austrittsbereich (ca. 60 °C) und dem Rohr (ca. 25 °C) verursacht wurde. Daher könnte angenommen werden, dass aktive Spezies, die durch chemische Reaktionen mit Wasser im flüssigen Zustand (l, aq) entstehen, zusätzlich zu den Gaskomponenten auch als Sterilisationsfaktoren wirken, wie in Reaktion (10)–(14)14,27, ( 15)–(20)28 und (21)–(23)29. Unter den potenziell aktiven Spezies ist Peroxynitrit (ONOO−) in der Lage, nitrosiert zu werden (d. h. eine Addition von NO-Gruppen einzugehen), SH-Gruppen zu oxidieren, NH2-Gruppen zu nitrosieren (d. h. Umwandlung von NH2 in NO), bakterielle Proteine ​​zu oxidieren usw Lipide, Oxidation und Nitrosierung von DNA-Komponenten und Schädigung der DNA durch Wasserstoffentzug aus Ribosomen30,31. Nitrit (HONO) hat ähnliche Auswirkungen auf organische Materialien wie HNO332, was darauf hindeutet, dass ONOO− und HONO möglicherweise sterilisierende Faktoren sind.

Aus H2O2 von (14),

Durch den Sterilisationsprozess wurden die Probenröhrchen aktiven Spezies im Luftplasma wie atomarem Sauerstoff und Stickoxiden ausgesetzt. Daher muss die Materialverträglichkeit dieser reaktiven Spezies bestätigt werden. Bei keinem Material wurde eine optische Verschlechterung aufgrund der Sterilisationsbehandlung beobachtet; Daher wurde die chemische Bindung der Materialoberfläche auch mittels FTIR-Spektroskopie untersucht. Die Behandlung von PET mit aktiven Spezies im Luftplasma führte zu maximalen Veränderungen, einschließlich einer C-H-Änderung von -6,8 % für den Benzolring (722 cm−1) und + 18 % für die C–H-Gruppe (Methylengruppe, 2967 cm). −1) nach 2–8 h Behandlung. Nach 10 Stunden stiegen die Prozentsätze von C–O–C (+ 2,6 %) und C=O (+ 8,2 %) mit der Oxidation. Die Behandlung von PVC führte nach 2–10 Stunden Behandlung zu einer Abnahme von C–Cl und C–H. Die maximalen Änderungen betrugen für C–Cl: − 12 % und C–H: − 17 %. Das AC=O-Merkmal zeigte eine maximale Abnahme von –21 % nach 6-stündiger Behandlung und einen Anstieg von +3,8 % aufgrund der Oxidation nach 8-stündiger Behandlung. Die Behandlung von Silikonschläuchen führte bei allen Komponenten [C–H, Si–O–Si, Si–C (786 cm–1), Si–C (1258 cm–1)] mit Ausnahme von C–H zu Veränderungen innerhalb von 5 %. die nach der 2-stündigen Behandlung um + 5,8 % zunahm.

Um den Inaktivierungsmechanismus der Bakteriensporen in langen, schmalen Röhren zu untersuchen, wurden Sauerstoff- und Luftplasmen verwendet, die durch die atmosphärische Barrierenentladung erzeugt werden. Eine der Möglichkeiten des Inaktivierungsmechanismus ist die Zerstörung der Oberfläche der Bakterienspore33,34,35. Daher wurden die Zersetzungseigenschaften des Materials der bakteriellen Sporenhülle untersucht. Die Hauptzusammensetzung der Sporenhülle von Bakteriensporen besteht aus Keratin, Asparaginsäure, Glutaminsäure und Dipicolinsäure35,36. In diesem Experiment wurde die chemische Zusammensetzung dieser Materialien nach der Bestrahlung mit dem Sauerstoff- oder Luftplasma anhand der IR-Spektren analysiert.

Abbildung 6 zeigt FTIR-Spektren von Keratin, das mit aktiven Spezies aus dem Luftplasma und dem Sauerstoffplasma behandelt wurde. Aktive Spezies aus Luft- und Sauerstoffplasmen erzeugten SO2- und N=O-Dimere in Keratinproben. In den Spektren der mit Luftplasma behandelten Proben gab es eine Abnahme der Amid- und NH3+-Peaks von Salzbrücken (d. h. zwei Aminosäuren, die durch COOH/COO−- und NH2/NH3+-Wechselwirkungen einen ionischen Komplex bilden). Somit wurden Salzbrücken oxidiert und die Die Anzahl dieser Bindungen nahm ab, was möglicherweise die Steifigkeit des Keratins verringert hat. Die Peaks bei 1290–1320 cm−1 können SO2-N und N=O zugeordnet werden. Abbildung 7a,b zeigen eine erweiterte Ansicht der in Abb. gezeigten Ergebnisse . 6. Sowohl Luft- als auch Sauerstoffplasmen erzeugten SO2-, CHO- und Keton (C=O)-Merkmale, die die oxidierende Wirkung von Ozon bestätigen. Im Fall des Luftplasmas könnte HNO3 auch zur Oxidation von Keratin beitragen.

FTIR-Spektrum von mit aktiven Spezies behandeltem Wollkeratin.

(a) FTIR-Spektrum von Wollkeratin, behandelt mit aktiven Spezies, im Bereich von 1050–1200 cm−1 und (b) im Bereich von 1690–1750 cm−1.

Abbildung 8 zeigt FTIR-Spektren von Asparaginsäure, behandelt mit aktiven Spezies aus Luftplasma und Sauerstoffplasma. Nach der Behandlung mit Sauerstoffplasma waren die FTIR-Ergebnisse denen der unbehandelten Probe ähnlich. Die Peaks im N-H-Bereich waren aufgrund der Oxidation durch Ozon leicht verringert. Umgekehrt unterschied sich das Spektrum der mit dem Luftplasma behandelten Probe deutlich von dem der unbehandelten Probe, und es traten neue Merkmale bei den Aldehydderivaten C=O, Nitrit (ONO) und N=O auf, während C–H und N –H-Peaks wurden reduziert. Die Ergebnisse für das Luft- und das Sauerstoffplasma deuten darauf hin, dass Asparaginsäure besonders anfällig für eine Denaturierung durch Stickoxide war, die aus dem Luftplasma stammen. Daher war es wahrscheinlich, dass C–H und N–H zu C=O und N=O oxidiert wurden. Darüber hinaus wurde in den Ergebnissen nur für das Luftplasma ein neuer C=O-Peak beobachtet, der durch Oxidation erzeugt wurde. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die kombinierte Oxidationskapazität von NOx, das durch Luftplasma und aktive Spezies wie ONOO– erzeugt wird, sekundär aus NOx entsteht, das der Ozonoxidation von Sauerstoffplasma hinzugefügt wird. Daher kann die durch das Luftplasma bewirkte hochwirksame Sterilisation möglicherweise auf die Denaturierung der Zusammensetzung organischer Materialien durch Oxidation zurückzuführen sein, die durch NOx und aktive Spezies, die zwischen Ozon und NOx erzeugt werden, vermittelt wird.

FTIR-Spektren von mit aktiven Spezies behandelter Asparaginsäure.

Abbildung 9 zeigt das FTIR-Spektrum von Glutaminsäure, behandelt mit aktiven Spezies, die aus Luftplasma und Sauerstoffplasma erzeugt wurden. Die Peak-Positionen unbehandelter Proben und derjenigen, die dem Sauerstoffplasma ausgesetzt waren, waren nahezu identisch. Die Ergebnisse für Glutaminsäure und Asparaginsäure waren aufgrund ihrer ähnlichen Strukturen ähnlich. Somit waren die Auswirkungen von Ozon aus dem Sauerstoffplasma auf Glutaminsäure begrenzt. Umgekehrt wurden im Fall des Luftplasmas N=O- und Aldehyd-abgeleitete C=O-Peaks identifiziert. Diese Merkmale werden auf die Oxidation von NH2 und CH zurückgeführt.

FTIR-Spektren von mit aktiven Spezies behandelter Glutaminsäure.

Abbildung 10 zeigt die FTIR-Spektren von Dipicolinsäure, behandelt mit aktiven Partikeln aus Luft und Sauerstoffplasma. Es gab kaum Unterschiede in den Spektralpeaks zwischen den unbehandelten Proben und denen, die Luft- und Sauerstoffplasmen ausgesetzt waren. In den unbehandelten und dem Sauerstoffplasma ausgesetzten Proben traten Wasserdampfpeaks bei 1300–2000 cm−1 auf; Diese Spitzen wurden jedoch auf externe Kontamination im Zusammenhang mit den Instrumenten zurückgeführt. Da Dipicolinsäure durch die Sterilisationsbehandlung nicht denaturiert wurde, steht Dipicolinsäure möglicherweise nicht in direktem Zusammenhang mit den Desinfektionsprozessen.

FTIR-Spektren von Dipicolinsäure, behandelt mit aktiven Spezies.

Unter Verwendung einer DBD-Fackelplasmaquelle mit Sauerstoffgas und Luft wurde das Innere eines Rohrs mit 4 mm Durchmesser und 60 cm Länge in 30 Minuten sterilisiert. Ozon und NOx wurden durch FTIR identifiziert und HNO3 und N2O5 erwiesen sich als wirksame aktive Spezies für die Sterilisation langer, schmaler Schläuche. Die Sterilisationsmethode in dieser Studie sterilisierte Silikonschläuche effektiv mit minimaler Materialverschlechterung. Die Ergebnisse der Behandlung mit aktiven Spezies von organischen Materialien (Keratin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Dipicolinsäure), die Bakteriensporen umfassen, waren wie folgt. Keratin zeigte Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung sowohl durch Ozon nur aus Sauerstoffplasma als auch durch Ozon und NOx aus Luftplasmabehandlungen. Bei anderen organischen Materialien führte Ozon zu einer minimalen Änderung der Zusammensetzung, während Ozon und NOx die Zusammensetzung von Asparaginsäure und Glutaminsäure veränderten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine hohe Sterilisationsleistung von aus Luftplasma gewonnenen aktiven Gasen möglicherweise auf starke denaturierende Wirkungen der Gasmischungen aus Ozon und NOx auf die chemische Zusammensetzung organischer Materialien zurückzuführen ist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom Space Exploration Innovation Hub Center (TansaX) der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) unterstützt.

Interdisziplinäre Graduiertenschule für Ingenieurwissenschaften, Abteilung für fortgeschrittene Energietechnik, Kyushu-Universität, Fukuoka, 816-8580, Japan

Reona Muto & Nobuya Hayashi

Internationales Forschungszentrum für Weltraum- und Planetenumweltwissenschaften, Kyushu-Universität, Fukuoka, 819-0395, Japan

Nobuya Hayashi

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RM konzipierte die Idee der Studie, führte die Experimente durch und verfasste das Manuskript. NH hat die grundlegende Konzeption dieser Studie erstellt und die Durchführung dieser Studie überwacht. Beide Autoren diskutierten und redigierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Nobuya Hayashi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Muto, R., Hayashi, N. Sterilisationseigenschaften von schmalen Schläuchen durch Stickoxide, die in Luftplasma bei Atmosphärendruck erzeugt werden. Sci Rep 13, 6947 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34243-3

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Eingegangen: 18. Februar 2023

Angenommen: 26. April 2023

Veröffentlicht: 28. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34243-3

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