Effiziente Deaktivierung aerosolisierter Krankheitserreger mithilfe einer dielektrischen Barriereentladung auf Basis von Kälte

Jun 13, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10295 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Luftverschmutzung ist laut WHO eines der fünf größten Risiken für chronische Krankheiten, und Infektionen durch über die Luft übertragene Krankheitserreger stellen in der heutigen Zeit eine große Herausforderung dar. Langlebige Krankheitserreger und kleine Aerosole werden von den verfügbaren Raumluftreinigern nicht wirksam bekämpft. In dieser Arbeit wird über ein tragbares Kaltplasma-Reinigungsgerät in Umgebungen auf Basis der dielektrischen Barrierenentladung (DBD) berichtet und dessen Desinfektionseffizienz in Innenräumen mit einer Größe von bis zu 3 × 2,4 × 2,4 m3 analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Deaktivierungseffizienz der Gesamtkeimzahl (TMCs) und der Gesamtpilzzahl (TFCs) bei 90-minütigem Dauerbetrieb des Geräts bei den optimierten Parametern mehr als 99 % beträgt. Die vollständige Inaktivierung von MS2-Phagen und Escherichia coli-Bakterien mit einer Reduzierung um mehr als 5 log (99,999 %) wurde auch in 30 Minuten und 90 Minuten Betrieb des Geräts in einer geschlossenen Umgebung erreicht. Das Gerät ist in der Lage, negative Ionen, die überwiegend von natürlichen Plasmawaschmitteln dominiert werden, sowie positive Ionen in einer naturähnlichen Umgebung zu erzeugen. Das Gerät besteht aus einer koaxialen Plasmaquelle mit DBD-Geometrie und einer speziell entwickelten Drahtgeflechtelektrode aus Weichstahl mit einer Dicke von 1 mm. Für eine effiziente Luftreinigung entfällt der Bedarf an Speisegas, Pellets und/oder Differenzdruck aus der DBD-Entladungsquelle. Der entscheidende Vorteil besteht darin, dass negative Ionen durchschnittlich länger als 25 Sekunden vorhanden sind und auch langlebige Krankheitserreger und kleine Aerosole deaktiviert werden können.

In der heutigen Zeit führen durch die Luft übertragene Krankheitserreger zu Krankheiten mit erheblicher Morbidität und Mortalität1. Fast jedes Jahr tritt ein neues Bakterium oder Virus mit Grippecharakter auf, das eine Epidemie oder Pandemie von Krankheiten auslöst2. Neben der Übertragung von Mensch zu Mensch können in stark überfüllten und geschlossenen Innenräumen wie Gesundheitseinrichtungen, Schulen, Hochschulen, Universitäten, großen Einkaufszentren, Geschäftsgebäuden und öffentlichen Gebäuden von Menschen ausgeschiedene Krankheitserreger in Innenräumen durch Erhitzen weiter übertragen und verbreitet werden , Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) und kann zu Kreuzinfektionen führen. Diese Angst führte weltweit zu einem Lockdown und die Infektionen aufgrund des SARS-CoV-2-Virus beeinträchtigten die Arbeitsproduktivität enorm3. Im Allgemeinen verbringen Menschen 70–90 % ihrer Zeit in Innenräumen4. Die Luftqualität in Innenräumen (IAQ) ist für die persönliche Gesundheitssicherheit sehr wichtig, da die Luft im Allgemeinen zwei- bis fünfmal oder sogar stärker verschmutzt ist als die Außenluft5. Viele Forscher haben an verschiedenen Methoden gearbeitet, um das Risiko mikrobieller Infektionen in Innenräumen zu verringern und die Raumluftqualität zu verbessern6,7,8,9,10,11.

Eine der bekannten Techniken ist die chemische Desinfektion, bei der Ethanol (C2H5OH), Wasserstoffperoxid (H2O2) oder ein Desinfektionsmittel12 zum Einsatz kommt. Mikroorganismen können eliminiert werden, sobald sie direkt mit diesen Chemikalien in Kontakt kommen. Allerdings ist es schwierig, mit dieser Methode ein großes Volumen zu dekontaminieren. Bei einer anderen Desinfektionsmethode werden Gase wie Ethylenoxid (C2H4O) oder Ozon (O3) verwendet, um mikrobielle Infektionen zu verhindern13,14. Bei diesen Methoden erfolgt die Sterilisation gleichmäßig über das gesamte behandelte Volumen, es ist jedoch wichtig, den Bereich zu isolieren und ein geeignetes Absaugsystem einzurichten. Hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA) werden auch zur Entfernung von Staubpartikeln und in der Luft befindlichen Mikroorganismen aus Innenräumen eingesetzt15,16. HEPA-Filter deaktivieren jedoch keine Mikroorganismen, sind nicht in der Lage, kleine Aerosole zu filtern und können auch Druckverluste in Klimaanlagen verursachen. Die Forscher sind dann zu ultravioletten (UV) und UV-basierten Photokatalysemethoden übergegangen, die für die Reduzierung von Mikroben und die Luftreinigung in Innenräumen vielversprechend sind17,18. Allerdings erfordert der UV-basierte Ansatz eine lange Sterilisationszeit19, ist bei niedrigeren Schadstoffkonzentrationen nicht effektiv20 und auch der Umgang mit UV-Licht an öffentlichen Orten ist eine ziemliche Herausforderung21. Daher ist die Entwicklung von Kontrollstrategien für innovative Lösungen zur effizienten Desinfektion luftübertragener Krankheitserreger für eine breite Anwendung bei geringeren Kosten das Gebot der Stunde.

In jüngster Zeit ist eine nicht-thermische Plasmatechnologie (NTP) entstanden, die vor allem für die Sterilisation und Raumluftreinigung untersucht wurde22,23,24. Im NTP werden hochenergetische Elektronen (1–10 eV) erzeugt und die Hintergrundgase bleiben nahe der Raumtemperatur, was auch als kaltes Plasma25 bezeichnet wird. Die Hauptfaktoren, die die antimikrobielle Wirkung von NTP beeinflussen, sind lokalisierte elektrische Felder, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und geladene Teilchen (positive und negative Ionen)26. Dementsprechend wurde durch einen DBD-NTP-Rektor mit einer sehr hohen Luftströmungsrate (25 l/s) und einer sehr kurzen Dauer der Plasmaexposition eine Reduzierung um 1,5 log (97 %) bei kultivierbaren E. coli erreicht27. Die vom Reaktor erzeugte Ozonkonzentration betrug etwa 28 ppm, was gemäß den Standards internationaler Gesundheitsbehörden sehr hoch ist28. Der zulässige Ozonwert beträgt nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) 0,05 ppm für 8 Stunden Exposition, nach Angaben der Arbeitsschutzbehörde (OSHA) 0,1 ppm für 8 Stunden pro Tag und 5 Tage pro Woche und laut National Institute Der Grenzwert für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz (NIOSH) beträgt ≤ 0,1 ppm und darf zu keinem Zeitpunkt überschritten werden. Diese Daten ergaben, dass der zulässige Ozonwert bei einer 8-stündigen Exposition am Arbeitsplatz bei etwa 0,1 ppm liegt29. Eine andere Studie zeigte eine Inaktivierung von Bakterien zu > 95 % und bei Pilzarten mit einer DBD-Quelle zu etwa 85–98 %30. Sie erzeugten Plasma mit einer Spannung und Frequenz von 14 kV bzw. 10 kHz und einem Luftdurchsatz von 28,3 l/min.

Eine von Nishikawa et al.31 durchgeführte Studie hat die Wirkung von negativ und positiv geladenen Ionen, die durch DBD-NTP-Plasma bei Umgebungsdruck erzeugt werden, auf Klebsiella coli gezeigt. Zur Erzeugung der Entladung verwendeten sie eine Wechselstromquelle und erreichten durch 60-minütigen Betrieb des Geräts eine maximale Deaktivierungseffizienz von 82 %. Wu et al.32 zeigten, dass von Luftionisierern erzeugte negative Luftionen zur Zersetzung verschiedener flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) verwendet werden können. Sie gingen davon aus, dass die Reaktion zwischen negativen Luftionen und den VOCs langwierig und kompliziert ist. Daher sind Plasmaionisatoren, die nur negative Luftionen erzeugen können, bei Luftreinigungsanwendungen nicht sehr effektiv. In einer anderen Studie wurde argumentiert, dass negative Luftionen zur Reinigung der Raumluft, insbesondere zur Reduzierung der Feinstaubkonzentration (PM), genutzt werden können33. Sie kamen zu dem Schluss, dass keine Daten aus der verfügbaren Literatur die schädliche Wirkung negativer Luftionen auf Menschen/Tiere belegen, wenn diese in kontrollierter Konzentration produziert werden. Im Allgemeinen erzeugt NTP schädliche Nebenprodukte, insbesondere Ozon, die potenziell schädlicher für die menschliche Gesundheit sind als die behandelten Schadstoffe34.

Der Faktor, der die antimikrobielle Wirkung von NTP beeinflusst, sind die negativen Luftionen22. Hydroxylradikale (\(\cdot {\text{OH}}\)) (oder ihre geladenen negativen Ionen) sind in der Luft weitaus wirksamer bei der Oxidation und Entfernung von Schadstoffen als andere Desinfektionsmittel35. Sie sind um ein Vielfaches keimtötender und fungizider als andere Desinfektionsmittel (wie Alkali, Chlor, Alkali-Alkohol-Amin usw.), was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Zerstörung schädlicher Bakterien und Viren in Innenräumen macht36. Im Vergleich zu anderen chemischen Desinfektionsmitteln können aus Plasma erzeugtes \(\cdot {\text{OH}}\) (und negative Ionen) verschiedene Vorteile haben: (1) Aufgrund ihres hohen Oxidationspotentials (2,8 V) können sie jegliche Krankheitserreger eliminieren Mikroorganismen in geringen tödlichen Dosen; Diese Eigenschaft wird als Abwesenheit von Selektivität bezeichnet37. (2) Die Reaktionsgeschwindigkeit von \(\cdot {\text{OH}}\) ist um ein Vielfaches höher als die anderer Oxidationsmittel wie Ozon, Chlor usw.38 (3) Sie gelten als natürliche Reinigungsmittel oder „Öko“. -Oxidationsmittel“, da \(\cdot {\text{OH}}\) nach Abschluss der biologischen Reaktionen auf natürliche Weise in Wasser (H2O) und Sauerstoff (O2) zerfällt, ohne restliche Oxidationsmittel zurückzulassen39. Infolgedessen prägte der Nobelpreisträger Paul Crutzen den Begriff „Detergent of the Atmosphere“ für \(\cdot {\text{OH}}\) und OH-negative Ionen40. Martinez et al.41 zeigten die verschiedenen Szenarien, wie \(\cdot {\text{OH}}\) mit verschiedenen pathogenen Mikroorganismen und VOCs reagieren kann. Sie fanden heraus, dass die Wirksamkeit der Viruseliminierung je nach Luftfeuchtigkeitsbedingungen bei etwa 92–99 % lag. In einer anderen Studie führte der synergetische Effekt von \(\cdot {\text{OH}}\) und plasmageneriertem Ozon außerdem zu einer Rekord-Inaktivierung von aerosolisierten E. coli während des Fluges von 97 %42.

Es gibt eine Reihe getesteter Methoden zur Erzeugung von \(\cdot {\text{OH}}\) mithilfe von UV-Licht und/oder Plasmen43,44. Das UV-Licht unterliegt Einschränkungen, da die Energie des Elektron-Loch-Paares begrenzt ist und das erzeugte \(\cdot {\text{OH}}\) lange vor (dh ~ 0,1 s) gelöscht wird45. Erst kürzlich wurden Hinweise auf die Zerstörung von Viren durch nicht-thermisches Nichtgleichgewichtsplasma (kaltes Plasma) ohne den Einsatz von UV-Strahlung gemeldet46. Sie diskutierten die NTP-Exposition gegenüber viralen Aerosolpartikeln in einem Luftstrom. Das kalte Plasma wurde in einem DBD-Reaktor mit gepacktem Bett erzeugt. Bei einer Spannung von 30 kV und einem Luftstrom von 170 Standardlitern pro Minute wurde im gesamten Reaktor eine Reduzierung des infektiösen Virus um mehr als 2,3 log erreicht. Die Erhöhung der Luftstromrate von 170 auf 330 l pro Minute hatte keine erkennbare Auswirkung auf die Virusinaktivierung. Im Festbettreaktor dienen die Elektronenstoßreaktionen als Hauptplasmachemie für die Luftschadstoffzersetzung47. Es wurden auch Plasmaentladungen ausprobiert, die \(\cdot {\text{OH}}\) erzeugen können48,49. Sie sind entweder teurer oder verbrauchen viel Energie (wie Gleitlichtbogen, durch Mikrowellen erzeugte kalte Plasmen, schnell gepulste Hochdruckentladungen usw.).

In diesem Artikel stellen wir ein Kaltplasma-Reinigungsgerät in einer Umgebung vor, das gleichzeitig positive und negative Ionen sowie \(\cdot {\text{OH}}\) erzeugt, um aerosolisierte pathogene Mikroorganismen in geschlossenen Innenräumen hocheffizient zu beseitigen. Das Gerät basiert auf dem Konzept des Surface Dielectric Barrier Discharge (SDBD)-Plasmas in Kombination mit einem TiO2-Metalloxid-Nanopartikel-Katalysator. Das entwickelte Verfahren zur Erzeugung positiver und negativer Ionen sowie des durch Plasma erzeugten \(\cdot {\text{OH}}\) ist deutlich überlegen, da diese durch energiereiche Elektronen erzeugt werden, die in der koaxialen DBD-Geometrie durch kaltes Plasma erzeugt werden. Ansonsten werden diese in den meisten Fällen separat hergestellt, beispielsweise werden \(\cdot {\text{OH}}\) im Allgemeinen durch herkömmliche Metalloxid-Nanokatalysatoren hergestellt, die in einem bekannten photokatalytischen Oxidationsprozess mit UV-Strahlen bestrahlt werden18. In unserem Fall sind wir aufgrund der hohen elektrostatischen Felder, die mit zufälliger Stärke im entwickelten Gerät erzeugt werden, in der Lage, gleichzeitig \(\cdot {\text{OH}}\) sowie positive und negative Ionen ähnlich wie Mutter Natur zu erzeugen. Darüber hinaus sind wir in der Lage, negative Luftionen im Durchschnitt mehr als 25 Sekunden lang aufrechtzuerhalten, was sehr nützlich wäre, um langlebige Krankheitserreger zu deaktivieren.

Bei dieser Art der Plasmaentladung übertragen die hochenergetischen Teilchen ihre Energie durch Kollision mit den mit Metalloxid beschichteten Oberflächen, und die Impulsform sowie die Elektrodengeometrie sorgen für die Kontrolle über die Konzentration der aktiven Ionen in der Umgebung. Darüber hinaus ist das entwickelte Gerät einfach zu konstruieren, kostengünstig und leicht. Die Effizienz der Gerätedesinfektion wurde für TMCs und TFCs sowie für aerosolisierte E. coli-Bakterien und MS2-Phagen in einer geschlossenen Innenumgebung analysiert. Die erzielten Ergebnisse werden im Hinblick auf die in der Umwelt erzeugten Kaltplasma-Reinigungsmittel und deren Wirksamkeit diskutiert.

Das Gerät besteht aus einer koaxialen DBD-Anordnung, wie in Abb. 1 dargestellt. Ein Aluminiumstab mit einer Länge von 95 mm fungiert als zentrale Hochspannungselektrode (oder Stromversorgungselektrode). Die geerdete Elektrode besteht aus Drahtgeflecht aus Weichstahl mit einer Dicke von 1 mm. Als dielektrische Barriere zwischen der gespeisten und der geerdeten Elektrode wird ein zylindrisches Glasrohr mit einem Außendurchmesser von 16 mm, einer Glasdicke von 1,85 mm und einer Länge von 100 mm verwendet. Der Aluminiumstab ist hermetisch im Glasrohr abgeschirmt und das Drahtgeflecht sitzt fest auf der Außenelektrode. Als Endkappe für Isolationszwecke wird eine Polytetrafluorethylen (PTFE)-Struktur mit einer Länge von 15 mm verwendet. Der Nanopartikelkatalysator aus Titandioxid (TiO2) wird mittels eines Tauchbeschichtungsverfahrens auf die äußere geerdete Elektrode aufgetragen, um eine starke Beschichtung zu erzielen. Die TiO2-Nanopartikel werden mit der Sol-Gel-Methode hergestellt und der Prozess ist in unserer früheren Arbeit21 beschrieben. Zunächst wurde die entworfene Außenelektrodenstruktur dem Reinigungsprozess und der Oberflächenvorbereitung unter Grundbedingungen unterzogen. Diese Reinigungsübung trug dazu bei, alle verbleibenden organischen und anderen Oberflächenverunreinigungen zu entfernen und so die Haftung der TiO2-Nanopartikel auf der Oberfläche der verwendeten Außenelektrode zu verbessern. Mit dem oben genannten Verfahren wurde dann eine gleichmäßige Beschichtung mit einer Dicke von ~ 0,9–1,1 μm erreicht, um elektrische Felder zufälliger Stärke aufrechtzuerhalten.

Schematische Darstellung des koaxialen DBD-Geräts.

Die Plasmaentladung wird bei Atmosphärendruck erzeugt, als Gasträger wird Umgebungsluft verwendet. Eine variable bipolare gepulste Stromversorgung (1–6 kV, 5–40 kHz PRF, 1 A und 2 µs Impulsbreite) wird verwendet, um eine Oberflächenentladung mit dielektrischer Barriere zu erzeugen. In dieser Geometrie ist durch die Oberflächenentladung eine zufällige lokale elektrische Felderzeugung möglich, die ansonsten bei der dielektrischen Volumenentladung mit viel komplexeren Bedingungen erzeugt wird50.

Das im Labor synthetisierte Pulver besteht aus TiO2-Nanopartikeln, sowohl in der Anatas- als auch in der Rutilphase, wobei Anatas die vorherrschende Phase ist. Abbildung 2a zeigt das Röntgenbeugungsmuster (XRD) des TiO2-Nanopulvers (3 Stunden lang bei 450 °C getempert), das verschiedene starke Beugungspeaks bei 2θ-Werten von 25,43° (101), 27,59° (101) und 36,13° zeigte (103), 38,01° (004), 41,43° (111), 48,47° (200), 54,29° (105) 55,11° (211), 56,71° (220), 63,04° (24), 68,89° (110) , 70,43° (220) und 75,31° (215), die gut mit der TiO2-Anatas- und Rutilphase übereinstimmen. Die durchschnittliche Kristallgröße der TiO2-Nanopartikel wird durch die Debye-Scherrer-Beziehung51 geschätzt und beträgt ~ 17 ± 2 nm, was die Nanopartikelbildung von TiO2 bestätigt. Diese Beugungsdaten stimmen mit ICDD PDF 03-065-5714 für Anatas-TiO2 und ICDD PDF 03-065-1118 für Rutil-TiO2 überein. Um die Korngröße und gleichmäßige Verteilung der vorbereiteten TiO2-Nanopartikel zu sehen, wird Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) verwendet. Abbildung 2b zeigt die stark vergrößerten Bilder einer synthetisierten TiO2-Pulverprobe, die auf die Masseelektrode aufgetragen wurde. Aus dem FESEM-Bild ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Korngröße von TiO2-Nanopartikeln etwa 12–15 nm beträgt, was mit den aus den XRD-Daten geschätzten Kristallitgrößen kompatibel ist. Das Porositätsnetzwerk kann auch im FESEM-Bild beobachtet werden, das sich auch besser für die Freisetzung reaktiver ionischer Spezies aus den inneren Nanopartikeln eignet.

Charakterisierung der TiO2-Nanopartikel, die mit der Sol-Gel-Methode synthetisiert und 3 Stunden lang bei 450 °C getempert wurden.

Für die elektrische Charakterisierung und Luftqualitätsanalyse wird ein Aufbau wie in Abb. 3 verwendet. Die angelegte Spannung wird mit einer Hochspannungssonde (P6015A, Tektronix) gemessen und der Entladestrom wird mit einem schnell reagierenden Stromwandler (Pearson 110, Tektronix) gemessen. Zur Visualisierung des Entladestroms und der angelegten Spannungswellenformen wird ein Vierkanal-Digitaloszilloskop (MDO 4014-3, Tektronix) verwendet. Während der Plasmaentladung werden kontinuierlich negative und positive Luftionen erzeugt, die mit einem Luftionenzähler (AIC2, AlphaLab, USA) gemessen werden. Ein tragbarer Ozonmonitor (ATS-101M, Applied Techno Systems) mit einer Genauigkeit von 1 ppb wurde separat mit dem Versuchsaufbau montiert, um die Echtzeitkonzentration des erzeugten Ozons zu messen. Zur Messung der verschiedenen Parameter für die Überwachung der Innenraumqualität werden auch Raumluftqualitätssonden (IQ-610, GrayWolf Sensing Solutions, Shelton, CT USA) und Giftgassonden (TG-501, GrayWolf Sensing Solutions, Shelton, CT USA) verwendet.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.

Die für Desinfektionsstudien verwendete Luftreinigungseinheit ist in Abb. 3 dargestellt. Das entwickelte Plasmagerät wird zur detaillierten Analyse in eine rechteckige Box aus Edelstahl (SS) gestellt. Die Abmessungen der SS-Box betragen 350 mm (L) × 150 mm (B) × 150 mm (H). Für eine kontinuierliche Luftzirkulation werden vier Löcher (Durchmesser 20 mm) in den Kasten gebohrt, wie in dieser Abbildung gezeigt, und am Ende wird ein Zentrifugalventilator angebracht, um die erzeugten Ionen im Raumklima zu verteilen. Der eingesetzte Radialventilator liefert Luft mit einem Volumenstrom von 225 m3/h.

Zur Beurteilung der mikrobiellen Inaktivierung wird die entwickelte Luftreinigungseinheit in einer Raumgröße von 3 × 2,4 × 2,4 m3 auf TMCs und TFCs mit und ohne Belüftung mithilfe eines Luftprobenehmers (HiMedia Laboratories, Indien) getestet. Bei TMCs- und TFCs-Messungen wurde für den Fall ohne Belüftung ein Raum mit einer Größe von 3 × 2,4 × 2,4 m3 vorbereitet. Es gab ein vernachlässigbares Leck im Raum. Es handelte sich um eine besondere Anordnung mit zwei Glasschiebefenstern in einer Raumgröße von 0,6 × 0,6 m2 und zentral öffnenden Türen in einem Spalt von 0,6 m an einer Seite der Wand dieses Raumes. Ansonsten war es luftdicht. Ein Glasfenster öffnet sich in den Raum hinein und das andere öffnet sich nach draußen in die Galerie. Der Luftkeimsammler wurde im Raum zwischen den Glasfenstern platziert und das Gerät 90 Minuten lang kontinuierlich im Raum betrieben. Der Luftkeimsammler wurde von außerhalb des Raums ferngesteuert und die Proben wurden manuell gesammelt, ohne der Außenumgebung am wenigsten ausgesetzt zu sein. Für den Lüftungsfall wird ein weiterer Büroraum der Größe 3 × 2,4 × 2,4 m3 ohne besondere Luftdichtheit genutzt. Die Lecks stammten ausschließlich vom Eingangstor und einem Fenster mit einer Größe von 0,9 × 0,9 m2, das geschlossen, aber nicht luftdicht war. Außerdem wurde die Raumtür alle 15 Minuten zur Probenentnahme geöffnet. Das Gerät wurde in der Mitte des Raumes aufgestellt und der Luftkeimsammler in einer Ecke des Raumes platziert. Diese Tests wurden durchgeführt, um das reale Szenario der Abbaueffizienz von TMCs und TFCs durch das entwickelte Gerät abzuschätzen. Die genaue Belüftungsrate konnte nicht gemessen werden.

Zur Messung der TMCs und TFCs wurden die Nähragarplatten (NA) für die TMCs-Analyse und Kartoffel-Dextrose-Agar (PDA) für die TFCs-Analyse verwendet. Die Platten wurden separat im mikrobiologischen Labor vorbereitet und zur Überprüfung der Kontamination 24 Stunden lang in einem geeigneten Inkubator aufbewahrt. TMCs, gemessen an der NA, zeigen die Gesamtzahl der in einer Probe vorhandenen Mikroorganismen an. In ähnlicher Weise zeigen TFCs, gemessen auf dem PDA, die Anzahl der in einer Probe vorhandenen Pilze an, die die Identifizierung lebensfähiger Hefe- und Schimmelpilzarten ermöglicht. Der Luftkeimsammler kann entsprechend den gewünschten Testeinstellungen mit zahlreichen Luftstrom-Probenahmeraten betrieben werden. Das Luftvolumen für die Probenahme betrug 1000 l. Der Luftkeimsammler wurde im Prüfraum platziert und vor Inbetriebnahme des Gerätes wurde mit dem Luftkeimsammler eine Luftprobenahme durchgeführt. Nach jedem Experiment wurden die zum Testen verwendeten Räume vor dem nächsten Versuch ausreichend äquilibriert. Die Kontrolldaten wurden für jede Versuchsreihe erfasst und die Ergebnisse entsprechend grafisch dargestellt. Für die Desinfektionsanalyse werden die folgenden Schritte befolgt:

Die NA- und PDA-Platten wurden vorbereitet und in den Luftkeimsammler gelegt, um eine Vielzahl nicht anspruchsvoller Mikroorganismen aus der Raumatmosphäre mit einer festen Probenahmerate von 1000 l zu kultivieren.

Für jede Testsequenz wurden Hintergrund-TMCs und TFCs vor dem Prototypenbetrieb abgetastet.

Die Proben wurden bei unterschiedlichen Expositionszeiten, dh 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90 und 120 Minuten, unter gleichen Testbedingungen gesammelt.

Die behandelten NA- und PDA-Platten wurden 48 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Nach Abschluss der Inkubationszeit werden die koloniebildenden Einheiten (KBE) mit dem herkömmlichen Ausplattierungsverfahren für jede Expositionszeit quantifiziert.

Die Gesamtreduzierung der KBE wurde anhand der Differenz zwischen der anfänglichen KBE-Konzentration vor dem Betrieb des Geräts und der endgültigen KBE-Konzentration nach der Plasmaexposition in verschiedenen Zeitintervallen geschätzt.

Bei einer weiteren Bewertung der Desinfektionseffizienz wird die entwickelte Luftreinigungseinheit in einer vorgereinigten geschlossenen Testkammer (0,6 × 0,6 × 0,6 m3) zusammen mit einem Aerosolerfassungsgerät, Temperatur- und Feuchtigkeitsmessgeräten sowie angeschlossenen Probenahme- und Injektionsanschlüssen getestet eine/gegenüberliegende Seite der Kammer, für die folgenden zwei Mikroorganismen, d. h. gramnegative Escherichia coli-Stäbchen (ATCC-Referenznr. 8739) und MS2-Phagen-Einzelstrang-RNA-Virus (ATCC-Referenznr. 15597 B1), die gezielt auf den Organismus gerichtet werden Kontrollebene. Der Wirt des Bakteriophagen MS2 war Escherichia coli. Alle Testorganismen werden vernebelt, um den Testbereich mithilfe eines extern betriebenen Zerstäubers mit den gewünschten Testorganismen zu beladen. Die Konzentrationen von E. coli und MS2-Phagen, die für die Aerosolisierung im Zerstäuber verwendet wurden, betrugen 6 × 109 KBE oder PFU/ml. Das insgesamt injizierte Volumen betrug 5 ml über einen Zeitraum von 5 Minuten. Man ließ die Aerosole eine Minute lang stabilisieren und danach wurde die Aerosolisierung gestoppt, was zu Test- und Kontrollzwecken beibehalten wurde. Das Gerät wird für verschiedene Zeitintervalle intermittierend nacheinander betrieben. Die aufgeladene Luft wurde nach aktivem Betrieb des Geräts mit einem AGI-Impinger und einem mehrstufigen aktiven Luftprobenehmer zur Zählung der Bakterien und des Virusüberlebens auf einem geeigneten Wachstumsmedium (mit Wirt im Falle der Viruszählung) für die Kultivierung eingefangen. Nach jedem Lauf wird die Testkammer mit einem Nebelgerät und einer Desinfektionslösung (SurOxyl) desinfiziert. Während der gesamten Analyse wird die Temperatur im Inneren der Kammer bei 25 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 60 % gehalten.

Zunächst wurden E. coli-Bakterien und MS2-Phagen in einem geeigneten Wachstumsmedium gezüchtet. E. coli-Kulturen wurden in TSB-Brühe inokuliert und 12–16 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Nach Erreichen der erforderlichen optischen Dichte (ca. 0,8 bei 560 nm) wurden Bakteriensuspensionszellen in PBS aus TSB-Brühe hergestellt. Die vorbereiteten Bakteriensuspensionen werden zur Aerosolisierung in der Kammer verwendet. In ähnlicher Weise werden Phagenplatten in Plaque-bildenden Einheiten (PFUs) für das Virus quantifiziert, und im Experiment wird eine Kultur mit einer geeigneten Wirtszelle verwendet. Nach dem Betrieb der Plasmaquelle in der Testkammer werden die Probenplatten 72 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Der natürliche Zerfall von E. coli- und MS2-Phagen-Mikroorganismen wurde in den hier gemeldeten Überlebensdaten angepasst.

Eine typische V-I-Kennlinie der oben beschriebenen koaxialen DBD-Quelle ist in Abb. 4 dargestellt. Die in das Plasma abgegebene elektrische Leistung wird aus den Wellenformen der angelegten Spannung (Ut) und des Entladungsstroms (it) unter Verwendung der folgenden Beziehung berechnet.

Dabei ist t die Periode der bipolaren Impulsspannung, Ep die pro Impuls verbrauchte Energie (Joule), f die Impulswiederholungsfrequenz (Hz) und P die Entladeleistung (W).

Typische V–I-Kennlinien der koaxialen DBD-Quelle bei 4 kV/20 kHz.

Die pro Impuls verbrauchte Energie wurde durch Integration der Leistung über die Impulsdauer geschätzt. Dies ergibt eine Pulsenergie von 1,65 × 10−4 Joule bei der angelegten Frequenz von 20 kHz mit einer angelegten Pulsspannung von 4 kV (Spitze) und einer Pulsbreite von 2 μsec. Dies führt zu einer durchschnittlichen elektrischen Leistungsaufnahme von 3,31 W in einem koaxialen DBD-Gerät mit einer Länge von 100 mm. Der Stromverbrauch dieses Geräts pro Lichtbogenlänge beträgt ca. 0,33 W/cm. Aus der V-I-Kurve kann die Elektronendichte mithilfe der folgenden Beziehung geschätzt werden:

Dabei ist J die Stromdichte, e die elektronische Ladung und µe die Elektronenmobilität, also 552 cm2/Vs im Fall von Stickstoff52. Die Elektronendichte beträgt bei den oben genannten Betriebsparametern ~ 1 × 109 Teilchen/cm3.

Es muss betont werden, dass bei niedriger Elektronendichte im Allgemeinen ein eher einfaches „Corona“-Gleichgewichtsmodell verwendet wird, um das Entladungsplasma spektroskopisch zu verstehen53. Im Koronamodell kommt es vor, dass alle Aufwärtsübergänge kollidierend und alle Abwärtsübergänge strahlend sind. Tatsächlich ist in einem Fall von Plasma niedriger Dichte (ne ≤ 1010 cm−3) die Wahrscheinlichkeit eines spontanen Zerfalls eines angeregten Atoms viel höher als die eines kollisionsbedingten Entvölkerungsprozesses. Daher kann leicht davon ausgegangen werden, dass

Alle Aufwärtsübergänge sind kollidierend

Alle Abwärtsübergänge sind strahlend

Dies kann nur passieren, wenn Übergänge überwiegend in den angeregten Zuständen, aber in der Nähe des Grundzustands stattfinden, was bedeutet, dass das Spektrum bei niedrigen Elektronendichten meist im sichtbaren Bereich liegt54. Darüber hinaus gelten diese Annahmen auch für ne ≥ 1010 cm−3, die Übergänge müssen jedoch sehr nahe am Grundzustand stattfinden. Ein solcher Übergang erzeugt ein Spektrum im extremen Ultraviolettbereich (EUV) und/oder Vakuumultraviolettbereich (VUV), was ein Beweis dafür ist, dass während der Entladung nahezu keine UV-Erzeugung erfolgt. Ein mit einem kalibrierten UV-C-Radiometer (UV-Sensor – HS15-U und UV-Monitor – HM-2) durchgeführter Test hat gezeigt, dass während der Entladung keine UV-C-Erzeugung erfolgt. Mit einem tragbaren Ozongasdetektor wurde auch die Ozonkonzentration rund um die Luftreinigungseinheit gemessen. Bei den oben genannten Betriebsparametern wurde festgestellt, dass sie 24 ppb beträgt, was innerhalb der zulässigen Expositionsgrenze (null) gemäß dem Center for Disease Control (CDC) liegt ) Richtlinien55.

Abbildung 5a,b zeigt die negativen und positiven Ionenkonzentrationen, die vom Luftionenzähler (AIC) des Geräts am Auslass der Luftreinigungseinheit für verschiedene Entladungsleistungen in einer geschlossenen Umgebung mit einer Größe von 3 × 2,4 × 2,4 m3 gemessen wurden. Positive und negative Ionen werden von den in der Luft vorhandenen Molekülen bei ihrer Ionisierung durch das an den Kontaktstellen der Außenelektrode entstehende Entladungsplasma erzeugt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Dichte sowohl der negativ als auch der positiv geladenen Ionen mit zunehmender Entladungsleistung zunimmt. Die Konzentration positiver Ionen ist bei gleicher Entladungsleistung etwas höher als die Konzentration negativer Ionen bei Umgebungsbedingungen. Der gemessene Wert der Dichte negativer und positiver Ionen beträgt 2,30 × 105 Ionen/cm3 bzw. 2,42 × 105 Ionen/cm3 bei einer Entladeleistung von 3,31 W. Die Konzentrationen der vom Gerät erzeugten negativen und positiven Ionen sind so, dass sie nachgeben können Lokale Felder (> 106 V/m) im Raumklima ähnlich der Bindungsenergie der chemischen Bindungen der schädlichen Krankheitserreger in der Umwelt auf ihren Skalen für eine schnellere Deaktivierung.

Die Konzentrationen von (a) negativen und (b) positiven Luftionen bei unterschiedlichen Entladungsleistungen und Umgebungsbedingungen, 30 Tage lang überwacht.

Wir haben diese positiven und negativen Luftionenkonzentrationen 30 Tage lang in derselben Innenumgebung gemessen und über diesen Zeitraum blieb die Konzentration annähernd konstant, was darauf hindeutet, dass es zu keiner Verschlechterung der Elektroden und der TiO2-Beschichtung gekommen ist. Darüber hinaus sind die lokalen Felder so beschaffen, dass die überschüssigen negativen und positiven Ionenkonzentrationen in der Luft neutralisiert werden, die sich andernfalls auf den Oberflächen ablagern könnten – ein großer Nachteil der derzeit verwendeten Luftreiniger auf Ionenbasis mit nur einer Polarität für die Stauberfassung in Innenräumen. Die erhaltenen negativen Ionen sind eine Mischung aus Hydroxylionen, die durch die Aktivierung des TiO2-Katalysators in der Oberflächen-DBD-Entladung erzeugt werden. Assadi et al.56 berichteten, dass das über ein Oberflächen-DBD-Plasma erzeugte UV-Licht zu schwach war, um den TiO2-Katalysator zu aktivieren. Wallis et al.57 schlugen vor, dass der Aufprall von im Plasma erzeugten Elektronen auf die Oberfläche von TiO2 Elektron-Loch-Paare ähnlich der Photonenabsorption erzeugen kann, da die Energie dieser Elektronen, d. h. 3–4 eV, mit der der Photonen identisch ist.

Die Rekombinationszeit dieser Elektron-Loch-Paare ist zwei- bis dreimal schneller als die Ladungstrennungszeit. Da wir in der Lage sind, elektrische Felder zufälliger Stärke zu erzeugen, hätte sich die Rekombinationszeit dieser Elektron-Loch-Paare verkürzt. Dies wird von Mizuno et al.58 gut gestützt. Sie erklärten, dass die durch die Wechselwirkungen von Entladungsplasma und Metalloxid-Photokatalysator erzeugten elektrischen Felder die für die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren erforderliche Zeit erheblich verkürzen. Wahrscheinlich wären die von den hochenergetischen Elektronen erzeugten Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung dieser zufällig erzeugten elektrischen Felder in die entgegengesetzte Richtung transportiert worden, was die Wahrscheinlichkeit ihrer Rekombination minimieren kann. Dies kann offensichtlich zu einer längeren Erhaltungszeit für negative Ionen führen.

Abbildung 6a zeigt die Konzentrationen der gemessenen negativen Luftionen und ihre Verweildauer für verschiedene Entladungsbetriebsparameter. Wir haben die vom Gerät erzeugte Konzentration negativer Ionen 15 cm von der Quelle entfernt gemessen. Der verwendete AIC saugt die Luft mit einer kalibrierten Geschwindigkeit an und im Allgemeinen zeigt das Display die Ionenzahl nach 2 s kontinuierlich an. Durch die Verwendung einer analogen Ausgangsbuchse ist eine automatisierte Langzeitüberwachung der Ionenzählung, dh bis zu 30 s, möglich. Dementsprechend wurden die gemessenen Ionendichten bei verschiedenen Betriebsparametern für ~ 28 s verfolgt. Da die während 28 s gemessenen durchschnittlichen Dichten viel höher sind als die ursprüngliche Ionenkonzentration im Raum, die in der in der Studie gewählten geschlossenen Testumgebung bei ~ 200 Partikeln/cm3 lag, zeigt dies deutlich, dass die durchschnittliche Verweildauer der Ionen mehr als 25 s beträgt. Dementsprechend wurde die durchschnittliche Messung dieser Ionen verwendet, um die Konzentrationen der Plasma-Detergenzien in der Umgebung anzuzeigen. Abbildung 6b zeigt die durchschnittliche negative Ionenkonzentration in verschiedenen Abständen von der Quelle. Die Werte negativer Ionenkonzentrationen nahmen mit zunehmender Entfernung aufgrund ihrer Ausbreitung in der geschlossenen Umgebung ab. Dennoch ist die durchschnittliche Verweildauer negativer Ionen gleich.

Die aufgezeichnete durchschnittliche Konzentration negativer Luftionen mit ihrer Verweildauer.

Die erzeugten Elektron-Loch-Paare können durch die folgenden Reaktionen zur Bildung von Kaltplasma-Detergens (Hydroxylradikale und OH-negative Ionen) in der Umgebung führen:

Zur Quantifizierung von \(\cdot {\text{OH}}\) haben wir eine Terephthalsonde59,60 verwendet. Ein Einschub in Abb. 7 zeigt die Fluoreszenzspektren wässriger Terephthalsäure (TPA)-Lösungen, die dem Gerät ausgesetzt sind, um zu bestätigen, dass das entwickelte Gerät \(\cdot {\text{OH}}\) in der Umgebung erzeugt. Eine wässrige TPA-Lösung wird durch Auflösen in destilliertem Wasser, das Natriumhydroxid (NaOH) enthält, hergestellt. Die anfänglichen Konzentrationen von TPA und NaOH betragen 2 mM bzw. 5 mM. Die Leistung des Geräts wird für verschiedene Belichtungszeiten analysiert, d. h. 5 Min., 10 Min., 15 Min., 20 Min., 25 Min. und 30 Min. Proben von etwa 5 ml behandelten TPA-Lösungen werden innerhalb von drei Stunden nach Durchführung der Experimente mit einem Fluoreszenzspektrophotometer analysiert. Die Anregungswellenlänge wird auf 315 nm eingestellt und die Fluoreszenzspektren werden für diese Zeiten im Spektralbereich zwischen 350 und 550 nm bei einer Emissionswellenlänge von 425 nm gesammelt. Das TPA kann durch \(\cdot {\text{OH}}\) in einer wässrigen Lösung zu hTPA oxidiert werden, das Licht bei 425 nm emittiert (siehe Einschub in Abb. 7). Der Peak dieser Proben zeigte eine konsistente Verstärkung der Intensität bei der Emissionswellenlänge, was die kontinuierliche Erzeugung von \(\cdot {\text{OH}}\) durch das Gerät bestätigt.

Die Fluoreszenzspektren der hTPA-Lösungen (Einschub) und die zeitlich variierenden Konzentrationen von \(\cdot {\text{OH}}\), die vom entwickelten Gerät bei 4 kV/20 kHz erzeugt wurden.

Diese Abb. 7 zeigt außerdem die zeitabhängige Variation der Konzentration von \(\cdot {\text{OH}}\) in der hTPA-Lösung. Unter Verwendung der bekannten hTPA-Konzentration wird eine Kalibrierungskurve erstellt und aus den Fluoreszenzspektren kann die hTPA-Konzentration berechnet werden. Wenn die Behandlungszeit zwischen 5 und 30 Minuten variierte, stieg die Konzentration von \(\cdot {\text{OH}}\) deutlich an, fast linear, von 22,78 auf 87,24 µM.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Gerät positiv und negativ geladene Ionen sowie \(\cdot {\text{OH}}\) produziert, die zur Beseitigung verschiedener in der Luft befindlicher und pathogener Mikroorganismen verwendet werden. Die Lipidperoxidation kann durch Kaltplasma-Reinigungsionen vorübergehende Poren erzeugen, die zum Aufbrechen der Wand von Bakterien/Viren in Innenräumen führen. Da die Plasmaentladung außerdem in der Luft stattfindet, erhält die Elektronenpulsation beim Ausgleich positiver und negativer Ionen eine bestimmte Energiemenge. Wenn die Elektronen mit den Bakterien und dem Schimmelpilz kollidieren, ähnelt die übertragene Energie der Bindungsenergie der chemischen Bindung, die Bindung wird aufgebrochen und Bakterien/Schimmelpilze/Pilze vermehren sich möglicherweise nicht mehr61.

Um die Eliminierung von TMCs und TFCs durch das entwickelte Kaltplasma-Reinigungsgerät in der Umgebung zu untersuchen, wurde die Luftreinigungseinheit mit den optimierten Parametern in einem Innenraum von 3 × 2,4 × 2,4 m3 mit und ohne Belüftung betrieben. Die Luftprobenahme erfolgt mit dem Luftkeimsammler vor dem Betrieb des Gerätes und anschließend nach 15 min, 30 min, 45 min, 60 min, 90 min und 120 min Dauerbetrieb. Die TMC-Kontrolle betrug 175 KBE/m3 bzw. 295 KBE/m3 aus der Innenumgebung im Testraum, sowohl im Fall mit als auch ohne Belüftung. Abbildung 8a zeigt die Deaktivierungseffizienz von TMCs in beiden Fällen in unterschiedlichen Zeitintervallen. Ohne Belüftung wurde in 90 Minuten Dauerbetrieb der Quelle eine Deaktivierungseffizienz von mehr als 99 % erreicht, während in 60 Minuten Dauerbetrieb der Quelle eine Deaktivierungseffizienz von mehr als 94 % erreicht wurde. Bei Belüftung sank die Deaktivierungseffizienz leicht. In etwa 120 Minuten wurde eine Deaktivierungseffizienz von etwa 92 % erreicht.

Die Deaktivierungseffizienzen von (a) der Gesamtkeimzahl (TMCs) und (b) der Gesamtpilzzahl (TFCs) in Fällen mit und ohne Beatmung.

Abbildung 8b zeigt die Deaktivierungseffizienz von TFCs in beiden Fällen in verschiedenen Zeitintervallen. Die TFC-Kontrollen lagen bei etwa 80 KBE/m3 bzw. 143 KBE/m3, sowohl für Fälle mit als auch ohne Beatmung. Bei kontinuierlichem 30-minütigem Betrieb des Geräts wurde eine Deaktivierungseffizienz von mehr als 95 % erreicht, und bei 60-minütigem Dauerbetrieb ohne Belüftung wurde eine Deaktivierungseffizienz von mehr als 99 % erreicht. Andererseits lag die Deaktivierungseffizienz bei Belüftung bei etwa 72 % bzw. 89 % bei kontinuierlichem 30-minütigem bzw. 60-minütigem Betrieb der Quelle. Es wurden auch Tests durchgeführt, um den natürlichen Abfall der TMC- und TFC-Zahlen in beiden Fällen mit und ohne Belüftung zu beobachten. Die Vergleichsergebnisse ihres Verfalls mit dem natürlichen Verfall sind in Abb. 9 dargestellt. In der getesteten Umgebung wurden keine signifikanten Auswirkungen des natürlichen Verfalls beobachtet. Eine ähnliche Studie in einer geschlossenen Kammer wurde von Comini et al. durchgeführt. (2021) und haben gezeigt, dass durch positive und negative Luftionen eine Inaktivierung von mehr als 70 % von E. coli etwa 8 Stunden und 62 Minuten dauerte.

Abfall der TMC- und TFC-Zahlen auf natürliche Weise und beim Betrieb eines Kaltplasma-Reinigungsgeräts (a, c) bei Belüftung, (b, d) bei ohne Belüftung.

Die Geräteeffizienz bei der Reduzierung von aerosolisierten E. coli-Bakterien und MS2-Phagen in einer geschlossenen Umgebung mit einer Größe von 0,6 × 0,6 × 0,6 m3 wird ebenfalls getestet. Diese aerosolisierten Mikroorganismen wurden speziell aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, die Wirksamkeit der entwickelten Quelle zur Reduzierung eines häufig vorkommenden Organismus wie dem Influenzavirus und SARS-CoV-2 zu messen. Die Daten zur Netto-Log-Reduktion und zur Netto-Prozent-Reduktion sind in Abb. 10 bzw. Tabelle 1 dargestellt.

Netto-Log-Reduktion bei aerosolisierten MS2-Phagen und E. coli-Bakterien.

Beim Test gegen MS2-Phagen zeigte das Gerät eine maximale Reduzierung von 99,999 % in 30 Minuten, während eine Reduzierung von 99,99 % nur 15 Minuten dauerte. Beim Test gegen E. coli zeigte das entwickelte Gerät eine maximale Reduzierung von 99,999 % in 90 Minuten, während eine Reduzierung von 99,98 % nach 30 Minuten erreicht wurde. In beiden Fällen erfolgt die anfängliche Reduzierung sehr schnell, mehr als 99 % in 15 Minuten Dauerbetrieb des Luftreinigungsgeräts. In dieser Studie wurde die phänomenale Leistung der Beseitigung von Mikroorganismen in der Luft durch die Kombination negativer und positiver Ionen mit den Hydroxylradikalen erreicht.

Der Rückgang der Anzahl der KBE und PFU wird hauptsächlich durch das Kaltplasma-Reinigungsmittel mit zunehmender Einwirkzeit verursacht. Insbesondere bei den E. coli-Bakterien ist die Reduzierung der KBE mit zunehmender Behandlungsdauer aufgrund ihrer Selbstverteidigungs- und Selbstheilungsmechanismen, die sie schützen, vergleichsweise geringer63,64. Im Gegensatz dazu wird bei längerer Plasmaeinwirkungszeit eine höhere Anzahl an Kaltplasma-Detergenzspezies erzeugt, die zu Schäden an der äußeren Zellmembran von E. coli-Bakterien führen, wodurch der Selbstheilungsschutzmechanismus von E. coli sofort unterdrückt wird Bakterien, was zu einer höheren Desaktivierungseffizienz führt. Im Allgemeinen gibt es in Bakterien, also E. coli, mehrere Reparatursysteme, wie z. B. Lipid-Remodelling (eine der äußeren Membrankomponenten), Membranreparaturproteine ​​wie MreB und MreD und Enzyme wie Katalase, Superoxiddismutase (neutralisieren). ROS) und Autolysine. Darüber hinaus gibt es eine Stressreaktion, die die Genreihe aktivieren kann. Diese Gene helfen bei der Aktivierung von Sigma-Faktoren wie SigmaB und SigmaE. All diese Faktoren reparieren die beschädigte Zellwand. Die Selbstverteidigung bei E. coli umfasst Bakteriozine (tötet andere Bakterien ab), Effluxpumpe (Ausstoß von Antibiotika aus der Zelle), Sigma-Faktor RpoS (Aktivierung bei Stress), Quorum Sensing und genetische Veränderungen wie Gentransfer (zur Aufnahme des Antibiotikums). Widerstand)65,66.

Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der logarithmischen Reduktion des MS2-Phagen mit verschiedenen in der Literatur bekannten NTP-Reaktorkonfigurationen. Es ist offensichtlich, dass die logarithmische Reduktion des MS2-Phagen in dieser Studie höher ist als die der früher bekannten Arbeiten mit unterschiedlichen NTP-Konfigurationen. Die Zeit, die das System benötigt, um die maximale Protokollreduzierung zu erreichen, ist ebenfalls kürzer als bei Verwendung verschiedener NTP-Reaktorkonfigurationen. Tatsächlich hängt die vollständige Deaktivierung eines Virus von verschiedenen Eigenschaften ab, wie seinem Genomtyp (d. h. ssRNA oder dsRNA), umhüllt oder nicht umhüllt, und seiner Genomgröße. Wenn wir die unterschiedlichen Eigenschaften von SARS-CoV-2 und MS2-Bakteriophagen vergleichen, beträgt die Genomgröße von SARS-CoV-2 29,8 kb (umhüllt), während die Genomgröße von MS2-Bakteriophagen 3,6 kb (unumhüllt) beträgt. Viren mit größeren Genomen werden im Allgemeinen schneller inaktiviert, da sie aufgrund ihrer Größe anfälliger für Schäden durch Hydroxylradikale sind. Aufgrund seiner geringeren Genomgröße und seiner nicht umhüllten Eigenschaften ist es im Vergleich zum SARS-CoV-267 etwas schwierig, den MS2-Phagen zu deaktivieren.

Dieser Vergleich zeigt die Wirksamkeit des entwickelten Geräts. Der Anwendungsbereich dieses Geräts beschränkt sich nicht nur auf die Eliminierung der Gesamtzahl an Mikroben und Pilzen, sondern es kann auch die tödlichste Reihe anderer in der Luft befindlicher Bakterien und Viren deaktivieren, möglicherweise einschließlich SARS-CoV-2, SARS-CoV, Influenza usw Dies liegt daran, dass das Virus kein lebender Organismus ist, sondern ein Proteinmolekül, das mit einer Schutzschicht aus Lipid (Fett) bedeckt ist und dessen aktive Plasma-Reinigungsionen für mehr als 25 Sekunden in optimaler Konzentration produziert werden und solche Viren deaktivieren können. Es ist eine bekannte Tatsache, dass jede Seife oder jedes Waschmittel das beste Mittel gegen Influenzaviren an den Händen ist, da der Schaum das Fett zerschneidet. Man muss so viel reiben, etwa 20 Sekunden oder länger, bis viel Schaum entsteht. Durch die Auflösung der Fettschicht zerstreut sich das Proteinmolekül und bricht von selbst auf. Es wird erwartet, dass das erzeugte Kaltplasma-Reinigungsmittel bei ausreichender durchschnittlicher Verweildauer aktiver negativer Ionen in der Umgebung gut gegen langlebige Krankheitserreger wie SARS-CoV-2, SARS-CoV, Influenza usw. wirken kann.

Zusammenfassend haben wir ein tragbares Kaltplasma-Reinigungsgerät in einer Umgebung entwickelt, das in einer koaxialen DBD-Konfiguration aktive negative und positive Luftionen sowie Hydroxylradikale effizient erzeugt. Das Gerät ist in der Lage, ohne zusätzliches Gas effiziente Plasma-Reinigungsmittelionen im Innenraum zu erzeugen und arbeitet bei atmosphärischem Druck. Ein 100-mm-Gerät ist in der Lage, aktive Ionen mit Konzentrationen zwischen 300 und 5.000.000 Ionen/cm3 und mehr zu erzeugen. Es ist auch in der Lage, negative Ionen mit einer durchschnittlichen Verweildauer von mehr als 25 s zu erzeugen. Das Gerät ist in Länge, Breite und Ionenkonzentration leicht skalierbar. Der durchschnittliche Stromverbrauch dieses Geräts pro Lichtbogenlänge beträgt etwa 0,33 W/cm. Das Gerät ist sehr wirksam gegen aerosolisierte Krankheitserreger und kann die Gesamtzahl der Mikroben und Pilze um mehr als 99 %, der E. coli-Bakterien um mehr als 99,999 % und der RNA-basierten Virus-MS2-Phagen um mehr als 99,999 % reduzieren eine kürzere Betriebszeit (< 90 Min.) der Luftreinigungseinheit in den getesteten Innenräumen mit Größen bis zu 3 × 2,4 × 2,4 m3. Der synergistische Effekt beider Luftionen zusammen mit den erzeugten Hydroxylradikalen ist möglicherweise für die erzielte höhere Desinfektionseffizienz verantwortlich.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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RJ und KA möchten UGC für die Bereitstellung eines Forschungsstipendiums während des PhD-Programms danken. Die Autoren danken CRG, SERB, DST, der indischen Regierung durch Projekt Nr. CRG/2020/005369 und IIT Jodhpur durch Projekt Nr. I/SEED/RAM/20200002 für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit. Die Autoren danken Dr. M. Krishna Mohan vom BISR, Jaipur, für seine Unterstützung bei den mikrobiologischen Labortests. Die Autoren möchten außerdem Herrn Chandra Prakash, Herrn Vigyan Gadodia, Herrn Abhijit Mishra, Frau Sushma Jangra, Herrn Ritesh Mishra und Frau Shikha Pandey für die Laborunterstützung im Zusammenhang mit dieser Arbeit danken.

Fachbereich Physik, Indian Institute of Technology Jodhpur, Jodhpur, Rajasthan, 342037, Indien

Ramavtar Jangra, Kiran Ahlawat, Ambesh Dixit und Ram Prakash

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RP konzipierte und konzipierte die Idee. RJ und RP haben die Experimente entworfen. RJ, KA und RP führten die gesamten Experimente durch und führten die Synthese und Charakterisierung des Materials durch. RJ und RP haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Ram Prakash.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jangra, R., Ahlawat, K., Dixit, A. et al. Effiziente Deaktivierung aerosolisierter Krankheitserreger mithilfe eines auf dielektrischer Barrierenentladung basierenden Kaltplasma-Reinigungsgeräts für eine gute Raumluftqualität. Sci Rep 13, 10295 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37014-2

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Eingegangen: 26. März 2023

Angenommen: 14. Juni 2023

Veröffentlicht: 25. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37014-2

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