Desactivación eficiente de patógenos en aerosol mediante una descarga de barrera dieléctrica a base de frío

Jun 13, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10295 (2023) Citar este artículo

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La contaminación del aire es uno de los cinco riesgos principales que causan enfermedades crónicas según la OMS y la infección por patógenos transmitidos por el aire es un gran desafío en la era actual. Los purificadores de aire interiores disponibles no eliminan eficazmente los patógenos de larga duración y los aerosoles de pequeño tamaño. En este trabajo, se presenta un dispositivo portátil de detergente de plasma frío en el ambiente basado en descarga de barrera dieléctrica (DBD) y se analiza su eficiencia de desinfección en ambientes interiores de tamaños de hasta 3 × 2,4 × 2,4 m3. Se encuentra que la eficiencia de desactivación de los recuentos microbianos totales (TMC) y los recuentos totales de hongos (TFC) es superior al 99% en 90 minutos de funcionamiento continuo del dispositivo con los parámetros optimizados. La inactivación completa del fago MS2 y la bacteria Escherichia coli con una reducción de más de 5 log (99,999 %) también se logró en 30 min y 90 min de funcionamiento del dispositivo en un ambiente cerrado. El dispositivo es capaz de producir iones negativos predominantemente dominados por el detergente de plasma natural junto con iones positivos en el entorno similar a la madre naturaleza. El dispositivo consta de una fuente de plasma coaxial de geometría DBD con un electrodo de malla de alambre de acero dulce especialmente diseñado con un espesor de 1 mm. Se ha eliminado la necesidad de gas de alimentación, pellets y/o presión diferencial de la fuente de descarga DBD para una purificación de aire eficiente. La existencia de iones negativos durante más de 25 segundos en promedio es la ventaja clave, que también puede desactivar patógenos de larga vida y aerosoles de pequeño tamaño.

En la era actual, las infecciones por patógenos transmitidos por el aire están provocando enfermedades de importante morbilidad y mortalidad1. Casi todos los años aparece una nueva bacteria o virus de naturaleza gripal que crea una epidemia o pandemia de enfermedades2. Además de la transmisión de persona a persona, en entornos cerrados y muy concurridos, como centros de atención médica, escuelas, colegios, universidades, grandes centros comerciales, edificios comerciales y edificios públicos, los patógenos interiores emitidos por los humanos pueden transmitirse y dispersarse aún más a través de la calefacción. , sistemas de ventilación y aire acondicionado (HVAC) y pueden provocar infecciones cruzadas. Este miedo creó un bloqueo en todo el mundo y las infecciones por el virus SARS-CoV-2 afectaron enormemente la productividad laboral3. En general, las personas pasan entre el 70% y el 90% de su tiempo en ambientes interiores4. La calidad del aire interior (IAQ) es muy importante para la seguridad de la salud personal, ya que en general está entre 2 y 5 veces o incluso más contaminado que el aire exterior5. Muchos investigadores han trabajado en diferentes métodos para reducir el riesgo de infecciones microbianas en espacios interiores y mejorar la IAQ6,7,8,9,10,11.

Una de las técnicas conocidas es la desinfección química, que utiliza etanol (C2H5OH), peróxido de hidrógeno (H2O2) o un desinfectante12. Los microorganismos pueden eliminarse tan pronto como entren en contacto directo con estos químicos. Sin embargo, descontaminar un gran volumen con este método resulta complicado. Otro método de desinfección utiliza gases como el óxido de etileno (C2H4O) o el ozono (O3) para prevenir infecciones microbianas13,14. Con estos métodos, la esterilización es consistente en todo el volumen tratado, pero es esencial aislar el área e instalar un sistema de ventilación por extracción adecuado. Los filtros de partículas de aire de alta eficiencia (HEPA) también se utilizan para eliminar partículas de polvo y microorganismos en el aire de ambientes interiores15,16. Sin embargo, los filtros HEPA no desactivan los microorganismos, no pueden filtrar aerosoles de pequeño tamaño y además pueden provocar caídas de presión en los sistemas de aire acondicionado. Luego, los investigadores han pasado a métodos de fotocatálisis ultravioleta (UV) y basados ​​en UV, que son bastante prometedores para la reducción microbiana y la purificación del aire interior17,18. Sin embargo, el enfoque basado en UV requiere un largo tiempo de esterilización19, no es efectivo cuando la concentración de contaminantes es menor20 y, además, el manejo de la luz UV en lugares públicos es bastante desafiante21. Por lo tanto, la necesidad del momento es diseñar estrategias de control para soluciones innovadoras para la desinfección eficiente de patógenos en el aire para un uso amplio a un costo menor.

En los últimos tiempos ha surgido una tecnología de plasma no térmico (NTP), que se ha estudiado en gran medida para la esterilización y purificación del aire interior22,23,24. En el NTP se producen electrones de alta energía (1–10 eV) y los gases de fondo permanecen cerca de la temperatura ambiente, lo que también se conoce como plasma frío25. Los principales factores que influyen en los efectos antimicrobianos del NTP son los campos eléctricos localizados, las especies reactivas de oxígeno (ROS) y las partículas cargadas (iones positivos y negativos)26. En consonancia con esto, se logró una reducción de 1,5 log (97%) en E. coli cultivable mediante un rector DBD NTP con una tasa de flujo de aire muy alta (25 L/s) y una duración muy corta de exposición al plasma27. La concentración de ozono producida por el reactor fue de alrededor de 28 ppm, lo cual es muy alto según los estándares de los organismos reguladores sanitarios internacionales28. El nivel permisible de ozono según la Organización Mundial de la Salud (OMS) es de 0,05 ppm durante 8 h de exposición, según la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) es de 0,1 ppm durante 8 h diarias y 5 días a la semana, y según el Instituto Nacional para Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) es ≤ 0,1 ppm y no se puede exceder en ningún momento. Estos datos determinaron que el nivel permisible de ozono es de alrededor de 0,1 ppm para una exposición de 8 h en los lugares de trabajo29. Otro estudio mostró > 95% de inactivación de bacterias y alrededor de 85-98% para especies de hongos con una fuente DBD30. Crearon plasma a un voltaje y frecuencia de 14 kV y 10 kHz, respectivamente, con un caudal de aire de 28,3 L/min.

Un estudio realizado por Nishikawa et al.31 ha demostrado el efecto de los iones con carga positiva y negativa generados por el plasma DBD NTP a presión ambiente sobre Klebsiella coli. Utilizaron una fuente de alimentación de corriente alterna (CA) para producir la descarga y lograron una eficiencia de desactivación máxima del 82 % al operar el dispositivo durante 60 minutos. Wu et al.32 demostraron que los iones de aire negativos producidos por ionizadores de aire pueden usarse para descomponer diferentes compuestos orgánicos volátiles (COV). Abordaron que la reacción entre los iones negativos del aire y los COV es prolongada y complicada. Por lo tanto, los ionizadores de plasma que sólo pueden producir iones de aire negativos no son muy efectivos en aplicaciones de purificación de aire. En otro estudio, se argumentó que los iones negativos del aire se pueden utilizar para limpiar el aire interior, en particular para reducir la concentración de partículas (PM)33. Concluyeron que en la literatura disponible no hay datos que muestren el efecto nocivo de los iones negativos del aire en humanos o animales si se producen en concentraciones controladas. En general, el NTP produce subproductos nocivos, en particular ozono, potencialmente más perjudiciales para la salud humana que los contaminantes tratados34.

El factor que influye en los efectos antimicrobianos del NTP son los iones negativos del aire22. Los radicales hidroxilo (\(\cdot {\text{OH}}\)) (o sus iones negativos cargados) son mucho más eficaces en el aire que otros desinfectantes para oxidar y eliminar contaminantes35. Son varias veces más germicidas y fungicidas que otros desinfectantes (como álcali, cloro, álcali-alcohol-amina, etc.), lo que los convierte en un candidato prometedor para destruir bacterias y virus dañinos en ambientes interiores36. En comparación con otros desinfectantes químicos, el plasma producido \(\cdot {\text{OH}}\) (y los iones negativos) puede tener varias ventajas: (1) Debido a su alto potencial de oxidación (2,8 V), pueden eliminar cualquier agente patógeno. microorganismos en bajas dosis fatales; esta propiedad se denomina ausencia de selectividad37. (2) La velocidad de reacción de \(\cdot {\text{OH}}\) es varias veces mayor que la de otros oxidantes como el ozono, el cloro, etc.38 (3) se consideran detergentes naturales o “eco -oxidantes”, ya que \(\cdot {\text{OH}}\) se descompone naturalmente en agua (H2O) y oxígeno (O2) sin dejar oxidantes residuales una vez finalizadas sus reacciones biológicas39. En consecuencia, el ganador del Premio Nobel Paul Crutzen acuñó la frase 'Detergente de la Atmósfera' para los iones \(\cdot {\text{OH}}\) y OH negativos40. Martínez et al.41 mostraron los diferentes escenarios de cómo \(\cdot {\text{OH}}\) puede reaccionar con diferentes microorganismos patógenos y COV. Descubrieron que la eficacia de la eliminación del virus oscilaba entre el 92 % y el 99 % dependiendo de las condiciones de humedad. En otro estudio, el efecto sinérgico de \(\cdot {\text{OH}}\) y el ozono generado en plasma condujo además a una inactivación récord del 97% en vuelo de E. coli en aerosol42.

Existe una variedad de metodologías probadas para generar \(\cdot {\text{OH}}\) utilizando luz ultravioleta y/o plasmas43,44. La luz ultravioleta tiene limitaciones porque la energía del par electrón-hueco es limitada y el \(\cdot {\text{OH}}\) generado se apaga mucho antes (es decir, ~ 0,1 s)45. Muy recientemente se han informado pruebas de la destrucción de virus utilizando plasma no térmico en desequilibrio (frío) sin el uso de rayos UV46. Discutieron la exposición al NTP en partículas de aerosol viral en una corriente de aire. El plasma frío se produjo en un reactor DBD de lecho compacto. Se logró una reducción de más de 2,3 log de virus infecciosos en todo el reactor con un voltaje de 30 kV y un flujo de aire a una velocidad de 170 litros estándar por minuto. Aumentar la velocidad del flujo de aire de 170 a 330 litros por minuto no tuvo ningún efecto perceptible sobre la inactivación del virus. En el reactor de lecho compacto, las reacciones de impacto electrónico sirven como la principal química del plasma para la descomposición de los contaminantes del aire47. También se han probado descargas de plasma que pueden producir \(\cdot {\text{OH}}\)48,49. Son más costosos o consumen mucha energía (como arco deslizante, plasmas fríos generados por microondas, descargas de alta presión de impulsos rápidos, etc.).

En este artículo, presentamos un detergente de plasma frío en un dispositivo ambiental que produce simultáneamente iones positivos y negativos junto con \(\cdot {\text{OH}}\) para la erradicación de alta eficiencia de microorganismos patógenos en aerosol en ambientes interiores cerrados. El dispositivo se basa en el concepto de plasma de descarga de barrera dieléctrica superficial (SDBD) en combinación con un catalizador de nanopartículas de óxido metálico de TiO2. El proceso desarrollado para la producción de iones positivos y negativos y plasma generado \(\cdot {\text{OH}}\) es bastante superior porque estos son producidos por electrones energéticos generados en la geometría DBD coaxial por plasma frío. De lo contrario, en la mayoría de los casos se producen por separado; por ejemplo, \(\cdot {\text{OH}}\) se producen generalmente mediante nanocatalizadores de óxido metálico convencionales irradiados por rayos UV en un conocido proceso de oxidación fotocatalítica18. En nuestro caso, debido a los altos campos electrostáticos generados con fuerza aleatoria en el dispositivo desarrollado, podemos generar \(\cdot {\text{OH}}\) así como iones positivos y negativos similares a la madre naturaleza, simultáneamente. Además, somos capaces de mantener iones de aire negativos en promedio durante más de 25 s, lo que sería muy útil para desactivar patógenos de larga vida.

En este tipo de descarga de plasma, las partículas de alta energía transfieren su energía por colisión con las superficies recubiertas de óxido metálico, y la forma del pulso, así como la geometría del electrodo, proporcionan el control de la concentración de los iones activos en el entorno. Además de esto, el dispositivo desarrollado es fácil de construir, rentable y liviano. La eficiencia de la desinfección del dispositivo se ha analizado para TMC y TFC y también para bacterias E. coli en aerosol y fagos MS2 en un ambiente interior cerrado. Los resultados obtenidos se discuten en términos del detergente de plasma frío generado en el ambiente y su efectividad.

El dispositivo comprende una disposición DBD coaxial como se muestra en la Fig. 1. Una varilla de aluminio de 95 mm de longitud actúa como electrodo central de alto voltaje (o alimentado). El electrodo puesto a tierra está hecho de una malla metálica de acero dulce con un espesor de 1 mm. Se utiliza un tubo de vidrio cilíndrico con un diámetro exterior de 16 mm, un espesor de vidrio de 1,85 mm y una longitud de 100 mm como barrera dieléctrica entre el electrodo alimentado y el conectado a tierra. La varilla de aluminio se protege herméticamente dentro del tubo de vidrio y la malla de alambre se ajusta firmemente al electrodo exterior. La estructura de politetrafluoroetileno (PTFE) de 15 mm de longitud se utiliza como tapa terminal con fines de aislamiento. El catalizador de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) se recubre sobre el electrodo externo puesto a tierra mediante un proceso de recubrimiento por inmersión para lograr un recubrimiento resistente. Las nanopartículas de TiO2 se preparan mediante el método sol-gel y el proceso se describe en nuestro trabajo anterior21. En primer lugar, la estructura del electrodo externo diseñada se sometió al proceso de limpieza y preparación de la superficie en condiciones básicas. Este ejercicio de limpieza ayudó a eliminar cualquier impureza orgánica residual y otras impurezas de la superficie para una mejor adhesión de las nanopartículas de TiO2 en la superficie del electrodo externo usado. Luego, utilizando el proceso antes mencionado, se logró una capa uniforme de espesor de ~ 0,9 a 1,1 μm para sostener campos eléctricos de intensidades aleatorias.

Vista esquemática del dispositivo DBD coaxial.

La descarga de plasma se produce a presión atmosférica y se utiliza aire ambiente como gas portador. Se utiliza una fuente de alimentación pulsada bipolar variable (1–6 kV, 5–40 kHz PRF, 1 A y 2 µs de ancho de pulso) para producir una descarga de barrera dieléctrica superficial. En esta geometría, la generación aleatoria de un campo eléctrico local es posible a través de la descarga superficial, que de otro modo se produce en una descarga dieléctrica en volumen con mucha más complejidad50.

El polvo sintetizado en laboratorio consta de nanopartículas de TiO2, tanto en la fase de anatasa como de rutilo, en la que la anatasa es la fase predominante. La Figura 2a muestra el patrón de difracción de rayos X (DRX) del nanopolvo de TiO2 (recocido a 450 °C durante 3 h) que reveló varios picos de difracción fuertes en valores de 2θ de 25,43° (101), 27,59° (101), 36,13°. (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) y 75,31° (215) que coinciden bien con la fase TiO2 anatasa y rutilo. El tamaño cristalino promedio de las nanopartículas de TiO2 se estima mediante la relación de Debye-Scherrer51, y se encuentra que es ~ 17 ± 2 nm, lo que confirma la formación de nanopartículas de TiO2. Estos datos de difracción son consistentes con ICDD PDF 03-065-5714 para anatasa TiO2 y ICDD PDF 03-065-1118 para rutilo TiO2. Para ver el tamaño de grano y la distribución uniforme de las nanopartículas de TiO2 preparadas, se utiliza microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM). La Figura 2b muestra las imágenes de gran aumento de una muestra de polvo de TiO2 sintetizado recubierta sobre el electrodo de tierra. En la imagen FESEM se puede observar que el tamaño de grano promedio de las nanopartículas de TiO2 es de alrededor de 12 a 15 nm, lo que es compatible con los tamaños de cristalitos estimados a partir de los datos de XRD. La red de porosidad también se puede observar en la imagen FESEM, que también es mejor para liberar especies iónicas reactivas de las nanopartículas interiores.

Caracterización de las nanopartículas de TiO2 sintetizadas por el método sol-gel y recocidas a 450 °C durante 3 h.

Para la caracterización eléctrica y el análisis de la calidad del aire, se utiliza una configuración como la que se muestra en la Fig. 3. El voltaje aplicado se mide mediante una sonda de alto voltaje (P6015A, Tektronix) y la corriente de descarga se mide mediante un transformador de corriente de respuesta rápida (Pearson 110, Tektronix). Se utiliza un osciloscopio digital de cuatro canales (MDO 4014-3, Tektronix) para visualizar las formas de onda de la corriente de descarga y el voltaje aplicado. Los iones de aire negativos y positivos se generan continuamente durante la descarga de plasma, y ​​los mismos se miden mediante un contador de iones de aire (AIC2, AlphaLab, EE. UU.). Se ha montado por separado un monitor de ozono portátil (ATS-101M, Applied Techno Systems), con una precisión de 1 ppb, con la configuración experimental para medir la concentración de ozono producido en tiempo real. También se utilizan sondas de calidad del aire interior (IQ-610, GrayWolf Sensing Solutions, Shelton, CT USA) y sondas de gases tóxicos (TG-501, GrayWolf Sensing Solutions, Shelton, CT USA) para medir los diferentes parámetros para el monitoreo de la calidad interior.

Vista esquemática de la configuración experimental.

La unidad purificadora de aire utilizada para los estudios de desinfección se muestra en la Fig. 3. El dispositivo de plasma desarrollado se coloca dentro de una caja rectangular hecha de acero inoxidable (SS) para un análisis detallado. Las dimensiones de la caja SS son 350 mm (L) × 150 mm (W) × 150 mm (H). Para la circulación continua del aire, se hacen cuatro orificios (diámetro de 20 mm) en la caja como se muestra en esta Figura, y se coloca un ventilador centrífugo en el extremo para distribuir los iones generados en el ambiente interior. El ventilador centrífugo usado suministra aire con un caudal de 225 m3/h.

Para evaluar la inactivación microbiana, la unidad de purificación de aire desarrollada se prueba en una habitación de 3 × 2,4 × 2,4 m3 para TMC y TFC con y sin ventilación mediante el uso de un muestreador de aire (HiMedia Laboratories, India). En las mediciones de TMC y TFC, para el caso sin ventilación, se preparó una habitación de tamaño 3 × 2,4 × 2,4 m3. Hubo una fuga insignificante en la habitación. Era una disposición especial que tenía dos ventanas corredizas de vidrio en un espacio de 0,6 × 0,6 m2 y puertas que se abrían centralmente en un espacio de 0,6 m a un lado de la pared de esta habitación. Descanse, estaba hermético. Una ventana de vidrio se abre al interior de la habitación y la otra al exterior, en la galería. El muestreador de aire se colocó en el espacio entre las ventanas de vidrio y el dispositivo se hizo funcionar en la habitación de forma continua durante 90 minutos. El muestreador de aire se controló de forma remota desde el exterior de la habitación y las muestras se recolectaron manualmente con la menor exposición al ambiente exterior. Para la caja de ventilación se utiliza otra sala de oficina de tamaño 3 × 2,4 × 2,4 m3 sin estanqueidad específica. Las fugas procedían únicamente de la puerta de entrada y de una ventana de 0,9 × 0,9 m2 que estaba cerrada pero no herméticamente. Además, la puerta de la habitación se abrió cada 15 minutos para la recolección de muestras. El dispositivo se mantuvo en el medio de la habitación y el muestreador de aire se colocó en una esquina de la habitación. Esta prueba se realizó para estimar el escenario real de la eficiencia de degradación de TMC y TFC por parte del dispositivo desarrollado. No se pudo medir la tasa de ventilación exacta.

Para medir los TMC y TFC, se utilizaron las placas de Agar Nutriente (NA) para el análisis de TMC y Agar Papa Dextrosa (PDA) para el análisis de TFC. Las placas se prepararon por separado en el laboratorio microbiológico y se mantuvieron en una incubadora adecuada durante 24 h para comprobar la contaminación. Los TMC, como medida de recuento en NA, muestran el número total de microorganismos presentes en una muestra. De manera similar, los TFC, como recuentos medidos en PDA, muestran la cantidad de hongos presentes en una muestra que ha permitido la identificación de especies viables de levaduras y mohos presentes. El muestreador de aire podría funcionar a numerosas velocidades de muestreo de flujo de aire de acuerdo con la configuración de prueba deseada. El volumen de aire para el muestreo fue de 1000 litros. El muestreador de aire se colocó en la sala de pruebas y se realizó el muestreo de aire con el muestreador antes de encender el dispositivo. Después de cada experimento, las salas utilizadas para las pruebas se equilibraron suficientemente antes de la siguiente serie. Los datos de control se tomaron para cada conjunto de experimentos y los resultados se representaron en consecuencia. Para el análisis de desinfección se siguen los siguientes pasos;

Las placas NA y PDA se prepararon y colocaron en el muestreador de aire para el cultivo de una amplia variedad de microorganismos no exigentes de la atmósfera ambiente a una tasa de muestreo fija de 1000 L.

Para cada secuencia de prueba, se tomaron muestras de TMC y TFC de fondo antes de la operación del prototipo en cuestión.

Las muestras se recogieron en diferentes tiempos de exposición, es decir, 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90 y 120 minutos manteniendo las mismas condiciones de prueba.

Las placas de NA y PDA tratadas se mantuvieron durante 48 h de incubación a 37 °C. Una vez finalizado el período de incubación, las unidades formadoras de colonias (UFC) se cuantifican mediante el proceso de siembra en placas convencional para cada tiempo de exposición.

La reducción total de UFC se estimó a partir de la diferencia entre la concentración inicial de UFC antes de operar la unidad y la concentración final de UFC después de la exposición al plasma en diferentes intervalos de tiempo.

En otra evaluación de la eficiencia de la desinfección, la unidad de purificación de aire desarrollada se prueba en una cámara de prueba cerrada previamente limpiada (0,6 × 0,6 × 0,6 m3) junto con un dispositivo de captura de aerosol, medidores de temperatura y humedad, y con puertos de muestreo e inyección en uno/lados opuestos de la cámara, para los siguientes dos microorganismos, es decir, bacilos gramnegativos de Escherichia coli (Nº de referencia ATCC 8739) y virus de ARN monocatenario del fago MS2 (Nº de referencia ATCC 15597 B1) colocados deliberadamente en el organismo nivel de control. El huésped del bacteriófago MS2 fue Escherichia coli. Todos los organismos de prueba se aerosolizan para cargar el área de prueba con los organismos de prueba deseados usando un nebulizador operado externamente. Las concentraciones de E. coli y fago MS2 utilizadas para la aerosolización en el nebulizador fueron 6 × 109 UFC o PFU/ml. El volumen total inyectado fue de 5 ml durante un período de 5 min. Se dejó que los aerosoles se estabilizaran durante 1 minuto y luego se detuvo la aerosolización, que se mantuvo igual para prueba y control. El dispositivo funciona durante diferentes intervalos de tiempo, de forma intermitente uno tras otro. El aire cargado se capturó después del funcionamiento activo del dispositivo utilizando un impactador AGI y un muestreador de aire activo de múltiples etapas para la enumeración de bacterias y la supervivencia viral en un medio de crecimiento apropiado (con huésped en caso de enumeración de virus) para el cultivo. Después de cada ejecución, la cámara de prueba se desinfecta utilizando un nebulizador y una solución desinfectante (SurOxyl). Durante todo el análisis, la condición de la cámara interna se mantiene a 25 °C y una humedad relativa <60%.

Inicialmente, se cultivaron bacterias E. coli y fagos MS2 en un medio de crecimiento apropiado. Los cultivos de E. coli se inocularon en caldo TSB y se incubaron durante 12 a 16 h a 37 °C. Después de alcanzar la densidad óptica requerida (aproximadamente 0,8 a 560 nm), se prepararon células en suspensión bacteriana en PBS a partir de caldo TSB. Las suspensiones bacterianas preparadas se utilizan para la aerosolización en la cámara. De manera similar, las placas de fagos se cuantifican en unidades formadoras de placas (UFP) para el virus y en el experimento se utiliza un cultivo con una célula huésped adecuada. Después de la operación de la fuente de plasma en la cámara de prueba, las placas de muestra se incuban a 37 °C durante 72 h. La descomposición natural de los microorganismos fagos E. coli y MS2 se ha ajustado en los datos de supervivencia aquí informados.

En la Fig. 4 se muestra una característica V – I típica de la fuente DBD coaxial descrita anteriormente. La energía eléctrica disipada en el plasma se calcula a partir de las formas de onda del voltaje aplicado (Ut) y la corriente de descarga (it) utilizando la siguiente relación.

donde t es el período de voltaje pulsado bipolar, Ep es la energía consumida por pulso (Joule), f es la frecuencia de repetición del pulso (Hz) y P es la potencia de descarga (W).

Características V–I típicas de la fuente DBD coaxial a 4 kV/20 kHz.

La energía consumida por pulso se ha estimado integrando la potencia durante la duración del pulso. Esto da una energía de pulso de 1,65 × 10−4 julios a la frecuencia aplicada de 20 kHz con un voltaje de pulso aplicado de 4 kV (pico) y para un ancho de pulso de 2 μs. Esto da como resultado un consumo medio de energía eléctrica de 3,31 W en un dispositivo DBD coaxial de 100 mm de longitud. La energía consumida por unidad de longitud de arco por este dispositivo es ~ 0,33 W/cm. A partir de la curva V – I, la densidad de electrones se puede estimar utilizando la siguiente relación,

donde J es la densidad de corriente, e es la carga electrónica y µe es la movilidad del electrón, es decir, 552 cm2/Vs en el caso del nitrógeno52. La densidad electrónica resulta ser ~ 1 × 109 partículas/cm3 con los parámetros operativos antes mencionados.

Cabe destacar que cuando la densidad de electrones es baja, en general se utiliza un modelo de equilibrio de 'Corona' bastante simple para comprender espectroscópicamente la descarga de plasma53. En el modelo de corona, sucede que todas las transiciones ascendentes son colisionales y todas las transiciones descendentes son radiativas. De hecho, en un caso de plasma de baja densidad (ne ≤ 1010 cm-3), la probabilidad de desintegración espontánea de un átomo excitado es mucho mayor que la de cualquier proceso de despoblación por colisión. Por lo tanto, se puede suponer fácilmente que,

Todas las transiciones ascendentes son colisionales.

Todas las transiciones descendentes son radiativas.

Esto sólo puede suceder cuando las transiciones ocurren principalmente en los estados excitados pero cerca del estado fundamental, lo que implica que el espectro a bajas densidades de electrones se encuentra principalmente en la región visible54. Además, estas suposiciones también son válidas incluso para ne ≥ 1010 cm−3, pero las transiciones deben ocurrir muy cerca del estado fundamental. Dicha transición produce espectro en la región ultravioleta extrema (EUV) y/o ultravioleta del vacío (VUV), lo que es una prueba de que hay casi nula generación de UV durante la descarga. Una prueba realizada con un radiómetro UV-C calibrado (sensor UV: HS15-U y monitor UV: HM-2) mostró cero generación de UV-C durante la descarga. También se midió la concentración de ozono alrededor de la unidad purificadora de aire utilizando un detector de gas ozono portátil, que resultó ser de 24 ppb en los parámetros operativos antes mencionados, lo que está dentro del límite de exposición permitido (nulo) según el Centro para el Control de Enfermedades (CDC). ) directrices55.

Las Figuras 5a, b representan las concentraciones de iones negativos y positivos medidas por el contador de iones de aire (AIC) del dispositivo en la salida de la unidad purificadora de aire para diferentes potencias de descarga en un ambiente cerrado que mide un tamaño de 3 × 2,4 × 2,4 m3. Los iones positivos y negativos son generados por las moléculas presentes en el aire durante su ionización por el plasma de descarga producido en los puntos de contacto del electrodo exterior. Se ve claramente que las densidades de los iones cargados tanto negativa como positivamente aumentan al aumentar la potencia de descarga. La concentración de iones positivos a la misma potencia de descarga es algo mayor que la concentración de iones negativos en condiciones ambientales. El valor medido de la densidad de iones negativos y positivos es 2,30 × 105 iones/cm3 y 2,42 × 105 iones/cm3, respectivamente, con una potencia de descarga de 3,31 W. Las concentraciones de iones negativos y positivos producidos por el dispositivo son tales que pueden producir Campos locales (> 106 V/m) en el ambiente interior similares a la energía de enlace de los enlaces químicos de los patógenos dañinos en el ambiente en sus escalas para una desactivación más rápida.

Las concentraciones de (a) iones de aire negativos y (b) positivos a diferentes potencias de descarga en condiciones ambientales, monitoreadas durante 30 días.

Medimos estas concentraciones de iones de aire positivos y negativos durante 30 días en el mismo ambiente interior, y durante ese tiempo la concentración permaneció aproximadamente constante, lo que indica que no ha habido deterioro en los electrodos ni en el revestimiento de TiO2. Además, los campos locales son tales que el exceso de concentraciones de iones negativos y positivos se neutralizan en el aire, que de otro modo podrían depositarse en las superficies, una desventaja importante de los purificadores de aire basados ​​en iones de polaridad única utilizados actualmente para capturar polvo en el ambiente interior. Los iones negativos obtenidos son una mezcla de iones hidroxilo producidos al activar el catalizador de TiO2 en la descarga superficial de DBD. Assadi et al.56 informaron que la luz ultravioleta generada a través de un plasma DBD superficial era demasiado débil para activar el catalizador de TiO2. Wallis et al.57 sugirieron que el impacto de los electrones generados por plasma en la superficie del TiO2 puede producir pares electrón-hueco similares a la absorción de fotones, ya que la energía de estos electrones, es decir, 3-4 eV, es idéntica a la de los fotones.

El tiempo de recombinación de estos pares electrón-hueco es de 2 a 3 veces más rápido que el tiempo de separación de carga. Dado que somos capaces de generar campos eléctricos de intensidades aleatorias, el tiempo de recombinación de estos pares electrón-hueco se habría reducido. Esto está bien respaldado por Mizuno et al.58, quienes explicaron que los campos eléctricos producidos por las interacciones del plasma de descarga y el fotocatalizador de óxido metálico acortan significativamente el tiempo necesario para recombinar los pares electrón-hueco. Probablemente los electrones y los huecos producidos por los electrones altamente energéticos habrían sido transportados en la dirección opuesta debido a la acción de estos campos eléctricos creados aleatoriamente y eso puede minimizar la probabilidad de su recombinación. Obviamente, esto puede conducir a un mayor tiempo de mantenimiento de iones negativos.

La Figura 6a muestra las concentraciones de los iones de aire negativos medidos y su tiempo de mantenimiento para diferentes parámetros operativos de descarga. Medimos la concentración de iones negativos producidos por el dispositivo a 15 cm de la fuente. El AIC usado aspira el aire a una velocidad calibrada y, en general, la pantalla muestra el recuento de iones después de 2 s que se muestra continuamente. Mediante el uso de un conector de salida analógica, es posible la monitorización automática a largo plazo de los recuentos de iones, es decir, hasta 30 s. En consecuencia, las densidades de iones medidas en diferentes parámetros operativos se rastrearon durante ~ 28 s. Dado que las densidades promedio medidas durante 28 s son mucho más altas que la concentración original de iones en la habitación, que era ~ 200 partículas/cm3 en el ambiente de prueba cerrado elegido en el estudio, muestra claramente que el tiempo promedio de sustento de los iones es de más de 25 s. En consecuencia, se ha utilizado la medición promedio de estos iones para mostrar las concentraciones de iones detergentes en plasma en el medio ambiente. La Figura 6b muestra la concentración promedio de iones negativos a diferentes distancias de la fuente. Los valores de las concentraciones de iones negativos disminuyeron con la distancia debido a su expansión en el ambiente cerrado. Aun así, el tiempo medio de sustento de los iones negativos es el mismo.

La concentración promedio registrada de iones negativos del aire con su tiempo de sustento.

Los pares electrón-hueco generados pueden generar detergente de plasma frío (radicales hidroxilo e iones OH negativos) en el medio ambiente mediante las siguientes reacciones:

Para la cuantificación de \(\cdot {\text{OH}}\), hemos utilizado una sonda tereftálica59,60. Un recuadro en la Fig. 7 muestra los espectros de fluorescencia de soluciones acuosas de ácido tereftálico (TPA) expuestas a la unidad para confirmar que el dispositivo desarrollado está generando \(\cdot {\text{OH}}\) en el medio ambiente. Se prepara una solución acuosa de TPA disolviéndola en agua destilada que contiene hidróxido de sodio (NaOH). Las concentraciones iniciales de TPA y NaOH son 2 mM y 5 mM, respectivamente. El rendimiento del dispositivo se analiza para diferentes tiempos de exposición, es decir, 5 min, 10 min, 15 min, 20 min, 25 min y 30 min. Se analizan muestras de ~ 5 ml de soluciones de TPA tratadas dentro de las tres horas posteriores a la realización de los experimentos a través de un espectrofotómetro de fluorescencia. La longitud de onda de excitación se fija en 315 nm, y los espectros de fluorescencia se recogen para estos tiempos en el rango espectral entre 350 y 550 nm a una longitud de onda de emisión de 425 nm. El TPA se puede oxidar a hTPA mediante \(\cdot {\text{OH}}\) en una solución acuosa, que emite luz a 425 nm (ver recuadro en la Fig. 7). El pico de estas muestras ha mostrado una mejora constante en la intensidad en la longitud de onda de emisión que confirma la generación continua de \(\cdot {\text{OH}}\) desde el dispositivo.

Los espectros de fluorescencia de las soluciones de hTPA (recuadro) y las concentraciones variables en el tiempo de \(\cdot {\text{OH}}\) generadas por el dispositivo desarrollado a 4 kV/20 kHz.

Esta figura 7 muestra además la variación dependiente del tiempo en la concentración de \(\cdot {\text{OH}}\) en la solución de hTPA. Utilizando la concentración conocida de hTPA, se obtiene una curva de calibración y, a partir de los espectros de fluorescencia, se puede calcular la concentración de hTPA. Cuando el tiempo de tratamiento varió de 5 a 30 min, la concentración de \(\cdot {\text{OH}}\) aumentó significativamente, casi linealmente, de 22,78 a 87,24 µM.

Los resultados sugieren que el dispositivo produce iones cargados positiva y negativamente junto con \(\cdot {\text{OH}}\) que se utilizan para eliminar diferentes microorganismos patógenos y en el aire. La peroxidación lipídica puede producir poros transitorios a través de iones detergentes de plasma frío para la ruptura de la pared de bacterias/virus en el ambiente interior. Además, dado que la descarga de plasma ocurre en el aire, al equilibrar los iones positivos y negativos, la pulsación del electrón recibirá una cierta cantidad de energía. Cuando los electrones chocan con las bacterias y el escorpión del moho, la energía transmitida será similar a la energía del enlace químico, el enlace se romperá y es posible que las bacterias/moho/hongos ya no se reproduzcan61.

Para investigar la eliminación de TMC y TFC mediante el detergente de plasma frío en el dispositivo ambiental desarrollado, la unidad de purificación de aire se operó con los parámetros optimizados en un espacio interior que medía 3 × 2,4 × 2,4 m3 con y sin ventilación. El muestreo de aire se lleva a cabo con el muestreador de aire antes de operar el dispositivo y luego después de 15 min, 30 min, 45 min, 60 min, 90 min y 120 min de funcionamiento continuo. El control de TMC fue de 175 UFC/m3 y 295 UFC/m3, respectivamente, del ambiente interior de la sala de pruebas para los casos con y sin ventilación. La Figura 8a ilustra la eficiencia de desactivación de TMC en diferentes intervalos de tiempo en ambos casos. En el caso de sin ventilación, se ha logrado más del 99% de eficiencia de desactivación en 90 min de operación continua de la fuente, mientras que se ha logrado más del 94% de eficiencia de desactivación en 60 min de operación continua de la fuente. En el caso de ventilación, la eficiencia de desactivación disminuyó ligeramente. Se ha logrado alrededor del 92% de eficiencia de desactivación en aproximadamente 120 minutos.

Las eficiencias de desactivación de (a) recuentos microbianos totales (TMC) y (b) recuentos totales de hongos (TFC) en casos con y sin ventilación.

La Figura 8b muestra la eficiencia de desactivación de los TFC en diferentes intervalos de tiempo en ambos casos. Los controles de TFC fueron de alrededor de 80 UFC/m3 y 143 UFC/m3, respectivamente, tanto para los casos con como sin ventilación. En 30 min continuos de funcionamiento del dispositivo, se ha logrado más del 95% de eficiencia de desactivación, y se ha logrado más del 99% de eficiencia de desactivación en 60 min de funcionamiento continuo para el caso sin ventilación. Por otro lado, con ventilación la eficiencia de desactivación ha rondado el 72% y el 89% en 30 min y 60 min continuos de funcionamiento de la fuente, respectivamente. También se han realizado pruebas para ver la caída natural de los recuentos de TMC y TFC en ambos casos, con y sin ventilación. Los resultados comparativos de su descomposición junto con la descomposición natural se muestran en la Fig. 9 y no se ha observado ningún efecto significativo de la descomposición natural en el entorno probado. Comini et al. llevaron a cabo un estudio similar en una cámara cerrada. (2021) y han demostrado que mediante iones de aire positivos y negativos, más del 70% de la inactivación de E. coli tomó aproximadamente 8 h62.

Disminución de los recuentos de TMC y TFC de forma natural y con el funcionamiento del dispositivo detergente de plasma frío (a, c) en el caso de ventilación, (b, d) en el caso de sin ventilación.

También se prueba la eficiencia del dispositivo en la reducción de bacterias E. coli en aerosol y fagos MS2 en un ambiente cerrado que mide un tamaño de 0,6 × 0,6 × 0,6 m3. Estos microorganismos en aerosol se seleccionaron específicamente por su capacidad para medir la eficacia de la fuente desarrollada para reducir un organismo común, como el virus de la influenza y el SARS-CoV-2. Los datos de reducción logarítmica neta y reducción porcentual neta se muestran en la Fig. 10 y la Tabla 1, respectivamente.

Reducción logarítmica neta en el caso de fagos MS2 en aerosol y bacterias E. coli.

Cuando se probó contra el fago MS2, el dispositivo mostró una reducción máxima del 99,999 % en 30 minutos, mientras que alcanzó una reducción del 99,99 % en solo 15 minutos. Cuando se probó contra E. coli, el dispositivo desarrollado mostró una reducción máxima del 99,999% en 90 minutos, mientras que alcanzó una reducción del 99,98% en 30 minutos. En ambos casos, la reducción inicial es muy rápida, más del 99% en 15 minutos de funcionamiento continuo de la unidad purificadora de aire. En este estudio, el rendimiento fenomenal de la eliminación de microorganismos en el aire se ha logrado mediante la combinación de iones negativos y positivos con los radicales hidroxilo.

La disminución en el número de UFC y UFP se debe principalmente al detergente de plasma frío a medida que aumenta el tiempo de exposición. Especialmente para la bacteria E. coli, la reducción de UFC es comparativamente menor al aumentar el tiempo de tratamiento debido a sus mecanismos de autodefensa y autocuración que las protegen63,64. Por el contrario, cuando el tiempo de exposición al plasma es mayor, se genera una mayor cantidad de especies detergentes de plasma frío, lo que daña la membrana celular externa de la bacteria E. coli, lo que suprime inmediatamente el mecanismo de protección de autocuración de la E. coli. bacterias, lo que resulta en una mayor eficiencia de desactivación. En general, existen múltiples sistemas de reparación en las bacterias, es decir, E. coli, como la remodelación de lípidos (uno de los componentes de la membrana externa), proteínas reparadoras de la membrana como MreB y MreD, y enzimas como la catalasa, la superóxido dismutasa (neutralizan la ROS) y autolisinas. Además de estos, existe una respuesta al estrés que puede activar la serie de genes. Estos genes ayudan a activar factores sigma como sigmaB y sigmaE. Todos estos factores reparan la pared celular dañada. La autodefensa en E. coli incluye bacteriocinas (mata otras bacterias), bomba de eflujo (expulsa los antibióticos de la célula), factor sigma RpoS (se activa durante el estrés), detección de quórum y cambios genéticos como la transferencia de genes (para adquirir el antibiótico). resistencia)65,66.

La Tabla 2 muestra una comparación de la reducción logarítmica del fago MS2 con diferentes configuraciones de reactor NTP conocidas en la literatura. Como es bastante evidente, la reducción logarítmica del fago MS2 en este estudio es mayor que la de trabajos conocidos anteriores que utilizan diferentes configuraciones de NTP. El tiempo que tarda el sistema en lograr la máxima reducción logarítmica también es menor que el que requiere el uso de diferentes configuraciones de reactor NTP. De hecho, la desactivación completa de cualquier virus depende de diferentes propiedades, como su tipo de genoma (es decir, ssRNA o dsRNA), con o sin envoltura, y el tamaño de su genoma. Si comparamos las diferentes características del bacteriófago SARS-CoV-2 y MS2, entonces el tamaño del genoma del SARS-CoV-2 es de 29,8 kb (envuelto), mientras que el tamaño del genoma del bacteriófago MS2 es de 3,6 kb (sin envoltorio). Los virus con genomas más grandes generalmente se inactivan más rápidamente porque su mayor tamaño los hace más susceptibles al daño causado por los radicales hidroxilo. Debido a su menor tamaño del genoma y sus características no envueltas, es un poco difícil desactivar el fago MS2 en comparación con el SARS-CoV-267.

Esta comparación muestra la efectividad del dispositivo desarrollado. El alcance de este dispositivo no se limita solo a la eliminación de recuentos microbianos totales y recuentos totales de hongos, sino que también puede desactivar la gama más letal de otras bacterias y virus transmitidos por el aire, incluidos quizás el SARS-CoV-2, el SARS CoV, la influenza, etc. Esto se debe a que el virus no es un organismo vivo, sino que una molécula de proteína cubierta por una capa protectora de lípidos (grasa) y los iones de detergente activos en plasma producidos durante más de 25 s en una concentración óptima pueden desactivar dichos virus. Es un hecho bien conocido que cualquier jabón o detergente es el mejor remedio para los virus de la gripe en las manos porque la espuma corta la grasa. Es necesario frotar mucho, durante ~ 20 segundos o más, para formar mucha espuma. Al disolver la capa de grasa, la molécula de proteína se dispersa y se rompe por sí sola. Se espera que el detergente de plasma frío generado con un tiempo promedio suficiente de mantenimiento de iones negativos activos en el medio ambiente pueda funcionar bien para los patógenos de larga vida, como el SARS-CoV-2, el SARS-CoV, la influenza, etc.

En resumen, hemos desarrollado un detergente portátil de plasma frío en un dispositivo ambiental para la generación eficiente de iones de aire positivos y negativos activos junto con radicales hidroxilo similares a la madre naturaleza en una configuración DBD coaxial. El dispositivo es capaz de generar iones de detergente por plasma eficientes en el ambiente interior sin ningún gas adicional y funciona a presión atmosférica. Un dispositivo de 100 mm es capaz de producir iones activos con concentraciones que varían de 300 a 500.000 iones/cm3 y superiores. También es capaz de generar iones negativos con un tiempo medio de sustentación de más de 25 s. El dispositivo es fácilmente escalable en longitud, ancho y concentraciones de iones. La potencia consumida promedio por unidad de longitud de arco por este dispositivo es ~ 0,33 W/cm. El dispositivo es bastante eficaz contra patógenos en aerosol y es capaz de reducir los recuentos microbianos totales y los recuentos totales de hongos en más del 99%, las bacterias E. coli en más del 99,999% y los virus basados ​​en ARN -fagos MS2 en más del 99,999%. un tiempo de funcionamiento más corto (< 90 min) de la unidad purificadora de aire en ambientes interiores probados en tamaños de hasta 3 × 2,4 × 2,4 m3. El efecto sinérgico de ambos iones de aire junto con los radicales hidroxilo generados posiblemente sean responsables de la mayor eficiencia de desinfección obtenida.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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RJ y KA desean agradecer a UGC por brindar una beca de investigación senior durante el programa de doctorado. Los autores agradecen a CRG, SERB, DST, Gobierno de la India, a través del proyecto # CRG/2020/005369 y al IIT Jodhpur a través del proyecto No. I/SEED/RAM/20200002 por la asistencia financiera para este trabajo. Los autores desean agradecer al Dr. M. Krishna Mohan de BISR, Jaipur, por su apoyo en las pruebas de laboratorio microbiológicas. Los autores también desean agradecer al Sr. Chandra Prakash, al Sr. Vigyan Gadodia, al Sr. Abhijit Mishra, a la Sra. Sushma Jangra, al Sr. Ritesh Mishra y a la Sra. Shikha Pandey por la asistencia de laboratorio relacionada con este trabajo.

Departamento de Física, Instituto Indio de Tecnología Jodhpur, Jodhpur, Rajasthan, 342037, India

Ramavtar Jangra, Kiran Ahlawat, Ambesh Dixit y Ram Prakash

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RP concibió y conceptualizó la idea. RJ y RP diseñaron los experimentos. RJ, KA y RP realizaron los experimentos generales y llevaron a cabo la síntesis y caracterización del material. RJ y RP escribieron el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Ram Prakash.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Jangra, R., Ahlawat, K., Dixit, A. et al. Desactivación eficiente de patógenos en aerosol mediante un detergente de plasma frío a base de descarga de barrera dieléctrica en un dispositivo ambiental para una buena calidad del aire interior. Informe científico 13, 10295 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37014-2

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Recibido: 26 de marzo de 2023

Aceptado: 14 de junio de 2023

Publicado: 25 de junio de 2023

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

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