Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 21 – vyšlo 22. května, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Korónovým výbojem proti koronaviru

Vladimír Scholtz

V této nevšední době přinášíme trochu neobvyklý, ale velice aktuální bulletin popisující náš původní a zatím nezveřejněný výzkum, ve kterém jsme vyvinuli generátor nízkoteplotního plazmatu KVKV01 vhodný pro dezinfekci různých objektů a účinný i proti koronaviru SARS-CoV-2. Tento generátor může být použit i pro dezinfekci nedostatkových respirátorů, neboť nezpůsobuje ztrátu jejich filtrační účinnosti. Předkládané výsledky byly dosažené v Laboratoři nízkoteplotního plazmatu v Ústavu fyziky a měřicí techniky Vysoké školy chemicko-technologické v Praze a podstatnou částí k nim přispěla spolupráce s centrem klinických laboratoří Zdravotního ústavu se sídlem v Ostravě, s Ústavem organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky v. v. i. a firmou AVEC CHEM s. r. o. ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou Univerzity Hradec Králové.

Obr. 1: Generátor nízkoteplotního plazmatu KVKV01

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Korónový výboj – druh elektrického výboje v plynech. Vzniká na ostrých hranách elektrod, kde je díky malému poloměru křivosti generováno silné elektrické pole. Samotný výboj hoří jen v okolí těchto hran a dále do prostoru se elektrický náboj přenáší jen za pomoci volných nosičů náboje bez další ionizace a emise záření. Korónový výboj může před bouřkou vznikat na ostrých hranách střech nebo hromosvodů jako tzv. Eliášův oheň. Vzniká také na sloupech vysokého napětí, kde slyšíme jeho projevy jako známé sršení.

Virus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů.

Vytvoření nízkoteplotního plazmatu

Výzkumem mikrobicidních vlastností korónového výbojeKorónový výboj – druh elektrického výboje v plynech. Vzniká na ostrých hranách elektrod, kde je díky malému poloměru křivosti generováno silné elektrické pole. Samotný výboj hoří jen v okolí těchto hran a dále do prostoru se elektrický náboj přenáší jen za pomoci volných nosičů náboje bez další ionizace a emise záření. Korónový výboj může před bouřkou vznikat na ostrých hranách střech nebo hromosvodů jako tzv. Eliášův oheň. Vzniká také na sloupech vysokého napětí, kde slyšíme jeho projevy jako známé sršení. jako zdroje nízkoteplotního plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. se autor tohoto bulletinu začal zabývat již v rámci postgraduálního studia na FEL ČVUT v Praze a pokračuje v něm i nadále více než 10 let na VŠCHT Praha. O mikrobicidních účincích a jiných vlastnostech nízkoteplotního plazmatu Aldebaran informoval již v bulletinech AB 8/2006, 3/2012 a 5/2013. Pro vytvoření nízkoteplotního plazmatu je možné používat různé typy elektrických výbojů. Hlavním důvodem, proč používáme výboj korónový, je jeho jednoduchost: K jeho vzniku je potřeba jen zdroj vysokého napětí a dvě elektrody, přičemž alespoň jedna musí mít malý poloměr křivosti (musí být ostrá). Naopak není potřeba žádných přídavných aparatur pro zdroj plynu nebo vakua a napájecí zdroj může být velice měkký, takže nehrozí ani úraz elektrickým proudem v případě nepozornosti nebo poruchy. Za celou dobu výzkumu byly studovány korónové výboje již v mnoha konfiguracích. V poslední studii byl použit záporný korónový výboj v konfiguraci hrot-trubička, viz obrázek 2, kde jsou uvedeny i konkrétní rozměry elektrodového systému. Hrotová elektroda je tvořena jednorázovou injekční jehlou o průměru 0,6 mm, druhá trubičková elektroda je tvořena uříznutou nábojnicí ráže 9 mm.

Schéma konfigurace elektrod pro generaci korónového výboje

Obr. 2: Schéma konfigurace elektrod pro generaci záporného korónového výboje hrot-trubička s přídavnou mřížkou a fotografie jeho aktivní oblasti. Na špičce jehly je vidět aktivní oblast záporného korónového výboje a na hranách trubičky parazitní kladný korónový výboj.

V této konfiguraci vytváří záporný výboj, hořící na špičce jehly proti druhé prstencové elektrodě, silný iontový vítr, který vynáší aktivní částice z oblasti výboje trubičkou dále do prostoru. Částice ještě prochází vodivou mřížkou, na které se dále rozptylují, a zasahují tak větší cílovou oblast. Dezinfikovaný materiál se přitom nachází mimo elektrodový systém a manipulace s ním je při aplikaci jednoduchá a bezpečná.

K vyřešení nedostatku nových respirátorů poskytujících účinnou ochranu před virem SARS-CoV-2 jsme sestrojili aparaturu pro jejich dezinfekci a opakované použití. Aparatura je samozřejmě použitelná i pro jiné objekty, její nákres je uveden na obrázku 3. Podrobný nákres je v souboru KVKV01.pdf.

Obr. 3: Aparatura pro dezinfekci respirátorů a jiných objektů.

V navrženém uspořádání hoří v aparatuře čtyři stejné výboje. V dolní části aparatury je umístěn zdroj vysokého napětí; výhodně jsme použili levný a na eBay lehce dostupný zdroj pro ionizátory vzduchu. Zdroj je napájen stejnosměrným napětím 20 V s odebíraným proudem 250 mA. Výstupní vysoké napětí naprázdno (U = 21 kV) je přivedeno na čtveřici rovnocenných elektrodových systémů. Vzdálenosti elektrod uvedené na obrázku 2 jsou jen orientační, jejich přesnou polohu je potřeba nastavit tak, aby záporné výboje hořely uprostřed trubičky s co nejmenšími parazitními kladnými výboji a aby každým z nich procházel proud I = 100 až 110 µA, přičemž napětí zdroje má poklesnout na U = 7 kV. Nad výboji je umístěna kruhová drátěná kovová mřížka o poloměru 40 mm s velikostí ok 0,5×0,5 mm a tloušťkou drátů 0,2 mm. (Pokud vám to připomíná kuchyňskou síťku k přikrytí pánve při smažení, je váš dojem správný.) Nad oblastí výbojů se nachází komůrka, do níž se dezinfikované předměty vkládají na vloženou řídkou plastovou podložní mřížku, zajišťující, aby tyto předměty nedosedaly přímo na výboje. Celá krabička je vytištěna na 3D tiskárně z materiálu PETG. Nákres v Autodesk Inventor Professional 2020 a dávkový soubor pro tisk jsou volně k dispozici pro nekomerční použití.

Účinnost dezinfekce

Účinnost dezinfekce byla testována na celkem třech druzích obalených virůVirus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů., a to viru chřipky Influenza H₁N₁, California, viru používaného pro přípravu vakcíny proti pravým neštovicím Vaccinia virus kmen Modifikovaný Vaccinia virus Ankara (MVA) a koronaviru SARS-CoV-2 způsobujícího Covid-19. Obalené viry jsou na vnější vlivy (např. detergenty) obecně citlivější než viry neobalené, například virus žloutenky typu A, Adenovirus apod., které jsme pro časovou tíseň a současné velké vytížení testovacích laboratoří zatím netestovali. Virus Influenza se v rámci obalených virů považuje za velice citlivý, virus Vaccinia za velice odolný; pro SARS-CoV-2 se předpokládá intermediární citlivost.

Virus Influenza byl testován nakápnutím čisté 10×1 µl virové suspenze o koncentraci 10⁶ infekčních jednotek na mililitr (IU/ml) na částicový filtr P 3R od firmy AVEC CHEM s. r. o. Vaccinia virus byl testován nakápnutím čisté virové suspenze (8 kapek o celkovém objemu 50 µl) o koncentraci 10⁶ IU/ml na chirurgickou roušku. Po zaschnutí byly vzorky exponovány plazmatem po dobu 60 minut v aparatuře podobné jako na obrázku 3, ale používající jen jeden výboj. Expozice probíhala v atmosféře okolního vzduchu, která byla podle potřeby zvlhčována vložením mokré vaty do expoziční komůrky. K úplné inaktivaci viru Influenza došlo i bez zvlhčení atmosféry, naopak u viru Vaccinia k ní došlo pouze ve vlhčené atmosféře. Bez přítomnosti vlhkosti byla pozorována pouze nevýrazná inaktivace tohoto viru. Pracovní hypotéza je zatím taková, že kolem viru se vytvoří vrstva organických molekul, jež jsou součástí kapének, a ty ho při vyschnutí účinně chrání. Ve vlhké atmosféře však tuto ochrannou vlastnost ztrácí. Zároveň se ve výboji s vyšší vlhkostí zvyšuje i množství reaktivních částic jako OH^-, OH·, OOH· apod., které mají výrazné mikrobicidní účinky.

Na základě těchto předběžných výsledků jsme testovali účinnost navržené aparatury (viz obrázek 3) na inaktivaci viru SARS-CoV-2. Suspenze tohoto viru o objemu 20 µl a koncentraci 10⁶ IU/ml byla nakápnuta na tři různá místa respirátoru KN95, viz obrázek 4. Po zaschnutí byl respirátor exponován v popsané nově navržené aparatuře po dobu 30 a 60 min. Atmosféra v komůrce byla zvlhčována jedním gramem vaty navlhčené pěti mililitry vody.

Obr. 4: Testovaný respirátor KN95 s vyznačenými infikovanými místy.

Touto metodou byl virus inaktivován z 95 % již po 30 minutách. K úplné inaktivaci viru ale nedošlo ani po 60 minutách. Pro možnost dosažení úplné inaktivace viru bude potřeba ještě mírně upravit aparaturu, především z hlediska rozložení dezinfikovaných objektů, případně prodloužit expoziční dobu.

Vliv plazmatu na kvalitu respirátoru

Filtr P3 R od firmy AVEC CHEM s. r. o. byl z obou stran exponován plazmatem (generátoru s jedním výbojem) po dobu dvou hodin. Poté byl filtr podroben testu propustnosti aerosolovými částicemi parafinového oleje v souladu s normou ČSN EN 143 (Ochranné prostředky dýchacích orgánů – Filtry proti částicím – Požadavky, zkoušení a značení) pomocí měřicího přístroje LORENZ FMP03 ze kterého vyplynulo, že původní filtrační účinnost P3 R filtru 99,9999 % se sníží pouze na 99,99986 %, což dostatečně převyšuje normou požadovaných 99,95 %.

Závěrem

Uvedené výsledky jsou zatím sice mírně nesystematické a pro úplnost vyžadují dopracování. Nicméně již teď ukazují, že popsaná aparatura je schopna účinně dezinfikovat různé filtrační materiály používané k ochraně před SARS CoV-2, a že její aplikace nesnižuje filtrační schopnost respirátorů. Věříme, že tato naše práce zaujme případné zájemce o využití a pomůže jim se v této době lépe ochránit. Veškerou dokumentaci ke konstrukci aparatury zveřejňujeme pro nekomerční využití, konstruktérům i uživatelům jsme ochotni jakkoli pomoci a poradit. Jsme ochotni dodat i hotové přístroje, i když ve velice omezené „výrobní“ kapacitě.

Odkazy