Plazma ako nástroj na sterilizáciu

Vlado Scholtz, 27. února 2006

V rámci svojho doktorského štúdia na katedre fyziky FEL ČVUT sa zaoberám výskumom baktericídnych vlastností korónového výbojaKorónový 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.. Ide o pomerne novú oblasť výskumu na rozhraní fyziky a mikrobiológie. Známych metód na sterilizáciu alebo dekontamináciuDekontaminace – proces snížení počtu živých mikroorganizmů v daném objemu nebo na daném povrchu. Úplnou dekontaminaci, tj. likvidaci všech živých organizmů nazýváme sterilizací. je mnoho, žiadna z nich sa však nedá použiť vo všetkých prípadoch. Štandardné metódy sterilizácie sú plameň, ktorý je nepoužiteľný pre horľavé materiály, autoklávovanie, ktoré zohrieva materiál až na teplotu 135÷140 °C, chemické prostriedky, ktoré môžu chemicky reagovať s daným materiálom a mnoho iných. Sterilizácia nízkoteplotnou plazmou generovanou v korónovom výboji je jedna z alternatívnych možností, jej výhodami sú netermálnosť t.j. nezohrieva sterilizovaný materiál, ľahko sa generuje, nie je potrebné ju skladovať a pod.

Korónový výboj horiaci na sústave ihiel

Mechanizmy presného pôsobenia nie sú zatiaľ úplne známe, je však mnoho faktorov, ktoré sú známe ako baktericídne. Predovšetkým je to UV žiarenie, ktoré sa však v korónovom výboji negeneruje v dostatočnom množstve, nabité častice, ktoré môžu meniť elektrické potenciály na povrchu membrány, generované voľné radikály, ozón, OH- a pod.

Pôsobenia nízkoteplotnej plazmy na bunkové membrány demonštrujú nasledujúce obrázky. Bunková membrána je tvorená tzv. amfifilnými molekulami, čo sú dlhé uhľovodíkové hydrofóbne reťazce zakončené hydrofilnou skupinou, napríklad zvyškom hydroxidu. Tieto vo vodnom prostredí vytvoria dvojvrstvu tak, že hydrofilné časti sú orientované smerom do vody a tým oddeľujú dve vodné prostredia. Na nasledujúcej fotke sú sklíčka s nanesenou vrstvou týchto molekúl orientovaných hydrofilnými časťami smerom dolu. Ako vidno, tak kvapka vody si na prednom sklíčku zachováva kompaktný tvar aký zodpovedá hydrofóbnemu povrchu, zatiaľ čo na zvyšných dvoch sklíčkach, ktoré boli vystavené korónovému výboju, pokrýva väčšiu plochu. To znamená, že bola zmenená ich chemická štruktúra a stali sa hydrofilnými.

Na ďalšom obrázku je fotografia z elektrónového rastrovacieho mikroskopu, kde vľavo je fotografia živých, nepoškodených baktérií. Vpravo je fotografia baktérií usmrtených nízkoteplotnou plazmou z bariérového výboja. Baktéria označená šípkou má zjavne poškodenú stenu, zatiaľ čo ostatné boli usmrtené bez zjavného poškodenia vonkajšej steny. Z toho možno usudzovať, že mechanizmov usmrcovania baktérií je niekoľko a uplatňujú sa spoločne.

Na ďalšom obrázku je jednoduché zariadenie na generáciu korónového výboja, ktoré používame pri našej práci. Lekárska ihla je umiestnená na mikrometrickom šróbe. Tým je možné nastavovať jej vzdialenosť od sterilizovaného povrchu, ktorý predstavuje živná pôda (agar) definovane kontaminovaný suspenziou baktérií a známou koncentráciou.

Po vystavení povrchu agaru korónovému výboju sa miska s týmto agarom inkubuje 15÷20 hodín a následne sa odčíta počet prežívajúcich baktérií. V inkubátore sa totiž každá živá baktéria začne rýchlo množiť a za krátky čas sa namnoží až do viditeľného množstva. A pokiaľ bola počiatočná koncentrácia dostatočne nízka a teda jednotlivé baktérie boli ďaleko od seba, vznikne na mieste každej živej baktérie kôpka biomasy, tzv. kolónia.

Nasledujúce dve fotografie ukazujú jeden z mnohých výsledkov experimentov. Prvá fotografia je kontrolná neožarovaná vzorka kontaminovaná baktériou Staphylococcus epidermidis, druhá totožná vystavená zápornému korónovému výboju s prúdom 0,05 mA po dobu 4 minút. Je vidieť, že okolo stredného bodu, znázorňujúcemu polohu hrotu ihly je sterilná oblasť a koncentrácia prežívajúcich baktérií postupné rastie až je rovnaká v porovnaní s kontrolou.

Ukazuje sa, že použitím korónového výboja je možné sterilizovať povrchy kontaminované baktériami. Pokiaľ sa táto skutočnosť preukáže ako dostatočne spoľahlivá pre všetky druhy baktérií, bola by to veľmi účinná a jednoduchá metóda sterilizácie vhodná najmä pre materiály citlivé na teplo, ktoré nie je možné sterilizovať chemickými prostriedkami (potraviny, …). Avšak na praktickú aplikáciu si budeme musieť ešte nejaký ten čas počkať.

Bonus: Klip „Obloukový výboj“

Tento klip byl natočen v 500 kV rozvodně Eldorado v blízkosti města Boulder City v Nevadě. Ukazuje rozpojení třífázového vedení přepínačem na vzduchu. Video bylo natočeno při přepojování vedení vysokého napětí délky 150 km do lineární tlumivky. Jde o zařízení podobné obřímu transformátoru, kteté je vidět na konci klipu za nákladním vozem napravo. Jde o cívku kompenzující kapacitu dlouhého vedení vysokého napětí. Uvnitř je každá fáze vedení spojena pomocí cívky se zemí. Videoklip byl natočen při testu přepojování vysokého napětí. Při rozpojení vznikl klasický obloukový výboj i s doprovodnými zvukovými efekty. Teslamania 2006.

Odkazy