De COVID-19-pandemie heeft een scherp licht geworpen op de dringende behoefte aan snelle en gemakkelijke technieken om alledaagse voorwerpen die veel worden aangeraakt, zoals deurknoppen, pennen, potloden, en persoonlijke beschermingsmiddelen die worden gedragen om te voorkomen dat infecties zich verspreiden. Nu hebben wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het New Jersey Institute of Technology (NJIT) de eerste flexibele, in de hand gehouden, apparaat op basis van plasma bij lage temperatuur - een gas dat bestaat uit atomen, moleculen, en vrij zwevende elektronen en ionen - die consumenten zonder speciale training snel en gemakkelijk kunnen gebruiken om oppervlakken te desinfecteren.

Recente experimenten tonen aan dat het prototype, die werkt bij kamertemperatuur onder normale atmosferische druk, kan 99,99 procent van de bacteriën op oppervlakken elimineren, inclusief textiel en metalen in slechts 90 seconden. Het apparaat heeft een nog hogere effectiviteit van 99,9999 procent laten zien bij gebruik met het antiseptische waterstofperoxide. Wetenschappers denken dat het even effectief zal zijn tegen virussen. "We testen het nu met menselijke virussen, " zei PPPL-natuurkundige Sophia Gershman, eerste auteur van een paper in Wetenschappelijke rapporten die het apparaat en het onderzoek erachter beschrijft.

Positieve resultaten welkom

De positieve resultaten waren welkom bij PPPL, die zijn portfolio's voor fusieonderzoek en plasmawetenschap uitbreidt. "We zijn erg verheugd om te zien dat plasma's worden gebruikt voor een breder scala aan toepassingen die mogelijk de menselijke gezondheid kunnen verbeteren, " zei Jon Menard, adjunct-directeur voor onderzoek bij PPPL.

Het flexibele handapparaat, zogenaamde diëlektrische barrièreontlading (DBD), is gebouwd als een sandwich, zei de Duitser. "Het is een sneetje brood met hoog voltage op kaas dat een isolator is en een geaard stuk brood met gaten erin, " ze zei.

De hoogspanningssneetje "brood" is een elektrode gemaakt van kopertape. De andere plak is een geaarde elektrode met gaten om het plasma door te laten stromen. Tussen deze plakjes ligt de "kaas" van isolatietape. "Eigenlijk is het allemaal flexibele tape zoals plakband of ducttape, "Zei Gershman. "De aardelektrode is gericht naar de gebruikers en maakt het apparaat veilig in gebruik."

Het plasma bij kamertemperatuur interageert met lucht om zogenaamde reactieve zuurstof- en stikstofsoorten te produceren - moleculen en atomen van de twee elementen - samen met een mengsel van elektronen, stromingen, en elektrische velden. De elektronen en velden werken samen om de reactieve soorten in staat te stellen de celwanden van bacteriën binnen te dringen en te vernietigen en de cellen te doden.

Plasma's op kamertemperatuur, die vergelijkbaar zijn met de fusieplasma's van PPPL-onderzoeken die vele malen heter zijn dan de kern van de zon, worden geproduceerd door korte pulsen van snelle elektronen door gassen zoals lucht te sturen, het plasma creëren en geen tijd laten om op te warmen. Dergelijke plasma's zijn ook veel koeler dan de duizend graden plasma's die het laboratorium bestudeert om nanodeeltjes te synthetiseren en ander onderzoek uit te voeren.

Een speciaal kenmerk van het apparaat is het vermogen om de werking van waterstofperoxide te verbeteren, een algemeen antiseptisch reinigingsmiddel. "We demonstreren een snellere desinfectie dan alleen plasma of waterstofperoxide bij een stabiele werking met laag vermogen, " schrijven de auteurs. "Vandaar, plasma-activering van een waterstofperoxide-oplossing met een lage concentratie, het gebruik van een handbediend flexibel DBD-apparaat resulteert in een dramatische verbetering van de desinfectie."

Nieuwe samenwerking

Het bereiken van deze resultaten was een nieuwe samenwerking die de plasmafysica-expertise van PPPL en de biologische knowhow van een laboratorium bij NJIT samenbracht. "Hoewel we meestal een neurobiologisch laboratorium zijn dat motoriek bestudeert, we wilden graag samenwerken met PPPL aan een project gerelateerd aan COVID-19, " zei Gal Haspel, een professor in de biologische wetenschappen aan het NJIT en een co-auteur van het artikel.

Het uitvoeren van de plasmadesinfectietests was co-auteur Maria Benem Harreguy, een afgestudeerde student biologische wetenschappen aan het NJIT, met hulp van Gershman. "Ze deed alle experimenten en zonder haar zouden we deze studie niet hebben, ' zei Gershman.

Het idee voor dit onderzoek begon "zodra we afgelopen maart in de COVID-lockdown kwamen, " zei PPPL-natuurkundige en co-auteur Yevgeny Raitses, die de Princeton Collaborative Temperature Plasma Research Facility (PCRF) leidt - een joint venture van PPPL en Princeton University, ondersteund door het DOE Office of Science (FES) dat middelen voor dit werk leverde via een gebruikersproject. "Wij bij PCRF dachten na over hoe we konden helpen in de strijd tegen COVID door middel van ons lage-temperatuur plasma-onderzoek, en het was spannend voor ons om deze samenwerking voort te zetten, " hij zei.

Raitses begeleidde de PPPL-kant van het project, waaronder het opzetten van de DBD op basis van een geprint oppervlakontwerp en het karakteriseren van de plasmaontlading in dit apparaat, en hield toezicht op de lopende samenwerking met NJIT. Vooruit gaan, hij zei, "We werken eraan om toegang te krijgen tot een faciliteit waarin we de DBD en andere relevante apparaten kunnen toepassen tegen het SARS CoV-2-virus" dat COVID-19 veroorzaakt. "Ook aan de gang is onderzoek met immunologen en virologen van Princeton University en Rutgers University om de toepasbaarheid van ontwikkelde plasma-apparaten uit te breiden naar een breder scala aan virussen."