Características de esterilización de tubos angostos por óxidos de nitrógeno generados en plasma de aire a presión atmosférica

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6947 (2023) Citar este artículo

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Se investigaron las características de esterilización de las especies activas generadas por un plasma de descarga de barrera dieléctrica atmosférica utilizando aire y oxígeno en la superficie interna de un tubo de silicona. Se instaló un dispositivo de plasma de antorcha de descarga de barrera dieléctrica en un extremo del tubo y generó especies activas de larga vida que fluían hacia el interior del tubo. En el extremo opuesto del tubo de 60 cm se colocó un indicador biológico tipo tira con una espora bacteriana de 105 células. La esterilización se completó en 30 min por partículas activas generadas a partir del plasma de aire. Los principales factores que contribuyeron a la esterilización por plasma de aire fueron HNO3 y N2O5. Cuando los materiales orgánicos (queratina, ácido aspártico y ácido dipicolínico) que reflejan los componentes de la espora bacteriana se trataron mediante el procedimiento de esterilización, hubo poco efecto sobre el ácido dipicolínico. La queratina fue oxidada por el ozono y el NOx generados a partir de los plasmas de oxígeno y aire, respectivamente. El ácido aspártico experimentó pocos cambios en la composición del ozono generado a partir del plasma de oxígeno, mientras que los grupos nitro (NO2), nitroso (NO) y aldehído (CHO) se formaron a partir del ozono y NOx generados a partir del plasma de aire.

La esterilización del equipo médico es un procedimiento importante en los hospitales que facilita la reutilización del equipo. Los tubos médicos de plástico tienen una forma larga y estrecha y son difíciles de esterilizar. Así, debido a su uso frecuente, los tubos médicos se consumen en grandes cantidades. Aunque sería deseable esterilizar y reutilizar los tubos para reducir los costos de atención médica, no existen métodos de esterilización efectivos disponibles. La reutilización del equipo médico es importante incluso en el espacio ultraterrestre, donde la cantidad de equipo que se transportará es limitada. Los métodos de esterilización usados ​​actualmente en la práctica médica que son aplicables a la esterilización de tubos incluyen la esterilización con gas de óxido de etileno (EOG) y la esterilización con peróxido de hidrógeno (H2O2). Sin embargo, estos productos químicos son tóxicos y relativamente estables, y dejan residuos que son difíciles de eliminar de los tubos de plástico estrechos1,2. Por lo general, se requiere aproximadamente 1 día para eliminar el EOG de los dispositivos médicos luego de la esterilización. Los productos químicos tóxicos y/o cancerígenos residuales pueden poner en peligro a los pacientes, los operadores de esterilización y los profesionales médicos. Recientemente, se han estudiado métodos de esterilización de plasma debido al potencial de baja toxicidad y tiempos de esterilización reducidos2,3,4,5,6. Aunque se han aplicado muchos métodos de esterilización por plasma a los tubos de plástico, aún no se han desarrollado métodos de esterilización efectivos debido al calor y al daño causado al material del tubo7,8,9,10.

Cuando se produce una descarga eléctrica en el aire, el ozono (O3)11,12,13,14 y los óxidos de nitrógeno (NOx)15,16,17, como el monóxido de nitrógeno (NO), el dióxido de nitrógeno (NO2) y el pentóxido de dinitrógeno (N2O5 ), se obtienen a presión atmosférica. También se pueden generar radicales de vida corta como NO3 y especies de oxígeno activo derivadas de NOx y ozono. Estas especies de nitrógeno y especies de oxígeno activo son altamente reactivas y se descomponen o modifican biomateriales, como proteínas, aminoácidos y ADN. En particular, estas especies reactivas estables se generan en un plasma a temperatura ambiente. Por lo tanto, es poco probable que la esterilización con ozono y NOx provoque el deterioro térmico o el daño de la superficie de los tubos de plástico.

En los últimos años, se han realizado intentos para esterilizar la pared interna de tubos largos y estrechos con plasmas de oxígeno10; sin embargo, estos enfoques han requerido largos tiempos de procesamiento. La combinación de un plasma de oxígeno con la irradiación de luz ultravioleta (UV) ha logrado la esterilización de las paredes internas de tubos largos y estrechos en un tiempo relativamente corto. Sin embargo, cualquier obstrucción de la fuente de luz ultravioleta puede limitar este enfoque de esterilización. En este estudio, se investigó la esterilización de tubos angostos en base a especies activas de larga duración generadas a partir de un plasma de antorcha de descarga de barrera dieléctrica atmosférica (DBD) utilizando oxígeno gaseoso y aire como gases de alimentación. Se investigaron los efectos de la esterilización con plasma sobre materiales orgánicos, incluidas las esporas bacterianas. Esta investigación demuestra que tanto la esterilización de la pared interna de un tubo largo y angosto con suficiente longitud para uso médico como la suficiente compatibilidad de materiales se pueden lograr mediante el plasma usando oxígeno gaseoso y aire, y se investigaron las especies de partículas que contribuyen a la esterilización. Los resultados obtenidos contribuirán en gran medida a la demostración de un método de esterilización de pared interior de tubo largo y estrecho.

La Figura 1a, b muestra el diagrama esquemático del aparato experimental y la fotografía del dispositivo de plasma de antorcha DBD, respectivamente. El dispositivo de plasma de antorcha de descarga de barrera dieléctrica (DBD) para la producción de plasma se instaló al final del tubo de silicona de muestra a esterilizar. El tubo de cerámica para la generación de plasma con antorcha DBD tiene una dimensión de ϕ 3,0 de diámetro exterior, ϕ 3,0 de diámetro interior y 100 mm de longitud. La malla de acero inoxidable con malla 50/pulgada, 0,23 mm de espesor, está herida en la superficie interna del tubo de cerámica como electrodo de descarga. Cuando se aplicaron un alto voltaje y una alta frecuencia a un electrodo tipo malla instalado dentro del tubo de cerámica, se produjo un DBD alrededor del electrodo de malla, como se muestra en la Fig. 1c. Se observa emisión de luz por la descarga en las proximidades del electrodo tipo malla. La fuente de voltaje utilizada en este estudio fue una fuente de alimentación de alto voltaje de CA acoplada capacitivamente con una potencia de salida máxima de 100 W (Logy Electric, LHV-10AC). El voltaje aplicado a los electrodos fue de 8,1 kVpk-pk, y la frecuencia del voltaje aplicado fue de 9,8 kHz. Los gases de alimentación para la generación de plasma fueron gas oxígeno (99,99% de pureza) o aire ambiente. El oxígeno gaseoso se suministró desde un cilindro de gas y se introdujo aire ambiental en el soplete de plasma y el tubo de silicona de muestra utilizando un pequeño compresor de aire. El caudal de gas se mantuvo a 0,4 l/min. Al introducir oxígeno gaseoso o aire en el dispositivo de plasma de antorcha DBD, se produjeron especies activas en el aire y en los plasmas de oxígeno. Las especies activas fluyeron desde el dispositivo de plasma de antorcha DBD bajo el flujo de gas y fueron transportadas dentro del tubo de silicona de muestra y esterilizaron su superficie interna. Cuando se usa aire ambiental para la producción de plasma y la humedad del aire no se controla, el agua absorbida en el dieléctrico de cerámica del electrodo de descarga de barrera generalmente tiende a extinguir o debilitar la descarga. El dieléctrico cerámico utilizado para la descarga de la barrera superficial se calienta efectivamente por la colisión de partículas de alta energía durante la descarga, y el agua en el dieléctrico se evapora varios minutos después del inicio de la descarga18. Después de eso, la descarga en condiciones húmedas se recupera y es casi igual a la descarga en aire seco19. En este experimento, el proceso de esterilización comienza después de 30 minutos de calentamiento desde el inicio de la descarga.

Diagrama esquemático del aparato experimental (a), una fotografía del dispositivo de plasma de antorcha DBD (b) y una vista axial del plasma dentro del tubo de cerámica (c).

Para identificar las especies activas responsables de la inactivación microbiana, se investigaron las composiciones de las especies activas en el flujo de gas de escape del tubo de silicona de muestra. Las concentraciones de O3 y NO2, que son especies relativamente longevas contenidas en el flujo de gas generado a partir del plasma de aire, se midieron mediante tubos de detección de gas. Otras especies de gas en el flujo se analizaron mediante espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR). Los espectros FTIR se midieron para el flujo de gas a través de la fuente de plasma (antorcha), para esterilizar el tubo de silicona y desde una celda de gas FTIR conectada. El gas fluyó desde el tubo de silicona hacia la celda de medición de gas FTIR (capacidad de 50 mL) a una velocidad de flujo de aproximadamente 0,4 L/min; por lo tanto, el gas en la celda se reemplazó en 1 min. El tiempo requerido para medir el espectro FTIR fue de aproximadamente 30 s. Por tanto, el tiempo necesario para analizar el gas expulsado del tubo fue de aproximadamente 2 min. Este tiempo es lo suficientemente corto en comparación con las vidas medias de HNO3 y N2O5 (ambas varias horas) como para que cualquier descomposición de estas especies sea insignificante. Las mediciones se realizaron 10 min después del inicio de la generación de plasma. A lo largo del proceso de esterilización, el plasma se generó constantemente y la concentración de ozono, que es aproximadamente proporcional a la densidad del plasma generado, alcanzó un valor constante. Por lo tanto, las cantidades de especies de gas generadas, como O3, NO2, HNO3 y N2O5, se mantuvieron constantes a lo largo del tiempo. Los espectros FTIR se midieron ocho veces y se obtuvo un valor medio. La variación en los espectros de O3, NO2, HNO3 y N2O5 fue inferior al 1%.

Tanto en el plasma de aire como en el de oxígeno, las especies de oxígeno activo son los componentes clave que contribuyen a la esterilización. Para medir las cantidades de especies de oxígeno activo al final del tubo estrecho de muestra, se utilizó un indicador químico (CI) para detectar oxígeno atómico. El CI era una lámina recubierta con un pigmento de ftalocianina, que cambiaba de púrpura a verde según su grado de contacto con las especies de oxígeno activo. El CI se colocó en el objetivo de la Fig. 1, donde se colocaron las muestras para el tratamiento de esterilización. La tasa de cambio de color del CI a verde se determinó como el valor numérico G (verde) de un escáner basado en el modelo de color (RGB). Para cuantificar la cantidad de especies de oxígeno activo, ΔG indica la diferencia en los valores de G antes y después del procesamiento. Se evaluaron las relaciones entre la longitud del tubo y el alcance del oxígeno activo y las diferencias entre los plasmas de aire y oxígeno.

Se instaló un dispositivo de plasma de antorcha DBD en el extremo de un tubo de muestra de silicona con un diámetro interior de 4 mm. Para evaluar las características de esterilización de este método, se colocó un indicador biológico (BI) tipo tira con esporas bacterianas (G. stearothermophilus, aproximadamente 105 células) en el extremo del tubo opuesto al dispositivo de plasma. Se examinaron los tiempos de irradiación que oscilaban entre 15 y 180 min. Se utilizaron tres BI para cada condición de irradiación. El BI tratado se cultivó en caldo de soja tríptica a 58 °C. La efectividad de la esterilización se determinó en base al cambio de color del indicador de pH en la solución de cultivo después de 24 h de cultivo. La distancia entre el dispositivo de plasma y el BI dentro del tubo varió de 20 a 100 cm.

Para investigar el deterioro del material causado por la irradiación con las especies activas generadas a partir de los plasmas, se midieron los cambios en los enlaces químicos en la superficie del tereftalato de polietileno (PET), el cloruro de polivinilo (PVC) y la silicona mediante ATR-FTIR. Se utilizó la variación de las alturas en los picos típicos del espectro FTIR de cada material para inferir la descomposición o modificación de la estructura de la superficie. La tasa de cambio de composición se calculó comparando las alturas de los picos de muestras de material esterilizado y sin tratar. Los espectros se registraron en el rango de longitud de onda de 4000–500 cm−1 a una resolución espectral de 2 cm−1. Los espectros de fondo se midieron en el aire ambiente. Para preparar las muestras para las medidas de compatibilidad de materiales, se cortó una tira de PET o PVC de 4 mm de ancho y se colocó en un tubo de 60 cm de largo en la misma posición que el IB y se sometió a la esterilización. Para la muestra de silicona, se cortó el extremo del tubo de silicona tratado de 60 cm para obtener una pieza de 2 mm de ancho. Estas muestras se esterilizaron durante 0, 2, 4, 8 y 10 h.

Para investigar los cambios inducidos por la irradiación en la composición química de los materiales orgánicos contaminados con esporas bacterianas, se prepararon muestras con reactivos en polvo puro (es decir, queratina, ácido aspártico, ácido glutámico, ácido dipicolínico) adheridos a placas de fluoruro de calcio. Estos productos químicos son componentes de la materia orgánica contenida en las esporas bacterianas. Estas muestras orgánicas se irradiaron con especies activas y los cambios en la composición química de los materiales se midieron mediante FTIR. La queratina de lana se seleccionó como reactivo de queratina debido a su similitud con las proteínas similares a la queratina de las esporas bacterianas20,21.

Para especificar las partículas del factor de esterilización generadas en los plasmas, se midieron los espectros FTIR de los gases de escape del tubo. En el caso del plasma de oxígeno, se generó ozono y se transportó al tubo de muestra. El ozono se disocia en moléculas de oxígeno y una especie de oxígeno activo, átomos de oxígeno singulete O(1D), por autólisis. La esterilización del tubo largo y estrecho sometido al plasma de oxígeno se atribuyó principalmente al O(1D) derivado del ozono, que tiene un fuerte potencial de oxidación y una vida útil relativamente larga. En el caso del plasma de aire, se producen óxidos de nitrógeno que interactúan con el ozono22. Los picos atribuidos a HNO3 a 1325 cm−1, NO2 a 1627 cm−1, N2O5 a 1718 cm−1 y N2O a 2210 y 2236 cm−1 se observaron como se muestra en la Fig. 2. La concentración de NO2 medida por la detección de gas tubos fue inferior a 25 ppm y no se detectó NO. También se observó ozono en los espectros FTIR a aproximadamente 1030 y 1055 cm−1. La concentración de ozono osciló entre 100 y 280 ppm en los tubos de detección de gas, independientemente de la longitud del tubo. En el caso del plasma de oxígeno, la concentración de ozono osciló entre 500 y 760 ppm. Por lo tanto, el ozono y el NOx contribuyeron a la esterilización dentro de la tubería. Los compuestos que tienen una vida útil relativamente larga y una alta reactividad generada a partir del ozono y el NOx contribuyeron a la esterilización.

Espectro IR típico de los gases de escape generados a partir del plasma de aire.

Para confirmar la cantidad de especies de oxígeno activo que fluyen en el tubo de muestra, se investigó la relación entre el período de irradiación y la tasa de decoloración de los IC. En este estudio, se supuso que el O(1D) derivado del ozono era la principal especie de oxígeno activo que cambiaba el color del CI. Como se muestra en la Fig. 3, la cantidad de O(1D) derivada del plasma de aire aumentó con el período de irradiación durante aproximadamente 60 minutos y luego aumentó más gradualmente durante el período de irradiación. Además, la cantidad de ozono detectada dependía de la longitud del tubo, y la diferencia en la tasa de cambio de color era de aproximadamente un 10 % entre 40 y 60 cm y entre 80 y 100 cm. Las cantidades de especies de oxígeno activo se compararon entre el plasma de oxígeno y el plasma de aire. Como se muestra en la Fig. 4, dentro de un tubo con una longitud de 100 cm se generó más O(1D) a partir del plasma de oxígeno que del plasma de aire.

Tasa de decoloración de CI con respecto a la longitud del tubo y el tiempo de tratamiento con plasma de aire.

Tasa de decoloración CI de plasma de aire y plasma de oxígeno para un tubo de 100 cm.

Se evaluaron las características de esterilización de los IB. La Tabla 1 muestra los resultados de esterilización de los IB colocados en el tubo de muestra con una longitud de 20 cm basados ​​en plasmas de aire y oxígeno. Los resultados se enumeran en las Tablas 1 y 2. En el caso del plasma de oxígeno, la esterilización del IB fue exitosa solo para una muestra sometida al tratamiento de 30 min. Por el contrario, la esterilización tuvo éxito en todas las condiciones en el caso del plasma de aire. La Tabla 2 muestra los resultados de esterilización utilizando plasma de aire para tubos con longitudes de 40 a 100 cm. El tubo de 60 cm de longitud se esterilizó completamente con plasma de aire en 30 min. Aunque hubo algunas fluctuaciones, la relación entre ΔG y la probabilidad de esterilización del IB con diferentes longitudes de tubo siguió una tendencia similar, como se muestra en la Fig. 4 y la Tabla 2. Por lo tanto, las especies de oxígeno activo que llegaron al final del tubo de muestra pueden también ser capaz de inducir la esterilización.

La densidad del ozono no dependió de la longitud del tubo. Aunque el plasma de oxígeno generó una alta densidad de ozono, la tasa de esterilización del plasma de oxígeno fue mucho menor. Por lo tanto, la diferencia de la tasa de esterilización entre los plasmas de aire y oxígeno no fue determinada únicamente por la densidad del ozono. Además, no hubo disminución en la densidad del ozono, incluso cuando el ozono llegó al final del tubo más largo. Por lo tanto, la mayor parte del ozono no se disoció y salió del tubo en forma de ozono. Por lo tanto, la densidad de O(1D) formada por autolisis del ozono en los tubos fue relativamente pequeña. Es probable que el O(1D) no se produzca por la autodescomposición natural del ozono, sino más bien a través de sus interacciones con superficies reactivas, como el CI y las esporas bacterianas en el BI. La reacción de oxidación probablemente causó la decoloración del IC y la esterilización del IB.

En este experimento, al final del tubo de 100 cm, el plasma de aire produjo ozono a una concentración de 100–280 ppm y una cantidad menor de oxígeno activo que el plasma de oxígeno, como se muestra en la Fig. 4. Según estudios previos , la esterilización de G. stearothermophilus se puede lograr con ozono a una concentración de 250 ppm con un período de tratamiento de 100 min23. Por lo tanto, si el ozono es el único factor que contribuye a la esterilización en el plasma de aire, se necesitarían más de 100 minutos para la esterilización completa. Por lo tanto, el ozono y el O(1D) no fueron los únicos factores que contribuyeron a la esterilización. Otro estudio ha informado que el NO2 a 5000 ppm esteriliza las esporas bacterianas en 30 min24. Debido a que la concentración de NO2 en este experimento fue de aproximadamente 25 ppm y significativamente menor que la del trabajo anterior anterior, se puede inferir que el NO2 no tuvo una contribución importante a la esterilización.

El efecto de esterilización observado del plasma de aire fue mayor que el del plasma de oxígeno. La diferencia en las tasas de esterilización del plasma de aire y el plasma de oxígeno puede atribuirse a otras especies de NOx. La Figura 5 compara la altura máxima de cada componente y la tasa de éxito de la esterilización para tubos de 60 y 100 cm. En cuanto al ozono, no hubo diferencia notable entre los tubos de 60 y 100 cm, lo que es consistente con el hecho de que la concentración de ozono no varió a lo largo del tubo. Por el contrario, los picos de NOx fueron más altos para los tubos de 60 cm que para los de 100 cm. Por lo tanto, las cantidades de HNO3 y N2O5, que no se midieron con los tubos detectores, probablemente serían mayores para el tubo de 60 cm. El HNO3 es fuertemente oxidante y puede comportarse como un factor de esterilización. Se sabe que el N2O es muy poco reactivo y tiene una larga vida útil en el aire. Además, el N2O se descompone en la estratosfera, como lo muestran las siguientes ecuaciones25.

Asociaciones entre la absorbancia de los componentes del gas y la tasa de esterilización por plasma de aire y la longitud del tubo.

Debido a que el tubo detector o el FTIR no observaron NO, era poco probable que la descomposición del N2O tuviera un papel en la esterilización o que el N2O reaccionara con los objetos esterilizados en este estudio. N2O5 está relacionado con NO3, como se muestra en las Ecs. (6)–(9). NO3 es fuertemente oxidante y una molécula inestable y altamente reactiva; sin embargo, no tiene un electrón desapareado y su reactividad no es tan alta como la de un radical OH. Por lo tanto, es concebible que el NO3 pueda tener una vida útil más larga que los iones o el oxígeno atómico y, por lo tanto, pasar a través del tubo de muestra. Además, es posible que la reacción de NOx y ozono en el flujo de gas del plasma de aire pueda producir NO3 instantáneamente alrededor del BI, y el NO3 puede actuar sobre las bacterias por oxidación y/o nitración. La reacción (9) se refiere a la descomposición térmica, que tiene una tasa de descomposición inferior al 12 % por debajo de 40 °C26. Hubo una pequeña cantidad de NO3 en equilibrio con la presencia de N2O5 en las condiciones del experimento. Por lo tanto, se puede inferir que el NO3 contribuye a la esterilización del tubo en este estudio.

Además, se estimó que los siguientes componentes gaseosos se formaron de forma secundaria a partir del gas activo analizado cualitativamente por FTIR. Como se muestra en la Fig. 2, las especies activas incluían agua, y se consideró que los productos de reacción de NO3, O3, HNO3, N2O5, NO2 y H2O producían de manera secundaria componentes de gas activo con efectos esterilizantes, que no se observaron en los espectros FTIR. El agua en estado líquido también podría haber estado presente en el flujo de aire debido a la condensación causada por la diferencia de temperatura entre la región de descarga (aproximadamente 60 °C) y el tubo (aproximadamente 25 °C). Por lo tanto, las especies activas producidas por reacciones químicas que involucran agua en estado líquido (l, aq) también podrían actuar como factores de esterilización, además de los componentes del gas, como se muestra en la reacción (10)–(14)14,27, ( 15)–(20)28 y (21)–(23)29. Entre las especies activas potenciales, el peroxinitrito (ONOO-) es capaz de nitrosarse (es decir, experimentar la adición de grupos NO), oxidación de grupos SH, nitrosación de grupos NH2 (es decir, conversión de NH2 a NO), oxidación de proteínas bacterianas y lípidos, oxidación y nitrosación de los componentes del ADN, y daño del ADN por la extracción de hidrógeno de los ribosomas30,31. El nitrito (HONO) tiene efectos similares sobre los materiales orgánicos al HNO332, lo que sugiere que el ONOO− y el HONO pueden ser factores esterilizantes.

A partir de H2O2 de (14),

El proceso de esterilización expuso los tubos de muestra a especies activas en el plasma de aire, como el oxígeno atómico y los óxidos de nitrógeno. Por lo tanto, existe la necesidad de confirmar la compatibilidad material de estas especies reactivas. No se observó degradación visual debida al tratamiento de esterilización en ningún material; por lo tanto, la unión química de la superficie del material también se investigó mediante espectroscopia FTIR. El tratamiento de PET con especies activas en el plasma de aire resultó en cambios máximos, incluido un cambio C–H de -6,8 % para el anillo de benceno (722 cm−1) y + 18 % para el C–H (grupo metileno, 2967 cm −1) tras 2-8 h de tratamiento. Después de 10 h los porcentajes de C–O–C (+ 2,6 %) y C=O (+ 8,2 %) aumentaron con la oxidación. El tratamiento de PVC resultó en disminuciones de C–Cl y C–H después de 2–10 h de tratamiento. Los cambios máximos fueron para C–Cl: − 12% y C–H: − 17%. La característica AC=O mostró una disminución máxima de -21 % después de 6 h de tratamiento y un aumento de + 3,8 % debido a la oxidación después de 8 h de tratamiento. El tratamiento del tubo de silicona resultó en cambios dentro del 5% para todos los componentes [C–H, Si–O–Si, Si–C (786 cm−1), Si–C (1258 cm−1)] excepto para C–H, que aumentó en + 5,8% después del tratamiento de 2 h.

Con el fin de investigar el mecanismo de inactivación de la espora bacteriana en un tubo largo y angosto usando plasmas de oxígeno y aire producidos por la descarga de la barrera atmosférica. Una de las posibilidades del mecanismo de inactivación es la destrucción de la superficie de la espora bacteriana33,34,35. Por lo tanto, se han investigado las características de descomposición del material de la cubierta de esporas bacterianas. La composición principal de la cubierta de esporas de las esporas bacterianas es queratina, ácido aspártico, ácido glutámico y ácido dipicolínico35,36. En este experimento, la composición química de estos materiales después de la irradiación con oxígeno o plasma de aire se analizó utilizando espectros IR.

La Figura 6 muestra espectros FTIR de queratina tratada con especies activas del plasma de aire y plasma de oxígeno. Las especies activas de los plasmas de aire y oxígeno generaron dímeros de SO2 y N=O en las muestras de queratina. En los espectros de las muestras tratadas con plasma de aire, hubo disminuciones en los picos de amida y NH3+ de los puentes salinos (es decir, dos aminoácidos que forman un complejo iónico a través de las interacciones COOH/COO− y NH2/NH3+. Por lo tanto, los puentes salinos se oxidaron y el número de estos enlaces disminuyó, lo que puede haber reducido la rigidez de la queratina. Los picos en 1290–1320 cm−1 se pueden asignar a SO2-N y N = O. La Figura 7a, b muestra una vista ampliada de los resultados que se muestran en la Fig. 6. Tanto el plasma de aire como el de oxígeno produjeron características de SO2, CHO y cetona (C=O) que confirman la acción oxidante del ozono. En el caso del plasma de aire, el HNO3 también podría contribuir a la oxidación de la queratina.

Espectro FTIR de queratina de lana tratada con especies activas.

(a) Espectro FTIR de queratina de lana tratada con especies activas en los rangos de 1050–1200 cm−1 y (b) en 1690–1750 cm−1.

La Figura 8 muestra espectros FTIR de ácido aspártico tratado con especies activas de plasma de aire y plasma de oxígeno. Después del tratamiento con plasma de oxígeno, los resultados de FTIR fueron similares a los de la muestra no tratada. Los picos alrededor de la región N-H disminuyeron ligeramente debido a la oxidación por el ozono. Por el contrario, para la muestra tratada con plasma de aire, el espectro fue marcadamente diferente al de la muestra no tratada, y aparecieron nuevas características de los derivados de aldehído C=O, nitrito (ONO) y N=O mientras que C–H y N –Se redujeron los picos H. Los resultados para los plasmas de aire y oxígeno indican que el ácido aspártico era particularmente susceptible a la desnaturalización de los óxidos de nitrógeno derivados del plasma de aire. Por lo tanto, era probable que C–H y N–H se oxidaran a C=O y N=O. Además, se observó un nuevo pico de C=O generado por oxidación en los resultados solo para el plasma de aire. Estos resultados confirmaron que la capacidad de oxidación combinada del NOx producido por el plasma de aire y las especies activas, como ONOO−, se formaron secundariamente a partir del NOx agregado a la oxidación del plasma de oxígeno con ozono. Por lo tanto, la esterilización altamente efectiva realizada por el plasma de aire puede atribuirse a la desnaturalización composicional de los materiales orgánicos a través de la oxidación mediada por NOx y las especies activas generadas entre el ozono y el NOx.

Espectros FTIR de ácido aspártico tratado con especies activas.

La figura 9 muestra el espectro FTIR del ácido glutámico tratado con especies activas generadas a partir de plasma de aire y plasma de oxígeno. Las ubicaciones de los picos de las muestras no tratadas y las que se sometieron al plasma de oxígeno fueron casi idénticas. Los resultados para el ácido glutámico y el ácido aspártico fueron similares debido a sus estructuras similares. Por lo tanto, los efectos del ozono del plasma de oxígeno sobre el ácido glutámico fueron limitados. Por el contrario, en el caso del plasma de aire, se identificaron picos de N=O y C=O derivados de aldehídos. Estas características se atribuyen a la oxidación de NH2 y CH.

Espectros FTIR de ácido glutámico tratado con especies activas.

La Figura 10 muestra los espectros FTIR del ácido dipicolínico tratado con partículas activas derivadas del plasma de aire y oxígeno. Hubo poca diferencia en los picos espectrales entre las muestras no tratadas y las sometidas a plasmas de aire y oxígeno. Los picos de vapor de agua aparecieron entre 1300 y 2000 cm−1 en las muestras no tratadas y en aquellas sometidas al plasma de oxígeno; sin embargo, estos picos se atribuyeron a la contaminación externa asociada con los instrumentos. Debido a que el ácido dipicolínico no fue desnaturalizado por el tratamiento de esterilización, es posible que el ácido dipicolínico no esté relacionado directamente con los procesos de desinfección.

Espectros FTIR de ácido dipicolínico tratado con especies activas.

Utilizando una fuente de plasma de antorcha DBD con oxígeno gaseoso y aire, se esterilizó el interior de un tubo de 4 mm de diámetro y 60 cm de longitud en 30 min. El ozono y el NOx fueron identificados por FTIR y se encontró que HNO3 y N2O5 eran especies activas efectivas para la esterilización de tubos largos y angostos. El método de esterilización de este estudio esterilizó eficazmente los tubos de silicona con una degradación mínima del material. Los resultados del tratamiento con especies activas de materiales orgánicos (queratina, ácido aspártico, ácido glutámico, ácido dipicolínico) que comprenden esporas bacterianas fueron los siguientes. La queratina mostró cambios en la composición química tanto del ozono solo del plasma de oxígeno como del ozono y NOx de los tratamientos con plasma de aire. Para otros materiales orgánicos, el ozono indujo un cambio mínimo en la composición, mientras que el ozono y el NOx cambiaron las composiciones del ácido aspártico y el ácido glutámico. Estos resultados sugieren que un alto rendimiento de esterilización de los gases activos derivados del plasma de aire puede atribuirse a los fuertes efectos desnaturalizantes sobre la composición química de los materiales orgánicos por la mezcla de gases de ozono y NOx.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por el Centro de Innovación de Exploración Espacial (TansaX) de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA).

Escuela Interdisciplinaria de Graduados en Ciencias de la Ingeniería, Departamento de Ciencias de la Ingeniería Energética Avanzada, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 816-8580, Japón

Reona Muto y Nobuya Hayashi

Centro Internacional de Investigación para Ciencias Ambientales Espaciales y Planetarias, Universidad de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japón

Nobuya Hayashi

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RM concibió la idea del estudio y realizó los experimentos y compiló el manuscrito. NH creó la concepción fundamental de este estudio y supervisó la realización de este estudio. Ambos autores discutieron y editaron el manuscrito.

Correspondencia a Nobuya Hayashi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Muto, R., Hayashi, N. Características de esterilización de tubos angostos por óxidos de nitrógeno generados en plasma de aire a presión atmosférica. Informe científico 13, 6947 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34243-3

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Recibido: 18 febrero 2023

Aceptado: 26 abril 2023

Publicado: 28 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34243-3

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