Plasmaenhed designet til forbrugere kan hurtigt desinficere overflader

COVID-19-pandemien har kastet et skarpt lys over det presserende behov for hurtige og lette teknikker til at desinficere og desinficere dagligdags high-touch-genstande såsom dørhåndtag, kuglepenne, blyanter, og personlige værnemidler båret for at forhindre infektioner i at sprede sig. Nu har forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory og New Jersey Institute of Technology (NJIT) demonstreret den første fleksible, håndholdt, enhed baseret på lavtemperaturplasma - en gas, der består af atomer, molekyler, og fritsvævende elektroner og ioner - som forbrugerne hurtigt og nemt kan bruge til at desinficere overflader uden særlig træning.

Nylige eksperimenter viser, at prototypen, som fungerer ved stuetemperatur under normalt atmosfærisk tryk, kan fjerne 99,99 procent af bakterierne på overflader, inklusive tekstiler og metaller på kun 90 sekunder. Enheden har vist en endnu højere 99,9999 procent effektivitet, når den bruges sammen med det antiseptiske hydrogenperoxid. Forskere tror, ​​at det vil være tilsvarende effektivt mod vira. "Vi tester det lige nu med menneskelige vira, " sagde PPPL-fysiker Sophia Gershman, første forfatter til et papir i Videnskabelige rapporter der beskriver enheden og forskningen bag den.

Positive resultater hilses velkommen

De positive resultater var velkomne på PPPL, som udvider sin portefølje af fusionsforskning og plasmavidenskab. "Vi er meget begejstrede for at se plasmaer bruges til en bredere vifte af applikationer, som potentielt kan forbedre menneskers sundhed, " sagde Jon Menard, vicedirektør for forskning ved PPPL.

Den fleksible håndholdte enhed, kaldet en dielektrisk barriereudladning (DBD), er bygget som en sandwich, sagde Gershman. "Det er en højspændingsskive brød på ost, der er en isolator og et jordet stykke brød med huller i, " hun sagde.

Højspændingsskiven af ​​"brød" er en elektrode lavet af kobbertape. Den anden skive er en jordet elektrode mønstret med huller til at lade plasmaet strømme igennem. Mellem disse skiver ligger "osten" af isoleringstape. "Dybest set er det hele fleksibel tape som Scotch tape eller gaffatape, " sagde Gershman. "Jordelektroden vender mod brugerne og gør enheden sikker at bruge."

Plasmaet ved stuetemperatur interagerer med luft for at producere det, der kaldes reaktive oxygen- og nitrogenarter - molekyler og atomer af de to grundstoffer - sammen med en blanding af elektroner, strømme, og elektriske felter. Elektronerne og felterne slår sig sammen for at gøre det muligt for de reaktive arter at trænge ind og ødelægge bakteriecellevægge og dræbe cellerne.

Plasmaer ved stuetemperatur, som sammenligner med fusionsplasmaerne PPPL undersøgelser, der er mange gange varmere end solens kerne, produceres ved at sende korte impulser af højhastighedselektroner gennem gasser som luft, skabe plasmaet og ikke efterlade tid til at varme op. Sådanne plasmaer er også langt køligere end de tusinde graders plasmaer, som laboratoriet undersøger for at syntetisere nanopartikler og udføre anden forskning.

Et særligt træk ved enheden er dens evne til at forbedre virkningen af ​​hydrogenperoxid, et almindeligt antiseptisk rensemiddel. "Vi demonstrerer hurtigere desinfektion end plasma eller hydrogenperoxid alene i stabil laveffektdrift, " skriver forfatterne. "Derfor, plasmaaktivering af en lav koncentration af hydrogenperoxidopløsning, Brug af en håndholdt fleksibel DBD-enhed resulterer i en dramatisk forbedring af desinfektionen."

Nyt samarbejde

At opnå disse resultater var et nyt samarbejde, der samlede plasmafysikekspertisen fra PPPL og den biologiske knowhow fra et laboratorium på NJIT. "Mens vi normalt er et neurobiologisk laboratorium, der studerer bevægelse, vi var ivrige efter at samarbejde med PPPL om et projekt relateret til COVID-19, " sagde Gal Haspel, en professor i biologiske videnskaber ved NJIT og medforfatter til papiret.

Medforfatter Maria Benem Harreguy udførte plasmadesinfektionstesten, en kandidatstuderende i biologiske videnskaber ved NJIT, med assistance fra Gershman. "Hun lavede alle eksperimenterne, og uden hende ville vi ikke have denne undersøgelse, " sagde Gershman.

Idéen til denne forskning begyndte "så snart vi kom ind i COVID-lockdownen i marts sidste år, " sagde PPPL-fysiker og medforfatter Yevgeny Raitses, der leder Princeton Collaborative Temperature Plasma Research Facility (PCRF) - et joint venture mellem PPPL og Princeton University støttet af DOE Office of Science (FES), der har leveret ressourcer til dette arbejde gennem et brugerprojekt. "Vi hos PCRF tænkte på, hvordan vi kunne hjælpe med at bekæmpe COVID gennem vores lavtemperatur plasmaforskning, og det har været spændende for os at fortsætte dette samarbejde, " han sagde.

Raitses guidede PPPL-siden af ​​projektet, som omfattede opsætning af DBD baseret på et printet overfladedesign og karakterisering af plasmaudladningen i denne enhed, og overvågede det igangværende samarbejde med NJIT. Fremadrettet, han sagde, "vi arbejder på at få adgang til en facilitet, hvor vi vil være i stand til at anvende DBD og andre relevante enheder mod SARS CoV-2 virus", der forårsager COVID-19. "Der er også forskning i gang med immunologer og virologer ved Princeton University og Rutgers University for at udvide anvendeligheden af ​​udviklede plasmaenheder til et bredere udvalg af vira."