Caractéristiques de stérilisation des tubes étroits par les oxydes d'azote générés dans un plasma d'air à pression atmosphérique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6947 (2023) Citer cet article

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Les caractéristiques de stérilisation des espèces actives générées par un plasma de décharge à barrière diélectrique atmosphérique utilisant de l'air et de l'oxygène à la surface interne d'un tube en silicone ont été étudiées. Un dispositif à plasma de torche à décharge à barrière diélectrique a été installé à une extrémité du tube et a généré des espèces actives à longue durée de vie qui se sont écoulées dans le tube. Un indicateur biologique de type bande avec une spore bactérienne de 105 cellules a été placé à l'extrémité opposée du tube de 60 cm. La stérilisation a été achevée en 30 minutes par des particules actives générées à partir du plasma d'air. Les principaux facteurs contribuant à la stérilisation par plasma d'air étaient le HNO3 et le N2O5. Lorsque les matériaux organiques (kératine, acide aspartique et acide dipicolinique) reflétant les composants de la spore bactérienne ont été traités par la procédure de stérilisation, il y a eu peu d'effet sur l'acide dipicolinique. La kératine a été oxydée par l'ozone et les NOx générés respectivement par les plasmas d'oxygène et d'air. L'acide aspartique a subi peu de changement de composition à partir de l'ozone généré par le plasma d'oxygène, tandis que des groupes nitro (NO2), nitroso (NO) et aldéhyde (CHO) ont été formés à partir de l'ozone et des NOx générés par le plasma d'air.

La stérilisation du matériel médical est une procédure importante dans les hôpitaux facilitant la réutilisation du matériel. Les tubes médicaux en plastique ont une forme longue et étroite et sont difficiles à stériliser. Ainsi, du fait de leur utilisation fréquente, les tubulures médicales sont consommées en grande quantité. Bien qu'il soit souhaitable de stériliser et de réutiliser les tubulures pour réduire les coûts des soins de santé, il n'existe aucune méthode de stérilisation efficace disponible. La réutilisation des équipements médicaux est importante même dans l'espace extra-atmosphérique où la quantité d'équipements à transporter est limitée. Les méthodes de stérilisation actuellement utilisées dans la pratique médicale qui sont applicables à la stérilisation des tubulures comprennent la stérilisation au gaz d'oxyde d'éthylène (EOG) et la stérilisation au peroxyde d'hydrogène (H2O2). Cependant, ces produits chimiques sont toxiques et relativement stables, laissant des résidus difficiles à éliminer des tubes en plastique étroits1,2. En règle générale, environ 1 jour est nécessaire pour retirer l'EOG des dispositifs médicaux après la stérilisation. Les produits chimiques toxiques et/ou cancérigènes résiduels peuvent mettre en danger les patients, les opérateurs de stérilisation et les professionnels de la santé. Récemment, les méthodes de stérilisation au plasma ont été étudiées en raison du potentiel de faible toxicité et des temps de stérilisation réduits2,3,4,5,6. Bien que de nombreuses méthodes de stérilisation au plasma aient été appliquées aux tubes en plastique, des méthodes de stérilisation efficaces doivent encore être développées en raison de la chaleur et des dommages causés au matériau du tube7,8,9,10.

Lorsqu'une décharge électrique se produit dans l'air, l'ozone (O3)11,12,13,14 et les oxydes d'azote (NOx)15,16,17, tels que le monoxyde d'azote (NO), le dioxyde d'azote (NO2) et le pentoxyde de diazote (N2O5), sont obtenus à la pression atmosphérique. Des radicaux à courte durée de vie tels que NO3 et des espèces d'oxygène actif dérivées de NOx et d'ozone peuvent également être générés. Ces espèces d'azote et d'oxygène actif sont hautement réactives et subissent une décomposition ou modifient les biomatériaux, tels que les protéines, les acides aminés et l'ADN. Notamment, ces espèces réactives stables sont générées dans un plasma à température ambiante. Par conséquent, la stérilisation par l'ozone et les NOx est peu susceptible d'induire une détérioration thermique ou des dommages de surface sur les tubes en plastique.

Ces dernières années, des tentatives ont été faites pour stériliser la paroi interne de tubes longs et étroits avec des plasmas d'oxygène10 ; cependant, ces approches ont nécessité de longs délais de traitement. La combinaison d'un plasma d'oxygène avec une irradiation de lumière ultraviolette (UV) a permis de stériliser les parois internes de longs tubes étroits en un temps relativement court. Cependant, toute obstruction de la source de lumière UV peut limiter cette approche de stérilisation. Dans cette étude, la stérilisation de tubes étroits a été étudiée sur la base d'espèces actives à longue durée de vie générées à partir d'un plasma de torche à décharge à barrière diélectrique atmosphérique (DBD) utilisant de l'oxygène gazeux et de l'air comme gaz d'alimentation. Les effets de la stérilisation au plasma sur les matières organiques, y compris les spores bactériennes, ont été étudiés. Cette recherche démontre que la stérilisation de la paroi interne d'un long tube étroit avec une longueur suffisante pour un usage médical et une compatibilité matérielle suffisante peut être obtenue par le plasma utilisant de l'oxygène gazeux et de l'air, et les espèces de particules qui contribuent à la stérilisation ont été étudiées. Les résultats obtenus contribueront grandement à la démonstration d'une méthode de stérilisation de la paroi interne d'un tube long et étroit.

La figure 1a, b montre le schéma de principe de l'appareil expérimental et la photographie du dispositif plasma torche DBD, respectivement. Le dispositif plasma torche à décharge à barrière diélectrique (DBD) pour la production de plasma a été installé à l'extrémité du tube de silicone échantillon à stériliser. Le tube en céramique pour la génération de plasma de la torche DBD a la dimension de ϕ 3,0 de diamètre extérieur, ϕ 3,0 de diamètre intérieur et 100 mm de longueur. Un maillage en acier inoxydable de 50 mesh/pouce, d'une épaisseur de 0,23 mm est enroulé sur la surface interne du tube en céramique en tant qu'électrode de décharge. Lorsqu'une haute tension et une haute fréquence ont été appliquées à une électrode de type maillage placée à l'intérieur du tube en céramique, un DBD s'est produit autour de l'électrode à maillage, comme le montre la figure 1c. On observe une émission lumineuse par la décharge au voisinage de l'électrode de type maille. La source de tension utilisée dans cette étude était une alimentation haute tension CA à couplage capacitif avec une puissance de sortie maximale de 100 W (Logy Electric, LHV-10AC). La tension appliquée aux électrodes était de 8,1 kVpk-pk et la fréquence de la tension appliquée était de 9,8 kHz. Les gaz d'alimentation pour la génération de plasma étaient de l'oxygène gazeux (pur à 99,99 %) ou de l'air ambiant. L'oxygène gazeux a été fourni à partir d'une bouteille de gaz et de l'air ambiant a été introduit dans la torche à plasma et le tube de silicone échantillon à l'aide d'un petit compresseur d'air. Le débit de gaz a été maintenu à 0,4 L/min. En introduisant de l'oxygène gazeux ou de l'air dans le dispositif à plasma de la torche DBD, des espèces actives ont été produites dans les plasmas d'air et d'oxygène. Les espèces actives s'écoulaient du dispositif à plasma de la torche DBD sous le flux de gaz et étaient transportées à l'intérieur du tube en silicone de l'échantillon et stérilisaient sa surface interne. Lorsque l'air ambiant est utilisé pour la production de plasma et que l'humidité de l'air n'est pas contrôlée, l'eau absorbée dans le diélectrique en céramique de l'électrode de décharge à barrière a généralement tendance à éteindre ou à affaiblir la décharge. Le diélectrique céramique utilisé pour la décharge de barrière de surface est efficacement chauffé par la collision de particules à haute énergie pendant la décharge, et l'eau dans le diélectrique s'évapore plusieurs minutes après le début de la décharge18. Après cela, le débit en condition humide se rétablit et est presque le même que le débit en air sec19. Dans cette expérience, le processus de stérilisation commence après 30 min d'échauffement à partir de l'initiation de la décharge.

Schéma de principe de l'appareil expérimental (a), une photographie du dispositif plasma torche DBD (b) et une vue axiale du plasma à l'intérieur du tube en céramique (c).

Pour identifier les espèces actives responsables de l'inactivation microbienne, les compositions des espèces actives dans le flux de gaz d'échappement du tube de silicone de l'échantillon ont été étudiées. Les concentrations d'O3 et de NO2, qui sont des espèces à vie relativement longue contenues dans le flux de gaz généré à partir du plasma d'air, ont été mesurées par des tubes de détection de gaz. D'autres espèces de gaz dans le flux ont été analysées par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les spectres FTIR ont été mesurés pour le flux de gaz à travers la source de plasma (torche), pour le tube en silicone à stériliser et à partir d'une cellule à gaz FTIR connectée. Le gaz s'écoulait du tube en silicone dans la cellule de mesure de gaz FTIR (capacité 50 mL) à un débit d'environ 0,4 L/min ; par conséquent, le gaz dans la cellule a été remplacé en 1 min. Le temps nécessaire pour mesurer le spectre FTIR était d'environ 30 s. Par conséquent, le temps nécessaire pour analyser le gaz éjecté du tube était d'environ 2 min. Ce temps est suffisamment court par rapport aux demi-vies de HNO3 et N2O5 (quelques heures chacun) pour que toute décomposition de ces espèces soit négligeable. Les mesures ont été effectuées 10 min après le début de la génération du plasma. Tout au long du processus de stérilisation, le plasma a été constamment généré et la concentration d'ozone, qui est approximativement proportionnelle à la densité du plasma généré, a atteint une valeur constante. Par conséquent, les quantités d'espèces gazeuses générées, telles que O3, NO2, HNO3 et N2O5, sont devenues constantes au fil du temps. Les spectres FTIR ont été mesurés huit fois et une valeur moyenne a été obtenue. La variation des spectres de O3, NO2, HNO3 et N2O5 était inférieure à 1 %.

Dans les plasmas d'air et d'oxygène, les espèces d'oxygène actif sont les composants clés qui contribuent à la stérilisation. Pour mesurer les quantités d'espèces d'oxygène actif à l'extrémité du tube étroit d'échantillon, un indicateur chimique (CI) pour détecter l'oxygène atomique a été utilisé. Le CI était une feuille recouverte d'un pigment de phtalocyanine, qui passait du violet au vert en fonction de son degré de contact avec les espèces d'oxygène actif. Le CI a été placé sur la cible de la Fig. 1 où les échantillons ont été placés pour le traitement de stérilisation. Le taux de changement de couleur du CI vers le vert a été déterminé comme la valeur numérique G (vert) d'un scanner basé sur le modèle de couleur (RVB). Pour quantifier la quantité d'espèces d'oxygène actif, ΔG indique la différence des valeurs G avant et après traitement. Les relations entre la longueur du tube et la portée de l'oxygène actif et les différences entre les plasmas d'air et d'oxygène ont été évaluées.

Un dispositif plasma torche DBD a été installé à l'extrémité d'un échantillon de tube en silicone d'un diamètre intérieur de 4 mm. Pour évaluer les caractéristiques de stérilisation de cette méthode, un indicateur biologique de type bande (BI) avec des spores bactériennes (G. stearothermophilus, environ 105 cellules) a été placé à l'extrémité du tube opposée au dispositif à plasma. Des durées d'irradiation allant de 15 à 180 min ont été examinées. Trois IB ont été utilisés pour chaque condition d'irradiation. Le BI traité a été cultivé dans un bouillon de soja trypsique à 58°C. L'efficacité de la stérilisation a été déterminée sur la base du changement de couleur de l'indicateur de pH dans la solution de culture après 24 h de culture. La distance entre le dispositif à plasma et le BI à l'intérieur du tube variait de 20 à 100 cm.

Pour étudier la détérioration du matériau causée par l'irradiation avec les espèces actives générées par les plasmas, les modifications des liaisons chimiques à la surface du polyéthylène téréphtalate (PET), du chlorure de polyvinyle (PVC) et du silicone ont été mesurées par ATR-FTIR. La variation des hauteurs des pics typiques du spectre FTIR de chaque matériau a été utilisée pour déduire la décomposition ou la modification de la structure de surface. Le taux de changement de composition a été calculé en comparant les hauteurs des pics d'échantillons de matériaux non traités et stérilisés. Les spectres ont été enregistrés sur la gamme de longueurs d'onde de 4000 à 500 cm-1 à une résolution spectrale de 2 cm-1. Les spectres de fond ont été mesurés dans l'air ambiant. Pour préparer des échantillons pour les mesures de compatibilité des matériaux, une bande de PET ou de PVC a été coupée à 4 mm de largeur et placée dans un tube de 60 cm de long à la même position que le BI et a été soumise à la stérilisation. Pour l'échantillon de silicone, l'extrémité du tube de silicone traité de 60 cm a été découpée pour obtenir un morceau d'une largeur de 2 mm. Ces échantillons ont été stérilisés pendant 0, 2, 4, 8 et 10 h.

Pour étudier les changements induits par l'irradiation dans la composition chimique des matières organiques contaminées par des spores bactériennes, des échantillons ont été préparés avec des réactifs en poudre purs (c'est-à-dire kératine, acide aspartique, acide glutamique, acide dipicolinique) collés sur des plaques de fluorure de calcium. Ces produits chimiques sont des composants de la matière organique contenue dans les spores bactériennes. Ces échantillons organiques ont été irradiés avec des espèces actives et les changements dans la composition chimique des matériaux ont été mesurés par FTIR. La kératine de laine a été sélectionnée comme réactif de kératine en raison de sa similitude avec les protéines de type kératine des spores bactériennes20,21.

Pour spécifier les particules du facteur de stérilisation générées dans les plasmas, les spectres FTIR des gaz d'échappement du tube ont été mesurés. Dans le cas du plasma d'oxygène, de l'ozone a été généré et transporté dans le tube d'échantillon. L'ozone se dissocie en molécules d'oxygène et en une espèce d'oxygène actif, les atomes d'oxygène singulet O(1D), par autolyse. La stérilisation du long tube étroit soumis au plasma d'oxygène a été attribuée principalement à l'O(1D) dérivé de l'ozone, qui a un fort potentiel d'oxydation et une durée de vie relativement longue. Dans le cas du plasma d'air, des oxydes d'azote sont produits et interagissent avec l'ozone22. Des pics attribués à HNO3 à 1325 cm-1, NO2 à 1627 cm-1, N2O5 à 1718 cm-1 et N2O à 2210 et 2236 cm-1 ont été observés comme indiqué sur la Fig. 2. La concentration de NO2 mesurée par les tubes de détection de gaz était inférieure à 25 ppm et le NO n'a pas été détecté. L'ozone a également été observé dans les spectres FTIR à environ 1030 et 1055 cm-1. La concentration d'ozone variait de 100 à 280 ppm dans les tubes de détection de gaz, quelle que soit la longueur du tube. Dans le cas du plasma d'oxygène, la concentration d'ozone variait de 500 à 760 ppm. Par conséquent, l'ozone et les NOx ont contribué à la stérilisation à l'intérieur du tube. Des composés ayant des durées de vie relativement longues et une réactivité élevée générés par l'ozone et les NOx ont contribué à la stérilisation.

Spectre IR typique des gaz d'échappement générés par le plasma d'air.

Pour confirmer la quantité d'espèces d'oxygène actif circulant dans le tube d'échantillon, la relation entre la période d'irradiation et le taux de décoloration des IC a été étudiée. Dans cette étude, O(1D) dérivé de l'ozone était supposé être la principale espèce d'oxygène actif qui modifiait la couleur de l'IC. Comme le montre la figure 3, la quantité d'O(1D) dérivée du plasma d'air a augmenté avec la période d'irradiation pendant environ 60 min, puis a augmenté plus progressivement au cours de la période d'irradiation. De plus, la quantité d'ozone détectée dépendait de la longueur du tube et la différence dans le taux de changement de couleur était d'environ 10 % entre 40–60 cm et 80–100 cm. Les quantités d'espèces actives d'oxygène ont été comparées entre le plasma d'oxygène et le plasma d'air. Comme le montre la figure 4, à l'intérieur d'un tube d'une longueur de 100 cm, plus d'O(1D) a été généré à partir du plasma d'oxygène qu'à partir du plasma d'air.

Taux de décoloration CI par rapport à la longueur du tube et au temps de traitement au plasma d'air.

Taux de décoloration CI du plasma air et du plasma oxygène pour un tube de 100 cm.

Les caractéristiques de stérilisation des IB ont été évaluées. Le tableau 1 montre les résultats de stérilisation des BI placés dans le tube d'échantillon d'une longueur de 20 cm sur la base de plasmas d'air et d'oxygène. Les résultats sont répertoriés dans les tableaux 1 et 2. Dans le cas du plasma oxygène, la stérilisation du BI a réussi pour un seul échantillon soumis au traitement de 30 min. A l'inverse, la stérilisation a réussi pour toutes les conditions dans le cas du plasma d'air. Le tableau 2 montre les résultats de stérilisation par plasma d'air pour des tubes d'une longueur de 40 à 100 cm. Le tube de 60 cm de long a été complètement stérilisé par plasma d'air en 30 min. Bien qu'il y ait eu quelques fluctuations, la relation entre ΔG et la probabilité de stérilisation de l'IB avec différentes longueurs de tube a suivi une tendance similaire, comme le montrent la Fig. 4 et le Tableau 2. Par conséquent, les espèces d'oxygène actif qui ont atteint l'extrémité du tube d'échantillon peuvent également être capables d'induire la stérilisation.

La densité d'ozone ne dépendait pas de la longueur du tube. Bien que le plasma d'oxygène ait généré une densité d'ozone élevée, le taux de stérilisation du plasma d'oxygène était beaucoup plus faible. Par conséquent, la différence de taux de stérilisation entre les plasmas d'air et d'oxygène n'a pas été déterminée par la densité d'ozone seule. De plus, il n'y avait pas de diminution de la densité d'ozone, même lorsque l'ozone atteignait l'extrémité du tube le plus long. Ainsi, la plus grande partie de l'ozone n'était pas dissociée et s'écoulait du tube sous forme d'ozone. Par conséquent, la densité de O(1D) formé par autolyse de l'ozone dans les tubes était relativement faible. L'O(1D) n'est probablement pas produit par l'auto-décomposition naturelle de l'ozone, mais plutôt par ses interactions avec des surfaces réactives, telles que le CI et les spores bactériennes dans le BI. La réaction d'oxydation a probablement provoqué une décoloration du CI et une stérilisation du BI.

Dans cette expérience, à l'extrémité du tube de 100 cm, le plasma d'air a produit de l'ozone à une concentration de 100 à 280 ppm et une plus petite quantité d'oxygène actif que le plasma d'oxygène, comme le montre la figure 4. Selon des études antérieures, la stérilisation de G. stearothermophilus peut être obtenue par l'ozone à une concentration de 250 ppm avec une période de traitement de 100 min23. Ainsi, si l'ozone est le seul facteur contribuant à la stérilisation dans le plasma d'air, plus de 100 min seraient nécessaires pour une stérilisation complète. Par conséquent, l'ozone et l'O(1D) n'étaient pas les seuls facteurs contribuant à la stérilisation. Une autre étude a rapporté que le NO2 à 5 000 ppm stérilisait les spores bactériennes en 30 min24. Étant donné que la concentration de NO2 dans cette expérience était d'environ 25 ppm et significativement inférieure à celle des travaux précédents ci-dessus, on peut en déduire que le NO2 n'a pas eu une contribution majeure à la stérilisation.

L'effet de stérilisation observé du plasma d'air était supérieur à celui du plasma d'oxygène. La différence dans les taux de stérilisation du plasma d'air et du plasma d'oxygène peut être attribuée à d'autres espèces de NOx. La figure 5 compare la hauteur du pic de chaque composant et le taux de réussite de la stérilisation pour les tubes de 60 et 100 cm. En termes d'ozone, il n'y avait pas de différence notable entre les tubes de 60 et 100 cm, ce qui est cohérent avec le fait que la concentration d'ozone n'a pas changé sur la longueur du tube. A l'inverse, les pics de NOx sont plus élevés pour les tubes de 60 cm que pour les tubes de 100 cm. Ainsi, les quantités de HNO3 et de N2O5, qui n'étaient pas mesurées par les tubes détecteurs, étaient susceptibles d'être plus élevées pour le tube de 60 cm. Le HNO3 est fortement oxydant et peut se comporter comme un facteur de stérilisation. Le N2O est connu pour être très peu réactif avec une longue durée de vie dans l'air. De plus, le N2O se décompose dans la stratosphère, comme le montrent les équations suivantes25.

Associations entre l'absorbance des composants gazeux et le taux de stérilisation par plasma d'air et la longueur du tube.

Étant donné que le NO n'a pas été observé par le tube détecteur ou par FTIR, il était peu probable que la décomposition du N2O ait joué un rôle dans la stérilisation ou que le N2O ait réagi avec les objets stérilisés dans cette étude. N2O5 est lié à NO3, comme indiqué dans les équations. (6)–(9). NO3 est fortement oxydant et une molécule instable et très réactive ; cependant, il n'a pas d'électron non apparié et sa réactivité n'est pas aussi élevée que celle d'un radical OH. Par conséquent, il est concevable que le NO3 ait une durée de vie plus longue que les ions ou l'oxygène atomique et passe ainsi à travers le tube d'échantillon. De plus, il est possible que la réaction des NOx et de l'ozone dans le flux gazeux du plasma d'air produise instantanément du NO3 autour du BI, et le NO3 puisse agir sur les bactéries par oxydation et/ou nitration. La réaction (9) fait référence à la décomposition thermique, qui a un taux de décomposition inférieur à 12 % en dessous de 40 °C26. Il y avait une petite quantité de NO3 à l'équilibre avec la présence de N2O5 dans les conditions de l'expérience. Par conséquent, on peut déduire que le NO3 contribue à la stérilisation du tube dans cette étude.

De plus, les composants gazeux suivants ont été estimés être formés secondairement à partir du gaz actif analysé qualitativement par FTIR. Comme le montre la figure 2, les espèces actives comprenaient de l'eau et les produits de réaction de NO3, O3, HNO3, N2O5, NO2 et H2O ont été considérés comme produisant secondairement des composants gazeux actifs avec des effets stérilisants, qui n'ont pas été observés dans les spectres FTIR. De l'eau à l'état liquide peut également avoir été présente dans le flux d'air en raison de la condensation provoquée par la différence de température entre la zone de refoulement (environ 60 °C) et le tube (environ 25 °C). Par conséquent, les espèces actives produites par des réactions chimiques impliquant de l'eau à l'état liquide (l, aq) pourraient également être considérées comme des facteurs de stérilisation, en plus des composants gazeux, comme le montrent les réactions (10)–(14)14,27, (15)–(20)28 et (21)–(23)29. Parmi les espèces actives potentielles, le peroxynitrite (ONOO−) est capable d'être nitrosé (c'est-à-dire subissant l'ajout de groupes NO), l'oxydation des groupes SH, la nitrosation des groupes NH2 (c'est-à-dire la conversion de NH2 en NO), l'oxydation des protéines et des lipides bactériens, l'oxydation et la nitrosation des composants de l'ADN et l'endommagement de l'ADN par le retrait d'hydrogène des ribosomes30,31. Le nitrite (HONO) a des effets similaires sur les matières organiques à HNO332, suggérant que ONOO- et HONO peuvent être des facteurs de stérilisation.

A partir de H2O2 de (14),

Le processus de stérilisation a exposé les tubes d'échantillons à des espèces actives dans le plasma d'air telles que l'oxygène atomique et les oxydes d'azote. Par conséquent, il est nécessaire de confirmer la compatibilité matérielle de ces espèces réactives. Aucune dégradation visuelle due au traitement de stérilisation n'a été observée dans aucun matériau ; par conséquent, la liaison chimique de la surface du matériau a également été étudiée à l'aide de la spectroscopie FTIR. Le traitement de la TEP avec des espèces actives dans le plasma de l'air a entraîné des modifications maximales, notamment une modification du C–H de -6,8 % pour le cycle benzénique (722 cm−1) et de + 18 % pour le C–H (groupe méthylène, 2967 cm−1) après 2 à 8 h de traitement. Après 10 h, les pourcentages de C–O–C (+ 2,6 %) et C=O (+ 8,2 %) ont augmenté avec l'oxydation. Le traitement du PVC a entraîné une diminution du C–Cl et du C–H après 2 à 10 h de traitement. Les variations maximales étaient pour C–Cl : − 12 % et C–H : − 17 %. La caractéristique AC=O a montré une diminution maximale de − 21 % après 6 h de traitement et une augmentation de + 3,8 % due à l'oxydation après 8 h de traitement. Le traitement du tube en silicone a entraîné des changements de moins de 5 % pour tous les composants [C–H, Si–O–Si, Si–C (786 cm−1), Si–C (1258 cm−1)] à l'exception de C–H, qui a augmenté de + 5,8 % après le traitement de 2 h.

Afin d'étudier le mécanisme d'inactivation de la spore bactérienne dans un long tube étroit en utilisant des plasmas d'oxygène et d'air produits par la décharge de la barrière atmosphérique. Une des possibilités du mécanisme d'inactivation est la destruction de la surface de la spore bactérienne33,34,35. Par conséquent, les caractéristiques de décomposition du matériau de l'enveloppe des spores bactériennes ont été étudiées. La composition principale de la couche de spores des spores bactériennes est la kératine, l'acide aspartique, l'acide glutamique et l'acide dipicolinique35,36. Dans cette expérience, la composition chimique de ces matériaux après irradiation avec le plasma d'oxygène ou d'air a été analysée à l'aide des spectres IR.

La figure 6 montre les spectres FTIR de la kératine traitée avec des espèces actives du plasma d'air et du plasma d'oxygène. Les espèces actives des plasmas d'air et d'oxygène ont généré des dimères SO2 et N = O dans les échantillons de kératine. Dans les spectres des échantillons traités au plasma d'air, il y avait une diminution des pics d'amide et de NH3+ provenant des ponts salins (c'est-à-dire deux acides aminés formant un complexe ionique par les interactions COOH/COO− et NH2/NH3+. Ainsi, les ponts salins ont été oxydés et le nombre de ces liaisons a diminué, ce qui peut avoir réduit la rigidité de la kératine. Les pics à 1290–1320 cm−1 peuvent être attribués à SO2-N et N=O. a, b montrent une vue élargie des résultats illustrés à la Fig.

Spectre FTIR de kératine de laine traitée avec des espèces actives.

( a ) Spectre FTIR de la kératine de laine traitée avec des espèces actives sur les plages de 1050–1200 cm−1 et (b) dans 1690–1750 cm−1.

La figure 8 montre les spectres FTIR de l'acide aspartique traité avec des espèces actives de plasma d'air et de plasma d'oxygène. Après le traitement au plasma oxygène, les résultats FTIR étaient similaires à ceux de l'échantillon non traité. Les pics autour de la région N–H ont été légèrement diminués en raison de l'oxydation par l'ozone. À l'inverse, pour l'échantillon traité par le plasma d'air, le spectre était nettement différent de celui de l'échantillon non traité, et de nouvelles caractéristiques sont apparues à partir des dérivés aldéhydiques C = O, nitrite (ONO) et N = O alors que les pics C – H et N – H ont été réduits. Les résultats pour les plasmas d'air et d'oxygène indiquent que l'acide aspartique était particulièrement sensible à la dénaturation des oxydes d'azote dérivés du plasma d'air. Ainsi, il était probable que le C–H et le N–H aient été oxydés en C=O et N=O. De plus, un nouveau pic C=O généré par l'oxydation a été observé dans les résultats pour le plasma d'air uniquement. Ces résultats ont confirmé que la capacité d'oxydation combinée des NOx produits par le plasma d'air et des espèces actives, telles que ONOO- formées secondairement à partir des NOx ajoutés à l'oxydation de l'ozone du plasma d'oxygène. Ainsi, la stérilisation hautement efficace effectuée par le plasma d'air peut être attribuée à la dénaturation compositionnelle des matériaux organiques par oxydation médiée par les NOx et les espèces actives générées entre l'ozone et les NOx.

Spectres FTIR de l'acide aspartique traité avec des espèces actives.

La figure 9 montre le spectre FTIR de l'acide glutamique traité avec des espèces actives générées à partir de plasma d'air et de plasma d'oxygène. Les emplacements des pics des échantillons non traités et ceux soumis au plasma d'oxygène étaient presque identiques. Les résultats pour l'acide glutamique et l'acide aspartique étaient similaires en raison de leurs structures similaires. Ainsi, les effets de l'ozone du plasma d'oxygène sur l'acide glutamique étaient limités. Inversement, dans le cas du plasma d'air, des pics de N = O et de C = O dérivés d'aldéhydes ont été identifiés. Ces caractéristiques sont attribuées à l'oxydation de NH2 et CH.

Spectres FTIR de l'acide glutamique traité avec des espèces actives.

La figure 10 montre les spectres FTIR de l'acide dipicolinique traité avec des particules actives dérivées du plasma d'air et d'oxygène. Il y avait peu de différence dans les pics spectraux entre les échantillons non traités et ceux soumis à des plasmas d'air et d'oxygène. Des pics de vapeur d'eau sont apparus à 1300–2000 cm−1 dans les échantillons non traités et ceux soumis au plasma d'oxygène ; cependant, ces pics ont été attribués à une contamination externe associée aux instruments. Étant donné que l'acide dipicolinique n'a pas été dénaturé par le traitement de stérilisation, l'acide dipicolinique peut ne pas être directement lié aux processus de désinfection.

Spectres FTIR de l'acide dipicolinique traité avec des espèces actives.

À l'aide d'une source de plasma torche DBD avec de l'oxygène gazeux et de l'air, l'intérieur d'un tube de 4 mm de diamètre et de 60 cm de longueur a été stérilisé en 30 min. L'ozone et les NOx ont été identifiés par FTIR et HNO3 et N2O5 se sont révélés être des espèces actives efficaces pour la stérilisation de tubes longs et étroits. La méthode de stérilisation dans cette étude stérilisait efficacement les tubes en silicone avec une dégradation minimale du matériau. Les résultats du traitement par espèces actives des matières organiques (kératine, acide aspartique, acide glutamique, acide dipicolinique) comprenant des spores bactériennes sont les suivants. La kératine a montré des changements de composition chimique à la fois de l'ozone uniquement du plasma d'oxygène et de l'ozone et des NOx des traitements au plasma d'air. Pour les autres matériaux organiques, l'ozone a induit un changement minimal dans la composition, tandis que l'ozone et les NOx ont modifié les compositions de l'acide aspartique et de l'acide glutamique. Ces résultats suggèrent qu'une performance de stérilisation élevée des gaz actifs dérivés du plasma d'air peut être attribuée à de forts effets dénaturants sur la composition chimique des matériaux organiques par le mélange gazeux d'ozone et de NOx.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par le Space Exploration Innovation Hub Center (TansaX) de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA).

École supérieure interdisciplinaire des sciences de l'ingénieur, Département des sciences avancées de l'ingénierie de l'énergie, Université de Kyushu, Fukuoka, 816-8580, Japon

Reona Muto & Nobuya Hayashi

Centre international de recherche sur les sciences de l'environnement spatial et planétaire, Université de Kyushu, Fukuoka, 819-0395, Japon

Nobuya Hayashi

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RM a conçu l'idée de l'étude et réalisé les expériences et compilé le manuscrit. NH a créé la conception fondamentale de cette étude et a supervisé la conduite de cette étude. Les deux auteurs ont discuté et édité le manuscrit.

Correspondance à Nobuya Hayashi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Muto, R., Hayashi, N. Caractéristiques de stérilisation de tubes étroits par des oxydes d'azote générés dans un plasma d'air à pression atmosphérique. Sci Rep 13, 6947 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34243-3

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Reçu : 18 février 2023

Accepté : 26 avril 2023

Publié: 28 avril 2023

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

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