1

Metode de decontaminare cu plasmă a bacteriilor și microorganismelor

Profesor Popa Victoria

L.T. ”Decebal” Constanța

I.Introducere

Plasma, cunoscută și ca a patra stare de agregare a materiei este alcătuită din electroni și ioni

liberi, fotoni și particule neutre care, macroscopic, se prezintă ca un sistem neutru din punct

de vedere electric, cu proprietăți determinate de interacțiunile electromagnetice atât dintre

particulele componente cât și dintre acestea și câmpurile electromagnetice exterioare. În afara

materiei întunecate (Dark matter) plasma reprezintă forma sub care se găsește cea mai mare

parte a materiei din universul cunoscut. Materia stelară este în totalitate în stare de plasmă iar

echilibrul ecologic al Pământului este asigurat și de prezența plasmei din ionosferă și din

centurile van Allen. Din acest punct de vedere cunoașterea proprietăților plasmei reprezintă o

contribuție fundamentală la cunoașterea lumii materiale din care facem parte.

Astăzi starea de plasmă se află la baza celor mai moderne tehnologii utilizate în electronică și

microelectronică, în sinteza de materiale noi cu structuri controlabile la scară nanometrică, în

tratamente pentru obținerea unor proprietăți speciale de biocompatiblitate, funcționalizare sau

durificare a suprafețelor. Plasma pe de o parte constituie mediul activ din laserii de mare

putere iar pe de altă parte poate fi generată la interacția radiației laser de mare energie cu

substanța aflată în diferite stări de agregare. Tot starea de plasmă constituie mediul activ din

sursele de iluminat cu randament mare de transformare a energiei electrice în energie

luminoasă. Monitoarele actuale de afișare a informației pe ecrane de suprafață mare folosesc

plasma ca principal element activ (plasma display și televizoare cu plasmă). Dispozitivele cu

plasmă sunt folosite în sistemele moderne de depoluare a apelor reziduale sau în filtrele active

de purificare a aerului. Așa numitele tehnologii uscate de sterilizare a echipamentelor și

ustensilelor chirurgicale precum și sterilizarea unor suprafețe de întindere mare și neregulate

au ca mediu activ plasma. În toate aceste sisteme se folosește un alt tip de plasmă cunoscută

ca plasma de temperatură joasă. Proprietatea fundamentală a plasmei de temperatură joasă

este aceea că speciile grele ioni, atomi sau molecule, aflate în componența plasmei, au energii

cinetice mici care corespund unei temperaturi a ansamblului de particule comparabilă cu

temperatura mediului ambiant. Pe de altă parte, electronii plasmei de temperatură joasă

alcătuiesc o populație statistică a cărei temperatura rămâne ridicată, temperatura electronică

fiind cu câteva ordine de mărime mai mare decât temperatura ansamblului ionilor sau

particulelor neutre. O astfel de plasmă de temperatură joasă este o plasmă neizotermă. În

prezent, la scară mondială, toate aceste aplicații tehnologice ale sistemelor care folosesc

plasma de temperatură joasă asigură o producție industrială a cărei sumă de afaceri depășește

zece trilioane de dolari pe an.

În România studiul gazelor ionizate, respectiv a plasmei se bucură de o tradiție

recunoscută internațional existând adevărate școli în domeniu în două centre universitare,

București și Iași. Aceste școli au fost fondate de E. Bădărău, I.I. Popescu și G. Musa la

2

București și Th. Ionescu, C. Mihul și M. Sanduloviciu la Iași. Dar, cercetări în domeniul

plasmei au fost efectuate și se realizează în prezent și în Universitățile din Cluj, Timișoara,

Constanța, Craiova și Brașov. Sunt cunoscute internațional contribuțiile aduse de fizicienii

români în studiul stabilității plasmei și a fenomenelor de transport în plasmele magnetizate din

instalațiile de fuziune termonucleară. Rezultate notabile au fost obținute de fizicienii români

în dezvoltarea tehnologiilor de iono-nitrurare și de acopere, în cadrul proiectului EURATOM

a componentelor folosite la JET, cu materiale de interes în fuziunea nucleară (wolfram, beriliu

și/sau carbon).

II. Surse de plasmă

O analiză a preocupărilor și realizărilor cercetătorilor români în domeniul fizicii plasmei ne

conduce la stabilirea următoarelor cinci teme prioritare:

1. Plasme produse prin descărcări electrice în gaze la presiune joasă și aplicațiile lor.

2. Plasme produse prin descărcări electrice în gaze la presiuni mari, inclusiv presiune

atmosferică.

3. Plasma de interes termonuclear.

4. Plasme produse în câmpuri optice intense și ultra intense generate prin focalizarea

fasciculelor laser.

5. Fenomene neliniare și procese de autoorganizare în plasmă. Extensii ale sistemelor fizice

cu proprietăți similare plasmei.

1. Plasme produse prin descărcări electrice în gaze la presiune joasă

Plasma produsă prin descărcări electrice la presiune joasă este în general o plasmă neizotermă

în care electronii au energii cinetice medii de ordinul a 10 eV în timp ce ionii au energii

cinetice comparabile cu cele ale particulelor neutre și care corespund, în general, temperaturii

camerei. Dispozitivele pentru producerea descărcării electrice la presiune joasă sunt alcătuite

din trei părți principale: i) incinta (sau tubul de descărcare) în care este produsă plasma, ii)

sistemul de pompare, care asigură micșorarea presiunii gazului din tubul de descărcare și iii)

sursa de energie elecromagnetică. Aceasta din urmă poate fi o sursă de tensiune continuă sau

o sursă de tensiune alternativă. În primul caz se realizează o descărcare în curent continuu iar

în al doilea caz o descărcare în câmp electromagnetic alternativ.

Se poate spune că cercetarea științifică și studiul plasmei descărcărilor electrice la

presiune joasă au fost, până la mijlocul secolului 20, cercetări cu caracter fundamental. O

primă aplicație, la scară industrială, a plasmei acestui tip de descărcare la presiune joasă a fost

așa numitul ”tub cu neon”, folosit ca sistem de iluminat în reclamele luminoase, tuburile

stabilizatoare de tensiune (descărcare luminescentă cu catod rece în regim normal de

funcționare) și respectiv tiratronul ca element de comutare (descărcare electrică cu catod

încălzit). Aceste aplicații acoperind o gamă extinsă de produse industriale și de uz comun

(aparatele de radio cu tuburi electronice)

Începând cu doua parte a secolului trecut cercetările din domeniul fizicii plasmei,

stimulate în principal de problema fuziunii nucleare, au marcat o schimbare de fond prin

descoperirea și utilizarea potențialului aplicativ enorm al materiei în stare de plasmă. Între

3

aceste aplicații plasma produsă prin descărcări electrice la presiune joasă a avut și are un rol

principal. Producerea inversiei de populație în stările excitate ale sistemelor atomice și emisia

radiației laser a fost obținută în plasma descărcărilor la presiune joasă și acest sistem este încă

performant pentru realizarea laserilor de mare putere. Procesele elementare din plasma

descărcărilor la presiune joasă permit realizarea unei game foarte variate de materiale noi

care, după cum arată cercetările recente, pot oferi și posibilități de control al structurii lor la

nivel nano. Surse de lumină sau de alte radiații electromagnetice, precum și sursele de

particule încărcate (ioni sau electroni) au ca sistem principal activ plasma produsă prin

descărcări la presiune joasă. Aceleași proprietăți ale acestor plasme le recomandă pentru

diferite tratamente de suprafață în durificarea, funcționalizarea, corodarea sau sterilizarea

suprafețelor diferitelor materiale fără a afecta proprietățile de volum ale acestora. O altă

aplicație largă a acestor descărcări la presiune joasă o reprezintă depunerea de starturi subțiri

prin utilizarea mecanismelor și proceselor de pulverizare a substanței pusă în interacție cu

plasma. Aceste sisteme fiind astăzi larg folosite în industria micro și de curând și a celei de

nano-electronică. Toate aceste deschideri ale plasmei de joasă presiune fac din descărcările în

gaze la presiuni joase un domeniu în continuare de mare interes.

2.Plasme produse prin descărcări electrice în gaze la presiuni mari, inclusiv

presiune atmosferică.

Cercetările desfășurate arata ca extinderea domeniului de funcționare a descărcărilor

netermice (reci) la presiuni mari întâmpină o serie de dificultăți legate de tensiunile mari de

străpungere, constricția descărcării la volume mici, neomogenitatea plasmei, instabilitatea ei

temporala si spațiala. In plus caracterul de plasma rece se pierde caci energia care se transfera

la orice suprafață in contact cu plasma creste considerabil. Tendința naturala, rezultata si din

scalarea legilor care guvernează descărcarea la presiune joasa, este ca prin creșterea presiunii

plasma sa devina fierbinte si filamentară. Progrese notabile in fizica si aplicațiile plasmelor

atmosferice netermice au fost raportate de grupuri cercetare din SUA, Europa, Japonia,

Coreea. In general se studiază fenomenologia descărcărilor la presiune atmosferica in relație

cu elaborarea unor surse de plasma rece. A fost demonstrata generarea de plasme reci cu

uniformitate crescuta sau plasme localizate (tip jet, microplasme) utile in domenii specifice

moderne, legate in principal de nanomateriale si nanotehnologii, biologie, medicina, mediu.

Cele mai importante aplicații se refera la obținerea de filme subțiri de oxizi pentru bariere de

permeatie prin depunere chimica din faza de vapori, depunerea de acoperiri superhidrofile sau

superhidrofobe, funcționalizarea suprafețelor pentru interacții moleculare selective,

biocompatibilizare, interacția cu țesutul viu pentru sterilizare locala sau promovarea

vindecării, in dentistica. Este de menționat de asemenea contribuția grupului de cercetare de la

Los Alamos National Laboratory, care a atras atenția , a impus si a dezvoltat sistemul APPJ

(Atmospheric Pressure Plasma Jet) subliniind aplicabilitatea acestuia in decontaminarea

radiologica, chimica si biologica.

3. Plasma de interes termonuclear

4

Fuziunea Termonucleara Controlata este si va rămâne in perioada următoare cel mai

important obiectiv de cercetare al omenirii. Reușita fuziunii va schimba radical lumea

economica si implicit cea politica, deoarece o sursa sigura si curata de energie, practic

nelimitata, reprezintă un ideal devenit in ultimul timp o necesitate urgenta. Cercetarea de

fuziune concentrează la nivel mondial resurse impresionante.

4. Plasme produse în câmpuri optice intense si ultraintense generate prin

focalizarea fasciculelor laser

Mult timp dupa descoperirea sa la începutul anilor 1960, plasma generata si întreținută de

radiația laser de mare intensitate a fost considerata doar un important canal de pierderi.

Aceasta ipoteza s-a dovedit a fi un impediment major pentru dezvoltarea si procesarea

tehnologica eficienta a materialelor. Cu toate aceste, in timp s-a demonstrat ca plasma nu

controlează doar fenomenele complexe de interacțiune dintre radiația laser si diversele

materiale, ci poate fi folosita pentru îmbunătățirea cuplajului laser – material de procesat.

Ințelegerea fenomenelor de interacțiune laser – plasma a evoluat rapid in ultimii ani, legata

mai ales de diversificarea lungimilor de unda laser, de la IR la UV si foarte recent XUV, dar

si de scurtarea duratelor de puls, de la micro- la nano-, pico-, femto- si chiar atto-secunde.

Dezvoltari importante sunt de așteptat in anii următori, când laserii cu durate de puls de

ordinul as vor fi folositi pentru generarea plasmelor si pentru studiul interacțiunilor cu

materialele. Noul domeniu al științei attosecundelor va include studiul mecanismelor de

interacție laser- plasma, cum ar fi cuplajul direct al radiației laser cu nucleele si inițierea

unor noi fenomene neliniare.

5. Fenomene neliniare și procese de autoorganizare în plasmă. Extensii ale

sistemelor fizice cu proprietăți similare plasmei

Sistemele complexe autoorganizate multifuncționale își găsesc astfel aplicații de interes

pentru o varietate largă de ramuri ale științei contemporane, cum ar fi, spre exemplu, cel al

nanotehnologiilor (obținerea de noi surse ionice la scara nano, etc), cel al tehnologiilor

avansate de propulsie spațială cu plasmă („Helicon Thruster Plasma Double Layers”) sau

cazul nano-electronicii cu un rol strategic in dezvoltarea tehnologiilor informatice și al

telecomunicatiilor *S. Ami et all., Chem. Phys. Lett. 367, p. 662, 2003]. Cunoașterea

proceselor care conduc la apariția fenomenului de autoorganizare, și pe aceasta baza de

obținere a nanostructurilor, este foarte importanta, pe de o parte deoarece permite acțiunea

controlata la nivel atomic și molecular pe durata operațiunilor de obținere a

nanomaterialelor iar pe de alta parte conduce la reducerea considerabila a consumului de

materiale strategice, precum și a consumului de energie. În egala măsura, studiile acestor

sisteme complexe sunt de interes major mai ales din punct de vedere al cercetării

fundamentale. Din punct de vedere istoric, in efortul de a înțelege diferitele procese fizico-

chimice din plasmele naturale (aurore boreale, plasme cosmice, fulgere globulare), a apărut

necesitatea abordării problemei stratului dublu de plasma. Deși acesta face parte din

categoria acelor fenomene de pionierat ale fizicii plasmei este evident faptul că rămân încă

multe aspecte necunoscute în mecanismul de formare, de dinamică și stabilitate a ceea ce se

5

înțelege prin strat dublu. Stratul dublu de plasmă este un caz special al unor fenomene mai

generale care apar atunci când există straturi spaţiale de sarcini electrice multiple.

Macroscopic stratul dublu se prezintă ca o formaţiune de plasmă luminoasă cu margini net

conturate. În cazul în care stratul dublu prezintă o simetrie sferică aceasta mai este cunoscut

şi sub denumirea de “minge de foc”. Încă de la primele cercetări asupra straturilor duble de

sarcini spațiale, realizate de către Langmuir la începutul secolului XX, s-a observat că

acestea apar în condiţii experimentale foarte variate.

III.Metode de decontaminare cu plasmă

Contaminarea microbiologică a aerului, lichidelor și suprafeţelor solide reprezintă o

problemă majoră ce trebuie să fie rezolvată în câteva importante sectoare industriale:

sănătate, militar, alimentar, cosmetice etc. Plasmele non-termice constituie o tehnică de

tratament nouă și eficientă pentru decontaminarea microbiologică.

Sterilizatoare de joasa temperatura cu plasma - Seria SPS

Caracteristici si beneficii

In timpul ciclului de sterilizare la temperatura joasa plasma, asistata de o soluție pe

baza de peroxid de hidrogen face posibila obținerea unor rezultate de departe mai

performante decât cele obținute prin tehnici deja cunoscute

Pot fi sterilizate rapid si ușor aproape toate dispozitivele medicale care sunt sensibile

la temperatura, astfel crescându-le durata de viață

Agentul de sterilizare se împrăștie ușor astfel încât sa fie asigurata sterilizarea corecta

a materialelor in orice parte a camerei; o serie de soluții tehnice inovative fac posibila

derularea ciclului chiar si in condiții critice

Capacitatea camerei, forma acesteia si viteza de lucru fac posibila sterilizarea unei

cantități considerabile de material in perioade scurte de timp si garantează un nivel

înalt al productivității

Sterilizatorul poate fi incorporat intr-o stație de sterilizare

Interfața utilizator ușor de folosit

6

Calitatea componentelor si tehnologia avansată incorporata vizează fiabilitate pe

termen lung si reducerea costurilor de mentenanță

Decontaminarea manuscriselor în plasmă rece de înaltă frecvenţă

În ultimii ani, principalele direcții de cercetare în laborator au la bază interacțiunea dintre

plasmă și lichide, urmărindu-se aplicații precum activarea apei, sinteza de nanoparticule,

degradarea coloranților sau decontaminarea bacteriilor.

Problemele cauzate de creşterea bacteriană şi fungică pe suporturi papetare reprezintă o

preocupare majoră a arhiviştilor. Materiale organice ce se regăsesc în colecţiile bibliotecii,

cum ar fi fibrele de celuloză, hârtie, aditivi, adezivi, sunt substraturi pe care se dezvoltă

microorganisme. Unele specii de mucegaiuri utilizează fibra de celuloza ca un nutrient, altele

metabolizează componentele celulozei, putând diminua legăturile fibrelor, deoarece se

hrănesc cu materialele de umplere ale hârtiei. Cele mai răspândite specii de fungi izolate pe

hârtie sunt, Acremonium, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, Penicillium şi Trichosporon.

Bacteriile afectează hârtia mai rar decât fungii, dar, o serie de specii celulolitice precum cele

aparţinând genurile Cytophaga,Cellvibrioşi Cellfalcicula au fost izolate pe suporturi

celulozice şi s-au dovedit a fi mai dăunătoare decât cele necelulolitice. Ca urmare,

decontaminarea manuscriselor este o operaţiune obligatorie, ce poate fi realizată prin metode

chimice sau fizice. Tratamentele chimic umede, implică o serie de riscuri legate de stabilitatea

cernelurilor sau gradul de fragilizare a suportului papetar. Inconvenientele apărute la

tratamentele clasice de decontaminare, ce constau în utilizarea unor substanţe toxice sau

generatoare de emanaţii toxice, a determinat specialiştii din diverse domenii de activitate la

studierea altor metode, neconvenţionale, ecologice şi eficiente. Plasma rece de înaltă

frecvenţă, aplicată în condiţii riguros controlate şi la parametrii adecvaţi reprezentă o astfel de

alternativă. Încă din anul 2001 U. Vohrer de la Institutul Fraunhofer – Stuttgard – Germania,

iniţiază un studiu referitor la posibilitatea aplicării plasmei reci de înaltă frecvenţă ca metodă

de decontaminare şi conservare a suportului papetar7 obţinut din celuloză de lemn, subliniind

că, în urma tratamentului se constată şi o creştere cu 20 % a stabilităţii hârtiei.

Tratamentul de decontaminare

Tratamentele de decontaminare s-au efectuat în plasmă rece de înaltă frecvenţă în

instalaţia prezentată în figura 1. Studiile s-au efectuat pe trei cărţi vechi, din colecţii

particulare, două psaltiri tipărite în sec XVII şi vechiul testament, tipărit în 1857, notate

prescurtat astfel: P1 şi P2 – cele două psaltiri, VT – Vechiul Testament.

7

Efecte ale acţiunii agenţilor biologici asupra cărţilor: modificări cromatice, fragilizări, pierderi de suport

Fig.1. Instalație de plasmă pentru decontaminarea cărților

Elementele importante ale unei astfel de instalaţii sunt: vasul de reacţie (1), pompa rotativă

de vid (3), generatorul de înaltă frecvenţă G, şi un sistem de comandă şi control (4) ce

serveşte la urmărire şi reglarea parametrilor de lucru şi debitul de gaz din incintă. Pentru

evitarea impurificării uleiului din pompă se introduce în circuit o trapă cu azot lichid (2).

Reactorul, este confecţionat din sticlă Pyrex, prevăzut cu doi electrozi interiori, plani paraleli

(7), din inox şi un suport de construcţie specială (8) care permite răsfirarea unui număr de 8-

10, restul cărţii (9) fiind protejat cu folie de aluminiu. Fiecare set de foi este expus pe rând,

speciilor active din plasmă, astfel încât acestea să acţioneze suprafaţa tuturor paginilor. La

stabilirea parametrilor de lucru în plasmă s-a ţinut cont de sensibilitatea materialului papetar

la acţiunea radiaţiilor UV, de gradul de deteriorare a hârtiei şi gradul de infestare. Cărţile au

fost introduse în incinta de vid şi tratate în plasmă rece de înaltă frecvenţă timp de 60 minute

în două etape de 30 min fiecare, la următorii parametrii: presiune: 3 ÷4·10-1 mbar; frecvenţa:

13.5 MHz; intensitatea câmpului electric: 20 V/cm; puterea în descărcare: 50W; mediu de

lucru aer. După fiecare etapă s-a efectuat câte un set de analize microbiologice şi fizico

chimice (modificări cromatice, analiză elementară şi microscopie electronică de baleiaj).

8

Analize microbiologice. Prin tehnici nedistructive (metoda amprentării) s-au recoltat probe

biologice din cărţile ce urmează să fie decontaminate. Acestea au fost amplasate în vase Petri

pe medii de cultură specifice microorganismelor (sabouraud pentru fungi şi geloză pentru

bacterii).

Ansamblul probă - mediu nutritiv a fost incubat timp de 7 zile pentru fungi, la temperatura de

28° C şi 2 zile, la temperatura de 38° C, pentru bacterii. În vederea evidenţierii influenţei

plasmei de HF asupra suportului papetar s-a realizat un set de analize nedistructive sau

microdistructive ce includ măsuri cromatice, analiză elementară şi analize de microscopie

electronică de baleiaj.

Modificările cromatice, menite să evidenţieze eventualele abateri de la culoarea iniţială s-au

efectuat cu un spectrofotometru DATACOLOR Spectroflash SF-300. În cazul de faţă s-a

recurs numai la măsurarea gradului de alb. Analiză elementară este o metodă fizico-chimică

prin care o probă de material este analizată din punctul de vedere al compoziţiei elementelor

componente şi, în acelaşi timp, al compoziţiei izotopice. Această analiză s-a efectuat pe

eşantioane (martor şi tratate o oră în plasmă de HF). prelevate din vechiul testament În acest

scop s-a utilizat un aparat Perkin Elmer 2400 Series II CHNS/O Systemiar, iar investigarea

prin metoda spectroscopică ESCA (XPS) cu un aparat Perkim Elmer PHI model 1600.

Analizele de microscopie electronică de baleiaj au un rol deosebit în evaluarea

modificărilor de suprafaţă ce pot fi generate de acţiunea speciilor active din plasmă. Pentru

obţinerea imaginilor electrono-microscopice s-a utilizat un microscop electronic de baleiaj

(SEM): TESLA BS 301.

După decontaminarea Vechiul Testament, în condiţiile amintite, se constată o dezvoltarea

slabă a coloniilor bacteriene după 30 min de tratament(tabelul 3), ce poate fi atribuită

prezenţei cocilor Gram + care, probabil sunt mai rezistenţi la acţiunea speciilor active din

plasmă. În cazul Psaltirii P1se observă o inhibare totală a dezvoltării bacteriene şi fungice

după 30 min de tratament. După acelaşi interval de timp, Psaltirea P2 manifestă o dezvoltare

fungică slabă datorită infestării iniţiale mai pronunţată în timp ce dezvoltarea bacteriană a fost

complet stopată. După 60 min de tratament analizele microbiologice indică inhibarea totală, în

toate cazurile a microorganismelor izolate.

Tabel 1.Gradul de dezvoltare microbiană şi fungică iniţial şi după efectuarea tratamentului de

decontaminare

Proba Grad de dezvoltare bacteriană Gradul de dezvoltare fungică

Inițial După 30

min.

tratament

După 60

min.

tratament

Inițial După 30

min.

tratament

După 60

min.

tratament

VT ++- +-- --- ++- --- ---

P1 ++- --- --- +-- --- ---

P2 +-- --- --- +++ +-- ---

Legendă: +++ dezvoltare foarte bună;

9

++- dezvoltare bună;

+-- dezvoltare slabă;

--- absenţa dezvoltării.

Măsurarea modificărilor cromatice Modificările apărute la hârtia istorică au fost apreciate

prin gradul de alb şi luminozitate. Gradul de alb scade cu durata de tratament în plasmă, în

schimb luminozitatea creşte (tabelul 2). Modificarea gradului de alb cu 2,2% după 30 min. de

tratament în plasmă de HF, nu este sesizabilă vizual.

Tabel 2. Influenţa tratamentelor în plasmă asupra gradului de alb şi luminozităţii

Proba Durata de

tratare în

plasmă [min

Grad de alb

%

x y Y

VT Netratată 69,7 0,3680 0,3757 49,6

VT 30 67,5 0,3673 0,3755 51,0

VT 60 62,7 0,3658 0,3741 52,1

Analiză elementară Datele obţinute în urma efectuării analizelor de compoziţie elementară

procentuală, pe eşantioane de mici dimensiuni prelevate din Vechiul Testament înainte şi

după tratamentul în plasmă, sunt înserate în tabelel 2 şi 3. Din valorile procentuale înregistrate

în tabelul 3 - ce reflectă compoziţia în masa materialului - se observă că diferenţele

procentuale ale elementelor C, H, O, între probele iniţiale şi cele tratate o oră în plasmă de

HF, sunt insesizabile, deci blocul de polimer nu este afectat de acest tratament. Analize ESCA

(tabel 4), evidenţiază modificări de suprafaţă ale materialelor, deci speciile active din plasmă

pot induce modificări numai de suprafaţă, la nivel nanometric.

Tabelul 3. Analiza elementară pentru probele martor de hârtie prelevate din VT şi cele tratate

în plasmă de HF, realizată pe analizor automat de elemente

Mostra C % H % N% S % O%

Proba de

referință

(VT)

45,0 6,5 - - 48,5

Probă tratată

60 min în

plasmă de aer

remanent

45,1 6,4 - - 48,5

Tabelul 4. Analiza elementară pentru probele martor de hârtie prelevate din VT şi cele tratate

în plasmă de HF, prin metoda ESCA (XPS)

10

Mostra C % H % N% S % O%

Proba de

referinţă

(VT)

43 6 - - 51

Probă tratată

60 min în

plasmă de aer

remanent

38 4 - - 58

Analize prin microscopie electronică de baleiaj Imaginile electronomicroscopice

obţinute înainte şi după tratamentul în plasmă pe probele prelevate din Vechiul Testament,

sunt prezentate în figurile de mai jos.

Fig.2. Hârtie VT– proba martor

11

Fig.3.Hârtie VT, tratată în plasmă timp de 30 minute

Fig.4. Hârtie VT, tratată în plasmă timp de 60 minute

Pe imaginile examinate se disting bucăţi de fibre de bumbac dispuse în pasta de încleiere.

Aspectul global al suprafeţei papetare este identic atât pentru eşantionul netratat în plasmă, cât

şi pentru cele tratate în plasmă 30 respectiv 60 de minute. Examinând detalii de pe suprafaţa

fibrelor, la măriri mari, nu se observa modificări în topografia lor

Concluzii

În cele mai multe cazuri, un tratament de 30 min în plasmă rece de înaltă frecvenţă

efectuat în aer remanent, este suficient pentru inhibarea completă a dezvoltării

microorganismelor (bacterii şi fungi)

Analiza elementară demonstrează clar că modificările apar numai la un nivel

nanometric, biopolimerul celulozic nefiind afectat. Imaginile electronomicroscopice efectuate

12

probei martor şi cele realizate pe eşantioane prelevate după tratamentul în plasmă nu relevă

modificări în topografia lor.

În final, se poate concluziona ca plasma rece de înaltă frecvenţă reprezintă o metodă

viabilă, eficientă şi ecologică de decontaminare a suporturilor papetare, în condiţiile respectări

cu stricteţe a parametrilor de lucru. Utilizarea unui gaz inert (N 2 sau Ar) cu o cantitate mică

de O2 reduce la minim riscurile degradărilor.

PRODUCEREA APEI ACTIVATE CU PLASMĂ PENTRU APLICAŢII DE

DECONTAMINARE

Una dintre cele mai recente astfel de aplicații se referă la decontaminarea microbiologică.

Aceasta înseamnă de exemplu tratarea apei de balast în domeniul maritim, pregătirea

instrumentarului medical în vederea utilizării sale, curățarea instalațiilor de climatizare,

tratarea semințelor anumitor culturi pentru evitarea apariției ulterioare a unor dăunători etc.

Acest tratament cu plasmă presupune fie expunerea directă a țintei care se dorește a fi tratată,

fie acțiunea indirectă, prin evitarea contactului direct. În acest ultim caz, care este preferat

pentru tratamentele de decontaminare sau chiar de sterilizare, plasma este utilizată pentru

activarea unei soluții (cel mai adesea este utilizată apa distilată) care va fi pusă în contact cu

ținta ce se dorește a fi tratată . Din punct de vedere al eficienței tratamentului de

decontaminare microbiologică s-a constatat că eficiența maximă se obține dacă

microorganismele sunt în suspensie (în soluție), în raport cu cazul în care ele sunt depuse sub

formă de biofilm pe suprafață solidă, eventual pe mai multe straturi.

Pentru activarea apei , un grup de profesori de la Universitatea Maritimă din Constanța

precum și de la Universitatea Ovidius din Constanța, au utilizat tehnologia GlidArc, care s-

a dovedit a fi cea mai utilă dintre tehnologiile cu plasmă non-termică avute la dispoziție, în

vederea obținerii parametrilor fizico-chimici doriți pentru apa activată. În lucrarea publicată

de aceștia,se prezintă rezultatele neutralizării unor tipuri de microorganisme ce se pot regăsi

atât în apa de balast a navelor, cât și pe instrumentarul medical de investigație utilizat în

gastroenterologie sau în interiorul unor instalații de climatizare ce necesită operații de

mentenanță periodică. În consecință rezultatele prezentate sunt unele comparative între apa

activată cu plasmă și unii dezinfectanți clasici cu spectru larg de acoperire, de tip Virusolve

sau Viruzyme.

Plasma rece poate fi produsă de diferite tipuri de descărcări electrice de laborator

(GlidArc, DBD, Corona), și se încadrează în categoria procedeelor de oxidare avansată

(AOP). Speciile din interiorul ei sunt în afara echilibrului termodinamic, adică energia și

temperatura particulelor ușoare, de tip electroni și fotoni, este mult mai mare decât cea a

particulelor grele, de tip ioni metalic. Alegerea tehnologiei GlidArc (succesiune de descărcări

electrice alungite datorită suflării unui gaz între electrozi) , figura 5, a fost impusă de faptul

că timpul de activare este mult mai mic decât prin alte tehnologii, eficiența activării este mult

mai bună, iar implementarea sa practică este relativ ușoară . Activarea trebuie să fie realizată

doar din punct electrochimic, iar creșterea temperaturii soluției tratate peste o valoare prag de

13

38 – 40 ᵒC ar putea însemna un tratament termic de decontaminare, lucru care trebuie complet

evitat.

Fig.5. GlidArc – succesiune de descărcări electrice alungite

datorită suflării unui gaz între electrozi

Gazul vector sub influența căruia descărcările sunt alungite până la capătul electrozilor

a fost aer cu vapori de apă, obținuți prin barbotarea într-un vas de sticlă înainte de

introducerea în instalația de activare. Speciile primare asigurate astfel sunt N2, O2 și H 2O.

Reactivitatea electrochimicǎ se poate controla prin intermediul parametrilor fizici şi a

condiţiilor de lucru. Speciile preponderent existente în plasmă sunt radicalii OH– și oxizii de

azot, NOx. De fapt din momentul amorsării unei descărcări electrice și până la stingerea ei

sunt parcurse 3 zone distincte, fiecare dintre ele fiind caracterizată de prezența altor specii

active chimic . Astfel în zona de amorsare, unde plasma descărcării are caracteristicile unei

plasme termice stabile, speciile întâlnite sunt cele primare, de tip N+, N2+, O+, OH–, care pot

fi determinate prin metoda spectroscopiei optice de emisie. În zona de capăt a descărcării, prin

aceeași metodă spectroscopică, se pot identifica specii secundare precum NO, NOx, HNO2,

HNO3, HOONO, HxOy, NO+. Speciile chimice induse de plasma rece către soluția activată,

ce pot fi identificate prin metode chimice, sunt H+, H2O2, HO2, NO2–, NO3–, NO+,

HOONO. Se poate observa că speciile amintite vor produce un efect de acidificare temporară

a soluției activate, ajungându-se până la un pH < 3,5, în principal datorită formării acidului

azotic, precum și a celui azotos . Durata de activitate chimică a acestor compuși este de până

la 48 de ore prin intermediul unor reacții secundare de difuzie controlată pe care le produc și

de aceea tratamentul cu apă activată este eficient și după întreruperea producerii plasmei, deci

fără un consum suplimentar de energie, fenomen numit TPDR (reacții postdescărcare în

timp). Speciile secundare de tip peroxinitrită și radical hidroperoxil, deși se află în cantități

relativ mici în soluția ce este activată, sunt cele cărora le este atribuit fenomenul TPDR. Prin

urmare apa activată cu plasmă (PAW) reprezintă o metodă bine adaptată pentru tratamente de

decontaminare microbiologică, atât prin speciile chimice pe care le conține, cât și prin faptul

că reacțiile induse continuă pe o durată relativ mare de timp (efectul TPDR). Faptul că ținta

microbiologică ce se dorește a fi tratată nu este supusă efectului direct de acțiune al plasmei

oferă și un alt avantaj major – evită posibilitatea contaminării suplimentare a țintei datorită

gazului suflat necesar producerii GlidArcului. Studii anterioare , au demonstrat că prin

14

intermediul apei activate se poate obține o reducere cu până la 10 unități logaritmice a

unităților ce formează colonii.

Ținând cont de cele 2 aplicații de decontaminare microbiologică avute în vedere,

decontaminarea apei de balast și respectiv a instrumentarului medical folosit în endoscopie, a

fost realizată o instalație cu ajutorul căreia apa activată cu plasmă să poată fi amestecată cu o

cantitate mult mai mare de lichid( figura 6).

Fig.6 Instalație cu GlidArc pentru activarea apei și amestecarea

ei cu apa din tancul de balast

În figura 6 este activată cu plasma

produsă de GlidArc apa distilată din

cana metalică, care după obținerea parametrilor doriți la aproximativ 8 minute de tratament,

poate fi amestecată în proporțiile dorite cu apa de mare din tancul situat

în partea dreaptă a figurii. Cantitatea maximă de apă activată ce încape

în cană este de 200 mL, iar cantitatea maximă de lichid din tanc este de 8 L. Sistemul este

prevăzut cu o pompă de lichid, valvule pentru tur și retur, element pentru depresurizarea

rezervorului de apă de balast. Din punct de vedere electric s-a folosit un transformator cu

parametrii 5 kV/100 mA, iar debitul de gaz asigurat a fost de 60 l/min.

Din punct de vedere microbiologic pentru identificarea coloniilor formatoare de unităţi, s-a

luat în considerare metoda de cultivare a probei pe un mediu Compact Dry TC. Placa Dry

Compact este acoperită cu o peliculă cu mediu deshidratat. Plăcile oferă un mediu neselectiv

și conțin un colorant redox (2,3,5 - clorură de trifeniltetrazoliu = TTC), indicator al stării

metabolice celulare. Cele mai multe bacterii formează colonii roșii. Pentru a efectua testul, s-a

aplicat 1 mL de probă de lichid (apă activată, soluție viruzyme,soluție virusolve, martor-probă

de apă de mare) în mijlocul plăcii cu suprafața de 19,62 cm2. Lichidul difuzează în mod

automat și în mod egal pe suprafața plăcii și transformă în câteva secunde pelicula inițial

deshidratată într-un gel.

Mediul bine acoperit s-a pus într-un incubator la temperatura de 36°C, urmărind în timp

coloniile formatoare de unități (8-12-24-36 ore). Pentru cuantificarea numărului de colonii

care au apărut pe mediul de cultură neselectiv, se ține cont de diluțiile folosite pentru fiecare

probă (1 mL probă + 9 mL soluție ser fiziologic izotonă).

Pentru cuantificarea numărului de microorganisme într-un mL de soluție, respectiv pe o

suprafață de 1 cm2 s-au utilizat relațiile:

media UFC volumulpicaturii ⋅ dilutiafolosita nr . UFC/m L=

nr. UFC/ mL suprafata placii

15

Rezultate experimentale

Din punct de vedere al rezultatelor microbiologice în figura 7 se poate observa evoluția în

timp a numărului total de microorganisme după aplicarea pe eșantioanele tratate a diferiți

agenți dezinfectanți descriși anterior.

Se poate observa că apa activată cu plasmă (PAW) permite dezvoltarea celui mai mic

număr de microorganisme pentru timpi de până la 10 ore. După acest interval de timp, în care

PAW se dovedește a fi cel mai eficient agent de decontaminare, se observă că eșantionul tratat

cu Viruzyme are cel mai mic număr de microorganisme, rezultatele fiind însă comparabile cu

eșantionul tratat cu PAW.

Ținând cont că prezentul studiu a fost făcut pe o durată de 36 de ore, și că în cazul

decontaminării instrumentarului medical, respectiv a apei de balast, tratamentul va fi făcut cu

câteva ore înaintea utilizării / deversării, se poate concluziona ca PAW s-a dovedit a fi cel mai

eficient agent de decontaminare dintre cei utilizați.

Fig.7. Evoluția în timp a numărului total de microorganisme.

În figura 8 se arată evoluția numărului de celule moarte, în procente, în raport cu eșantionul

martor netratat cu agent de decontaminare. Evoluția numărului de celule bacteriene a fost

realizată folosind microscopia de epifluorescență, urmând protocolul de lucru conform datelor

descrise de autori. S-au utilizat pentru activarea apei două durate diferite, de 4 și respectiv de

8 minute.

nr. UFC/cm2 =

16

Fig.8.Numărul celulelor moarte în raport cu martorul

pentru 2 durate de activare.

În figura 9 s-a ilustrat evoluția temporală a procentului numărului de celule moarte,

în raport cu eșantionul martor, pentru un timp de activare de 8 minute a 50 mL de apă

distilată, cantitate care a fost amestecată cu 1L apă de mare, respectiv cu 2 L de apă de mare.

Din figura 8 se poate observa că în cazul timpului de activare de 8 minute numărul de

celule moarte rămâne aproximativ constant pe durata celor 24 de ore de observare, procentul

de celule moarte în raport cu cele din martor fiind de aproximativ 95 %,iar pentru un timp de

activare de 4 minute numărul de celule moarte, în raport cu cele din martor,prezintă o scădere

aproape liniară pe o durată de 24 ore. Procentul de 95% valabil pentru primul caz poate fi

îmbunătățit prin cuantificarea numărului total de microorganisme ce trebuie neutralizate

înainte de aplicarea agentului de decontaminare în vederea neutralizării unei proporții optime

între PAW și apa de mare. În cadrul acestui studiu comparativ, această evaluare inițială nu a

fost făcută.

Fig.9. Numărul celulelor moarte în raport cu martorul pentru 2

diluții diferite

17

Din figura 9 se observă eficiența de neutralizare a numărului total de celule, în raport cu

martorul, pentru două compoziții diferite PAW / apă de mare. Dacă în momentul inițial al

aplicării agentului de decontaminare eficiența depășește 90 %, pe un timp de până la 12 ore

această eficiență este îmbunătățită pe seama reacțiilor secundare de difuzie induse de speciile

secundare din PAW, după care eficiența scade de 92% și respectiv 86% în cazul celor 2

compoziții după o perioadă de 24 de ore.

Fig.10. Evoluție temporală a numărului total de celule vii pentru două diluții diferite

În ultima figură se observă o evoluție temporală a numărului total de celule vii ce confirmă

tendințele din figurile anterioare. Cu cât cantitatea de agent decontaminant PAW este mai

mare în raport cu cantitatea de lichid tratată, cu atât eficiența decontaminării este mai bună, iar

maximul ei, pentru sursa de alimentare folosită, este undeva la 10 – 12

CONCLUZII

Prin utilizarea drept agent de decontaminare a apei activate cu plasma produsă de

GlidArc, rezultatele microbiologice sunt mai bune decât în cazul utilizării altor agenți clasici

de decontaminare pentru un timp de până la 12 ore după procesul decontaminării. De altfel și

maximul de eficiență al utilizării PAW este obținut tot după un timp de 10– 12 ore, însă

efectul continuă până la 24 de ore. Ca timp de activare al plasmei este necesară o durată de

aproximativ 8 minute. Pentru acest interval de timp s-a observat anterior obținerea unui pH

corespunzător pentru inițierea reacțiilor chimice și neutralizării microorganismelor. Toți acești

indicatori de timp sau de proporții de amestec PAW / apă de mare sunt valabili pentru

resursele reactor și sursă de alimentare disponibile în laboratorul de cercetare. Anterior acestui

studiu comparativ, au fost efectuate teste cu PAW prin care s-a obținut o reducere cu 3 unități

logaritmice a numărului inițial de microorganisme din soluția de tratat, deci prin optimizarea

resurselor existente se poate obține o eficiență îmbunătățită, care să permită implementarea

practică a acestei metode de decontaminare.

18

INFLUENŢA MEDIULUI DE PLASMĂ ASUPRA CARACTERULUI HIDROFOB-

OLEOFOB AL ŢESĂTURILOR CU DESTINAŢIE ”ECHIPAMENTE DE LUCRU TIP

BARIERĂ ANTIMICROBIANĂ”

Pentru realizarea ţesăturilor cu destinaţia ”echipamente de lucru tip barieră

antimicrobiană” au fost evaluate cerinţele specifice domeniului medical, secţiilor de chirurgie,

care pentru acest tip de produse solicită proprietăţi fizico-mecanice, fizico-chimice specifice

şi caracteristici hidrofob-oleofobe.

Aspecte generale

Cercetările realizate în scopul obţinerii de produse de calitate superioară, conform

cerinţelor specificaţiilor tehnice ale echipamentelor de protecţie utilizate în mediul spitalicesc,

determină elaborarea de tehnologii cu diverse obiective cum ar fi: respingerea apei

(hidrofobizare), respingerea substanţelor lichide grase (oleofobizare), reducerea încărcării cu

electricitate statică, uşurarea îndepărtării murdăriei prin spălare etc

Prin tratamentul de hidrofobizare-oleofobizare se urmăreşte dobândirea de către

ţesături a proprietăţilor de a respinge lichidele (apă, sânge, uleiuri etc), proprietăţi care se

obţin prin tratarea ţesăturilor cu produse speciale. Aceste produse conferă ţesăturilor

proprietatea ca pe suprafaţa lor să nu apară grupe polare şi să nu permită stabilirea legăturilor

de hidrogen cu picăturile de lichid, care ,,perlează,, adică dobândesc forma sferică deoarece

forţele de adeziune lichid-suprafaţă sunt foarte mici şi asupra picăturilor acţionează în acest

caz numai forţele de coeziune internă. Aceste forţe dau naştere la o tensiune superficială, care

acţionează asupra picăturilor şi le modelează sub formă sferică, pe care o prezintă în mod

obişnuit în aer.

Pentru obţinerea caracterului hidrofob-oleofob necesar produselor de îmbrăcăminte tip

barieră antimicrobiană utilizate în mediul spitalicesc, a fost proiectat şi realizat un lot de

ţesături din bumbac şi poliester la care s-au aplicat tratamente speciale în plasmă de

hexaflouropropane (C3H2F6) şi agent de hidrofobizare-oleofobizare NUVA TTC.

Pentru obţinerea proprietăţilor hidrofob-oleofobe rezistente la spălare, ţesăturile din bumbac şi

poliester au fost tratate în plasmă de hexaflouropropane şi agent de hidrofobizare NUVA

TTC.

-Tratamentele de activare în plasmă şi cele de activare în plasmă urmate de tratamente cu NUVA

TTC modifică caracteristicile de suprafaţă ale fibrelor din bumbac şi poliester.

-Prin tratamentele în plasmă de hexafluoropropane timp de 20 minute urmat de tratamentul

hidrofobizare-oleofobizare cu NUVA TTC caracterul hidrofob-oleofob al ţesăturilor creşte,

diferenţele cele mai mari între probele netratate şi cele tratate observându-se în cazul probelor

din bumbac 100%.

-Caracterul hidrofob al ţesăturilor creşte prin mărirea duratei de tratare în plasmă de

hexafluoropropane la 20 minute şi a concentraţiei produsului NUVA TTC din băile de tratare;

valorile cele mai bune se obţin pentru concentraţii de 7 g/l.

-În urma tratamentelor speciale în plasmă de hexafluoropropane şi NUVA TTC unghiul de

contact a picăturilor de lichid cu suprafeţele creşte la valori mai mari de 90 grade (valori care

19

evidenţiază un caracter puternic hidrofob-oleofob al ţesăturilor cu destinaţie echipamente de

protecţie tip barieră antimicrobiană).

-La ţesăturile din bumbac 100% tratate numai în plasmă, după cinci cicluri de spălare şi uscare,

unghiul de contact scade de la 135,0 grade la 85,9 grade, ceea ce reduce caracterul hidrofob-

oleofob al acestora, motiv pentru care nu se recomandă a mai fi utilizate ca echipamente de

protecţie tip barieră antimicrobiană

BIBLIOGRAFIE

1. http://www.gadagroup.ro/infrastructura_medicala/sterilizare/sterilizatoare_de_joasa_te

mperatura_cu_plasma_seria_sps

2. www.monumentul.ro/pdfs/decontaminarea%20manuscriselor.pdf

www.agir.ro/buletine/2429.pdf

3. Gh. Popa, L. Sirghi, Bazele fizicii plasmei, Ed. Universităţii Iaşi, 2000

4. I. I. Popescu, I. Iova, E. Toader, Fizica plasmei şi aplicaţii, Ed.st. şi enciclopedică, 1981

5. S. Ghita, I. Ardelean. Direct viable count of Gram-negative bacteria and biological

oxygen consumption in marine microcosms polluted with gasoline. BioMicroWorld 2011.

Book title: "Microbes in Applied Research: Current Advances and Challenges" Malaga,

Spain, Ed. World Scientific, ISBN: 978-981-4405-03-4.

6. Majid Sarmadi “Advantages and disadvantages of plasma treatment of

textile materials” 21st International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC

21) Sunday 4 August – Friday 9 August 2013