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Jeon, Jin (2015): Surface micro-discharge (SMD): Analysis of the antimicrobial effect and the plasma chemistry. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

There is an urgent need for an efficient technology of disinfection and sterilization in view of the alarming dimensions health care-associated infections (HAIs) have reached. Cold atmospheric pressure plasma (CAP) can be utilized for hygienic and medical purposes, in particular in surface decontamination applications, and provides a promising alternative to the conventionally used sterilization techniques. Surface Micro-Discharge (SMD) offers a technology for generating CAP that can be applied to wide areas. In the present work, I investigate the plasma chemistry involved in the inactivation of microorganisms by application of the SMD in order to optimize the antimicrobial effect. For this purpose, different strains of vegetative bacteria and bacterial endospores are exposed to the SMD with experimental parameters such as the gas composition, power input, treatment duration and humidity varied. At the same time, the concentration of ozone produced by the SMD is monitored, and its correlation with the antimicrobial efficacy is investigated. I demonstrate that the bactericidal effect of the SMD on both the Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Enterococcus mundtii is similar and strongly correlates with the ozone concentration. The sporicidal effect on Geobacillus stearothermophilus is crucially affected by the humidity, whereas the ozone concentration appears to have no influence. In addition, I investigate the dynamic behavior of ozone produced by the SMD by varying the geometry and the time interval for the plasma generation and by igniting the plasma in two subsequent phases with different frequencies. Possible explanations for the obtained results are provided. This work fortifies the role of SMD as an efficient sterilization method and discloses diverse possibilities for optimizing the antimicrobial effect.

Abstract

Die Häufigkeit der Krankenhausinfektionen und ihre Auswirkung haben alarmierende Ausmaße angenommen. Angesichts dessen besteht ein akuter Bedarf an einer effizienten Technologie für Desinfektion und Sterilisation. Die Anwendung von kaltem atmosphärischen Plasma (englisch: cold atmospheric plasma, CAP) für die Hygiene und Medizin, insbesondere für die Oberflächendekon-tamination, stellt einen Versuch dar, eine schnelle und effektive Sterilisationstechnik zu schaffen. Die Oberflächenentladung (englisch: Surface Micro-Discharge, SMD) bietet eine Technologie für die Erzeugung und Anwendung von CAP. In der vorliegenden Arbeit analysiere ich die antimikrobiellen Eigenschaften der SMD, um die Inaktivierungsmechnismen besser zu verstehen und den antimikrobiellen Effekt zu optimieren. Hierzu werden unterschiedliche Stämme von vegetativen Bakterien und bakteriellen Endosporen unter unterschiedlichen Bedingungen, inklusive der Gaszusammensetzung, der Eingangsleistung, der Behandlungsdauer und der Luftfeuchtigkeit, dem SMD-Plasma ausgesetzt. Gleichzeitig wird die Konzentration des im SMD-Plasma erzeugten Ozons gemessen, um den Zusammenhang mit dem antimikrobiellen Effekt zu untersuchen. Ich zeige in der vorliegenden Arbeit, dass eine SMD-Behandlung auf die gramnegative Escherichia coli und den grampositiven Enterococcus mundtii eine ähnliche Wirkung erzielt. Zudem hängt die bakterizide Wirkung der SMD stark von der Ozonkonzentration ab. Die Luftfeuchtigkeit spielt eine erhebliche Rolle bei der sporiziden Wirkung der SMD auf Geobacillus stearothermophilus, wobei hier die Ozonkonzentration keine Rolle zu spielen scheint. Darüber hinaus untersuche ich die Dynamik der Konzentration des im SMD-Plasma erzeugten Ozons, indem die Geometrie und das Zeitintervall für die Erzeugung der Entladung variiert werden, und indem die Entladung in zwei aufeinander folgenden Phasen mit verschiedenen Frequenzen gezündet wird. Mögliche Erklärungen für die beobachteten Ergebnisse werden vorgeschlagen. Die vorliegende Arbeit untermauert die Rolle der SMD als eine effiziente Sterilisationstechnik und offenbart unterschiedliche Möglichkeiten für die Optimierung des antimikrobiellen Effekts der SMD. Jedoch konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht für alle Beobachtungen eine zufriedenstellende Erklärung geliefert werden. Weiterführende Forschungsarbeiten werden daher nahegelegt.