О ВОЗМОЖНОСТИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСУДА В СИСТЕМЕ С ФОРВАКУУМНЫМ ПЛАЗМЕННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ИСТОЧНИКОМ

ON THE POSSIBILITY OF BEAM-PLASMA STERILIZATION OF DIELECTRIC VESSEL IN THE SYSTEM WITH FORE-VACUUM PLASMA-CATHODE ELECTRON SOURCE

Denis Zolotukhin

Cand. Phys.- Math. Sci., Research Fellow of the Physics Department, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Aleksey Zenin

Cand. Tech. Sci., Senior Researcher of the Physics Department, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Andrey Tyunkov

Cand. Tech. Sci., Senior Researcher of the Physics Department, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Yury Yushkov

Cand. Tech. Sci., Senior Researcher of the Physics Department, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

Приводятся результаты эксперимента, демонстрирующие возмож-ность пучково-плазменной стерилизации диэлектрического сосуда, с нанесенной на его поверхность культурой кишечной палочки, при инжекции внутрь сосуда пучка форвакуумного источника электронов, в атмосфере кислорода, напускаемого в камеру через водный раствор пероксида водорода (H2O2).

ABSTRACT

We present the experimental results demonstrating the possibility of beam-plasma sterilization of dielectric vessel with E. coli on its surface, as a result of injection of e-beam from fore-vacuum plasma-cathode electron source, in the atmosphere of oxygen introduced through the hydrogen peroxide (H₂O₂) solution.

Ключевые слова: стерилизация, электронно-пучковая плазма, диэлектрический сосуд.

Keywords: sterilization, electron-beam plasma, dielectric vessel.

Введение

Стерилизация сосудов из диэлектрических материалов (стекла, пластика) воздействием низкотемпературной плазмы прочно занимает свою нишу среди существующих технологий стерилизации. Важным преимуществом плазмы является возможность обработки чувствительных к нагреву пластиковых изделий, довольно низкая продолжительность процесса, а также практически полное отсутствие вредных химических веществ. К существующим способам создания плазмы в диэлектрических сосудах в целях стерилизации относится импульсный тлеющий [3] и [1] высокочастотный разряды, которые обладают существенными недостатками, выражающиеся в распылении стенок сосуда из-за высокого потенциала плазмы, либо в низкой эффективности генерации плазмы. Альтернативой этим методам может быть свободная от вышеперечисленных недостатков генерация пучковой плазмы при инжекции внутри сосуда электронного пучка форвакуумного источника [3], функционирующего в области повышенных давлений газа (единицы-десятки Па). Таким образом, целью настоящей работы была демонстрация возможности пучково-плазменной стерилизации диэлектрического сосуда с применением форвакуумного плазменного источника электронов, работающего в атмосфере активного газа (кислорода), пропускаемого через водный раствор H₂O₂, обладающего известным бактерицидным эффектом.

Оборудование и методика эксперимента

На Рис.1 изображена схема эксперимента по стерилизации. Для формирования непрерывного электронного пучка током 10-50 мА и энергией 1-10 кэВ применялся известный [3] форвакуумный плазменный источник электронов 1 на основе тлеющего разряда с полым катодом, размещенный на верхнем фланце вакуумной камеры 2. Камера откачивалась до предельного давления 1 Па безмасляным форвакуумным насосом. Электронный пучок 3 диаметром ~1,5 см распространялся в камере, инжектировался в сосуд 5, и в результате ионизации рабочего газа создавал пучковую плазму 6. Для осуществления дозированного воздействия, размещенный под пучком сосуд 5 прикрывался электромеханической заслонкой 4. Сосуд 5 представлял собой тонкостенный стеклянный цилиндрический стакан объемом 10 мл, внутренним диаметром 20 мм и высотой 45 мм. Для оценки стерилизующего эффекта, на внутреннюю поверхность сосуда 5 была нанесена суспензия, содержащего популяцию бактерий кишечной палочки штамма E. coli ATCC 25922 концентрацией 1,5·10⁹ КОЕ/мл. После инокуляции, сосуд просушивался в течение 20 минут, а затем помещался в вакуумную камеру и подвергался от 1 до 12 сеансам пучково-плазменного воздействия, причем, длительность сеанса равнялась 5 с, с интервалом в 30 с между сеансами. По завершении облучения сосуд извлекался из камеры и отправлялся на бактериологическое исследование. Для этого, с облученной поверхности сосуда стерильным тампоном делался смыв в 2 мл 0,5%-ного сахарного бульона, каждый из смывов инкубировался при 32 ⁰С в течение 7 суток. В каждой серии опытов фиксировался факт наличия «прорастания» смыва, а также выполнялось сравнение с контрольным посевом культуры, не подвергавшемся стерилизации.

Рисунок 1. Экспериментальная установка: 1 – форвакуумный источник электронов, 2 – вакуумная камера, 3 – электронный пучок, 4 – заслонка, 5 – сосуд, 6 – пучковая плазма, 7 – суспензия с кишечной палочкой, 8 – анализатор масс-зарядового состава ионов RGA-100, 9 – емкость с водным раствором H₂O₂.

Рабочим газом служил кислород, напускаемый в камеру 2 через емкость объемом 50мл, наполненную водным 38% раствором перекиси водорода (H₂O₂). Рабочее давление в камере полученной таким способом смеси газов составляло 10-12 Па. Масс-зарядовый состав ионов пучковой плазмы исследовался квадрупольным анализатором RGA-100, оснащенным трехэлектродной системой излечения ионов из плазмы.

Результаты эксперимента и их обсуждение

В отсутствие облучения, если сосуд располагался внутри вакуумной камеры, промываемой рабочей смесью газов, бактериологический анализ показывал нестерильность его поверхности независимо от длительности экспозиции. В результате предварительного подбора режимов облучения сосуда было обнаружено, что повышение энергии пучка до 9-12 кэВ, при токе пучка 50 мА и длительности одного сеанса порядка 5 с, приводит к значительному нежелательному нагреву внутренней поверхности сосуда, поэтому, в качестве рабочей была выбрана энергия пучка 3 кэВ. Выбор величины рабочего давления газа в 12 Па был обусловлен необходимостью обеспечения, с одной стороны, достаточно высокого давления рабочей смеси, с другой, требованием к устойчивой работе пушки. Типичный результат облучения стеклянного сосуда приводится в таблице 1.

Таблица 1

Результат эксперимента по стерилизации.

Таблица 1 демонстрирует, что с увеличением числа сеансов облучения, то есть суммарного времени воздействия, увеличивается число стерильных участков внутренней поверхности сосуда. Следует отметить, что в случае, напуска в камеру атмосферного воздуха (без дополнительной добавки O₂ и без пропускания газа через раствор с H₂O₂), внутренняя поверхность сосуда становится стерильной при более чем 18 сеансах облучения, что свидетельствует о заметном влиянии состава газовой среды на результат стерилизации. Это предположение подкрепляется результатами исследования масс-зарядового состава ионов пучковой плазмы в описываемых экспериментальных условиях (рис. 2).  

Рисунок 2. Масс-зарядовый состав ионов пучковой плазмы, генерируемой при напуске кислорода через водный раствор пероксида водорода. Условия эксперимента: ток пучка 50 мА, энергия пучка 3 кэВ, давление смеси газов 12 Па.

Масс-зарядовый спектр ионов демонстрирует наличие в упомянутой пучковой плазме присутствие большого числа ионов (N₂⁺, O₂⁺), обладающих известным бактерицидным воздействием на бактерии. 

Работа была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 16-38-00230 мол_а).

Заключение

Таким образом, показана возможность стерилизации внутренней поверхности диэлектрического сосуда при его облучении электронным пучком форвакуумного плазменного источника, в условиях напуска в камеру активного газа (кислорода) через водный раствор пероксисда водорода. Масс-зарядовый состав ионов плазмы свидетельствует о том, что одним из возможных стерилизующих факторов могут быть активные ионы кислорода и азота, в достаточном количестве присутствующие в плазме.

Список литературы:

1. Deilmann, M. Silicon Oxide Permeation Barrier Coating and Plasma Sterilization of PET Bottles and Foils / M. Deilmann, H. Halfmann, S. Steves, N. Bibinov, P. Awakowicz // Plasma Process. Polym. – 2009. – Vol.6. – P. S695–S699.
2. Sakudo, N. Simultaneous Sterilization With Surface Modification Of Plastic Bottle By Plasma Based Ion Implantation / N. Sakudo, N. Ikenaga, F. Ikeda, Y. Nakayama,Y. Kishi, Z. Yajima // AIP Conference Proceedings. – 2011. – Vol. 1321, № 266. – P. 266-269.
3. Tyunkov A.V. Generation of metal ions in the beam plasma produced by a forevacuum-pressure electron beam source / Yushkov Yu.G., Zolotukhin D.B., Klimov A.S., Savkin K.P. // Physics of Plasmas. 2014. Т. 21. № 12. С. 123115.