DE102011053371B4

DE102011053371B4 - Mikroplasma-Quelle und Sterilisationssystem mit derselben

Info

Publication number: DE102011053371B4
Application number: DE102011053371.0A
Authority: DE
Inventors: Jiunn-Der Liao; Chih-Chiang Weng; Hsin-Hung Chen; Tung-Yi Lin
Original assignee: National Cheng Kung University NCKU
Current assignee: National Cheng Kung University NCKU
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: DE102011053371A1; US9101043B2; CN102404927A; TW201210640A; TWI432228B; US20120063966A1

Abstract

Ein Mikroplasma-Sterilisations-System, welches verwendet wird, um eine Probe zu sterilisieren, aufweisend: eine erste Gasspeichereinheit (20), welche verwendet wird zum Speichern von einem ersten Gas, eine zweite Gasspeichereinheit (30), welche verwendet wird zum Speichern von einem zweiten Gas, ein oder mehrere Mikroplasma-Erzeugungseinheiten (40), welche jeweils aufweisen: eine Gaszufuhrkammer (41) mit einem ersten Einlass (411) und einem ersten Auslass (413), wobei der erste Einlass mit der ersten Gasspeichereinheit verbunden ist und verwendet wird, um das erste Gas zu importieren, eine Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer (43), von der eine Seite mit einer Innenwandung von dem ersten Auslass der Gaszufuhrkammer verbunden ist, ein dielektrisches Innenrohr (47) mit einem zweiten Einlass (471) und einem zweiten Auslass (473), welches die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer durchdringt, wobei der zweite Einlass mit der Gaszufuhrkammer in Verbindung steht, eine Elektrode (45), welche an dem zweiten Auslass von dem dielektrischen Innenrohr außen angeordnet/angebracht ist sowie in der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer angeordnet ist, und ein hohles Metallrohr (49), welches in der Gaszufuhrkammer und dem dielektrischen Innenrohr angeordnet ist und einen dritten Einlass (491) und einen dritten Auslass (493) hat, wobei der dritte Einlass verwendet wird, um das zweite Gas zu importieren, sowie eine Stromversorgungseinheit bzw. Spannungsquelle (50), welche mit der Elektrode und dem hohlen Metallrohr verbunden ist, um dazwischen ein Mikroplasma zu erzeugen, wobei die Probe mit einem Abstand in dem Bereich von 0,1 bis 10 mm von dem ersten Auslass der Gaszufuhrkammer getrennt angeordnet ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Anmeldetags der US-Provisional-Anmeldung mit der Nummer 61/380,419 und dem Titel „Capillary tube based oxygen/argon micro-plasma system for the inactivation/sterilization of bactertia suspended in aqueous solution”, welche am 7. September 2010 gemäß 35 USC 119 (e)(1) eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroplasma-Sterilisationssystem, welches geeignet ist zum Sterilisieren von wiederverwendbaren medizinischen Vorrichtungen und ferner für eine Inaktivierung/Sterilisierung von verletzten oder infizierten Geweben.
2. Beschreibung verwandter Technik
Wenn wiederverwendbare medizinische Vorrichtungen, wie z. B. chirurgische oder zahnärztliche medizinische Vorrichtungen, sterilisiert werden, muss eine totale/vollständige Eliminierung bzw. Beseitigung aller Mikroorganismen, wie z. B. Bakterien, Pilze oder Viren, von der Vorrichtung bestätigt werden, um eine mögliche Infizierung eines nächsten Patienten zu vermeiden. Jedoch führen die derzeit bekannten Sterilisationsverfahren, wie z. B. ein trockener Autoklav-Prozess, eine Behandlung/Anwendung von chemischem Bakterizid, wie z. B. Ethylenoxid, und eine physische Bestrahlung, dazu, dass die behandelten Oberflächen in unterschiedlichem Ausmaß degradiert oder beschädigt werden. Daher beginnen medizinische Einrichtungen damit, eine niedrig-Temperatur-und-Druck-Plasma-Sterilisation einzusetzen. Bei dieser Art von Plasmasterilisation stimuliert/erzeugt die elektrische Energie extrem angeregtes Gas in Vakuum und produziert ionisierte Partikel, metastabile Spezies und freie Radikale, welche mit Bakterien reagieren/zusammenwirken können und daher den Mikroorganismus-Stoffwechsel unterhalb von 50°C beschädigen können. Dieses Verfahren ist für die Umwelt harmlos (wesentliche Nebenprodukte sind CO₂ und H₂O) und kann folglich verwendet werden, um thermolabile und feuchtigkeitslabile medizinische Vorrichtungen zu behandeln.
Um eine mögliche Beschädigung der sterilisierten medizinischen Vorrichtungen zu vermeiden und die Betriebskosten der in-Vakuum-niedrig-Temperatur-Plasma-Vorrichtung zu reduzieren, wird derzeit ein nicht-thermisches-und-Normaldruck-dielektrische-Barriere-Entladung-(DBD)-Plasma für die Sterilisation entwickelt. Das DBD-Plasma wird zwischen zwei parallelen Plattenelektroden erzeugt, von denen eine mit einem dielektrischen Material beschichtet ist, um eine ungewünschte Erzeugung von Lichtbögen zu vermeiden. Nachteilige Einflüsse, welche verursacht werden durch hohe Energie, welche aufgebracht wird, um Plasma zu erzeugen, können bei dem DBD-Plasma reduziert oder vermieden werden. Hochreaktive Spezies/Elemente zur Verwendung für die Sterilisation der medizinischen Vorrichtungen können bei dem DBD-Plasma mit niedrigem Energieverbrauch erzeugt werden. Dennoch gibt es Grenzen bei der Verwendung des oben erwähnten DBD-Plasmas, da die meisten medizinischen Vorrichtungen unregelmäßige Formen haben, und es ist schwierig für das DBD-Plasma, alle freiliegenden Oberflächen der medizinischen Vorrichtungen abzudecken oder auf die Bakterien einzuwirken, welche in manchen Öffnungen davon versteckt sind. Folglich ist die Sterilisationsleistung des DBD-Plasmas durch die Formen der medizinischen Vorrichtungen, welche zu behandeln sind, begrenzt. Darüber hinaus werden die Restbakterien, welche der Sterilisation entkommen können, üblicherweise in einem feuchten Zustand, wie z. B. einer wässrigen Lösung, versteckt gefunden. Folglich muss das angewandte Verfahren eine vollständige Sterilisation der medizinischen Vorrichtungen, welche die wässrige Lösung enthalten, gewährleisten. Wenn jedoch das DBD-Plasma verwendet wird, um die medizinischen Vorrichtungen, welche eine wässrige Lösung enthalten, zu sterilisieren, wird die Schwierigkeit des Gewährleistens einer vollkommenen Sterilisation beträchtlich ansteigen.
Folglich, wenn eine Mikroplasma-Technik entwickelt wird, um eine vollständige Sterilisation der medizinischen Vorrichtungen, welche eine wässrige Lösung enthalten, zu erzielen, und die Technik flexibel auf verschiedene Erscheinungen oder Formen von unterschiedlichen Proben oder Exemplaren angewandt werden kann, können die Sterilisationszeit und die Erwerbskosten verwandter Vorrichtungen erheblich reduziert werden, um die Entwicklung verwandter Gebiete unter Verwendung dieser Technik zu erleichtern.
DE 10 2004 029 081 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrats mittels mindestens eines Plasma-Jets.
DE 10 2007 032 496 B3 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroplasma-Sterilisations-System bereitzustellen.
Hierzu stellt die Erfindung ein Mikroplasma-Sterilisations-System gemäß Anspruch 1 bereit, welches verwendet wird, um eine Probe zu sterilisieren. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Es kann eine Mikroplasma-Quelle bereitgestellt sein, welche keinen hohen Leistungsverbrauch bzw. Stromverbrauch hat und auf eine Stiftgröße reduziert/verkleinert werden kann. In dieser Mikroplasma-Quelle wird eine hohle innere Elektrode verwendet, und das reaktive Gas und das Plasma-Aufrechterhaltungs-Gas werden in unterschiedlichen Pfaden zugeführt. Ferner hat die Mikroplasma-Erzeugung Vorteile wie z. B. einen niedrigen Leistungsverbrauch bzw. Stromverbrauch, sowie Vorteile dahingehend, dass sie bei Raumtemperatur betreibbar ist und keine schädlichen Substanzen erzeugt werden, und folglich ist die Mikroplasma-Erzeugung im Stande, dem Trend einer absoluten Sicherheit und Umweltfreundlichkeit zu folgen.
Die Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung kann aufweisen: eine erste Gasspeichereinheit, welche verwendet wird zum Speichern eines ersten Gases; eine zweite Gasspeichereinheit, welche verwendet wird zum Speichern eines zweiten Gases; eine Mikroplasma-Erzeugungseinheit, aufweisend: eine Gastransmissionskammer bzw. Gasdurchtrittskammer bzw. Gaszufuhrkammer mit einem ersten Einlass und einem ersten Auslass, wobei der erste Einlass mit der ersten Gasspeichereinheit verbunden ist und verwendet wird, um ein erstes Gas zu importieren, eine Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer, von der eine Seit mit einer Innenwand von dem ersten Auslass der Gaszufuhrkammer verbunden ist, ein dielektrisches Innenrohr mit einem zweiten Einlass und einem zweiten Auslass, welche sich durch die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer hindurch erstreckt, wobei der zweite Einlass mit der Gaszufuhrkammer kommuniziert, eine Elektrode, welche außen an dem zweiten Auslass des dielektrischen Innenrohrs sowie in der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer angeordnet ist, und ein hohles Metallrohr, welches in der Gaszufuhrkammer und dem dielektrischen Innenrohr angeordnet ist und einen dritten Einlass und einen dritten Auslass hat, wobei der dritte Einlass verwendet wird, um ein zweites Gas zu importieren; und eine Energieversorgungseinheit bzw. Stromversorgungseinheit, welche mit der Elektrode und dem hohlen Metallrohr verbunden ist, um dazwischen ein Mikroplasma zu erzeugen.
In der oben geschilderten Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung kann die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer dazu dienen, Wärme von dem Inneren der Mikroplasma-Quelle abzuführen und die innere Elektrode zu schützen. Das dielektrische Innenrohr kann das erste Gas in der Gaszufuhrkammer zu dem zweiten Auslass davon leiten und zudem das hohle Metallrohr von der Elektrode trennen.
Gemäß einem Aspekt der Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung ist die Energieversorgungseinheit nicht im Besonderen eingeschränkt. Da in der Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung das hohle Metallrohr verwendet wird, vermischen sich das erste Gas und das zweite Gas bis sie beide zwischen der Elektrode und dem hohlen Metallrohr ankommen nicht im Voraus. Daher kann die Erzeugung von Mikroplasma noch auftreten, selbst wenn die Stromversorgungseinheit lediglich eine geringe Leistung ausgeben kann.
Gemäß einem anderen Aspekt der Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung des hohlen Metallrohrs nicht im Besonderen eingeschränkt, aber vorzugsweise parallel zu dem dielektrischen Innenrohr und in der Mitte davon angeordnet. Folglich tritt das zweite Gas, welches in dem hohlen Metallrohr übermittelt bzw. zugeführt wird, während der Mikroplasma-Erzeugung nicht mit dem ersten Gas, welches in dem dielektrischen Innenrohr übermittelt bzw. zugeführt wird, in Kontakt, bis das zweite Gas an dem zweiten Auslass des hohlen Metallrohres ankommt, so dass das erste Gas und das zweite Gas in unterschiedlichen Strömungspfaden eingebracht werden. Ferner ist die Distanz von der Elektrode zu der hohlen Metallschicht nicht im Besonderen eingeschränkt und kann verändert/variiert werden gemäß der Art und dem Verhältnis der eingeführten Gase, der Art der verwendeten Stromversorgung und anderen Parametern. Z. B. kann die Distanz in einem Bereich von 1 μm bis 10 mm liegen.
In dem Mikroplasma-Sterilisations-Systemkann das Mischungsverhältnis des reaktiven Gases zu dem Anregungsgas reguliert bzw. eingestellt werden, um eine schnelle und vollständige Sterilisation von Bakterien, wie z. B. Escherichia coli, Staphylococcos aureus und Bacillus thermophilus, auf trockenen oder nassen bzw. feuchten Abschnitten von verschiedenen Oberflächen zu erreichen, einschl. Oberflächen von medizinischen Vorrichtungen, der menschlichen Haut und der Mundschleimhaut, und zwar innerhalb einer kurzen Zeitperiode.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System der vorliegenden Erfindung wird verwendet, um eine Probe zu sterilisieren, wobei das Mikroplasma-Sterilisations-System aufweist: eine erste Gasspeichereinheit, welche verwendet wird zum Speichern von einem ersten Gas; eine zweite Gasspeichereinheit, welche verwendet wird zum Speichern von einem zweiten Gas; ein oder mehrere Mikroplasma-Erzeugungseinheiten, jeweils aufweisend: eine Gaszufuhrkammer mit einem ersten Einlass und einem ersten Auslass, wobei der erste Einlass mit der ersten Gasspeichereinheit verbunden ist und verwendet wird, um ein erstes Gas zu importieren, eine Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer, von der eine Seite mit einer Innenwand von dem ersten Auslass der Gaszufuhrkammer verbunden ist, ein dielektrisches Innenrohr mit einem zweiten Einlass und einem zweiten Auslass, welches die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer durchdringt, wobei der zweite Einlass mit der Gas-Zufuhrkammer in Verbindung steht, eine Elektrode, welche außen an dem zweiten Auslass von dem dielektrischen Innenrohr sowie in der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer angeordnet ist, und ein hohles Metallrohr, welches in der Gas-Zufuhrkammer und im dielektrischen Innenrohr angeordnet ist und einen dritten Einlass und einen dritten Auslass hat, wobei der dritte Einlass verwendet wird, um ein zweites Gas zu importieren; sowie eine Energieversorgungseinheit, welche mit der Elektrode und dem hohlen Metallrohr verbunden ist, um dazwischen ein Mikroplasma zu erzeugen.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Proben-Behälter oder einen Proben-Tank aufweisen, welcher verwendet wird, um die Probe zu halten, wenn dies benötigt wird. Folglich, wenn die Probe, z. B. eine flüssige Probe, keine spezifische Form hat, kann sie für die Sterilisation mit dem System in den Probenbehälter eingebracht bzw. in diesen geladen werden.
Ferner kann eine Positionierhülse oder Positionierkappe außen an dem zweiten Auslass angeordnet und mit der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer verbunden werden, um den Einfluss von Umgebungsluft oder Feuchtigkeit auf die Leistung des Systems zu reduzieren bzw. vermeiden. Folglich kann das System von Umgebungsluft oder Feuchtigkeit getrennt werden, und das Mikroplasma davon ist zudem mit einer vorbestimmten Distanz von einer festen Probe oder dem Probenbehälter beabstandet bzw. getrennt angeordnet.
Gemäß einem Aspekt des Mikroplasma-Sterilisations-Systems dient das erste Gas als ein Anregungsgas zum Aufrechterhalten des Mikroplasmas. Das zweite Gas ist reaktiv und wird üblicherweise als ein reaktives Gas verwendet. Die Art des ersten Gases und des zweiten Gases ist nicht speziell eingeschränkt. Z. B. kann das erste Gas Argon oder Helium sein, und das zweite Gas kann Sauerstoff oder Stickstoff sein. Vorzugsweise sind das erste Gas und das zweite Gas Argon bzw. Sauerstoff. Darüber hinaus wird die Menge von Sauerstoff vorzugsweise gemäß der zu sterilisierenden Probe reguliert bzw. eingestellt, üblicherweise in einem Bereich von mehr als 0% bis zu 20% oder weniger, basierend auf der Menge von Argon.
Gemäß einem anderen Aspekt des Mikroplasma-Sterilisations-Systems ist die Energieversorgungseinheit nicht im Besonderen eingeschränkt.
In noch einem anderen Aspekt des Mikroplasma-Sterilisations-Systems ist die Anordnung des hohlen Metallrohrs nicht im Besonderen eingeschränkt, ist aber vorzugsweise parallel zu dem dielektrischen Innenrohr und in der Mitte davon angeordnet. Folglich tritt während der Mikroplasma-Erzeugung das zweite Gas, welches in dem hohlen Metallrohr zugeführt bzw. übermittelt wird, mit dem ersten Gas, welches in dem dielektrischen Innenrohr zugeführt bzw. übermittelt wird, nicht in Kontakt bis das zweite Gas an dem zweiten Auslass des hohlen Metallrohrs ankommt, so dass das erste Gas und das zweite Gas in unterschiedlichen Pfaden zugeführt werden.
Gemäß der Erfindung wird die Distanz bzw. der Abstand von der Probe zu dem ersten Auslass des dielektrischen Innenrohrs als eine Arbeitsdistanz angesehen und ist 0,1 bis 10 mm. Die Sterilisationszeit der Probe kann gemäß der Spezies der zu sterilisierenden Bakterien und der Mikroplasma-Parameter bestimmt werden. Solche Parameter werden beispielhaft angegeben mit der Art und dem Verhältnis der Gase und der Arbeitsdistanz. In einem Beispiel der vorliegenden Erfindung kann die Zeit für die Sterilisation, d. h. die Arbeitszeit, ungefähr in einem Bereich von 30 bis 300 Sekunden sein.
Folglich können Bakterien auf trockenen oder feuchten Abschnitten der Haut, z. B. der Mundschleimhaut, vollständig sterilisiert werden durch Regulieren bzw. Einstellen der verwandten bzw. zugehörigen Parameter, wie z. B. der Eingangsleistung bzw. Leistungszufuhr, der Arbeitsdistanz, der Arbeitszeit, der Art des Reaktionsgases und des Mischungsverhältnisses der Gase, in dem Mikroplasma-Sterilisations-System der vorliegenden Erfindung.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung sind ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der angehängten Zeichnung.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht der Mikroplasma-Quelle in dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein optische-Emissionsspektrometrie-Spektrum, wobei die Arbeitsdistanz des Mikroplasmas in dem Testbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung 6 mm ist;
3 zeigt ein OES-relative-Intensität-Diagramm der Hauptspezies/Hauptelemente in dem Mikroplasma in dem Testbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein relative-Intensität-angeregte-Spezies-Diagramm des Mikroplasmas, welches mit unterschiedlichen Arbeitsdistanzen in dem Testbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde; und
5 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopie(ESM)-Foto von E. coli in dem Testbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung, wobei 5(a) die unbehandelten Bakterien wiedergibt und 5(b) die Bakterien wiedergibt, welche mit Mikroplasma bei 6 mm für 120 Sekunden sterilisiert wurden.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Auf Grundlage der spezifischen Ausführungsformen, welche die Anwendung der vorliegenden Erfindung illustrieren, kann ein Fachmann leicht andere Vorteile und Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung durch den hierin offenbarten Inhalt verstehen/erkennen. Die vorliegende Erfindung kann auch mit anderen abweichenden Ausführungsformen praktiziert und angewandt werden. Viele andere Modifikationen und Variationen von beliebigen Details in der vorliegenden Beschreibung können basierend auf anderen Ansichten und Anwendungen gemacht werden ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen.
In der vorliegenden Erfindung sind die Figuren der Ausführungsformen vereinfachte Diagramme oder Ansichten und offenbaren lediglich Elemente mit Bezug auf die vorliegende Erfindung. Die in der Zeichnung offenbarten Elemente sind nicht notwendigerweise Aspekte der Praxis, und die Menge und die Form davon ist optional designt/ausgestaltet. Ferner kann der Designaspekt der Elemente komplexer sein.
Beispiel 1
1 ist eine perspektivische Ansicht der Mikroplasma-Quelle gemäß dem vorliegenden Beispiel. Wie in 1 gezeigt ist, weist die Mikroplasma-Quelle 10 der vorliegenden Erfindung hauptsächlich auf: eine erste Gasspeichereinheit 20, eine zweite Gasspeichereinheit 30, eine Mikroplasma-Erzeugungseinheit 40 und eine Energieversorgungseinheit bzw. Stromversorgungseinheit 50.
In der vorliegenden Erfindung wird die erste Gasspeichereinheit 20 zum Speichern von einem ersten Gas verwendet. In ähnlicher Weise wird die zweite Gasspeichereinheit 30 zur Speicherung von einem zweiten Gas verwendet. In dem vorliegenden Beispiel dient das erste Gas als ein Anregungsgas, wie z. B. Argon, und das zweite Gas dient als ein Reaktionsgas, wie z. B. Sauerstoff.
Die Mikroplasma-Erzeugungseinheit 40 weist eine Gas-Zufuhrkammer bzw. eine Gas-Übermittlungskammer 41, eine Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer 43, ein dielektrisches Innenrohr 47, eine Elektrode 45, ein hohles Metallrohr 49 und eine Positionierhülse 48 auf. Die Gas-Zufuhrkammer 41 hat einen ersten Einlass 411 und einen ersten Auslass 413. In/Bei der Gas-Zufuhrkammer 41 ist der erste Einlass 411 mit der ersten Gasspeichereinheit 420 verbunden und wird verwendet, um ein erstes Gas zu importieren. Die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer 43 hat die Funktion, Wärme abzuführen und die innere Elektrode zu schützen, und eine von ihren Seiten ist mit einer Innenwand von dem ersten Auslass 413 der Gas-Zufuhrkammer 41 verbunden. Das dielektrische Innenrohr 47 hat einen zweiten Einlass 471 und einen zweiten Auslass 473 und durchdringt bzw. erstreckt sich durch die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer 43 hindruch. In/Bei dem dielektrischen Innenrohr 47 steht der zweite Einlass 471 mit der Gas-Zufuhrkammer 41 in Verbindung, um das erste Gas zu importieren. Die Elektrode 45 ist außen an dem zweiten Auslass 473 von dem dielektrischen Innenrohr 47 sowie in der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer 43 angeordnet/angebracht. Das hohle Metallrohr 49 ist in der Gas-Zufuhr-Kammer 41 und dem dielektrischen Innenrohr 47 angeordnet und folglich durch das dielektrische Innenrohr 47 von der Elektrode 45 abgetrennt. Das hohle Metallrohr 49 hat einen dritten Einlass 491 und einen dritten Auslass 493. In/Bei dem hohlen Metallrohr 49 ist der dritte Einlass 491 mit der zweiten Gasspeichereinheit 30 verbunden, um ein zweites Gas zu importieren. Die Positionierhülse 48 ist abnehmbar bzw. auswechselbar und außen an dem zweiten Auslass 473 angeordnet. Die Positionierhülse 48 ist mit der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer 43 verbunden, um Umgebungsluft und Feuchtigkeit von dem Mikroplasma abzutrennen bzw. fernzuhalten und vermeidet einen ungewünschten Einfluss auf die Leistung des Mikroplasma-Sterilisations-Systems. Die Positionierhülse 48 ist auch im Stande, die Distanz zwischen dem erzeugten Mikroplasma und einer festen Probe oder dem Probenbehälter zu begrenzen.
In dem vorliegenden Beispiel kann ein Quarzrohr mit einem Gaskanal und einer dielektrischen Beschichtung als das dielektrische Innenrohr 47 dienen und einen festgelegten Durchmesser von z. B. 5 mm gemäß den Anforderungen haben. Ferner kann als das hohle Metallrohr 49 ein hohles Edelstahlrohr mit einem Durchmesser verwendet werden, der in dem Bereich von 0,5 bis 1 mm liegt, z. B. 0,8 mm. Das hohle Metallrohr 49 ist mit dem Boden/der Erde bzw. der Masse verbunden und zwar direkt sowie über die Energieversorgungseinheit 50, und fungiert als eine innere Elektrode, um das zweite Gas zu importieren/einzuspeisen. Ferner kann ein kreisförmiger Metallleiter, wie z. B. Kupfer, als die Elektrode 45 verwendet werden. Die Elektrode 45 fungiert als eine äußere Elektrode und ist elektrisch mit der Stromversorgungseinheit 50 verbunden.
Die Energieversorgungseinheit bzw. Stromversorgungseinheit 50 ist mit der Elektrode 45 und dem hohlen Metallrohr 49 verbunden, um die Mikroplasma-Erzeugungseinheit 40 mit Energie/Strom zu versorgen, und folglich wird das Mikroplasma zwischen der Elektrode 45 und dem hohlen Metallrohr 49 der Mikroplasma-Erzeugungseinheit 40 erzeugt. In der vorliegenden Erfindung kann als die Energieversorgungseinheit 50 ein Radiofrequenz bzw. Hochfrequenz(RF, ~13.56 MHz)-Generator (ACG-3B; ENI, Rochester, New York, USA) mit einem Anpassungsnetzwerk bzw. einer Anpassungsschaltung (MW5DM11, ENI) verwendet werden.
Beispiel 2
Das Mikroplasma-Sterilisations-System des vorliegenden Beispiels ist in 1 gezeigt und weist hauptsächlich auf: eine Mikroplasma-Quelle 10, eine erste Gasspeichereinheit 20, eine zweite Gasspeichereinheit 30, eine Mikroplasma-Erzeugungseinheit 40 sowie eine Energieversorgungseinheit 50. In dem vorliegenden Beispiel ist die Struktur des Mikroplasma-Sterilisations-Systems im Wesentlichen ähnlich oder gleich der des Beispiels 1. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten kann ferner ein Probenbehälter 60 bereitgestellt sein, um eine feste oder flüssige Probe aufzunehmen, falls dies benötigt wird.
Testbeispiel 1, optische Diagnose/Bestimmung angeregter Spezies/Elemente
In dem oben beschriebenen Mikroplasma-Sterilisations-System von Beispiel 2 wird Argon als das erste Gas verwendet und mit einer Strömungsrate von 10⁴ sccm in die Gas-Zufuhrkammer 41 eingebracht. Sauerstoff wird als das zweite Gas verwendet und mit einer Strömungsrate von 0–20 sccm in das hohle Metallrohr 49 eingebracht, gesteuert bzw. geregelt mit einem Massenstromregler (5850E, Brooks Inc.)
Die Energieversorgungseinheit 50 wird auf eine Zufuhrleistung von ungefähr 27 W eingestellt (V_r.m.s ~0.57 kV und I_r.m.s. ~47 mA). Die Zufuhrleistung kann bestätigt werden mittels einer Messung unter Verwendung eines Oszilloskops (TDS 3034B, Tektronix Inc., OR, USA) mit einem Hochspannungsfühler (P6015A, Tektronix Inc.) und einer Stromsonde (P6021, Tektronix Inc.)
Ein einziger Monochromator (SpectraPro 2300i, Acton Ltd, MA, USA), ausgerüstet mit einem CCD-Detektor (1340 × 100 Pixel), dient als ein optisches Emissionspektrometer (OES) und wird an eine Position gesetzt, welche von dem Auslass des dielektrischen Innenrohrs mit einem Abstand von 6 mm entfernt ist (d. h., Arbeitsdistanz: 6 mm). Das erzeugte Plasma wird in-situ mittels OES bestimmt. Drei Gitter bzw. Raster werden verwendet: 330~900 nm (150 g/mm), 200~500 nm (1200 g/mm) und 500~1100 nm (1200 g/mm). Die spektrale Auflösung ist ungefähr 0,1 nm mit dem 1200 g/mm Gitter.
Die spektralen Ergebnisse sind in 2 gezeigt. In 2(a) wurde NO-ɤ bei 237 und 248 nm gefunden, OH wurde bei 306 nm gefunden, NH wurde bei 336 nm gefunden, CO₂ wurde bei 362, 404 und 416 nm gefunden, und N₂ (2tes positives System) wurde bei 333–442 nm gefunden. In 2(b) wurden Ar-I-Linienspektren bei 696–965 nm gefunden und O-I wurde bei 777 nm gefunden.
Wie aus 2 ersichtlich ist, sind in dem erzeugten Mikroplasma chemisch reaktive N, O-enthaltende Spezies/Elemente enthalten, da Umgebungsluft und Feuchtigkeit (z. B. mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65–70%) an der Mikroplasmaerzeugung teilnehmen. Außerdem nehmen in 2(a), verglichen mit dem Mikroplasma von reinem Argon, NO-ɤ und OH in dem Mikroplasma erheblich ab, welches aus einer Gasmischung erzeugt wird, die 0,1% oder 0,2% Sauerstoff in Argon enthält. Da die Mengen von NO-ɤ und OH in einem Verhältnis zu der Intensität von UV stehen, welches von dem Mikroplasma emittiert wird, kann die Emission von UV effizient reduziert werden, indem während des Betriebs des Systems etwas/wenig Sauerstoff in das Argon gegeben wird. Ferner wird mit Bezug auf 2(b) deutlich, dass die O-I-Spezies mit der Zugabe von 0,1% bzw. 0,2% Sauerstoff im Argon-Mikroplasma zunimmt. Folglich ist eine kleine bzw. geringfügige Zugabe von Sauerstoff im Stande, die Zusammensetzung des Mikroplasmas zu verändern.
3 zeigt ein OES-relative-Intensität-Diagramm von den Hauptspezies/Hauptelementen in dem erzeugten Mikroplasma. In 3 gibt (a) die Mengen von OH und NO an, und (b) gibt die Mengen von O-I und Ar-I an. Mit Bezug auf 3(a), verglichen mit dem Mikroplasma von reinem Argon, nimmt die Menge von OH auf 75% bzw. 70% ab, und die Menge von NO fällt auf 70% bzw. 35%, wenn 0,1% bzw. 0,2% Sauerstoff zu dem Argon-Mikroplasma zugegeben werden. Mit Bezug auf 3(b), verglichen mit dem Mikroplasma von reinem Argon, steigt die Menge von O-I (777 nm) drastisch an (ungefähr 250%), und die Menge von Ar-I (750 nm) nimmt etwas ab (ungefähr 10%), mit der Zugabe von 0,1% bzw. 0,2% Sauerstoff in das Argon-Mikroplasma. Folglich nehmen NO und OH, welche von der Umgebungsluft und Feuchtigkeit erzeugt werden, in Folge bzw. auf Grund einer geringfügigen Zugabe von Sauerstoff in bzw. zu Argon ab, so dass die zu NO und OH gehörende UV-Emission reduziert wird.
4 ist ein relative-Intensität-angeregte-Spezies/Elemente-Diagramm von dem Mikroplasma, welches in unterschiedlichen Arbeitsabständen bzw. mit unterschiedlichen Arbeitsdistanzen erzeugt wurde. Mit Bezug auf 4, wenn die Arbeitsdistanz von 3 auf 6 mm ansteigt, sind lediglich ungefähr 10% der angeregten Spezies/Elemente vorhanden. Wenn die Arbeitsdistanz auf 9 mm ansteigt, verbleiben lediglich ungefähr 0,6 bis 2,0% der angeregten Spezies in dem Mikroplasma. Daher nehmen die Hauptspezies des Mikroplasmas erheblich ab, wenn die Arbeitsdistanz ansteigt. Wenn die aktiven Spezies während der Tätigkeit bzw. während des Betriebes des Mikroplasmas in einer ausreichenden Menge gehalten werden sollen bzw. müssen, ist die Arbeitsdistanz ein signifikanter Faktor.
Testbeispiel 2, Einfluss der Sterilisationszeit
Gram-negatives E. coli (ATCC 11775), erworben vom „Culture and Collection Research Center” (Shinchu, Taiwan), wird auf Nähragar I (Difco 0001, Merck, Darmstadt, Deutschland) bei 37°C für 24 Stunden kultiviert. Das Bakterium wird mit einer Platinschleife aufgenommen und in 10 ml sterilisiertem Wasser verdünnt. Die Bakteriensuspension wird auf eine Konzentration von 5 × 10⁶ CFU/ml eingestellt (CFU für „Colony-forming-unit” oder koloniebildende Einheiten).
Die Bakteriensuspension (~200 μl) wird in den Probentank 60 gegeben. Eine leitende Metallplatte, wie z. B. eine Aluminiumplatte, welche an dem Boden des Probentanks angeordnet ist, und eine hohle Säule, welche aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt ist und auf der Metallplatte angeordnet ist, formen den Körper des Tanks. Die zugehörigen Parameter der Sterilisation basieren auf denen des Testbeispiels 1, abgesehen von der Arbeitsdistanz von 6 mm, der Zugabe von 0–0,2% Sauerstoff in Argon sowie der Sterilisationszeit von 0–180 Sekunden in dem vorliegenden Beispiel. Nachdem die Bakteriensuspension dem Mikroplasma ausgesetzt wurde, wird sie bei 37°C für 24 Stunden auf die Nähragar-Platten angewandt bzw. aufgebracht. Die Anzahl von Bakterienkolonien wird gezählt. Sowohl nichtbehandelte als auch plasmabehandelte E. coli-Proben werden mit sterilisiertem Wasser verdünnt und dann jeweils auf eine vorgewaschene „Slide” bzw. einen vorgewaschenen Objektträger aufgebracht, der mit Poly-L-Lysin (P8920, Sigma-Aldrich, USA) beschichtet ist. Nach einem Gefriertrocknen für 24 Stunden werden die Proben, welche die Bakterien enthalten, mit einer dünnen Platinschicht überzogen bzw. beschichtet und mittels eines Rasterelektronenmikroskops (SEM, EVO50, Carl Zeiss, Inc., Nordamerika) mit einer Vergrößerung von 4000X untersucht.
Mit Bezug auf die SEM-Fotos von E. coli in 5 zeigt 5(a) die unbehandelten Bakterienzellen, und 5(b) zeigt die Bakterienzellen, welche mit dem Mikroplasma für 120 Sekunden in der Arbeitsdistanz von 6 mm behandelt wurden. Wie in 5(a) gezeigt ist, behalten die unbehandelten Bakterienzellen ihre Stabform. Wie in 5(b) gezeigt ist, sind die Plasma-behandelten Bakterienzellen gebogen, unregelmäßig und sogar in Teile gebrochen.
Darüber hinaus werden die Bakteriensuspension und das Mikroplasma-Sterilisations-System mit einem Quarz-Objektträger in einer Dicke von 1 mm getrennt. Da UV, welches von dem Mikroplasma erzeugt wird, im Stande ist, durch den Quarz-Objektträger hindurch zu treten, kann der Einfluss des erzeugten UV auf die Bakterienprobe untersucht werden.

Die Anzahl der Kolonien auf dem Agar ist in Tabelle 1 zusammengefasst. In Tabelle 1 bezeichnen N₀ und N die Anzahl der unbehandelten Bakterienzellen bzw. die Anzahl der Bakterienzellen, welche mit Mikroplasma-erzeugtem UV behandelt wurden. Tabelle 1

Belichtungszeit (Sekunden) unter Plasmainduziertem UV	Atmospährisches Argon-Mikroplasma	Argon-0,1%-Sauerstoff-Mikroplasma	Argon-0,2%-Sauerstoff-Mikroplasma
	Log (N₀/N)	Log (N₀/N)	Log (N₀/N)
60	0.94	0.91	0.72
120	2.06	1.92	1.33
180	*	3.25	3.07
240	*	3.37	3.55
300	*	*	*

* keine Fortpflanzung bzw. Verbreitung von E. coli gefunden.

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist die Intensität von UV, welches von dem Mikroplasma aus purem Argon erzeugt wird, erheblich höher als die von der Gasmischung, welche 0,1% oder 0,2% Sauerstoff in Argon enthält. Wenn das Mikroplasma der Gasmischung die Sterilisation lediglich durch darin erzeugtes UV erzielt, muss die Sterilisation für eine längere Zeit durchgeführt werden. Jedoch zerstört UV Proteine und Nukleinsäuren in einem Organismus. Wenn das Mikroplasma verwendet wird, um den Organismus zu sterilisieren, müssen die oben erwähnten ungewünschten UV-Einflüsse minimiert werden. Folglich ist das Mikroplasma von reinem Argon aufgrund der hohen UV-Erzeugung nicht geeignet für die Sterilisation des Organismus. Im Gegensatz dazu kann die Gasmischung die Intensität von UV in dem erzeugten Mikroplasma effizient reduzieren.
Ferner wurden auch andere Tests durchgeführt, um die Umgebungsänderungen zu untersuchen, welche möglicherweise von dem Mikroplasma-Sterilisations-System von Beispiel 2 verursacht werden. In den Ergebnissen tritt keine Sterilisation auf, nachdem/wenn die Bakterienprobe mit einem Argon-Luftstrom bei 40°C für 180 Sekunden behandelt wird, wenn die Leistungszufuhreinheit abgeschalten ist. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Luftstrom keine Hauptursache der Sterilisation ist. Ferner verbleiben ungefähr 70% des Wassers der Bakteriensuspension nach der Plasma-Behandlung, und die Anzahl der Kolonien, welche von der Plasma-behandelten Bakteriensuspension kultiviert wurde, ist nicht signifikant reduziert. Dieses Resultat bedeutet, dass der Wasserverlust keine Hauptursache der Sterilisation ist.
Darüber hinaus, nachdem die Bakteriensuspension mit dem Mikroplasma-Sterilisations-System für 180 Sekunden behandelt wurde, ist die Flüssigkeitstemperatur nicht deutlich verändert und stieg von Raumtemperatur, d. h. von 27°C, auf 33°C bei der Arbeitsdistanz von 6 mm, und von 27°C auf 35°C bzw. 30°C bei der Arbeitsdistanz von 3 bzw. 9 mm. Verglichen mit einer Arbeitstemperatur von ungefähr 120°C in einem herkömmlichen Autoklaven sind diese Temperaturänderungen für die Sterilisation nicht signifikant. Dieses Ergebnis beweist, dass die Quelle und das System der vorliegenden Erfindung auch auf temperatursensitive Materialien und Organismen angewandt werden kann, wie z. B. Haut und stomatologische Anwendungen.
Das Mikroplasma führt zu einer Änderung der Bakteriensuspension, wobei der PH-Wert von 6,5 auf 5,2 reduziert wird. Jedoch wird die Sterilisation nicht durch die Änderung des PH-Werts erzielt, da E. coli, welches in einer sauren Lösung für 10 Minuten bei einem PH von 3,5 behandelt wurde, im Stande ist, zu überleben, nachdem es für 24 Stunden kultiviert wurde.
Testbeispiel 3, Einfluss der Arbeitsdistanz und Sterilisationszeit
Das vorliegende Testbeispiel wird gemäß dem Testbeispiel 2 durchgeführt, welches oben beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass der Quarz-Objektträger zwischen der Probe und dem Mikroplasma entfernt wird. Die zugehörigen Parameter der Sterilisation basieren auf denen des Testbeispiels 2, jedoch sind in dem folgenden Testbeispiel die Arbeitsdistanzen 3, 6 und 9 mm; 0%, 0,1% und 0,2% Sauerstoff wird in bzw. zu Argon gegeben; und die Proben werden mit dem Mikroplasma von 0 bis 180 Sekunden behandelt.
Die Wirksamkeit der Sterilisation auf E. coli ist in Tabelle 2 aufgelistet. In Tabelle 2 sind die Werte gemäß der Art von Tabelle 1 berechnet. Tabelle 2
* keine Fortpflanzung bzw. Verbreitung von E. coli gefunden.
Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, kann bei der Arbeitsdistanz von 3 mm eine vollständige Sterilisation innerhalb von 90 Sekunden erreicht werden, bei der Arbeitsdistanz von 6 mm innerhalb von 120 Sekunden, und bei der Arbeitsdistanz von 9 mm innerhalb von 180 Sekunden.
Zusammenfassend verwendet die Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung eine hohle Innenelektrode, und das reaktive Gas, wie z. B Sauerstoff, wird über die Innenelektrode eingespeist bzw. zugeführt, so dass die Zusammensetzung des Mikroplasmas verändert wird. Folglich wird in dem Mikroplasma die Vielfältigkeit der angeregten Spezies/Elemente, welche Sauerstoff enthalten, erhöht, aber die relative Intensität von UV oder die Produktion von NO-ɤ und OH ist reduziert. Die Mikroplasma-Sterilisation von verschiedenen bakteriellen Spezies, wie z. B. E. coli, S. aureus und B. thermophilus, kann hinsichtlich der Parameter optimiert werden, indem die Konzentration des reaktiven Gases, die Arbeitsdistanz und die Sterilisationszeit geeignet eingestellt bzw. reguliert werden. Selbst wenn diese Bakterien in einem Flüssigzustand versteckt sind, ist die Mikroplasma-Quelle der vorliegenden Erfindung dennoch im Stande, eine Sterilisation zu erreichen.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es verständlich, dass viele andere mögliche Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie er im Folgenden beansprucht wird, abzuweichen.

Claims

Ein Mikroplasma-Sterilisations-System, welches verwendet wird, um eine Probe zu sterilisieren, aufweisend: eine erste Gasspeichereinheit (20), welche verwendet wird zum Speichern von einem ersten Gas, eine zweite Gasspeichereinheit (30), welche verwendet wird zum Speichern von einem zweiten Gas, ein oder mehrere Mikroplasma-Erzeugungseinheiten (40), welche jeweils aufweisen: eine Gaszufuhrkammer (41) mit einem ersten Einlass (411) und einem ersten Auslass (413), wobei der erste Einlass mit der ersten Gasspeichereinheit verbunden ist und verwendet wird, um das erste Gas zu importieren, eine Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer (43), von der eine Seite mit einer Innenwandung von dem ersten Auslass der Gaszufuhrkammer verbunden ist, ein dielektrisches Innenrohr (47) mit einem zweiten Einlass (471) und einem zweiten Auslass (473), welches die Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer durchdringt, wobei der zweite Einlass mit der Gaszufuhrkammer in Verbindung steht, eine Elektrode (45), welche an dem zweiten Auslass von dem dielektrischen Innenrohr außen angeordnet/angebracht ist sowie in der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer angeordnet ist, und ein hohles Metallrohr (49), welches in der Gaszufuhrkammer und dem dielektrischen Innenrohr angeordnet ist und einen dritten Einlass (491) und einen dritten Auslass (493) hat, wobei der dritte Einlass verwendet wird, um das zweite Gas zu importieren, sowie eine Stromversorgungseinheit bzw. Spannungsquelle (50), welche mit der Elektrode und dem hohlen Metallrohr verbunden ist, um dazwischen ein Mikroplasma zu erzeugen, wobei die Probe mit einem Abstand in dem Bereich von 0,1 bis 10 mm von dem ersten Auslass der Gaszufuhrkammer getrennt angeordnet ist.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System wie in Anspruch 1 beansprucht, ferner aufweisend: einen Proben-Behälter, welcher verwendet wird, um die Probe zu halten.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das erste Gas Argon oder Helium zum Aufrechterhalten des Mikroplasmas ist, und wobei das zweite Gas reaktiver Sauerstoff oder Stickstoff ist.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei der Sauerstoff in einer Menge von 20% oder weniger enthalten ist, basierend/bezogen auf Argon.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das hohle Metallrohr parallel ist zu dem dielektrischen Innenrohr und in der Mitte davon angeordnet ist.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Probe für 30 bis 300 Sekunden sterilisiert wird.
Das Mikroplasma-Sterilisations-System wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Mikroplasma-Quelle ferner eine Positionier-Hülse bzw. Positionier-Kappe aufweist, welche an dem zweiten Auslass außen angeordnet und mit der Schutz-und-Wärmeabfuhr-Kammer verbunden ist.