Een velletje papier met een laagje metaal maakt een plasma dat heel efficiënt bacteriën doodt. Dit principe kan nuttig zijn als iets ontsmet moet worden, maar dat niet veel mag kosten. De plasmagenerator is bijvoorbeeld in te bouwen in kleding die zichzelf dan steriliseert, of in goedkope apparaatjes om instrumenten in lab of ziekenhuis schoon te maken.
Dat plasma bacteriën doodt, is al bekend sinds de Duitser Siemens in 1857 proeven deed met twee elektroden en een niet geleidend medium daartussen. Zet je over die elektroden een wisselspanning, dan ontstaat plasma. Een plasma is een geïoniseerd gas, waarbij een of meer elektronen zijn losgeslagen van de atoomkernen; het wordt ook wel eens de vierde verschijningsvorm van stoffen genoemd (naast vast, vloeistof en gas).
Het effect van plasma’s op levende organismen is onderwerp van behoorlijk wat onderzoek. Zo blijkt een koud plasma een positieve invloed te hebben op open wonden, die sneller genezen onder invloed van het plasma (lees: ‘Plasmapleister geneest wond’). Ook loopt er onderzoek naar de behandeling van brandwonden, die waarschijnlijk ook sneller genezen bij behandeling met een koud plasma.
Papier
Vaak zijn voor het maken van zo’n plasma dure apparaatjes nodig, die een vaste vorm hebben en dus niet in alle hoeken en gaten kunnen komen. Daar hebben onderzoekers in de VS nu iets aan gedaan. Zij hebben plasmageneratoren gemaakt van gemetalliseerd papier, die in proeven veruit de meeste bacteriën om zeep hielpen. In vaktijdschrift PNAS beschrijven ze alle details.
Papier biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere materialen: het is dun en buigzaam, zodat je bacteriën ook kunt doden die zich in hoekjes of spleetjes bevinden. Daarnaast is papier een goedkoop materiaal, zodat plasmageneratoren goedkoop te maken zijn.
Sandwich
De basis van de papieren plasmagenerator is eenvoudig. De Amerikaanse onderzoekers namen gemetalliseerd papier, dat gewoon in de winkel te koop is. Daarvan namen ze twee velletjes – elk 150 µm dik – die ze met de niet-gemetalliseerde kant tegen elkaar plakten. In deze papier-sandwich (zie figuur hieronder) brachten ze met een laser een honingraatpatroon aan.
De twee metaallagen fungeren nu als elektroden. Door hierover een wisselspanning te zetten van een paar kilovolt, ontstaat tussen die elektroden een plasma (zie foto's hieronder). Papier blijkt hier een extra handig materiaal te zijn, omdat het poreus is en dus ook ín het papier plasma kan komen.
Petrischaaltje
Met deze plasmagenerator van papier deden de onderzoekers een paar proeven, om te kijken in hoeverre je er bacteriën mee kunt doden. Ze plakten bijvoorbeeld een plasmagenerator op het deksel van een petrischaaltje. De resultaten zijn overtuigend: van de kolonies Saccharomyces cerevisiae – bakkersgist – in het schaaltje was na 30 s ‘beschijnen’ met het plasma al 99,34 % dood. Nog langer blootstellen aan het plasma maakt nog meer gist dood. Bij de bacterie E. coli gaat het nog sneller; daar is na 30 s al 99,9 % gedood.
Nies
In een volgende proef besproeiden de onderzoekers een plasmagenerator met fijne druppeltjes boordevol bacteriën. Hiermee simuleerden ze een menselijke nies, die ook altijd leidt tot een snelle verspreiding van bacteriën. Nu was het de vraag of de microben ook bij direct contact met de plasmagenerator zouden doodgaan. Ook hier was het papier een succes: het plasma doodde binnen de minuut het merendeel van de micro-organismen.
Waaróm een koud (60 °C) plasma bacteriën en andere micro-organismen doodmaakt, is al langer bekend. Daarbij zijn een paar componenten aan het werk. Ten eerste wordt er door het plasma ozon gevormd, O3, een reactieve verbinding van zuurstofatomen, die agressief is voor bacteriën. Ten tweede zendt het plasma uv-licht uit (UV-C), dat ook bacteriën doodt. En ten slotte zou de verhoogde temperatuur sommige micro-organismen fataal kunnen worden.
Goedkoop opschalen
De papieren basis van de plasmagenerator is het sterke punt van de vinding. Daardoor hoeft opschalen helemaal niet duur te zijn. Ook hebben de onderzoekers laten zien dat ze dankzij het papier ontsmettingsapparaatjes kunnen maken die ook in gebogen toestand goed werken. Het is zelfs mogelijk om een driedimensionaal object te maken, zoals zij laten zien met een plasmagenerator die is gebaseerd op de Japanse kunst van kirigami, het papier snijden (zie foto onderaan).
Wat wel een punt zou kunnen zijn, is het stroomverbruik van de plasmageneratoren. Voor het laten draaien ervan, zoals bij de letter R (zie openingsbeeld) in de beschreven proef, was een vermogen van zo’n 20 W nodig. Hoewel de onderzoekers er niets over zeggen in hun artikel, zal dit vermogen waarschijnlijk schalen met de grootte van de plasmagenerator.
Zichzelf ontsmettende kleding
Toepassingen voor hun betaalbare en buigzame de plasmageneratoren zien de onderzoekers genoeg: van kleding die zichzelf ontsmet tot apparaten voor het reinigen van instrumenten in het lab of het ziekenhuis tot user interfaces (toetsenbord, touchscreen) in omgevingen die biologisch verontreinigd zijn.
Beeldmateriaal Xie et al., PNAS, 2017
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.