Grundlagen der Plasmadesinfektion zur Inaktivierung von Viren in Aerosolpartikeln: Einfluss von Flüssigkeitsfilmen

Plasma wird neben den drei allgemein bekannten Aggregatzustanden  (fest, flüssig, gasförmig) häufig als 4. Aggregatzustand definiert. Es wird durch Erhitzung der Materie, üblicherweise auf 100.000 Grad oder mehr, erzeugt. Die Sonne ist hier ein typisches Beispiel. Man kann jedoch auch kaltes Plasma erzeugen, bei dem das Gas nur teilweise ionisiert ist. Das heißt, hier wird dem Gas gerade so viel Energie zugeführt, dass zwar die Elektronen in Bewegung gebracht und somit heiß werden, jedoch nur wenige Teilchen ionisiert werden. Die Elektronen können hier viele Tausend Grad heiß sein können, ohne dass sich die Temperatur des gesamten Plasmas auf mehr als Raumtemperatur erhöht.

Kalte Plasmen wie die dielektrische Barriereentladung (dielectric barrier discharge, DBD) werden verwendet, um Mikroorganismen gezielt zu inaktivieren und zu eliminieren. Sie werden zur Beseitigung toxischer oder unerwünschter Schadstoffe in der Raumluft oder Abgasströmen eingesetzt und werden sogar zur gezielten Zerstörung von Krebszellen genutzt. Dies gelingt, ohne die Umgebung zu schädigen oder Schadstoffe zu produzieren. Folglich sind Plasmen besonders geeignet für die Sterilisation von medizinischen Instrumenten, Textilien, Lebensmitteln und sogar der Haut oder Wunden.

Die Inaktivierung von Viren in Aerosolpartikeln hat durch die Covid-19-Pandemie an Bedeutung gewonnen. Eine Idee ist, die Partikel zu filtern und anschließend kaltes Plasma zu verwenden, um die Viren zu eliminieren. Ein alternativer Ansatz ist, die Viren direkt im Aerosolzustand zu inaktivieren. Jedoch sind bei flüssigen Aerosolpartikeln die Viren von Feuchtigkeitsschichten umgeben und die Wechselwirkung zwischen den Plasmaspezies und der Flüssigkeitsschicht ist bisher nur unzureichend verstanden. Atomistische Simulationen können fundamentale Einblicke in die Vorgänge der Plasmadesinfektion liefern, die durch Experimente nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. In diesem Projekt werden Molekulardynamiksimulationen durchgeführt, um die Wechselwirkungsmechanismen von reaktiven Plasmaspezies mit Flüssigkeitsfilmen, welche die Viren umgeben, zu untersuchen. Die Plasmamembran des Virus wird als Lipid-Doppelschicht modelliert. Das Verhalten der reaktiven Spezies in einem Flüssigkeitsfilm soll untersucht werden, um festzustellen, ob diese Spezies diese Schicht durchdringen und zu den Biomolekülen gelangen können. Die Konzentration der aktiven Spezies an der Plasmaquelle und ihr Zerfall über die Zeit werden direkt aus Experimenten mit UV-vis-Spektroskopie des DBD-Plasmas und einer radikalempfindlichen Tracer-Reaktion bestimmt.

• Jun.-Prof. Dr. Nina Merkert