Journal of the Korean Vacuum Society (한국진공학회지)

The Korean Vacuum Society (한국진공학회)
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Sterilization of Neurospora Crassa by Noncontacted Low Temperature Atmospheric Pressure Surface Discharged Plasma with Dielectric Barrier Structure

유전체장벽 방전구조의 비접촉식 저온 대기압 면방전 플라즈마를 이용한 빵곰팡이의 살균효과

  • Ryu, Young Hyo (Plasma Bioscience Research Center, Kwangwoon University) ;
  • Uhm, Han Sup (Plasma Bioscience Research Center, Kwangwoon University) ;
  • Park, Gyung Soon (Plasma Bioscience Research Center, Kwangwoon University) ;
  • Choi, Eun Ha (Plasma Bioscience Research Center, Kwangwoon University)
  • 유영효 (광운대학교 플라즈마 바이오과학 연구센터) ;
  • 엄환섭 (광운대학교 플라즈마 바이오과학 연구센터) ;
  • 박경순 (광운대학교 플라즈마 바이오과학 연구센터) ;
  • 최은하 (광운대학교 플라즈마 바이오과학 연구센터)
  • Received : 2012.12.22
  • Accepted : 2013.03.20
  • Published : 2013.03.30
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Abstract

Sterilization of Neurospora crassa has been investigated in this research by using a surface air plasma with dielectric barrier discharged (DBD) structure under atmospheric pressure. The sinusoidal alternating current has been used in this experiment with discharge voltage of 1.4~2.3 kV. The phase difference between the voltage and current signals are found to be almost 80 degree due to the capacitive property of dielectric barrier. Temperature on the biomaterials has been minimized by radiating the heat with the air cooling system. It is noted that the substrate temperature remains under 37 degree for plasma exposure time of 10 minutes with operation of cooler system. It is found that the ozone, $O_3$, has been measured to be about 25~30 ppm within 1 cm region and to be about 5 ppm at the 150 cm downstream region away from the suface plasma. It is also noted that the nitric oxide, NO, and nitric dioxide, $NO_2$, are not nearly detected. Germination rate and mitochodrial activity of Neurospora crassa immersed in the deionized water have been found to be drastically decreased as the plasma treatment time and its electrical power are increased in this experiment. Here, the mitochondrial activity has been analyzed by MTT (3-(4,5-dimethy lthiazol-2yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) assay. However, sterilization of Neurospora crassa immersed in the Vogel's minimal media has been found to be low by plasma treatment, which is caused by surrounding background solution. This research shows the sterilization possibility of Neurospora crassa by using the noncontated surface DBD plasma, which is different from the plasma jet. This is mainly attibuted to the reactive species generated by the surface plasma, since they play a major role for inhibition of micobes such as Neurospora crassa.

본 연구에서는, 동시에 넓은 면적을 조사할 수 있는 형태의 유전체 장벽 방전을 이용한 대기압 면방전 플라즈마 발생장치를 이용하여 곰팡이의 살균 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 면방전 플라즈마 발생장치의 파워는 사인파 교류전원을 이용하였으며, 1.4~2.3 kV의 방전전압을 가진다. 또한, 유전체 전기용량의 특성으로 인하여 전압과 전류의 위상차는 약 80도를 갖는다. 생물시료에 미치는 온도의 영향은 공랭식 쿨러를 사용하여 유전체의 열을 배출함으로써 최소화 하였으며, 시료의 온도는 온도측정장치를 사용하여 쿨러(Cooler) 작동 시 최대 10분간 플라즈마를 발생시켜도 37도가 넘지 않음을 확인하였다. 플라즈마에서 생성되는 활성종중 오존($O_3$)의 양은 플라즈마 발생부로부터 1 cm 이내에서 약 25~30 ppm이 측정되었으며, 150 cm 떨어진 지점에서도 5 ppm 정도 측정되었다. 그에 비해 일산화질소(NO)나 이산화질소($NO_2$)는 거의 검지되지 않음을 확인하였다. 증류수 속에 담긴 빵 곰팡이 포자를 면방전 플라즈마 발생장치로 처리하였을 때, 포자의 발아율은 처리시간 및 출력파워가 증가함에 따라 급격히 감소하였으며, MTT (3-(4,5-dimethy lthiazol-2yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) 측정법을 통해 분석한 미토콘드리아 활성도도 처리시간과 출력파워에 비례하여 감소함을 보았다. 반면 포자를 Vogel's minimal 배양액에 넣고 플라즈마 처리를 하면, 앞의 실험과 달리 살균효과가 미비함을 보였는데, 이를 통해 포자를 둘러싸고 있는 환경이 플라즈마의 살균효과에 영향을 미치는 것으로 보여진다. 본 연구를 통하여 유전체 장벽을 이용한 면방전 플라즈마 발생장치는 플라즈마 제트(jet)와는 달리 직접적인 접촉 없이도 미생물 살균이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이는 면방전 플라즈마 발생장치로부터 발생하는 활성종들이 곰팡이와 같은 미생물의 비활성화에 주요역할을 하기 때문이라고 본다.

Keywords

References

  1. M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing (John Wiley & Sons Inc, San Francisco, CA, 1994), p. 757.
  2. C. B. Park, IEEK. 4, 28 (2001).
  3. D. S. Kim and Y. S. Park, KSEH. 3, 37 (2011).
  4. H. S. Uhm, J. Korean Vac. Soc. 15, 117 (2006).
  5. M. Laroussi, Plasma Process. Polym, 2, 391 (2005). https://doi.org/10.1002/ppap.200400078
  6. R. Brandenburg, J. Ehlbeck, M. Stieber, Th. von Woedtke, J. Zeymer, O. Schluter, and K. D. Weltmann, Plasma Phys, 47, 72 (2007). https://doi.org/10.1002/ctpp.200710011
  7. K. D. Weltmann, R. Brandenburg, Th. Von Woedtke, J. Ehlbeck, R. Foest, M. Stieber, and E. Kindel, J. Phys. D. Appl. Phys. 41, 194008 (2008). https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/19/194008
  8. G. Fridman, G. Friedman, A. Gutsol, A. B. Shekhter, V. N. Vasilets, and A. Fridman, Plasma Process. Polymers, 5, 503 (2008). https://doi.org/10.1002/ppap.200700154
  9. K. D. Weltmann, E. Kindel, T. von Woedtke, M. Hahnel, M. Stieber, and R. Brandenburg, PureAppl. Chem. 82, 1223 (2010). https://doi.org/10.1351/PAC-CON-09-10-35
  10. K. D. Weltmann, T. von Woedtke, R. Brandenburg, and J. Ehlbeck, Chem. Listy 102, 1450 (2008).
  11. G. E. Morfill, M. G. Kong, and J. L. Zimmermann, New J. Phys. 11 (2009).
  12. R. Ben Gadri, J. R. Roth, T. C. Montie, K. Kelly-Wintenberg, P. P. Tsai, D. J. Helfritch, P. Feldman, D. M. Sherman, F. Karakaya, and Z. Chen, Surf. Coat. Technol. 131, 528 (2000). https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00803-3
  13. R. Brandenburg, U. Krohmann, M. Stieber, K. D. Weltmann, T. V. Woedtke, and J. Ehlbeck, Plasma Assisted Decontamination of Biological and Chemical Agents (Springer, New York/Heidelberg, 2008), pp. 51-63.
  14. C. Cheng, P. Liu, L. Xu, L. Y. Zhang, R. J. Zhan, and W. R. Zhang, Chin. Phys. 15, 1544 (2006). https://doi.org/10.1088/1009-1963/15/7/028
  15. F. Iza, G. J. Kim, S. M. Lee, J. K. Lee, J. L. Walsh, Y. T. Zhang, and M. G. Kong, Plasma Process. Polym. 5, 322 (2008). https://doi.org/10.1002/ppap.200700162
  16. M. Moisan, J. Barbeau, M. C. Crevier, J. Pelletier, N. Philip, and B. Saoudi, Pure Appl, Chem. 74, 3, 349, (2002). https://doi.org/10.1351/pac200274030349
  17. K. Lee, K. Paek, W. Ju, and Y. Lee, Journal of Microbiology, 44, 3, 269 (2006).
  18. P. Muranyi, J. Wunderlich, and M. Heise, Journal of Applied Microbiology 103, 1535 (2007). https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2007.03385.x
  19. G. Kamgang-Youbi, J. M. Herry, T. Meylheuc, J. L. Brisset, M. N. Bellon-Fontaine, A. Doubla, and M. Naitali, Lett. Appl. Microbiol. 48, 13 (2009). https://doi.org/10.1111/j.1472-765X.2008.02476.x
  20. H. Son and W. K. Lee, Appl. Chem. Eng. 22, 261 (2011).
  21. N. S. J. Braithwaite, Plasma Sources Sci. Technol. 9, 517 (2000). https://doi.org/10.1088/0963-0252/9/4/307
  22. T. C. Montie, K. Kelly-Wintenberg, and J. R. Roth, IEEE. Trans. Plasma Sci. 28, 41 (2000). https://doi.org/10.1109/27.842860
  23. K. Kelly-Wintenburg, D. M. Sherman, P. P. Y. Tsai, R. B. Gardi, F. Karakaya, Z. Chen, J. R. Roth, and T. C. Montie, IEEE. Trans. PlasmaSci. 28, 64 (2000). https://doi.org/10.1109/27.842866
  24. E. Stoffels, A. J. Flikweert, W. W. Stoffels, and G. M. W. Kroesen, PlasmaSources Sci. Technol. 11, 383 (2002).
  25. R. E. J. Sladek, E. Stoffels, R. Walraven, P. J. A. Tielbeek, and R. A. Koolhoven, IEEE. Trans. PlasmaSci. 32, 1540 (2004). https://doi.org/10.1109/TPS.2004.832636
  26. M. Moisan, J. Barbeau, S. Moreau, J. Pelletier, M. Tabrizian, and L'H. Yahia, Int. J. Pharmaceutics, 226, 1 (2002).
  27. B. J. Park, D. H. Lee, J. C. Parka, I. S. Lee, K. Y. Lee, S. O. Hyun, M. S. Chun, and K. H. Chung, Phys. Plasmas, 10, 4539 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1613655
  28. T. Akitsu, H. Ohkawa, M. Tsuji, H. Kimura, and M. Kogoma, Surf. Coating Technol. 193, 29 (2005). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.07.042
  29. M. Laroussi and X. Lu, Appl. Phys. Lett. 87, 113902 (2005). https://doi.org/10.1063/1.2045549
  30. D. C. Wolf, T. H. Dao, H. D. Scott, and T. L. Lavy. Journal of Environmental Quality 18, 39-44 (1989).
  31. A. Poiata, I. Motrescu, A. Nastuta, D. E. Creanga, and G. Popa, Journal of Electrostatics, 68, 128, (2010). https://doi.org/10.1016/j.elstat.2009.11.008
  32. Y. J. Hong, C. J Nam, K. B. Song, G. S. Cho, H. S. Uhm, D. I. Choi, and E. H. Choi, Jinst. 15, 13 (2011).
  33. M. Guoa, Y. Xub, and M. Gruebele. PNAS. 10. 1073. 1201797109 (2012). https://doi.org/10.1073/pnas.1201797109
  34. L. Lighezan, R. Georgieva, and A. Neagu, Physica. Scripta. 86, 035801 (2012). https://doi.org/10.1088/0031-8949/86/03/035801
  35. 宗宮 功, 新版 Ozone 利用의 新技術, (三琇書房, 東京大, 1993).
  36. D. Gerlier and N. Thomasset, Journal of Immunological Methods, 94, 57 (1986). https://doi.org/10.1016/0022-1759(86)90215-2
  37. G. Park, Y. H. Ryu, Y. J. Hong, E. H. Choi, and H. S. Uhm, Appl. Phys. Lett. 100, 063703 (2012). https://doi.org/10.1063/1.3684632
  38. E. S. Jacobson, E. Hove, and H. S. Emery, Infection and Immunity 63, 4944 (1995).
  39. C. Echavarri-Erasuna and E. A. Johnson, Applied Mycology and Biotechnology 2, 45 (2002). https://doi.org/10.1016/S1874-5334(02)80006-5
  40. K. S. Roh, JLS. 20, 1667 (2010). https://doi.org/10.5352/JLS.2010.20.11.1667

Cited by

  1. Sterilization and quality variation of dried red pepper by atmospheric pressure dielectric barrier discharge plasma vol.23, pp.7, 2016, https://doi.org/10.11002/kjfp.2016.23.7.960