
플라즈마(plasma)는 기체상태의 물질에 더욱 높은 에너지를 가하면 원자나 분자는 양전하를 띠는 양이온과 음전하인 전자로 이온화된 입자들이 만들어지게 되며, 이때 양이온의 수와 전자를 포함한 음전하를 띤 입자의 수는 거의 동일한 밀도로 분포되어 전기적인 중성을 나타내는 하전입자의 집단을 형성하는데 이를 플라즈마라고 한다[1]. 대기권 내에서 일어나는 번개 등과 같이 자연에 존재하는 것과 형광등과 네온사인과 같이 인공적으로 만들어진 플라즈마를 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있다.
플라즈마에서 초산소음이온(superoxide anion, O2−), 수산화기(hydroxyl radical, OH), 활성산소종(reactive oxygen species, ROS), 활성질소종(reactive nitrogen species, RNS) 등 다양한 활성화학종들이 발생되며, 그 밖에 오존(O3), 자외선(ultraviolet, UV) 등도 생성된다. 플라즈마에 의한 박테리아 살균은 오존, 활성산소종 등이 주요한 요인으로 알려져 있다[2]. 플라즈마를 다양한 산업분야에 적용하고 있으며, 근래에는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 경제적, 기술적 효율성도 살린 저온 대기압 플라즈마 장치의 개발로 살균, 의학, 바이오 분야에서 폭 넓게 응용되고 연구가 활발히 진행되어 지고 있다[3, 4]. 특히 미생물 멸균에 플라즈마를 이용하는 기술은 그 가능성이 입증되어 여러 연구가 진행되어 오고 있다[5-7].
고압증기멸균법은 비용이 저렴하고, 비교적 단시간에 멸균이 가능하여 널리 사용되고 있으나, 열에 약한 기구의 변형과 금속의 경우에는 부식을 일으켜 기구의 내구연한을 단축시키므로, 사용에 제한이 따른다. EtO (ethylene oxide)를 사용하는 멸균법은 멸균온도가 낮아 변형되기 쉬운 의료기구 및 용품의 멸균이 가능하나, 호흡기와 피부를 통해 일정량 이상의 EtO gas가 인체에 흡수되면 신체적인 장애를 일으키므로, 잔류가스를 장시간에 걸쳐 완전히 제거해야만 하는 한계를 가지고 있어 안전성 및 경제적 측면에서 일반 중∙소 의료기관에는 실용적이지 못하다는 단점도 있다[8]. 하지만 플라즈마에 의한 멸균법은 상대적으로 낮은 온도에서 멸균과정이 이루어져 열과 습기에 취약한 기구 및 재료의 멸균이 가능하고, 멸균 시간이 크게 단축될 뿐만 아니라 멸균 조작자에게도 안전하다[9, 10]. 안전성과 효율성 및 경제성을 모두 갖춘 새로운 멸균법으로 부상하여 이를 위한 대안으로 최근에 관심이 증대되고 있다.
Lee 등[11]에 의한 이전 연구에서는 대기압 상태에서 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge, DBD)을 기본 형태로 하는 유연전극 케이블과 고전압 전원장치를 제작하여 플라즈마 발생장치 개발 등의 시스템 설계 및 제작에 중점을 두었고, 그람음성막대균인
연구에서 사용한 그람양성알균인
유연전극 구조를 가진 플라즈마 발생기의 살균성능을 확인하기 위하여 Lee 등[11]에 의해 2020년 연구에 사용된 유전체장벽방전을 기본 형태로 하는 플라즈마 발생장치를 사용하였으나, 플라즈마 발생 고전압 전원장치는 AC 220V 전원을 DC 400V로 변환하는 2 kW급 AC-DC 정류기 모듈과 DC 400V를 9 kV로 변환하는 150 W급 고전압 전원모듈로 구성하였다. 또한 반응 chamber 체적을 9.7 L에서 180 mm×180 mm×180 mm (WHD) 규격의 5.8 L로 변경하였고 유연전극을 원형으로 가공한 SUS (steel use stainless) 가공물 내에 연속 평행구조 배치 방식에서 선형으로 가공한 SUS 가공물 외부에 고무 절연층을 추가하고 tefron 코팅하여 유연전극을 나선형으로 배치하였다.
실험은 동일 조건으로 5회 실시하였으며, 평균(Mean, M)과 표준편차(Standard deviation, SD)를 산출하였고 대조군은 동일하게 접종하고 플라즈마를 방전시키지 않았다.
스프레이타입의 광촉매제(Ecokimera, SKB Tech, Korea)인 TiO2를 사용하여 플라즈마 방전에 따른 살균효과를 확인하기 위해 1.5×106 CFU/mL 농도의
1.5×106 CFU/mL 농도의 균 부유액 50 μL을 BAP에 접종하고 플라즈마 발생기에서 3 cm 이격하여 방전 후 형성된 colony를 관찰하였다(Table 1, Figure 1). 120초에서 178± 17 (3.56×103 CFU/mL), 3분에서는 98±13 (1.96×103 CFU/mL), 5분에서는 46±10 (9.2×102 CFU/mL), 10분에서는 4±3 (8.0×10 CFU/mL)으로 확인되었다.
Number of colony and log value of
Distance | Discharge time | Control log value | Number of colonies | Log value | LR | |
---|---|---|---|---|---|---|
3 cm | 3 min | 1.96×103 | 3.29 | 2.89 | ||
5 min | 6.18 | 9.2×102 | 2.96 | 3.22 | ||
10 min | 8.0×10 | 1.90 | 4.28 | |||
9 cm | 3 min | 4.28×103 | 3.63 | 2.55 | ||
5 min | 6.18 | 2.16×103 | 3.33 | 2.85 | ||
10 min | 2.4×102 | 2.38 | 3.80 |
Abbreviation: LR, log reduction.
1.5×106 CFU/mL 농도의 균 부유액 50 μL을 BAP에 접종하고 플라즈마 발생기에서 9 cm 이격하여 방전 후 형성된 colony를 관찰하였다(Table 1, Figure 2). 120초까지는 계수가 어려웠고 3분에서 214±13 (4.28×103 CFU/mL), 5분에서는 108±10 (2.16×103 CFU/mL), 10분에서는 12±4 (2.4× 102 CFU/mL)로 확인되었다.
1.5×106 CFU/mL 농도의 균 부유액 50 μL를 Nutrient agar plate에 접종하고 플라즈마 발생기에서 3 cm 이격하여 방전 후 형성된 colony를 관찰하였다(Table 2, Figure 3). 105초에서는 59±6 (1.18×103 CFU/mL), 120초에서는 21±5 (4.2×102 CFU/mL)가 확인되었으며, 3분, 5분, 10분에서는 colony가 형성되지 않았다.
Number of colony and log value of
Distance | Discharge time | Control log value | Number of colonies | Log value | LR | |
---|---|---|---|---|---|---|
3 cm | 105 sec | 1.18×103 | 3.07 | 3.11 | ||
120 sec | 6.18 | 4.2×102 | 2.62 | 3.56 | ||
3, 5, 10 min | 0 | 0 | 6.18 | |||
9 cm | 120 sec | 7.68×103 | 3.89 | 2.29 | ||
3 min | 6.18 | 6.0×102 | 2.78 | 3.4 | ||
5, 10 min | 0 | 0 | 6.18 |
1.5×106 CFU/mL 농도의 균 부유액 50 μL를 Nutrient agar plate에 접종하고 플라즈마 발생기에서 9 cm 이격하여 플라즈마 방전 후 형성된 colony를 관찰하였다(Table 2, Figure 4). 3분에서는 30±10 (6.0×102 CFU/mL), 5분, 10분에서는 colony가 형성되지 않았다.
1.5×106 CFU/mL 농도의 균 부유액 100 μL를 TSA에 균일하게 접종하고 그 위에 TiO2를 도포한 그물망을 위치시키고 플라즈마 발생기로 부터 3 cm 이격시켜 5분, 10분간 방전시킨
Number and log value of living bacteria after plasma discharge using photocatalyst TiO2
Discharge time | Control | Log value | Number of colonies | Log value | LR | |
---|---|---|---|---|---|---|
5 min | 1.5×106 | 6.18 | 1.7×102 | 2.23 | 3.95 | |
10 min | 1.5×106 | 0 | 0 | 6.18 | ||
105 sec | 1.5×106 | 1.6×10 | 1.20 | 4.98 | ||
120 sec | 1.5×106 | 0 | 0 | 6.18 |
상압 플라즈마의 발생은 대기압 하에서 여러 가지 방법의 전기방전을 이용하며, 플라즈마를 구현하는 방전형태에 따라 아크방전(arc discharge), 코로나방전(corona discharge), 유전체장벽방전(DBD), 마이크로웨이브방전(microwave discharge) 등이 있다. 이중에서 유전체장벽방전은 시스템이 비교적 간단하면서도 고출력 방전이 가능하고 복잡한 펄스 전력 공급기가 없어도 쉽게 방전할 수 있어 산업체 전반에 널리 이용되고 있다[1, 12]. 유전체장벽방전은 기본적으로 두 전극의 한쪽 또는 양쪽 전극의 표면을 세라믹이나 유리 등의 유전체(dielectric)가 덮거나, 삽입되는 형태를 기본으로, 고전압 전극을 평판형 또는 선형으로 제작하여 교류전압을 인가하면 전극과 유전체 간극사이에서 방전이 일어나 플라즈마가 발생된다. 일반적으로 고전압 전극과 접지전극 사이에 유전체가 위치하고 있으므로, 유전체 특성에 따라 플라즈마 특성도 바뀌게 되며, 많은 양의 라디칼들이 생성된다.
플라즈마 방전에 생성되는 다양한 활성화학종들은 미생물의 세포벽이나 세포막을 통해 확산되면서 주요 구성성분인 다당류, 지질, 단백질 그리고 세포 내의 DNA와 같은 거대 분자들과 반응하여 구조를 변화시켜 세포를 손상시키는 것으로 보고되었다[13-16].
일반적으로 대기압 저온 플라즈마 방전에 Ar, He, N2 등과 같은 다양한 종류의 기체가 사용되고 있으며, 살균 목적으로는 반응기 내부에 H2O2, O2 등이 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 Ar, He과 같은 불활성 기체를 사용하거나, 반응기 내부에 H2O2와 같은 촉매제를 이용하지 않는 대기압 상태에서 유연전극 구조를 가진 플라즈마 발생기에 고전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 형태이다. 플라즈마의 특성과 주입하는 방전가스의 종류나 양에 따라 발생하는 radical의 종류와 농도가 달라지며, 이에 따라 플라즈마 반응기의 성능도 달라진다[17]. 이번 연구에서는 Lee 등[11]이 실시했던 연구와 달리 플라즈마를 발생시키기 위한 방전 인가 전압을 2.5 kV에서 9 kV로 변경하였고 이에 알맞게 유연전극의 길이 등을 재설계하였다. 인가되는 방전전압에 따라 플라즈마 반응이 달라졌다. 2.5 kV보다 플라즈마 반응이나 생성되는 오존농도가 더 높았으나, 높은 전압에 따른 유연전극의 절연문제로 인하여 발화가 발생하면서 전극손상이 빈번하게 발생되었다. 이처럼 방전전압이 달라짐에 따라 유연전극의 설계 사양도 달라짐을 확인하였다. Son과 Lee [12, 18]의 연구에 따르면 입력전압에 따라 플라즈마 방전에 영향을 미친다고 보고하였다.
플라즈마 방전 시 방출된 라디칼이나 이온을 확인하고자 광방출분광진단기에 의해 나타난 스펙트럼을 분석한 결과 생성된 활성화학종들 중에는 O2−, OH 같은 활성산소종과 N2−, N2+와 같은 활성질소종들이 주로 생성됨을 확인할 수 있었는데 이는 대기압 상태에서 이루어진 방전 결과로 생각된다. 또한 고농도의 오존이 생성됨을 확인할 수 있었다. 대기압 유전체장벽방전의 경우 2개의 전극사이에 유전체가 삽입되고 교류형 고전압을 인가하면 전극과 유전체 사이에서 방전이 일어나고 이 간극 사이에서 생성된 산소라디칼(O*)이 공기 중의 다른 산소분자(O2)와 결합하여 활성종인 오존이 생성된다[19]. 오존을 발생시키는 방법은 전기분해, 광화학식 등의 방법이 있으나, 유전체장벽방전을 이용한 플라즈마 방전은 다양한 라디칼들을 생성하는 동시에 오존의 생성량이 크므로 오존 생성 기술로도 이용된다[20].
오존은 강한 산화력과 살균력을 가지고 있으며, 반감기가 매우 짧고 열과 자외선, 촉매 등에 의해 간단하게 분해되어 최종적으로 산소로 환원되기 때문에 다른 화학약품과는 달리 유해 반응 생성물을 잔류시키지 않아 다른 살균제보다 적용범위가 넓다. 또한 부가적인 화학제의 첨가 없이 미생물을 빠르게 사멸시키는 것으로 알려져 있다. 플라즈마 방전에 의해 chamber 내에 생성되는 오존의 농도를 측정하였다. 오존은 산소보다 무겁기 때문에 chamber 바닥에서부터 축척되므로 바닥에서 약 3 cm 정도의 높이에서 측정하였다. 생성되는 오존 농도는 플라즈마 방전 시간에 비례하게 상승하였는데 방전 후 약 3분 정도에 1,000 ppm까지 도달하였다. 오존계측기가 최대 1,000 ppm까지만 측정 가능하여 3분 이후의 오존농도에 대해서는 정확히 확인할 수 없었다. Son과 Lee [12, 18]의 연구에 의하면 상압 플라즈마 반응기에서 생성되는 오존의 농도는 혼합기체 내의 산소 비율과 인가전력이 증가할수록 오존 농도도 증가하는 경향을 보였다고 하였다. Ryu 등[21]은 대기압 유전체장벽방전 플라즈마 처리에서 인가전력, 노출 시간이 증가될수록 활성종인 오존, 일산화질소 등의 농도가 증가된다고 하였다. 이번 연구에서도 Lee 등[11]의 연구보다 플라즈마 방전 전압을 높였을 때 생성되는 오존의 농도는 더 높았다. 따라서 고농도의 오존을 생성하기 위해서는 가급적 산소 비율이 높은 혼합기체와 높은 인가전력이 필요할 것으로 생각된다. Son과 Lee [12]는 살균효과를 극대화시키기 위해서는 오존 발생 농도를 높이거나 오존과의 살균 유효시간을 늘리는 것이라 하였다.
방전 전압이 이전 연구보다 높아졌으므로, 플라즈마 방전에 따른 온도를 배지가 놓이는 부위에서 측정하였다. 방전 전 chamber 내의 온도는 20.3°C, 방전에 따른 플라즈마 발생기 자체 온도 변화는 5분에 52.4°C, 10분에는 61.9°C였고, chamber 내 온도는 1분에 22.2°C, 5분에 25.3°C, 10분에는 28.4°C로 변화됨을 확인하였다. 방전에 따른 플라즈마 발생기 온도는 약 41.6°C 정도 상승하였고 chamber 내 온도는 약 8.1°C 상승하였다. Son과 Lee [12]의 연구에서도 초기에 측정된 실내 온도는 27°C, 5분 후에 40°C, 10분 후에는 43°C였다고 보고하였다. Ryu 등[21]의 연구에서도 플라즈마 방전 시간이 길어질수록 온도가 증가되어 10분까지 방전하였을 경우 52°C까지 상승하였다. 발생기에서 발생한 열에 의한 온도 변화는 작아서 직접적으로 실험 균주에 작용했다고 보기는 어렵다. 따라서 열에 의한 살균 효과는 배제되어도 될 것으로 생각되며, 방전으로 생성된 여러 라디칼 작용에 기인된 것으로 사료된다.
살균능 확인을 위해 두 균주 모두 1.5×106 CFU/mL 농도의 부유액으로 조제하여 배지에 도말 후, 플라즈마 발생기로부터 3 cm 이격하여 15초 간격으로, 30초부터 120초까지 그리고 3분, 5분, 10분 동안 플라즈마 처리하고 형성된 colony를 대조군과 비교하였다.
광촉매제는 빛을 에너지원으로, 촉매반응을 촉진시켜 각종 세균 및 오염물질을 분해 시켜주는 물질이다. 광촉매로 이용될 수 있는 다양한 물질 중에서 주로 TiO2가 이용되는데, 이는 높은 산화∙환원력과 더불어 광촉매능이 우수하고, 화학적으로 매우 안정하고 광활성이 우수하며, 독성이 없어 인체에 무해한 물질로 알려져 다양한 분야에서 이용되고 있다[26]. TiO2에 자외선이 조사되면 표면에서 광 여기가 발생하여 표면의 전자가 산소와 반응하여 강력한 산화력을 가진 O2−와 OH가 생성된다. 생성된 OH는 산화 분해능이 강력하기 때문에 박테리아를 분해한다[27]. 이는 염소나 오존보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어나다. 광촉매 반응을 유도하기 위해서는 250∼380 nm 파장 영역의 자외선이 필요하다. 본 연구에 사용된 플라즈마 발생기에서 방출되는 스펙트럼을 OES 방식으로 측정한 결과 300∼400 nm 자외선 영역에서 방출 강도가 높게 나타남을 확인 할 수 있었다. 두 균주 모두 1.5×106 CFU/mL 농도의 부유액으로 조제하여 광촉매제인 TiO2를 이용하여 살균력을 확인하였다.
현재 일반적으로 시판되고 있는 제품들과 의료기관에서 주로 사용하고 있는 저온 플라즈마 방식의 멸균기는 chamber 내부를 진공상태로 유지시키거나, 과산화수소와 같은 산화제에 플라즈마를 방전시켜 멸균을 시키는 제품들이 대부분이다. 그러나 연구에 사용된 유연전극 구조의 플라즈마 발생기를 이용한 미생물 살균 시스템은 순수한 공기만을 이용하여 방전함으로써 시스템 구성이 간단하고 촉매제를 사용하지 않으므로 기존 제품들에 비해 경제적이며, 저온에서 짧은 시간에 살균이 이루어져 종래 살균법의 단점을 보완할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 유연전극을 편조방식으로 배치 제작이 가능하므로, 고농도의 오존보다는 인체에 무해한 다른 라디칼에 의한 살균 연구가 선행된다면 병원 내 기구, 물품 등을 손쉽게 멸균할 수 있을 것이며, 일반가정에서도 사용할 수 있을 것이라 사료된다.
본 연구에서 유연전극 구조의 플라즈마 발생기를 이용하여
This paper was supported by Gwangju Health University in 2018 (3018008).
None
Park C, Professor; Lee HJ, Professor.