Anwendung negativer Ionen und eines elektrischen Feldes, um der Tröpfchen-/Aerosolübertragung entgegenzuwirken, ohne die Kommunikation zu behindern

Apr 22, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13965 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der COVID-19-Pandemie wurden Lockdown- und Acryl-Trennwände als Gegenmaßnahmen gegen Tröpfchen-/Aerosolinfektionen eingeführt; Allerdings schränken diese Gegenmaßnahmen die Kommunikation ein. In dieser Studie wurde ein Blockiergerät entwickelt, das negative Ionen und ein elektrisches Feld verwendet. Das Gerät blockiert Nebel, der Tröpfchen/Aerosol simuliert, zu maximal 89 %, überträgt aber Licht und Ton, was für die Kommunikation wichtig ist. Das Gerät zeigte eine wirksame Blockierungsleistung für Aerosole, einschließlich der Ausbreitung des COVID-19-Virus durch Patienten in einer Klinik. Unser Gerät kann dazu beitragen, Infektionen zu verhindern, ohne die Kommunikation zu stören.

Infektionen werden über Tröpfchen/Aerosole verbreitet, die beim Sprechen oder Husten entstehen. Beispielsweise haben sich die H1N1-Influenza, das schwere akute Atemwegssyndrom (SARS) und das Atemwegssyndrom im Nahen Osten (MERS) aufgrund von Tröpfchen/Aerosolen ausgebreitet1. Darüber hinaus wird COVID-19 hauptsächlich durch Tröpfchen/Aerosol und Kontakt2 übertragen, was zu einer schweren globalen Pandemie führt. Daher sind Gegenmaßnahmen gegen die Übertragung durch Tröpfchen/Aerosole für die Erhaltung der öffentlichen Gesundheit unerlässlich.

In den frühen Stadien der COVID-19-Pandemie wurden weltweit Lockdowns als strikte Gegenmaßnahmen verhängt3. Allerdings handelte es sich hierbei um nicht nachhaltige Gegenmaßnahmen, da schwerwiegende Probleme auftraten, darunter eine eingeschränkte persönliche Interaktion, schwere wirtschaftliche Verluste4, psychische Erkrankungen wie Depressionen5,6 und, wie wir bereits berichtet haben, die Beeinträchtigung der sozial-emotionalen Fähigkeiten von Vorschulkindern und deren Zunahme missbräuchliches elterliches Verhalten7,8. Daher sind nachhaltige Gegenmaßnahmen gegen Pandemien erforderlich, ohne die wirtschaftlichen Aktivitäten und das tägliche Miteinander zu beeinträchtigen.

Trennwände sind Gegenmaßnahmen, die dazu dienen, die Übertragung von Tröpfchen/Aerosolen während der Kommunikation zu blockieren. Die Nachteile der Trennwände sind die Reflektion und Blockierung von Schall und Licht. Die reflektierte Stimme nervt den Sprecher9 und die blockierende Wirkung stört die Kommunikation. Das reflektierte Licht verhindert das Ablesen von Gesichtsausdrücken. Daher ist eine Methode erforderlich, die Schall und Licht überträgt und gleichzeitig Tröpfchen/Aerosole blockiert.

Um nachhaltige Gegenmaßnahmen gegen Infektionen zu erreichen, ohne die Kommunikation zu beeinträchtigen, haben wir uns auf den Einsatz negativer Ionen und eines elektrischen Feldes konzentriert, die Tröpfchen/Aerosole blockieren, aber Schall und Licht übertragen. In Luftreinigern werden herkömmlicherweise negative Ionen und ein elektrisches Feld eingesetzt, da sie in der Luft befindliche Viren und Bakterien wirksam einfangen10,11,12. Wir waren der Ansicht, dass negative Ionen und elektrische Felder geeignete Lösungen zur Blockierung von Tröpfchen/Aerosolen an Orten sind, an denen Menschen kommunizieren.

In dieser Studie schlagen wir ein Gerät vor, das Tröpfchen/Aerosole mithilfe negativer Ionen und eines elektrischen Felds blockiert. Es wurden verschiedene Blockiervorrichtungen mit Höhen zwischen 8 und 50 cm vorbereitet und ein elektrisches Feld simuliert. Die Auswirkungen negativer Ionen und des elektrischen Feldes auf schwebende Objekte in der Atmosphäre, die Wirkung des elektrischen Feldes bei der Führung der negativen Ionen, die Blockierleistung des Blockiergeräts, die Blockierleistung bei unterschiedlichen Höhenpositionen sowie die Übertragung und Reflexion von Licht und Schall wurden beobachtet. Das Blockiergerät wurde abschließend auf die Blockierung gegen Aerosole mit COVID-19-Viren untersucht.

Die Blockiervorrichtung (dargestellt in Abb. 1a) besteht aus drei Hauptteilen: einem Ionisator, einer Erdung und einer Sammelelektrode. Die Breite der Blockiervorrichtung beträgt 36 cm und die Höhe wurde für jedes Experiment geändert. Abbildung 1b zeigt den Schaltplan des Geräts. Drei bis elf Ionisatoren (Huizhou Pengkui Technology Co., China) wurden in gleichen Abständen auf der Mittellinie der Oberseite der Blockiervorrichtung angebracht. Die Ionisatoren wurden an eine 12-V-Gleichstromversorgung (PR18-3A, TEXIO) angeschlossen. An zwei Elektroden des Ionisators wurden durch Koronaentladung negative Ionen erzeugt. Bemerkenswert ist, dass während der Erzeugung negativer Ionen im Ionisator kein Ozon mit einem Halbleitersensor (Ozon Checker OC-300, Ozon Technica CO., LTD) nachgewiesen wurde. Die Nachweisgrenze des Sensors lag bei 0,001 ppm. An der Oberseite der die Ionisatoren umgebenden Sperrvorrichtung wurde ein Metallgeflecht als Erdung angebracht. An der Unterseite der Blockiervorrichtung war eine Niederschlagselektrode angebracht. Mit einem Hochspannungsnetzteil (GS30P, Green Techno) wurde eine Gesamtspannung von +15 kV an die Niederschlagselektrode angelegt.

(a) Bild des Blockiergeräts. (b) Schematische Darstellung des Geräts.

Das elektrische Feld wurde mit dem in Abb. 2a gezeigten Modell simuliert. An der Niederschlagselektrode liegt ein Potential von 15 kV und an der Masseelektrode ein Potential von 0 kV an. Abbildung 2b und c zeigen die elektrische Feldverteilung in Y-Z- und X-Z-Richtung für die Blockiervorrichtung mit einer Höhe von 30 cm. Die elektrische Feldstärke in der Blockiervorrichtung war in Y- und X-Richtung nahezu konstant. Abbildung 2d–f zeigt die elektrische Feldstärke in Z-Richtung für Blockiergeräte mit einer Höhe von 8, 16 bzw. 30 cm. Die Intensität des elektrischen Feldes war um die Sammelelektrode herum hoch und die Intensität nahm mit dem Abstand von der Sammelelektrode (Z-Richtung) ab; Diese Abnahme des elektrischen Feldes kann durch endliche Elektroden- und Kanteneffekte verursacht werden. Die maximale elektrische Feldstärke betrug 235, 164 und 145 kV/m in der Blockiervorrichtung mit Höhen von 8, 16 bzw. 30 cm. Diese Simulationsergebnisse legen nahe, dass die Blockierungsleistung um die Sammelelektrode herum effektiver ist als die um die Masseelektrode herum.

(a) Simulationsmodell. (b,c) Simulationsergebnis des Geräts mit einer Höhe von 30 cm. (d–f) Elektrische Feldstärke im Abstand von der Sammelelektrodenoberfläche. Die Gerätehöhe betrug 8, 16 und 30 cm für (d), (e) und (f).

Um die Auswirkungen negativer Ionen und elektrischer Felder auf in der Atmosphäre fließende Objekte zu untersuchen, wurde der Rauchstrom beobachtet. Abbildung 3a–d zeigt Bilder aus Video S1, in dem der Rauchstrom aufgezeichnet wurde. Wenn keine negativen Ionen und kein elektrisches Feld erzeugt wurden, bewegte sich der Rauch nach oben (Abb. 3a). Wenn von den Ionisatoren nur negative Ionen erzeugt wurden, wurde der Rauch schnell nach unten gerichtet und prallte dann gegen die Sammelelektrode ab (Abb. 3b). Beim Einschalten der Ionisatoren wurde auch ein ionischer Wind beobachtet. Im Falle des elektrischen Feldes ohne negative Ionen floss der Rauch teilweise in Richtung der Niederschlagselektrode (Abb. 3c). Allerdings floss fast der gesamte Rauch in Richtung der Sammelelektrode, als sowohl negative Ionen als auch das elektrische Feld erzeugt wurden (Abb. 3d). Darüber hinaus war der Rückprall des Rauches im Vergleich zu nur negativen Ionen verbessert (Abb. 3b und d). Abbildung 3 zeigt, dass die negativen Ionen und das elektrische Feld den Rauch dazu veranlassten, in Richtung der Sammelelektrode zu strömen. Darüber hinaus verbessert die Verwendung sowohl negativer Ionen als auch des elektrischen Felds den Rauchfluss zur Sammelelektrode und verhindert einen Rückprall, was darauf hindeutet, dass negative Ionen und das elektrische Feld möglicherweise Tröpfchen/Aerosole blockieren.

Einfluss negativer Ionen und des elektrischen Feldes auf den Rauchstrom. Die Höhe zwischen Ionisator und Sammelelektrode betrug 22 cm für (a) und (b) und 15 cm für (c) und (d). (a) Rauchfluss ohne negative Ionen und elektrisches Feld. (b) Rauchfluss nur mit den negativen Ionen. (c) Rauchströmung nur mit dem elektrischen Feld. (d) Rauchfluss mit negativen Ionen und elektrischem Feld.

Beim Blockieren von Tröpfchen/Aerosolen durch die Blockiervorrichtung (Abb. 4) werden die ersten Tröpfchen/Aerosole durch die negativen Ionen negativ geladen. Das elektrische Feld leitet dann die geladenen Tröpfchen/Aerosole zur Sammelelektrode. Daher ist die Leistung des elektrischen Feldes bei der Führung der negativen Ionen wichtig. Die Verteilung der negativen Ionenkonzentration um das Gerät herum wurde untersucht, um die Führungsleistung des elektrischen Feldes zu überprüfen.

Schematische Darstellung der blockierenden Tröpfchen/Aerosole.

Abbildung 5a–c zeigt Geräte mit einer Höhe von 8, 16 bzw. 30 cm ohne elektrisches Feld. Innerhalb und außerhalb der Geräte wurden hochkonzentrierte negative Ionen beobachtet, und die negative Ionenkonzentration nahm mit zunehmender Entfernung vom Gerät allmählich ab, was darauf hindeutet, dass die von den Ionisatoren erzeugten negativen Ionen ohne das elektrische Feld austraten. Insbesondere traten bei einer größeren Gerätehöhe mehr negative Ionen aus, und die negativen Ionen erreichten einen Abstand von 40 cm zu den Blockiergeräten mit einer Höhe von 30 cm. Anschließend zeigen Abb. 5d – f die Geräte mit Höhen von 8, 16 bzw. 30 cm mit elektrischem Feld. Auch innerhalb der Blockiervorrichtungen wurden hochkonzentrierte negative Ionen beobachtet, aber die Verteilung der negativen Ionen außerhalb der Vorrichtung nahm aufgrund des elektrischen Feldeffekts drastisch ab. Negative Ionen wurden mit dem Gerät in den Höhen 8 und 16 cm nicht nachgewiesen. Das Gerät mit einer Höhe von 30 cm und dem elektrischen Feld setzte negative Ionen frei, teilweise aufgrund der Verringerung des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Gerätehöhe, wie in Abb. 3 dargestellt. Beachten Sie, dass negative Ionen in einer Entfernung von 20 cm vom Gerät erkannt wurden (Abb . 5f), der näher am Gerät ohne elektrisches Feld liegt (40 cm vom Gerät entfernt, Abb. 5c), was darauf hinweist, dass das elektrische Feld die negativen Ionen leitet. Die negative Ionenkonzentration im Gerät mit einer Höhe von 30 cm war im Vergleich zu dem Gerät ohne elektrisches Feld (Abb. 5c) verringert (Abb. 5f). Dieses Ergebnis kann durch die Beschleunigung der negativen Ionen durch das elektrische Feld erklärt werden. Die folgende Gleichung drückt den Strom \(I\) aufgrund negativer Ionen aus:

Dabei sind \(A\), \(e\), \({v}_{i}\) und \({n}_{i}\) die Querschnitte der Sammelelektrode, Elementarladung , negative Ionengeschwindigkeit bzw. negative Ionenzahldichte. Wenn geladene Tröpfchen durch das elektrische Feld beschleunigt werden, weil \(I\), \(e\) und \(A\) konstant sind, ergibt sich ein kleinerer \({n}_{i}\), as dargestellt in Abb. 5c und f. Abbildung 5 zeigt, dass das elektrische Feld die Führung negativer Ionen zur Sammelelektrode verbessert, was für die Blockierung geladener Tröpfchen/Aerosole wichtig ist.

Verteilung der negativen Ionenkonzentration um das Gerät herum. Die Höhe der Geräte in (a) und (d) beträgt 8 cm, in (b) und (e) 16 cm und in (c) und (f) 30 cm. (a), (b) und (c) zeigen die Messergebnisse ohne elektrisches Feld. (d), (e) und (f) zeigen die Messergebnisse mit dem elektrischen Feld. Mit einem * gekennzeichnete Bereiche weisen darauf hin, dass die negative Ionenkonzentration die Messbegrenzung des Ionenzählergeräts erreicht hat.

Die Blockierleistung der Geräte mit zwei Arten von Sammelelektroden wurde durch Ändern der Blockiergerätehöhe bewertet (Abb. 6a). Die erste Sammelelektrode war mit NaCl mit Agarose gesättigt, um Partikel über die Oberflächenbenetzbarkeit einzufangen. Die zweite Sammelelektrode bestand aus Stahlwolle, um Partikel mithilfe einer Netzstruktur mit großer Oberfläche zu sammeln. Die Höhe der Blockiervorrichtung wurde zwischen 8 und 50 cm eingestellt. Der Nebel wurde verwendet, um Tröpfchen/Aerosole zu simulieren, die bei einem leichten Husten entstehen13.

(a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. (b) Repräsentatives Bild der Blockiervorrichtung in 8 cm Höhe mit Stahlwolle als Sammelelektrode. (c) Nebelfluss ohne negative Ionen und ein elektrisches Feld. (d) Nebelfluss mit negativen Ionen und einem elektrischen Feld unter Verwendung von Stahlwolle als Sammelelektrode. (e) Nebelfluss mit negativen Ionen und einem elektrischen Feld unter Verwendung von Agarose als Sammelelektrode. (f) Zusammenhang zwischen der Fluoreszenzfarbstoffkonzentration und der Gerätehöhe. „Agarose“ bezeichnet das Gerät mit negativen Ionen und einem elektrischen Feld, das Agarose als Sammelelektrode verwendet. „Stahlwolle“ bezeichnet das Gerät mit negativen Ionen und einem elektrischen Feld, das Stahlwolle als Sammelelektrode verwendet. „Ohne NI und EF“ bezeichnet das Gerät ohne negative Ionen und ein elektrisches Feld. Die Fehlerbalken geben die Abweichungen der drei Experimente an. (g) Zusammenhang zwischen Blockierungsverhältnis und Gerätehöhe.

Abbildung 6b zeigt ein repräsentatives Bild des Geräts mit einer Höhe von 8 cm und Stahlwolle als Sammelelektrode. Der Nebelfluss unter Verwendung der Blockiervorrichtung mit „Agarose“ oder „Stahlwolle“ in verschiedenen Höhen ist in Video S2 dargestellt. Abbildung 6c–e zeigt aufgenommene Bilder aus Video S2 mit einem Gerät mit Stahlwolle oder Agarose als Sammelelektrode. Abbildung 6c zeigt, dass der Nebel ohne negative Ionen oder das elektrische Feld durch die Blockiervorrichtung gelangt. Beim Anlegen negativer Ionen und eines elektrischen Feldes begann das Gerät, den Nebel zu blockieren (Abb. 6d und e). Darüber hinaus wurde der Nebel an einer Position 10 cm vom Gerät entfernt durch die Agarose-Sammelelektrode blockiert, was darauf hindeutet, dass Agarose als Sammelelektrode Stahlwolle überlegen ist.

Um die Leistung der Sammelelektrode zu quantifizieren, wurde die Fluoreszenzfarbstoffkonzentration im Wasser gemessen (Abb. 6a), die angibt, wie viel Nebel je nach Gerätehöhe durch das Gerät gelangt ist. Die Fluoreszenzfarbstoffkonzentration bei Verwendung des Geräts mit Agarose war geringer als die der Stahlwolle-Sammelelektrode (Abb. 6f), was darauf hinweist, dass Agarose Stahlwolle als Sammelelektrode überlegen ist. Diese Tendenz stimmt mit der in Abb. 6d und e gezeigten überein. Die Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffs stieg je nach Gerätehöhe an, was darauf hindeutet, dass die Blockierungsleistung nicht über einen großen Bereich der Gerätehöhe aufrechterhalten werden konnte. In diesem Experiment haben wir den Strom von der Sammelelektrode zur Erdoberfläche gemessen. Der Strom nahm mit der Gerätehöhe ab und betrug 20 bis 30, 1 bis 8 und 0 μA bei 8, 16 und 20 bis 50 cm. Der mit zunehmender Gerätehöhe abnehmende Strom implizierte, dass ein elektrisches Feld mit einem breiten Gerätehöhenbereich keine negativen Ionen leitete, was zu einer geringen Blockierungsleistung führte, wie in Abb. 6f dargestellt.

Abbildung 6g zeigt das Blockierungsverhältnis; Das Blockierungsverhältnis wurde basierend auf der Fluoreszenzfarbstoffkonzentration ohne negative Ionen und einem elektrischen Feld berechnet (Abb. 6f). Die maximale Blockierungsrate betrug 79 % bei Verwendung der Stahlwolle-Sammelelektrode mit einer Höhe von 8 cm, und das Blockierungsverhältnis nahm mit zunehmender Gerätehöhe ab. Im Gegensatz dazu betrug die maximale Blockierungsrate 89 %, wenn die Agarose-Sammelelektrode mit einer Höhe von 16 cm verwendet wurde, und das Blockierungsverhältnis nahm über einer Gerätehöhe von 16 cm ab. Die effektiven Gerätehöhen (Blockierungsverhältnis > 0 %) betrugen 30 bzw. 16 cm unter Verwendung von Agarose bzw. Stahlwolle als Sammelelektroden. Daher zeigt Abb. 6, dass Agarose hinsichtlich der effektiven Gerätehöhe Stahlwolle als Sammelelektrode überlegen ist.

Die Verteilung der negativen Ionen veränderte sich mit der Gerätehöhe (Abb. 5) und auch die Blockierungsleistung wurde dadurch beeinflusst (Abb. 6). Daher gehen wir davon aus, dass die Blockierleistung mit den Höhenpositionen im Gerät zusammenhängt (Abb. 7a). Um die Blockierungsleistung bei unterschiedlichen Höhenpositionen im Gerät zu bewerten, wurde die durch das Gerät gelangte Nebelmenge anhand der Leuchtdichteintensität bestimmt. Die Leuchtdichteintensität wurde in dem in Abb. 7b und c gezeigten Bereich gemessen, der vom gelben Rahmen umgeben ist. Abbildung 7d zeigt das anhand der Leuchtdichte berechnete Blockverhältnis. Das Gerät mit einer Höhe von 16 cm zeigte eine allmähliche Abnahme des Blockierungsverhältnisses; Bei einer Höhenposition von 7 bis 13 cm wurde jedoch eine Blockierungsrate von 92 % beibehalten. Im Gegensatz dazu zeigte das Gerät mit einer Höhe von 30 cm einen starken Rückgang des Blockierungsverhältnisses, was darauf hindeutet, dass die Blockierungsleistung um die Niederschlagselektrode herum höher war als um den Boden herum. Das Blockierungsverhältnis lag bei Geräten mit einer Höhenposition von 13 bis 25 cm unter 60 %. Abbildung 7d legt nahe, dass die Positionierung der Sammelelektrode nahe an den Tröpfchen/Aerosolen erforderlich ist, um die Sperrleistung gegenüber den Tröpfchen/Aerosolen zu verbessern.

(a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. (b,c) Gerät mit einer Höhe von 16 cm und Nebelfluss in einer Höhenposition von 9 cm. (b) Nebelfluss zum Gerät ohne negative Ionen und ein elektrisches Feld. (c) Nebel strömt mit negativen Ionen und einem elektrischen Feld zur Blockiervorrichtung. (d) Blockierungsverhältnis des Geräts bei Höhen von 16 und 30 cm.

Eine Abtrennung mit transparenten Materialien beeinträchtigt Licht und Ton und stört dadurch die Kommunikation. Wie beispielsweise in Abb. 8a dargestellt, spiegelt eine Acryltrennwand das Gesicht einer Puppe wider, was darauf hindeutet, dass sie die Kommunikation verhindert. Allerdings zeigt unser Gerät keine Lichtreflexion und das Gesicht der Puppe ist deutlich zu erkennen. Wir haben die Übertragung und Reflexion von Licht und Schall ausgewertet, um die akustischen und optischen Eigenschaften unseres Geräts zu bestätigen. Abbildung 8b zeigt die Schallübertragungseigenschaften. Die Schallübertragung des Gerätes war so hoch wie die von Luft (65 dB), im Gegensatz zur Acryl-Trennwand (56 dB), die den Schallpegel senkt. Darüber hinaus zeigt Abb. 8c keinen signifikanten Unterschied in der Schallreflexion. Daher zeigen Abb. 8b und c, dass die negativen Ionen und das elektrische Feld im Gerät den Klang akustisch nicht beeinflussen. Abbildung 8d zeigt die Lichttransmissionsspektren. Das Spektrum des Geräts überlappte mit dem von Luft, was darauf hindeutet, dass aufgrund der negativen Ionen und des elektrischen Felds im Gerät keine signifikante Abnahme des Lichts vorliegt. Die Acryltrennwand verringerte jedoch die Lichtdurchlässigkeit (Peakintensität von 57 bei 603 nm) im Gegensatz zum entwickelten Gerät (Peakintensität von 61 bei 603 nm). Anschließend zeigt Abb. 8e die Lichtreflexionsspektren. Das Spektrum des Geräts überlappte mit dem von Luft (Spitzenintensität von 1,71 bei 603 nm), was darauf hindeutet, dass das Licht durch die negativen Ionen und das elektrische Feld im Gerät nicht wesentlich reflektiert wird. Im Gegensatz dazu zeigte das Spektrum der Acryltrennwand eine Reflexion und eine Spitzenintensität von 2,7 bei 603 nm. Abbildung 8b–e zeigt, dass die negativen Ionen und das elektrische Feld im Gerät weder Schall noch Licht stören.

(a) Bilder, die das Gerät mit der Acryl-Trenn- und Blockiervorrichtung zeigen. (b) Übertragene Schallintensität. (c) Reflektierte Schallintensität. (b,c) Fehlerbalken zeigen die Abweichung von drei Experimenten an. (d) Durchgelassene Lichtintensität. (e) Intensität des reflektierten Lichts.

Die Merkmale der Studienteilnehmer sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Das Durchschnittsalter betrug 49,7 (Standardabweichung (SD) = 15,1) Jahre, und zwei Teilnehmer waren Männer. Keiner der Teilnehmer hatte eine zugrunde liegende respiratorische Komorbidität. Die mittleren Ct-Werte der Speichelproben bei Aufnahme und am Tag vor Studienteilnahme betrugen 27,0 (SD = 0,8) bzw. 27,7 (SD = 3,1). Zwei Teilnehmer führten das erste Experiment durch und ein Proband führte sowohl das erste als auch das zweite Experiment durch. Die Versuchsergebnisse sind in Abb. 9 dargestellt. Von den vier Probenpaaren wurden drei Paare im ersten Experiment und ein Paar im zweiten Experiment erhalten. Die mittleren Ct-Werte betrugen 44,2 (SD = 0,98) mit dem Blockiergerät und 39,1 (SD = 1,71) ohne das Blockiergerät. Der mittlere Ct-Wert mit dem Blockiergerät war signifikant höher als der ohne Blockiergerät (P = 0,004).

Ct-Wertverteilung der Proben entsprechend dem Status des Blockiergeräts. Die ausgefüllten Kreise und Rechtecke stellen Proben aus dem ersten (N = 3) bzw. zweiten (N = 1) Experiment dar. Die mit einer durchgezogenen Linie verbundenen Symbole kennzeichnen Proben desselben Teilnehmers. Der P-Wert wurde aus einem gepaarten t-Test abgeleitet.

In dieser Studie wurde ein Blockiergerät entwickelt, das negative Ionen und ein elektrisches Feld nutzt. Die Blockiervorrichtung kann negative Ionen mithilfe eines elektrischen Felds zur Sammelelektrode leiten, was für die Blockierung geladener Tröpfchen/Aerosole wichtig ist. Beim Vergleich der Blockierungsleistungen, die mit Agarose und Stahlwolle als Sammelelektrode erzielt wurden, war Agarose (mit einer effektiven Gerätehöhe zwischen 8 und 30 cm) Stahlwolle (mit einer effektiven Gerätehöhe zwischen 8 und 16 cm) überlegen. Das 16 cm hohe Gerät mit Agarose blockierte den Nebel um 89 % im Vergleich zum Gerät ohne negative Ionen und elektrisches Feld. Die Blockierungsleistung hängt von der Höhenposition des Nebels ab, und die Leistungsverschlechterung bei größeren Geräten hängt mit der Menge des Nebels zusammen, der an hohen Positionen durchdringt. Schließlich zeigte das Gerät eine wirksame Blockierungsleistung für Aerosole, die das COVID-19-Virus enthalten. Obwohl die experimentelle Studie die Blockierfähigkeit des Blockiergeräts demonstrierte, sollten bei der Interpretation der Ergebnisse einige Einschränkungen beachtet werden. Erstens war die Stichprobengröße klein; Daher können die Ergebnisse verzerrt sein. Zweitens waren die experimentellen Bedingungen zu einfach, um die Ergebnisse auf reale Szenarien zu übertragen. Zukünftige experimentelle Studien mit größeren Stichprobengrößen, die reale Situationen nachahmen, sind gerechtfertigt. Insgesamt zeigt die Verwendung negativer Ionen und elektrischer Felder die Fähigkeit, Nebel oder Aerosole, die das COVID-19-Virus enthalten, zu blockieren und Ton/Licht zu übertragen. Diese Leistung ist als nachhaltige Gegenmaßnahme gegen Infektionen bei der Kommunikation von Vorteil.

Für die Analyse des elektrischen Feldes wurde die CST Studio Suite (SIMULIA, USA) und für die Berechnungen die Technik der endlichen Integration verwendet. Das Simulationsmodell bestand aus einer Sammelelektrode, einer Masse, einer Acrylplatte und einem Aluminiumrahmen. Die elektrischen Konstanten der Komponenten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Sammelelektrode und die Masse wurden bei +15 bzw. 0 kV angelegt.

Zur Erzeugung negativer Ionen wurden drei Ionisatoren verwendet. Als Erdung wurde ein Kupfergeflecht um die Ionisatoren gelegt. Als Sammelelektrode wurde eine Aluminiumplatte verwendet. Die Rauchbewegung wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (CV-74, KATO KOKEN Co. Ltd., Japan) beobachtet. Die Aufnahmebedingung hatte eine Auflösung von 640 × 480 Pixel und eine Bildrate von 170 fps.

Es wurde das in Abb. 1a dargestellte Gerät verwendet. Die Struktur wurde unter Verwendung einer Aluminiumflamme (2 × 2 cm) und einer Acrylplatte (3 mm dick, die Durchbruchspannung betrug 20 kV/m; KURARAY CO., LTD.) konstruiert. Elf Ionisatoren wurden platziert, um negative Ionen zu erzeugen. Als Erdung wurde ein Aluminiumgeflecht um die Ionisatoren gelegt. Agarose (500 g) (als Sammelelektrodenmaterial) wurde in einer Box (6 × 30 cm, 4 cm Tiefe) auf der Unterseite der Blockiervorrichtung platziert. Die Agarose wurde mit 1 l hochreinem Wasser, 200 g NaCl (FUJIFILM Wako Co., Ltd.) und 30 g Agarose S (FUJIFILM Wako Co., Ltd.) hergestellt. Der Ionenzähler (COM-3200PRO II, Com Systems) wurde in der Mitte jedes Bereichs angebracht, der in 2 × 10 cm große Abschnitte innerhalb des Geräts und 10 × 10 cm große Abschnitte außerhalb des Geräts unterteilt war, um die negative Ionenkonzentrationsverteilung zu messen. Die negative Ionenkonzentration wurde 1 Minute lang jede Sekunde gemessen und der Durchschnittswert aufgezeichnet.

Das Blockiergerät (dargestellt in Abb. 1a) wurde mit Agarose und 30 g Stahlwolle (Edelstahlwolle, EIGHT CO-OPERATIVE BUYING CO., Ltd.) als Sammelelektrode verwendet. Die Höhe der Blockiervorrichtung wurde zwischen 8 und 50 cm eingestellt. Der Vernebler (NE-C28, OMRON Co.) wurde verwendet, um das von einer Person mit leichtem Husten freigesetzte Aerosol bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s13 zu simulieren. Die Verteilung der anfänglichen Partikelgröße war wie folgt: < 3 μm, 20 %; 3 bis 5 µm, 40 %; > 5 bis 8 μm, 40 %, und der mittlere Massendurchmesser betrug 5,5 ± 0,2 μm14; Insbesondere verdampfen einige Nebelpartikel allmählich und verwandeln sich in Aerosole13 (≤ 5 μm)15. Der Zerstäuber wurde 20 cm vom Blockiergerät entfernt platziert und die Höhe der Düse wurde auf die Mitte der Gerätehöhe eingestellt. Eine gesättigte wässrige Lösung des Fluoreszenzfarbstoffs Uranin (FUJIFILM Wako Co. Ltd.) (4,1 mM) wurde mit einem Zerstäuber 10 Minuten lang horizontal auf die Blockiervorrichtung gesprüht. Die Nebelpartikel, die durch die Blockiervorrichtung gelangten, wurden in einem mit 400 ml hochreinem Wasser gefüllten Behälter gesammelt. Die Flüssigkeitsprobe im Behälter, einschließlich der an der Behälterwand haftenden Nebelpartikel, wurde gesammelt. Die Fluoreszenzintensität der Proben wurde mit einem Multi-Label-Plattenlesegerät (EnSpire 2300-00J, Perkin Elmer Co. Ltd.) bei einer Anregungswellenlänge von 480 nm und einer Emissionswellenlänge von 512 nm gemessen. Die Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffs in der Probe wurde anhand der Kalibrierungskurve berechnet (Abb. S1). Der Nebelstrom wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.

Es wurde das Blockiergerät (siehe Abb. 1a) verwendet und die Gerätehöhe auf 16 und 30 cm eingestellt. Der Zerstäuber befand sich in einem Abstand von 5 cm von der Blockiervorrichtung. Die Höhe des Nebelstroms wurde variiert und der durch die Sperrvorrichtung strömende Nebelstrom wurde erfasst. Der Nebelstrom mit dem Fluoreszenzfarbstoff wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet und die Leuchtdichte mit ImageJ (Rasband, National Institutes of Health, USA) berechnet.

Es wurde das Blockiergerät (siehe Abb. 1a) verwendet und die Gerätehöhe auf 30 cm eingestellt. Die Acryltrennwand wurde hergestellt, indem eine 6 mm dicke, klare Acrylplatte an der Blockiervorrichtung befestigt wurde. Zur Messung der Schallübertragung wurden Schallquelle und Detektor symmetrisch 20 cm von der Sperrvorrichtung entfernt platziert. Die Tonquelle war ein Timeralarm. Der Schalldetektor war ein iPhone 7 mit einer iOS-Plattform-App (Sound Level Analyzer Lite (iOS-Version 6.0.2))16. Darüber hinaus wurde die Lichtdurchlässigkeit an der Lichtquelle und dem Detektor bewertet, die an der gleichen Position wie Lichtquelle und Detektor platziert waren. Die Lichtquelle war ein Illuminator (Fiber Illuminator C-FI115, Nikon Co., Ltd.). Als Lichtdetektor wurde ein Fluoreszenzspektrometer (USB4000-FL, Ocean Optics) verwendet. Um die Spiegelreflexion des Schalls/Lichts zu messen, wurden Quelle und Detektor 20 cm von der Blockiervorrichtung entfernt in einem Winkel von 10° platziert.

Um die Wirksamkeit des entwickelten Blockiergeräts zu demonstrieren, haben wir eine experimentelle Studie mit COVID-19-Patienten durchgeführt. Bei den Studienteilnehmern handelte es sich um Personen, die mithilfe eines Echtzeit-RT-PCR-Tests (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction) positiv auf SARS-CoV-2 getestet wurden und im Februar und März 2022 in der Kuramochi Clinic Interpark17, Utsunomiya, Japan, stationär behandelt wurden Einrichtung, in der vor der COVID-19-Pandemie ausschließlich ambulante Patienten betreut wurden; Um der steigenden Zahl an COVID-19-Patienten gerecht zu werden, wurden im März 2021 stationäre Betten eingerichtet.

Es wurden zwei Studienkonfigurationen implementiert. Zunächst wurde der Versuchsraum mit zwei kastenförmigen Luftkollektoren ausgestattet, einer davon war mit einer Absperrvorrichtung ausgestattet, der andere nicht (Abb. S2a). Luftproben wurden mit dem Aerosolense Air Sampler (Thermo Fisher Scientific, MA, USA) bei 200 l/min gesammelt. Es wurden Luftkeimsammler eingesetzt, damit die Umgebungsluft durch die Lufteinlässe in die Boxen strömen und über die Luftauslässe aus den Boxen austreten kann. Betrachtet man die Box mit der Blockiervorrichtung, so passierte die in die Box eintretende Luft die Blockiervorrichtung, bevor sie vom Luftkeimsammler gesammelt wurde (Abb. S2b), wohingegen die in die Box ohne Blockiervorrichtung eintretende Luft direkt vom Luftkeimsammler aufgefangen wurde (Abb. S2c). ). Die Teilnehmer blieben 2 Stunden in den Versuchsräumen. Um sicherzustellen, dass die Teilnehmer Tröpfchen und Aerosole ausschieden, lasen die Teilnehmer fünf Minuten pro Stunde Passagen aus alten Geschichten (z. B. Der blaue Vogel), um die Spuckeverbreitung zu fördern. Die Umgebungsluft wurde parallel in zwei Boxen gesammelt und von jedem Teilnehmer ein Probenpaar entnommen. Das zweite Experiment ähnelte einem realen Szenario. Die Kisten wurden entfernt und die eingebauten Ventilatoren eingeschaltet. Das Experiment wurde auf zwei Arten aufgebaut: Ein Aufbau war mit der Blockiervorrichtung und einem Luftkeimsammler vor dem eingebauten Ventilator ausgestattet (Abb. S2d), der andere mit einem Luftkeimsammler und einem eingebauten Ventilator (Abb. S2e). ). Diese Bedingungen wurden seriell für jeweils 2 Stunden für denselben Teilnehmer durchgeführt. Die Teilnehmer lasen erneut 5 Minuten pro Stunde alte Geschichten. In diesem Experiment gab es keinen Kasten um die Blockiervorrichtung und den Luftkeimsammler, was bedeutet, dass nicht die gesamte vom Luftkeimsammler gesammelte Luft durch die Blockiervorrichtung gelangte (Abb. S2f). Wenn die Sperrvorrichtung nicht angebracht war, wurde die Umgebungsluft direkt mit einem Luftkeimsammler gesammelt (Abb. S2g).

Es wurden drei Teilnehmer rekrutiert, von denen keiner an Hypoxie litt. Wir erhielten drei Probenpaare aus dem ersten Experiment und ein Probenpaar aus dem zweiten Experiment (ein Teilnehmer führte beide Experimente durch). SARS-CoV-2-Tests wurden mittels Echtzeit-RT-PCR mit einem CFX96-Echtzeitsystem (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) und einem SARS-CoV-2-Nachweiskit bestehend aus Primern und Sonden (RC30JW, TaKaRa) durchgeführt , Japan). Die Echtzeit-RT-PCR wurde unter den Reaktionsbedingungen durchgeführt, die im Handbuch des National Institute of Infectious Diseases in Japan18 beschrieben sind. Wenn die Viruslast unterhalb der Nachweisgrenze lag, wurde der entsprechenden Probe ein Ct-Wert von 45 zugewiesen, die maximale Zykluszahl gemäß dem Echtzeit-RT-PCR-Protokoll18. Der Unterschied zwischen den mittleren Ct-Werten der Proben aus den beiden Gruppen (mit oder ohne Blockiervorrichtung) wurde mithilfe eines zweiseitigen gepaarten t-Tests getestet, bei dem das Signifikanzniveau auf 0,05 festgelegt wurde. Von allen Teilnehmern wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Die experimentelle Studie wurde von der Ethikkommission der Kuramochi Clinic Interpark (IPK-0002) genehmigt und in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki und den japanischen Ethikrichtlinien für medizinische und biologische Forschung am Menschen durchgeführt, die vom Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie, das Ministerium für Gesundheit, Arbeit und Soziales und das Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie.

Alle zur Bewertung der Schlussfolgerungen in der Arbeit erforderlichen Daten sind in der Arbeit und/oder den ergänzenden Materialien enthalten. Zusätzliche Daten zu diesem Artikel können bei den Autoren angefordert werden.

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Referenzen herunterladen

Wir danken dem medizinischen Personal der Kuramochi Clinic Interpark, das an der Datenerhebung teilgenommen hat, und allen Teilnehmern dieser Studie.

Laboratory for Future, Interdisziplinäre Forschung für Wissenschaft und Technologie, Tokyo Institute of Technology, Kanagawa, Japan

Kaito Kanda, Kazuma Nakagoe, Tetsuya Yamada und Yasuko Yanagida

Abteilung für globale Gesundheitsförderung, Medizinische und Zahnmedizinische Universität Tokio, Tokio, Japan

Hisaaki Nishimura, Mariko Hanafusa, Tomoki Kawahara und Takeo Fujiwara

Abteilung für Luft- und Raumfahrt, Universität Tokio, Tokio, Japan

Takuya Koiso

Forschungszentrum für Frontier Medical Engineering, Universität Chiba, Chiba, Japan

Kousuke Takemoto und Masaharu Takahashi

Kuramochi Clinic Interpark, Utsunomiya, Japan

Jin Kuramochi

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KK, HN, TK, KN, TY und TF planten das Experiment. KK, TK und TY haben das Gerät konzipiert und entworfen. KK, HN, TK, KT, TY, MT und TF trugen zur Analyse der Daten und zur Diskussion bei. KK, HN, KT, TY, MH, TK, JK und TF führten das Experiment durch. KK, HN und TY haben den Artikel geschrieben. Alle Autoren haben das Papier überprüft und bearbeitet. YY, JK und TF betreuten das Projekt.

Korrespondenz mit Tetsuya Yamada oder Takeo Fujiwara.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kanda, K., Nishimura, H., Koiso, T. et al. Anwendung negativer Ionen und eines elektrischen Feldes, um der Tröpfchen-/Aerosolübertragung entgegenzuwirken, ohne die Kommunikation zu behindern. Sci Rep 13, 13965 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40303-5

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Eingegangen: 22. April 2023

Angenommen: 08. August 2023

Veröffentlicht: 26. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40303-5

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