Đánh giá biến đổi hoá học của nước trong quá trình hoạt hoá bằng Plasma lạnh

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
32 Số 58 - Tháng 03/2019
Nước hoạt hoá plasma (PAW) đang được nghiên cứu để xử lý nhiễm khuẩn với rất nhiều tiềm 
năng ứng dụng. Chất lỏng hoạt hoá plasma (PAL) trong đó có PAW cho thấy khả năng chống lại rất 
nhiều vi sinh vật. PAL được chế tạo bằng phương pháp tương tác plasma lạnh với chất lỏng. Tính 
kháng khuẩn và ứng dụng của PAL phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hoạt chất của PAL chủ yếu là 
các chất oxy và nitơ hoạt động (RONS) sinh ra trong quá trình plasma tương tác với chất lỏng. Có 
nhiều phương pháp đánh giá nồng độ của RONS, chúng tôi đề xuất phương pháp sử dụng quang phổ 
hấp thụ UV-vis để xác định 3 thành phần chính của RONS là H2O2, NO3- và HNO2-. Kết quả cho 
thấy bằng cách đo phổ hấp thụ chúng ta có thể dễ xác định và nồng độ RONS trong PAW và sự thay 
đổi của chúng theo thời gian.
I. PLASMA LẠNH VÀ NƯỚC HOẠT HOÁ 
PLASMA
1.1. Plasma lạnh và ứng dụng
Plasma là trạng thái thứ tư (bên cạnh rắn, 
lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa, nhiều 
phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các 
electron chuyển động tương đối tự do giữa các 
hạt. Plasma được tạo thành từ chất khí bị ion hóa 
bao gồm các thành phần như: ion dương, ion âm, 
điện tử và các phân tử hay nguyên tử trung hoà. 
Mức độ ion hóa chất khí có thể thay đổi từ 100% 
(ion hóa hoàn toàn) đến giá trị rất thấp chỉ vài 
phần triệu (ion hóa một phần). Năm 1879, plasma 
lần đầu tiên được mô tả bởi nhà hóa học và vật lý 
người Anh William Crookes.
Trên trái đất, loại vật chất này không 
nhiều, chỉ có ở vùng cực quang vùng núi lửa hoặc 
chớp điện mới có thể tìm thấy chúng, thế nhưng 
trong vũ trụ, thế lực của chúng rất to lớn, khoảng 
99,9% vật chất trong toàn vũ trụ đều ở vào trạng 
thái plasma.
Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận 
năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như 
từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma 
nhiệt độ thấp. Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm 
nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ 
cao thì plasma còn gọi là plasma nóng. Các ví dụ 
về plasma dễ thấy nhất là mặt trời, các ngôi sao, 
đèn huỳnh quang và sét.
Hình 1. Thành phần vật chất cấu thành 
plasma
ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỔI HOÁ HỌC
CỦA NƯỚC TRONG QUÁ TRÌNH HOẠT HOÁ
BẰNG PLASMA LẠNH
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
33Số 58 - Tháng 03/2019
Phụ thuộc vào hiệu suất trao đổi năng 
lượng giữa các thành phần của plasma, plasma 
được phân thành plasma phi nhiệt và plasma 
nhiệt. Đối với plasma nhiệt, nhiệt độ của điện tử 
bằng với nhiệt độ của ion và nhiệt độ của chất 
khí. Đối với plasma lạnh, nhiệt độ điện tử đạt giá 
trị rất lớn trong khi ion và chất khí có nhiệt độ 
xấp xỉ môi trường. 
Trong những năm gần đây, nghiên cứu 
plasma lạnh để xử lý nước là chủ đề thu hút sự 
quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Ở 
Việt Nam plasma lạnh đang được triển khai ứng 
dụng trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là 
trong việc diệt khuẩn thay thế kháng sinh. Plasma 
lạnh được chứng minh có tác dụng ức chế rất 
nhiều vi sinh vật, cả bào tử và virus. Electron, 
ion có động năng lớn, tia UV trong plasma bắn 
phá thành tế bào tạo ra các gốc oxy hoá bậc cao 
phá vỡ cấu trúc DNA, thành tế bào và các liên kết 
giữa các thành phần trong tế bào gây tổn thương 
không phục hồi và gây ra chết vi sinh vật.
1.2. Nước hoạt hoá plasma
Nước được hoạt hoá bằng plasma (PAW) 
đang được nghiên cứu để xử lý nhiễm khuẩn cho 
thực phẩm [1] và cho các ứng dụng y tế [2]. PAW 
được tạo ra rất đơn giản bằng cách xử lý nước 
bằng plasma lạnh trong không khí. Chất lỏng 
hoạt hoá plasma (PAL) trong đó có PAW cho thấy 
khả năng chống lại rất nhiều vi sinh vật [1 - 15]. 
Khả năng diệt khuẩn này hiệu quả đến mức người 
ta gán cho nó biệt danh “nước chết” [10]. PAL có 
thời hạn sử dụng tốt, nó có thể duy trì khả năng 
kháng khuẩn từ nhiều ngày đến vài tuần [7, 15] 
thậm chí nhiều năm [16]. Bên cạnh nước, dung 
dịch đệm và môi trường nuôi cấy tế bào được 
hoạt hoá plasma cũng đang được nghiên cứu để 
điều trị ung thư [17 - 20].
Hoạt động kháng khuẩn của PAW và các 
dung dịch được xử lý bằng plasma khác chủ yếu 
được tạo ra bởi các chất oxy và nitơ hoạt động 
(RONS) [21]. RON được tạo ra bởi tương tác 
plasma-không khí trong pha khí sau đó hòa tan 
vào dung dịch. Ngoài ra, plasma làm giảm độ pH 
của dung dịch. RONS kết hợp với độ axit tăng 
lên của PAW được cho là hoạt động đồng bộ, tạo 
ra một cuộc tấn công oxy hóa mạnh mẽ chống lại 
vi khuẩn [15]. Mức độ nhạy cảm cao của các tế 
bào vi khuẩn đối với PAW có thể phát sinh từ tỷ 
lệ diện tích bề mặt so với thể tích của các tế bào 
nhân sơ cao hơn so với các tế bào nhân chuẩn, làm 
tăng nồng độ RONS trong các tế bào này [22]. Ở 
vi khuẩn, RONS có thể phá huỷ tế bào thông qua 
gia tăng oxy hóa (oxidative stress) hoặc suy giảm 
ADN (DNA damage) [23].
Các RON được cho là chịu trách nhiệm 
chính trong hoạt động kháng khuẩn của PAW 
là hydrogen peroxide (H
2
O
2
), nitrit (NO
2
-), và 
nitrate (NO
3
-) [5]. Tuy nhiên, hóa học plasma-
lỏng phức tạp hơn nhiều, đặc biệt ở giao diện 
plasma-lỏng, nơi có nhiều loại RON có hoạt tính 
mạnh được tạo ra như gốc hydroxyl (OH.), gốc 
nitric oxit (NO.), gốc tự do superoxide (O
2
-), gốc 
hydroperoxyl (HOO.), gốc nitric dioxide (N
2
O.), 
oxy singlet (1O
2
), ozone (O
3
). Hóa chất lỏng được 
khởi tạo bằng xử lý plasma có thể ảnh hưởng 
mạnh mẽ đến tính chất hóa học và tính kháng 
khuẩn lâu dài của PAW. Do đó, theo dõi và kiểm 
soát hóa học plasma và chất lỏng của PAW để đạt 
được kết quả tổng hợp như mong muốn cho các 
ứng dụng sinh học hoặc y tế cụ thể là vô cùng 
quan trọng. Tổng quan về tương tác plasma - lỏng 
có thể tìm thấy trong [24, 25].
Hóa học plasma đã được nghiên cứu chi 
tiết [26 - 28] được cho là ảnh hưởng đáng kể đến 
quá trình hóa học tạo ra PAW. Phương pháp cộng 
hưởng spin điện tử (ESR) đã được sử dụng để 
đo các RON có thời gian sống ngắn trong PAW 
[29]. Có một kỹ thuật khác thông dụng hơn được 
dùng để đo RONS bền (như H
2
O
2
, NO
2
- và NO
3
-) 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
34 Số 58 - Tháng 03/2019
nhờ sử dụng chất màu phản ứng với RONS để 
đo màu hoặc huỳnh quang giúp nhanh chóng xác 
định được nồng độ của RONS [30, 31]. Chúng 
tôi thấy rằng quang phổ hấp thụ UV-vis là một kỹ 
thuật tương đối đơn giản và hiệu quả và chi phí 
thấp để đo nồng độ RONS bền của PAW. Đặc biệt 
nó còn có thể thực hiện nhiều phép đo trong quá 
trình xử lý plasma [32]. Chúng ta có thể dùng phổ 
UV-vis để thu được nồng độ RON trong PAW với 
độ chính xác, độ lặp lại và độ nhạy cao [33, 34].
Trong nghiên cứu này chúng tôi tìm hiểu 
ảnh hưởng của thời gian xử lý plasma và thời 
gian lưu trữ PAW lên thành phần hoá học của nó. 
Kết quả thu được là cơ sở đầu tiên để hiểu bản 
chất hóa lý của PAW và tiến hành lập kế hoạch 
các thí nghiệm tiếp theo nghiên cứu hoạt tính sinh 
học của PAW.
II. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ
Phương pháp tạo nước hoạt hóa plasma: 
500 ml nước cất 2 lần được bơm tuần hoàn với 
tốc độ 0,4 l/phút qua buồng plasma (Hình 2) có 
công suất 200 W, thời gian 1X tương đương 45 
giây, 20X là 15 phút. Thành phần của PAW được 
phân tích dựa vào quang phổ hấp thụ UV-vis. 
Dung dịch PAW được lưu trữ trong chai thủy tinh 
tối màu dung tích 500 ml để phân tích ảnh hưởng 
của thời gian lưu trữ lên thành phần của PAW.
Phương pháp xác định nồng độ HNO
2
, 
HNO
3
, H
2
O
2
 của PAW: Sử dụng quang phổ hấp 
thụ UV-vis để xác định nồng độ HNO
2
, HNO
3
, 
H
2
O
2
 của PAW.
Thay đổi động học xử lý: Thời gian xử lý 
plasma 1 lần, 5 lần, 10 lần và 20 lần qua plasma). 
Thành phần khí: không khí.
Thời gian bảo quản PAW: Đo đạc ngay 
sau khi hoạt hóa 0 ngày, 1 ngày, 3 ngày, 6 ngày 
và 12 ngày.
Địa điểm tiến hành: Việc đo đạc một số 
thông số hoá lý của PAW sẽ được thực hiện tại 
Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KHCNVN.
Hình 2: Thiết bị hoạt hóa nước bằng 
plasma lạnh gồm nguồn plasma và buồng gồm 
pha khí trên và pha lỏng dưới
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Sự hình thành và biến động nồng độ H2O2 
theo thời gian xử lý plasma và thời gian bảo 
quản
Hình 3: Sự biến động nồng độ H
2
O
2
 thông 
qua thời gian xử lý 1X (45 giây), 5X, 10X và 20X 
(15 phút) và thời gian bảo quản 0, 1, 3, 6, 12 
ngày trong chai kín ở nhiệt độ phòng
Peroxit hình thành trong quá trình nước 
tiếp xúc với plasma lạnh và không khí được sử 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
35Số 58 - Tháng 03/2019
dụng trong buồng xử lý plasma. Hình 3 cho thấy 
nồng độ H
2
O
2
 tăng lên từ 0,08 mM lên 0,2; 0,4 và 
0,8 mM khi tăng thời gian xử lý plasma từ 1X lên 
2X, 5X, 10X và 20X.
Khi tiến hành bảo quản PAW ở chai thủy 
tinh đậy kín và nhiệt độ phòng nồng độ H
2
O
2
 giảm 
rất nhanh, càng thấp thì giảm càng nhanh: sau 1 
ngày giảm còn 50-60%, sau 3 ngày giảm còn 30-
37,3%, sau 6 ngày hầu như hết, riêng công thức 
xử lý 20X còn 12,5% sau 12 ngày bảo quản. Có 
thể khẳng định H
2
O
2
 là gốc tự do hoạt động mạnh 
trong thời gian mới hình thành (khoảng 3 ngày), 
về sau hầu như khó phát hiện. Đó là một trong 
những lý do vì sao tính diệt khuẩn của PAW mất 
sau bảo quản khiến cho một số tác giả bị nghi 
ngờ.
3.2. Sự hình thành và biến động nồng độ HNO2 
theo thời gian xử lý plasma và thời gian bảo 
quản
Nitrit được hình thành trong quá trình 
kích hoạt nước với plasma lạnh, nồng độ HNO
2 
tỷ lệ thuận với thời gian hoạt hóa, nhưng rất thấp, 
chỉ đạt từ 0,05 đến 0,1 mM sau khi hoạt hóa với 
thời lượng từ 1X đến 20X.
Hình 4: Sự biến động nồng độ HNO
2
thông qua thời gian xử lý 1X (45 giây), 5X, 10X 
và 20X (15 phút) và thời gian bảo quản 0, 1, 3, 
6, 12 ngày trong chai kín ở nhiệt độ phòng. Nồng 
độ HNO
2
 tăng tỷ lệ thuận với thời gian xử lý nước 
với plasma và giảm rất nhanh với thời gian bảo 
quản ở nhiệt độ trong phòng
Điều đặc biệt đáng lưu ý là nồng độ 
HNO
2
 giảm rất nhanh trong quá trình bảo quản: 
sau 3 ngày gần như hết toàn bộ (Hình 4).
Có thể giải thích hiện tượng này là do 
hoạt động của H
2
O
2
. Tác nhân này đã chuyển hóa 
HNO
2
 thành HNO
3
.
3.3. Sự hình thành và biến động nồng độ 
HNO3 theo thời gian xử lý plasma và thời gian 
bảo quản
Nồng độ HNO
3
 đạt trong khoảng từ 0,5 
đến 2,1 mM và tỷ lệ thuận với thời gian hoạt hóa. 
Điều đặc biệt là nồng độ HNO
3
 trong các mẫu 
đều tăng nhẹ trong thời gian đầu của quá trình 
bảo quản và sau 1 ngày thì duy trì ổn định suốt 
thời gian bảo quản đến 12 ngày.
Nồng độ HNO
3
 tăng nhẹ trong ngày bảo 
quả đầu tiên là kết quả của quá trình chuyển hóa 
từ HNO
2
 thành HNO
3
 dưới tác động của H
2
O
2
. 
Điều đó cho phép giải thích về sự giảm nhanh 
nồng độ hai loại phân tử trên trong thời gian đầu 
của quá trình bảo quản (Hình 5).
Hình 5: Sự biến động nồng độ HNO
3
thông qua thời gian xử lý 1X (45 giây), 5X, 10X 
và 20X (15 phút) và thời gian bảo quản 0, 1, 3, 6, 
12 ngày trong chai kín ở nhiệt độ phòng. Lượng 
HNO
3
 được hình thành khá mạnh trong điều kiện 
không khí được dùng trong quá trình plasma hóa, 
đạt nồng độ từ 0,5 đến 2,1 mM. Đặc biệt là nồng 
độ này tăng nhẹ trong ngày bảo quản đầu tiên và 
duy trì ổn định vô thời hạn
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
36 Số 58 - Tháng 03/2019
IV. KẾT LUẬN
Nồng độ H
2
O
2
, HNO
2
 và HNO
3
 tỷ lệ 
thuận với thời gian hoạt hóa nước bằng plasma 
nhiệt độ thấp từ 1X (45 giây) đến 20X (15 phút), 
không phát hiện được điểm bảo hòa.
Nồng độ H
2
O
2
, HNO
2
 giảm mạnh khi bảo 
quản PAW bằng chai thủy tinh đóng kín tại nhiệt 
độ phòng.
Riêng nồng độ HNO
3
 không những không 
giảm mà còn tăng nhẹ sau hoạt hóa và giữ ổn định 
suốt thời gian thí nghiệm bảo quản (đến 12 ngày).
Đỗ Hoàng Tùng, Viện Vật lý
Viện Hàn lâm Khoa học và CN Việt Nam
Nguyễn Thị Thu Thủy
Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy
_________________________________
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S. Jung, H. J. Kim, S. Park, H. I. Yong, 
J. H. Choe, H.-J. Jeon, W. Choe, and C. Jo, Meat 
Sci. 108, 132 (2015). 
[2] T. Tasaki, T. Ohshima, E. Usui, S. Ikawa, 
K. Kitano, N. Maeda, and Y. Momoi, Dent. Mater. 
J. 36, 422 (2017). 
[3] S. Ikawa, K. Kitano, and S. Hamaguchi, 
Plasma Processes Polym. 7, 33 (2010). 
[4] J. Foster, B. S. Sommers, S. N. Gucker, 
I. M. Blankson, and G. Adamovsky, IEEE Trans. 
Plasma Sci. 40, 1311 (2012). 
[5] K. Oehmigen, M. Hähnel, R. 
Brandenburg, Ch. Wilke, K.-D. Weltmann, and 
Th. von Woedtke, Plasma Processes Polym. 7, 
250 (2010). 
[6] K. Oehmigen, J. Winter, M. Hähnel, Ch. 
Wilke, R. Brandenburg, K.-D. Weltmann, and 
Th. von Woedtke, Plasma Processes Polym. 8, 
904 (2011). 
[7] M. J. Traylor, M. J. Pavlovich, S. Karim, 
P. Hait, Y. Sakiyama, D. S. Clark, and D. B. 
Graves, J. Phys. D 44, 472001 (2011). 
[8] E. Takai, K. Kitano, J. Kuwabara, and K. 
Shiraki, Plasma Processes Polym. 9, 77 (2012). 
[9] R. Burlica, R. G. Grim, K.-Y. Shih, D. 
Balkwill, and B. R. Locke, Plasma Processes 
Polym. 7, 640 (2010). 
[10] J. Julák, V. Scholtz, S. Kotúčová, and O. 
Janoušková, Phys. Med. 28, 230 (2012). 
[11] K. Kitano, S. Ikawa, A. Tani, Y. 
Nakashima, H. Yamazaki, T. Ohshima, K. 
Kaneko, M. Ito, T. Kuwata, and A. Yagishita, 
21st Int. Symp. Plasma Chemistry, 2013. 
[12] E. Takai, T. Kitamura, J. Kuwabara, S. 
Ikawa, S. Yoshzawa, K. Shiraki, H. Kawasaki, R. 
Arakawa, and K. Kitano, J. Phys. D 47, 285403 
(2014). 
[13] P. Lukes, E. Dolezalova, I. Sisrova, and 
M. Clupek, Plasma Sources Sci. Technol. 23, 
015019 (2014). 
[14] T. Kobayashi, N. Iwata, J.-S. Oh, H. 
Hashizume, T. Ohta, K. Takeda, K. Ishikawa, M. 
Hori, and M. Ito, J. Phys. D 50, 155208 (2017). 
[15] M. Naïtali, G. Kamgang-Youbi, J.-M. 
Herry, M.-N. Bellon-Fontaine, and J.-L. Brisset, 
Appl. Environ. Microbiol. 76, 7662 (2010). 
[16] U. K. Ercan, H. Wang, H. Ji, G. Fridman, 
A. D. Brooks, and S. G. Joshi, Plasma Processes 
Polym. 10, 544 (2013). 
[17] H. Tanaka, M. Mizuno, K. Ishikawa, K. 
Nakamura, H. Kajiyama, H. Kano, F. Kikkawa, 
and M. Hori, Plasma Med. 1, 265 (2011). 
[18] S. Iseki, K. Nakamura, M. Hayashi, H. 
Tanaka, H. Kondo, H. Kajiyama, H. Kano, F. 
Kikkawa, and M. Hori, Appl. Phys. Lett. 100, 
113702 (2012). 
[19] F. Utsumi, H. Kajiyama, K. Nakamura, 
H. Tanaka, M. Mizuno, K. Ishikawa, H. Kondo, 
H. Kano, M. Hori, and F. Kikkawa, PLOS ONE 
8, e81576 (2013). 
[20] E. Takai, G. Ohashi, T. Yoshida, K. M. 
Sörgjerd, T. Zako, M. Maeda, K. Kitano, and K. 
Shiraki, Appl. Phys. Lett. 104, 023701 (2014). 
[21] D. B. Graves, J. Phys. D 45, 263001 
(2012). 
[22] E. J. Szili, S.-H. Hong, and R. D. Short, 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
37Số 58 - Tháng 03/2019
Biointerphases 10, 029511 (2015). 
[23] E. J. Szili, N. Gaur, S.-H. Hong, H. 
Kurita, J.-S. Oh, M. Ito, A. Mizuno, A. Hatta, A. 
J. Cowin, D. B. Graves, and R. D. Short, J. Phys. 
D 50, 274001 (2017). 
[24] P. Bruggeman and C. Leys, J. Phys. D 
42, 053001 (2009). 
[25] P. J. Bruggeman, M. J. Kushner, B. R. 
Locke, J. G. E. Gardeniers, W. G. Graham, D. B. 
Graves, R. C. H. M. Hofman-Caris, D. Maric, 
J. P. Reid, E. Ceriani, D. Fernandez Rivas, J. E. 
Foster, S. C. Garrick, Y. Gorbanev, S. Hamaguchi, 
F. Iza, H. Jablonowski, E. Klimova, J. Kolb, F. 
Krcma, P. Lukes, Z. Machala, I. Marinov, D. 
Mariotti, S. Mededovic Thagard, D. Minakata, E. 
C. Neyts, J. Pawlat, Z. Lj Petrovic, R. Pflieger, S. 
Reuter, D. C. Schram, S. Schröter, M. Shiraiwa, 
B. Tarabová, P. A. Tsai, J. R. R. Verlet, T. von 
Woedtke, K. R. Wilson, K. Yasui, and G. Zvereva, 
Plasma Sources Sci. Technol. 25, 053002 (2016). 
[26] J.-S. Oh, Y. Aranda-Gonzalvo, and J. W. 
Bradley, J. Phys. D 44, 365202 (2011). 
[27] K. McKay, J.-S. Oh, J. L. Walsh, and J. 
W. Bradley, J. Phys. D 46, 464018 (2013). 
[28] J.-S. Oh, H. Furuta, A. Hatta, and J. W. 
Bradley, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 01AA03 (2015). 
[29] A. Tani, Y. Ono, S. Fukui, S. Ikawa, and 
K. Kitano, Appl. Phys. Lett. 100, 254103 (2012). 
[30] E. J. Szili, J. W. Bradley, and R. D. Short, 
J. Phys. D 47, 152002 (2014). 
[31] N. Gaur, E. J. Szili, J.-S. Oh, S.-H. Hong, 
A. Michelmore, D. B. Graves, A. Hatta, and R. D. 
Short, Appl. Phys. Lett. 107, 103703 (2015). 
[32] E. J. Szili, J.-S. Oh, S.-H. Hong, A. Hatta, 
and R. D. Short, J. Phys. D 48, 202001 (2015). 
[33] J.-S. Oh, E. J. Szili, N. Gaur, S.-H. 
Hong, H. Furuta, R. D. Short, and A. Hatta, J. 
Photopolym. Sci. Technol. 28, 439 (2015).