Aplicación de iones negativos y un campo eléctrico para contrarrestar la transmisión de gotas/aerosoles sin obstaculizar la comunicación

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13965 (2023) Citar este artículo

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En la pandemia de COVID-19, se adoptaron cierres y mamparas acrílicas como contramedidas contra las infecciones por gotitas o aerosoles; sin embargo, estas contramedidas restringen la comunicación. En este estudio, se desarrolló un dispositivo de bloqueo utilizando iones negativos y un campo eléctrico. El dispositivo bloquea las nieblas que simulan gotas/aerosoles en un máximo del 89%, pero transmite luz y sonido, lo cual es importante para la comunicación. El dispositivo demostró un rendimiento de bloqueo eficaz para aerosoles, incluido el virus COVID-19 propagado por pacientes en una clínica. Nuestro dispositivo puede ayudar a prevenir infecciones sin interrumpir la comunicación.

Las infecciones se transmiten a través de gotitas o aerosoles que se producen al hablar o toser. Por ejemplo, la influenza H1N1, el síndrome respiratorio agudo severo (SARS) y el síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS) se han propagado debido a gotitas/aerosoles1. Además, la COVID-19 se transmite principalmente a través de gotitas/aerosoles y por contacto2, lo que da lugar a una grave pandemia mundial. Por lo tanto, las contramedidas contra la transmisión por gotitas/aerosoles son esenciales para mantener la salud pública.

En las primeras etapas de la pandemia de COVID-19, se aplicaron confinamientos como contramedidas estrictas en todo el mundo3. Sin embargo, fueron contramedidas insostenibles debido a problemas graves que incluían una interacción cara a cara reducida e indujeron pérdidas económicas graves4, enfermedades mentales como la depresión5,6 y, como hemos informado anteriormente, un retraso en las habilidades socioemocionales entre los niños en edad preescolar y un mayor conductas parentales abusivas7,8. Por lo tanto, se requieren contramedidas sostenibles contra las pandemias sin perturbar las actividades económicas y las interacciones diarias.

Las particiones son contramedidas utilizadas para bloquear la transmisión de gotas/aerosoles durante la comunicación. Las desventajas de las mamparas son el reflejo y el bloqueo del sonido y la luz. La voz reflejada molesta al hablante9 y el efecto de bloqueo perturba la comunicación. La luz reflejada impide la lectura de las expresiones faciales. Por lo tanto, se requiere un método que transmita sonido y luz mientras bloquea las gotas/aerosoles.

Para lograr contramedidas sostenibles contra las infecciones sin perjudicar la comunicación, nos centramos en el uso de iones negativos y un campo eléctrico, que bloquean las gotas/aerosoles pero transmiten sonido y luz. Los iones negativos y un campo eléctrico se aplican convencionalmente en los purificadores de aire porque recolectan de manera eficiente virus y bacterias en el aire10,11,12. Consideramos que los iones negativos y el campo eléctrico son soluciones aplicables para bloquear gotas/aerosoles en lugares donde las personas se comunican.

En este estudio, proponemos un dispositivo que bloquea gotas/aerosoles utilizando iones negativos y un campo eléctrico. Se prepararon diferentes dispositivos de bloqueo con alturas entre 8 y 50 cm y se simuló un campo eléctrico. Los efectos de los iones negativos y el campo eléctrico sobre los objetos flotantes en la atmósfera, el efecto del campo eléctrico al guiar los iones negativos, el bloqueo del funcionamiento del dispositivo de bloqueo, el bloqueo del funcionamiento en diferentes posiciones de altura y la transmisión y reflexión de la luz y el sonido. fueron observados. Finalmente se investigó el dispositivo de bloqueo para bloquear aerosoles que contienen virus COVID-19.

El dispositivo de bloqueo (que se muestra en la Fig. 1a) consta de tres partes principales: un ionizador, una tierra y un electrodo colector. El ancho del dispositivo de bloqueo es de 36 cm y la altura se cambió para cada experimento. La Figura 1b muestra los esquemas del dispositivo. Se colocaron de tres a once ionizadores (Huizhou Pengkui Technology Co., China) a intervalos iguales en la línea central de la superficie superior del dispositivo de bloqueo. Los ionizadores se conectaron a una fuente de alimentación de 12 V CC (PR18-3A, TEXIO). Los iones negativos se generaron mediante descarga en corona en dos electrodos del ionizador. En particular, no se detectó ozono utilizando un sensor semiconductor (Ozon checker OC-300, Ozon Technica CO., LTD) durante la generación de iones negativos en el ionizador. El límite de detección del sensor fue de 0,001 ppm. Se fijó una malla metálica, a modo de masa, a la superficie superior del dispositivo de bloqueo que rodea los ionizadores. Se fijó un electrodo colector en la parte inferior del dispositivo de bloqueo. Se aplicó un voltaje total de + 15 kV al electrodo colector utilizando una fuente de alimentación de alto voltaje (GS30P, Green Techno).

(a) Imagen del dispositivo de bloqueo. (b) Esquema del dispositivo.

El campo eléctrico se simuló utilizando el modelo que se muestra en la Fig. 2a. Se aplica un potencial de 15 kV al electrodo colector y de 0 kV al electrodo de tierra. Las figuras 2b yc muestran la distribución del campo eléctrico en las direcciones Y – Z y X – Z para el dispositivo de bloqueo con una altura de 30 cm. La intensidad del campo eléctrico en el dispositivo de bloqueo era casi constante en las direcciones Y y X. La Figura 2d-f muestra la intensidad del campo eléctrico en la dirección Z para un dispositivo de bloqueo con una altura de 8, 16 y 30 cm, respectivamente. La intensidad del campo eléctrico era alta alrededor del electrodo colector y la intensidad disminuyó junto con la distancia desde el electrodo colector (dirección Z); Esta disminución del campo eléctrico puede ser causada por un electrodo finito y un efecto de borde. La intensidad máxima del campo eléctrico fue de 235, 164 y 145 kV/m en el dispositivo de bloqueo con alturas de 8, 16 y 30 cm, respectivamente. Estos resultados de simulación sugieren que el rendimiento de bloqueo alrededor del electrodo colector es más efectivo que alrededor del electrodo de tierra.

(a) Modelo de simulación. ( b, c ) Resultado de la simulación del dispositivo con una altura de 30 cm. ( d – f ) Intensidad del campo eléctrico a la distancia de la superficie del electrodo colector. La altura del dispositivo fue de 8, 16 y 30 cm para (d), (e) y (f), respectivamente.

Para investigar los efectos de los iones negativos y los campos eléctricos sobre los objetos que fluyen en la atmósfera, se observó el flujo de humo. Las Figuras 3a a d muestran imágenes capturadas del video S1, que registró el flujo de humo. Cuando no se generaron iones negativos ni un campo eléctrico, el humo se movió hacia arriba (Fig. 3a). Cuando solo se generaron iones negativos a partir de los ionizadores, el humo se dirigió hacia abajo rápidamente y luego rebotó contra el electrodo colector (Fig. 3b). También se observó un viento iónico cuando se encendieron los ionizadores. En el caso del campo eléctrico sin iones negativos, el humo fluyó parcialmente hacia el electrodo colector (Fig. 3c). Sin embargo, casi todo el humo fluyó hacia el electrodo colector cuando se generaron tanto los iones negativos como el campo eléctrico (Fig. 3d). Además, el rebote del humo mejoró en comparación con el caso de solo iones negativos (Fig. 3b yd). La Figura 3 indica que los iones negativos y el campo eléctrico indujeron que el humo fluyera hacia el electrodo colector. Además, el uso tanto de iones negativos como del campo eléctrico mejora el flujo de humo hacia el electrodo colector y evita el rebote, lo que sugiere que los iones negativos y el campo eléctrico bloquean potencialmente las gotas/aerosoles.

Efecto de los iones negativos y del campo eléctrico sobre el flujo de humo. La altura entre el ionizador y el electrodo colector fue de 22 cm para (a) y (b) y de 15 cm para (c) y (d). (a) Flujo de humo sin iones negativos ni campo eléctrico. (b) El humo fluye solo con los iones negativos. (c) Flujo de humo sólo con el campo eléctrico. (d) Flujo de humo con iones negativos y campo eléctrico.

En el proceso de bloquear las gotas/aerosol mediante el dispositivo de bloqueo (Fig. 4), las primeras gotas/aerosol quedan cargadas negativamente por los iones negativos. Luego, el campo eléctrico guía las gotas/aerosol cargados hacia el electrodo colector. Por lo tanto, es importante el desempeño del campo eléctrico para guiar los iones negativos. Se investigó la distribución de la concentración de iones negativos alrededor del dispositivo para verificar el rendimiento de guía del campo eléctrico.

Esquema de las gotas/aerosol bloqueantes.

Las Figuras 5a a c muestran dispositivos con alturas de 8, 16 y 30 cm, respectivamente, sin campo eléctrico. Se observaron iones negativos de alta concentración dentro y fuera de los dispositivos, y la concentración de iones negativos disminuyó gradualmente al aumentar la distancia desde el dispositivo, lo que indica que los iones negativos generados por los ionizadores se filtraron sin el campo eléctrico. En particular, con un dispositivo de mayor altura se escaparon más iones negativos, y los iones negativos alcanzaron una distancia de 40 cm desde los dispositivos de bloqueo con una altura de 30 cm. Posteriormente, las figuras 5d a f muestran los dispositivos con alturas de 8, 16 y 30 cm, respectivamente, con el campo eléctrico. También se observaron iones negativos de alta concentración dentro de los dispositivos de bloqueo, pero la distribución de los iones negativos fuera del dispositivo disminuyó drásticamente debido al efecto del campo eléctrico. Con el dispositivo con alturas de 8 y 16 cm no se detectaron iones negativos. El dispositivo con una altura de 30 cm con el campo eléctrico liberó iones negativos parcialmente debido a la reducción del campo eléctrico dependiendo de la altura del dispositivo, como se muestra en la Fig. 3. Tenga en cuenta que los iones negativos se detectaron a 20 cm del dispositivo (Fig. . 5f), que está más cerca del dispositivo sin campo eléctrico (a 40 cm del dispositivo, Fig. 5c), lo que indica que el campo eléctrico guía a los iones negativos. La concentración de iones negativos en el dispositivo con una altura de 30 cm disminuyó (Fig. 5f) en comparación con el dispositivo sin campo eléctrico (Fig. 5c). Este resultado puede explicarse por la aceleración de los iones negativos por el campo eléctrico. La siguiente ecuación expresa la corriente \(I\) debida a los iones negativos:

donde, \(A\), \(e\), \({v}_{i}\) y \({n}_{i}\) son las secciones transversales del electrodo colector, carga elemental , velocidad de iones negativos y densidad del número de iones negativos, respectivamente. Cuando las gotas cargadas son aceleradas por el campo eléctrico, debido a que \(I\), \(e\) y \(A\) son constantes, se obtiene un \({n}_{i}\) más pequeño, como como se muestra en las figuras 5c y f. La Figura 5 indica que el campo eléctrico mejora la guía de iones negativos hacia el electrodo colector, lo cual es importante para bloquear gotas/aerosoles cargados.

Distribución de la concentración de iones negativos alrededor del dispositivo. La altura de los dispositivos en (a) y (d) es de 8 cm, 16 cm en (b) y (e) y 30 cm en (c) y (f). (a), (b) y (c) muestran los resultados de la medición sin el campo eléctrico. (d), (e) y (f) muestran los resultados de la medición con el campo eléctrico. Las áreas marcadas con * indican que la concentración de iones negativos saturó la limitación de medición del equipo contador de iones.

El rendimiento de bloqueo de los dispositivos con dos tipos de electrodos colectores se evaluó cambiando la altura del dispositivo de bloqueo (Fig. 6a). El primer electrodo colector se saturó con agarosa con NaCl para capturar partículas mediante la humectabilidad de la superficie. El segundo electrodo colector era lana de acero para recolectar partículas utilizando una estructura de malla con una gran superficie. La altura del dispositivo de bloqueo se controló entre 8 y 50 cm. La niebla se utilizó para simular gotitas/aerosol generados por una tos leve13.

(a) Esquema de la configuración del experimento. (b) Imagen representativa del dispositivo de bloqueo a una altura de 8 cm utilizando lana de acero como electrodo colector. (c) Flujo de niebla sin iones negativos ni campo eléctrico. (d) Flujo de niebla con iones negativos y un campo eléctrico utilizando lana de acero como electrodo colector. (e) Flujo de niebla con iones negativos y un campo eléctrico utilizando agarosa como electrodo colector. (f) Relación entre la concentración de tinte fluorescente y la altura del dispositivo. "Agarosa" indica el dispositivo con iones negativos y un campo eléctrico que utiliza agarosa como electrodo colector. "Lana de acero" indica el dispositivo con iones negativos y un campo eléctrico que utiliza lana de acero como electrodo colector. “Sin NI y EF” indica el dispositivo sin iones negativos ni campo eléctrico. Las barras de error indican las desviaciones de los tres experimentos. (g) Relación entre la relación de bloqueo y la altura del dispositivo.

La Figura 6b muestra una imagen representativa del dispositivo con una altura de 8 cm que utiliza lana de acero como electrodo colector. En el vídeo S2 se muestra el flujo de niebla utilizando el dispositivo de bloqueo con “Agarosa” o “lana de acero” a diferentes alturas. La Figura 6c-e muestra imágenes capturadas del Video S2 usando un dispositivo con lana de acero o agarosa como electrodo colector. La Figura 6c muestra que la niebla pasa a través del dispositivo de bloqueo sin iones negativos ni campo eléctrico. Al aplicar iones negativos y un campo eléctrico, el dispositivo comenzó a bloquear la niebla (Fig. 6d y e). Además, la niebla fue bloqueada en una posición a 10 cm del dispositivo mediante el electrodo colector de agarosa, lo que implica que la agarosa es superior a la lana de acero como electrodo colector.

Para cuantificar el rendimiento del electrodo colector, se midió la concentración de tinte fluorescente en el agua (Fig. 6a), lo que indica la cantidad de niebla que pasa a través del dispositivo dependiendo de la altura del dispositivo. La concentración de tinte fluorescente usando el dispositivo con agarosa fue menor que la del electrodo colector de lana de acero (Fig. 6f), lo que indica que la agarosa es superior a la lana de acero como electrodo colector. Esta tendencia es consistente con la que se muestra en las figuras 6d y e. La concentración de tinte fluorescente aumentó dependiendo de la altura del dispositivo, lo que indica que el rendimiento de bloqueo no se pudo mantener en un amplio rango de altura del dispositivo. En este experimento, medimos la corriente desde el electrodo colector hasta la superficie del suelo. La corriente disminuyó con la altura del dispositivo de 20 a 30, 1 a 8 y 0 μA a 8, 16 y 20 a 50 cm, respectivamente. La corriente decreciente con la altura del dispositivo implicó que un campo eléctrico con un amplio rango de altura del dispositivo no guiaba iones negativos, lo que provoca un bajo rendimiento de bloqueo, como se muestra en la Fig. 6f.

La Figura 6g muestra la relación de bloqueo; la relación de bloqueo se calculó en función de la concentración de tinte fluorescente sin iones negativos y un campo eléctrico (Fig. 6f). La tasa de bloqueo máxima fue del 79 % utilizando el electrodo colector de lana de acero con una altura de 8 cm, y la tasa de bloqueo disminuyó al aumentar la altura del dispositivo. Por el contrario, la tasa de bloqueo máxima fue del 89 % utilizando el electrodo colector de agarosa con una altura de 16 cm, y la tasa de bloqueo disminuyó en una altura del dispositivo de 16 cm. Las alturas efectivas del dispositivo (relación de bloqueo> 0%) fueron de 30 y 16 cm utilizando agarosa y lana de acero como electrodos colectores, respectivamente. Por lo tanto, la Fig. 6 muestra que la agarosa es superior a la lana de acero como electrodo colector en términos de la altura efectiva del dispositivo.

La distribución de iones negativos cambió con la altura del dispositivo (Fig. 5), y el rendimiento del bloqueo también se vio influenciado por ella (Fig. 6). Por lo tanto, predecimos que el rendimiento del bloqueo está relacionado con las posiciones de altura en el dispositivo (Fig. 7a). Para evaluar el rendimiento del bloqueo en diferentes posiciones de altura en el dispositivo, se determinó la cantidad de niebla que pasó a través del dispositivo utilizando la intensidad de luminancia. La intensidad de luminancia se midió en el área rodeada por el marco amarillo que se muestra en las figuras 7b y c. La Figura 7d muestra la relación de bloqueo calculada utilizando la intensidad de luminancia. El dispositivo con una altura de 16 cm mostró una disminución gradual en la relación de bloqueo; sin embargo, se mantuvo una proporción de bloqueo del 92% para la posición de altura de 7 a 13 cm. Por el contrario, el dispositivo con una altura de 30 cm mostró una fuerte disminución en la relación de bloqueo, lo que sugiere que el rendimiento de bloqueo fue mayor alrededor del electrodo colector que alrededor del suelo. La relación de bloqueo fue inferior al 60% para el dispositivo con una posición de altura de 13 a 25 cm. La Figura 7d sugiere que es necesario colocar el electrodo colector cerca de las gotas/aerosol para mejorar el rendimiento de bloqueo contra las gotas/aerosol.

(a) Esquema de la configuración experimental. (b,c) Dispositivo con una altura de 16 cm y flujo de niebla en una posición de altura de 9 cm. (b) La niebla fluye hacia el dispositivo sin iones negativos ni campo eléctrico. (c) La niebla fluye hacia el dispositivo de bloqueo con iones negativos y un campo eléctrico. (d) Relación de bloqueo del dispositivo con alturas de 16 y 30 cm.

La partición con materiales transparentes interfiere con la luz y el sonido, interrumpiendo así la comunicación. Por ejemplo, como se muestra en la Fig. 8a, una partición acrílica refleja la cara de una muñeca, lo que sugiere que impide la comunicación. Sin embargo, nuestro dispositivo no muestra reflejos de luz y la cara de la muñeca se puede observar claramente. Evaluamos la transmisión y reflexión de la luz y el sonido para confirmar las propiedades acústicas y ópticas de nuestro dispositivo. La Figura 8b muestra las propiedades de transmisión del sonido. La transmisión de sonido del dispositivo fue tan alta como la del aire (65 dB), a diferencia de la partición acrílica (56 dB), que reduce el nivel de sonido. Además, la Fig. 8c no muestra diferencias significativas en la reflexión del sonido. Por lo tanto, las figuras 8b yc indican que los iones negativos y el campo eléctrico del dispositivo no influyen acústicamente en el sonido. La Figura 8d muestra los espectros de transmisión de luz. El espectro del dispositivo se superpuso con el del aire, lo que indica que no hay una disminución significativa de la luz debido a los iones negativos y al campo eléctrico del dispositivo. Sin embargo, la partición acrílica disminuyó la transmisión de luz (intensidad máxima de 57 a 603 nm) en contraste con el dispositivo desarrollado (intensidad máxima de 61 a 603 nm). Posteriormente, la Fig. 8e muestra los espectros de reflexión de la luz. El espectro del dispositivo se superpuso con el del aire (intensidad máxima de 1,71 a 603 nm), lo que indica que no hay un reflejo significativo de la luz por parte de los iones negativos y el campo eléctrico del dispositivo. Por el contrario, el espectro de la partición acrílica demostró reflexión y una intensidad máxima de 2,7 a 603 nm. Las Figuras 8b-e indican que los iones negativos y el campo eléctrico del dispositivo no interfieren ni con el sonido ni con la luz.

(a) Imágenes que muestran el dispositivo con la partición acrílica y el dispositivo de bloqueo. (b) Intensidad del sonido transmitido. (c) Intensidad del sonido reflejado. (b,c) Las barras de error indican la desviación de tres experimentos. (d) Intensidad de la luz transmitida. (e) Intensidad de la luz reflejada.

Las características de los participantes del estudio se resumen en la Tabla 1. La edad media fue 49,7 (desviación estándar (DE) = 15,1) años y dos participantes eran hombres. Ninguno de los participantes tenía ninguna comorbilidad respiratoria subyacente. Los valores medios de Ct de las muestras de saliva al ingreso y el día antes de la participación en el estudio fueron 27,0 (DE = 0,8) y 27,7 (DE = 3,1), respectivamente. Dos participantes realizaron el primer experimento y un sujeto realizó el primero y el segundo experimento. Los resultados experimentales se muestran en la Fig. 9. De los cuatro pares de muestras, tres pares se obtuvieron en el primer experimento y un par del segundo. Los valores medios de Ct fueron 44,2 (DE = 0,98) con el dispositivo de bloqueo y 39,1 (DE = 1,71) sin el dispositivo de bloqueo. El valor medio de Ct con el dispositivo de bloqueo fue significativamente mayor que el de sin el dispositivo de bloqueo (P = 0,004).

Distribución del valor Ct de las muestras según el estado del dispositivo de bloqueo. Los círculos y rectángulos sólidos representan muestras del primer (N = 3) y segundo (N = 1) experimentos, respectivamente. Los símbolos conectados con una línea continua indican muestras del mismo participante. El valor de P se derivó de una prueba t pareada.

En este estudio, se desarrolló un dispositivo de bloqueo que utiliza iones negativos y un campo eléctrico. El dispositivo de bloqueo puede guiar iones negativos hacia el electrodo colector mediante un campo eléctrico, lo cual es importante para bloquear gotas/aerosoles cargados. Al comparar los rendimientos de bloqueo obtenidos utilizando agarosa y lana de acero como electrodo colector, la agarosa (con una altura efectiva del dispositivo de entre 8 y 30 cm) fue superior a la lana de acero (con una altura efectiva del dispositivo de entre 8 y 16 cm). El dispositivo con una altura de 16 cm que utiliza agarosa bloqueó la niebla en un 89% en comparación con el dispositivo sin iones negativos ni campo eléctrico. El rendimiento del bloqueo depende de la posición de altura de la niebla, y el deterioro del rendimiento de dispositivos más grandes está relacionado con la cantidad de niebla que pasa a través de posiciones altas. Finalmente, el dispositivo demostró un rendimiento de bloqueo eficaz para aerosoles que contienen el virus COVID-19. Aunque el estudio experimental demostró la capacidad de bloqueo del dispositivo de bloqueo, se deben tener en cuenta algunas limitaciones al interpretar los resultados. Primero, el tamaño de la muestra fue pequeño; por lo tanto, los hallazgos pueden estar sesgados. En segundo lugar, las condiciones experimentales eran demasiado simplistas para generalizar los resultados a escenarios de la vida real. Se justifican estudios experimentales futuros con tamaños de muestra más grandes que imiten situaciones de la vida real. En general, el uso de iones negativos y campos eléctricos demuestra la capacidad de bloquear la niebla o el aerosol que contiene el virus COVID-19 y transmitir sonido/luz. Esta actuación es beneficiosa como contramedida sostenible contra la infección durante la comunicación.

Se utilizó el CST Studio Suite (SIMULIA, EE. UU.) para el análisis del campo eléctrico y para los cálculos se utilizó la técnica de integración finita. El modelo de simulación constaba de un electrodo colector, tierra, placa acrílica y marco de aluminio. Las constantes eléctricas de los componentes se enumeran en la Tabla 2. El electrodo colector y la tierra se aplicaron a + 15 y 0 kV, respectivamente.

Se utilizaron tres ionizadores para generar iones negativos. Se colocó una malla de cobre alrededor de los ionizadores a modo de masa. Se utilizó una placa de aluminio como electrodo colector. El movimiento del humo se observó mediante una cámara de alta velocidad (CV-74, KATO KOKEN Co. Ltd., Japón). Las condiciones de disparo tenían una resolución de 640 × 480 píxeles y una velocidad de fotogramas de 170 fps.

Se utilizó el dispositivo que se muestra en la Fig. 1a. La estructura se construyó utilizando una llama de aluminio (2 × 2 cm) y una placa acrílica (3 mm de espesor, el voltaje de ruptura fue de 20 kV/m; KURARAY CO., LTD.). Se colocaron once ionizadores para generar iones negativos. Se colocó una malla de aluminio alrededor de los ionizadores como base. Se colocó agarosa (500 g) (como material del electrodo colector) en una caja (6 x 30 cm, 4 cm de profundidad) en la parte inferior del dispositivo de bloqueo. La agarosa se preparó con 1 litro de agua ultrapura, 200 g de NaCl (FUJIFILM Wako Co., Ltd.) y 30 g de Agarosa S (FUJIFILM Wako Co., Ltd.). El contador de iones (COM-3200PRO II, Com Systems) se colocó en la posición central de cada área dividida en secciones de 2 × 10 cm dentro del dispositivo y secciones de 10 × 10 cm fuera del dispositivo para medir la distribución de concentración de iones negativos. La concentración de iones negativos se midió cada segundo durante 1 min y se representó el valor promedio.

El dispositivo de bloqueo (que se muestra en la Fig. 1a) se usó con agarosa y 30 g de lana de acero (lana de acero inoxidable, EIGHT CO-OPERATIVE BUYING CO., Ltd.) como electrodo colector. La altura del dispositivo de bloqueo se ajustó entre 8 y 50 cm. Se utilizó el nebulizador (NE-C28, OMRON Co.) para simular el aerosol liberado por un individuo con tos leve a una velocidad de flujo de 2 m/s13. La distribución del tamaño de partícula inicial fue la siguiente: < 3 μm, 20%; de 3 a 5 µm, 40%; > 5 a 8 μm, 40%, y el diámetro medio de masa fue de 5,5 ± 0,2 μm14; En particular, algunas partículas de niebla se evaporan gradualmente y se convierten en aerosoles13 (≤ 5 μm)15. El nebulizador se colocó a 20 cm del dispositivo de bloqueo y la altura de la boquilla se ajustó en el centro de la altura del dispositivo. Se roció horizontalmente una solución acuosa saturada del colorante fluorescente uranina (FUJIFILM Wako Co. Ltd.) (4,1 mM) hacia el dispositivo de bloqueo con un nebulizador durante 10 minutos. Las partículas de niebla que pasaron a través del dispositivo de bloqueo se recogieron en un recipiente lleno de 400 ml de agua ultrapura. Se recogió la muestra de líquido en el recipiente, incluidas las partículas de niebla adheridas a la pared del recipiente. La intensidad de fluorescencia de las muestras se midió utilizando un lector de placas de etiquetas múltiples (EnSpire 2300-00J, Perkin Elmer Co. Ltd.) a una longitud de onda de excitación de 480 nm y una longitud de onda de emisión de 512 nm. La concentración de tinte fluorescente en la muestra se calculó haciendo referencia a la curva de calibración (Fig. S1). El flujo de niebla se registró utilizando una cámara de alta velocidad.

Se utilizó el dispositivo de bloqueo (que se muestra en la Fig. 1a) y la altura del dispositivo se ajustó a 16 y 30 cm. El nebulizador se ubicó a una distancia de 5 cm del dispositivo de bloqueo. Se varió la altura del flujo de niebla y se capturó el flujo de niebla que pasaba a través del dispositivo de bloqueo. El flujo de niebla que contenía el tinte fluorescente se registró con una cámara de alta velocidad y la luminancia se calculó utilizando ImageJ (Rasband, Institutos Nacionales de Salud, EE. UU.).

Se utilizó el dispositivo de bloqueo (que se muestra en la Fig. 1a) y la altura del dispositivo se ajustó a 30 cm. La partición acrílica se fabricó uniendo una placa acrílica transparente de 6 mm de espesor al dispositivo de bloqueo. Para medir la transmisión del sonido, la fuente del sonido y el detector se colocaron simétricamente a 20 cm del dispositivo de bloqueo. La fuente de sonido era una alarma con temporizador. El detector de sonido fue un iPhone 7 con una aplicación de plataforma iOS (Sound Level Analyzer Lite (iOS versión 6.0.2))16. Además, se evaluó la transmisión de luz en la fuente de luz y el detector, que se colocaron en la misma posición de la fuente de luz y el detector. La fuente de luz era un iluminador (Fiber Illuminator C-FI115, Nikon Co., Ltd.). Como detector de luz se utilizó un espectrómetro de fluorescencia (USB4000-FL, Ocean Optics). Para medir la reflexión especular del sonido/luz, la fuente y el detector se colocaron a 20 cm del dispositivo de bloqueo a 10°.

Para demostrar la eficacia del dispositivo de bloqueo desarrollado, realizamos un estudio experimental con pacientes con COVID-19. Los participantes del estudio fueron aquellos que dieron positivo por SARS-CoV-2 mediante una prueba de reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa (RT-PCR) en tiempo real y fueron hospitalizados en la Clínica Kuramochi Interpark17, Utsunomiya, Japón, en febrero y marzo de 2022. institución utilizada para atender exclusivamente a pacientes ambulatorios antes de la pandemia de COVID-19; En marzo de 2021 se instalaron camas para pacientes hospitalizados para hacer frente al creciente número de pacientes con COVID-19.

Se implementaron dos configuraciones de estudio. Primero, la sala experimental estaba equipada con dos colectores de aire tipo caja, uno se instaló con un dispositivo de bloqueo y el otro no (Fig. S2a). Las muestras de aire se recolectaron utilizando Aerosolense Air Sampler (Thermo Fisher Scientific, MA, EE. UU.) a 200 L/min. Se asignaron muestreadores de aire para que el aire ambiente fluyera hacia las cajas a través de las entradas de aire y se descargara fuera de las cajas por las salidas de aire. Considerando la caja con el dispositivo de bloqueo, el aire que entró en la caja pasó a través del dispositivo de bloqueo antes de ser recolectado por el muestreador de aire (Fig. S2b), mientras que el aire que entró en la caja sin el dispositivo de bloqueo fue atrapado directamente por el muestreador de aire (Fig. S2c). ). Los participantes permanecieron en las salas experimentales durante 2 h. Para garantizar que los participantes excretaran gotas y aerosoles, los participantes leyeron pasajes derivados de cuentos antiguos (por ejemplo, El pájaro azul) durante 5 minutos por hora para promover la difusión de la saliva. El aire ambiente se recogió en paralelo mediante dos cajas y se obtuvo un par de muestras de cada participante. El segundo experimento fue similar a un escenario de la vida real. Se retiraron las cajas y se encendieron los ventiladores incorporados. El experimento se organizó de dos maneras: una configuración estaba equipada con un dispositivo de bloqueo y un muestreador de aire frente al ventilador incorporado (Fig. S2d), y la otra con un muestreador de aire y un ventilador incorporado (Fig. S2e). ). Estas condiciones se realizaron en serie para el mismo participante durante 2 h cada una. Los participantes volvieron a leer cuentos antiguos durante 5 minutos por hora. En este experimento, no había ninguna caja que rodeara el dispositivo de bloqueo y el muestreador de aire, lo que implica que no todo el aire recolectado por el muestreador de aire pasó a través del dispositivo de bloqueo (Fig. S2f). Si no se aplicó el dispositivo de bloqueo, el aire ambiente se recogió directamente utilizando un muestreador de aire (Fig. S2g).

Se reclutaron tres participantes, ninguno de los cuales experimentó hipoxia. Obtuvimos tres pares de muestras del primer experimento y un par de muestras del segundo experimento (un participante realizó ambos experimentos). Las pruebas de SARS-CoV-2 se realizaron mediante RT-PCR en tiempo real con un sistema en tiempo real CFX96 (Bio-Rad, Hercules, CA, EE. UU.) y un kit de detección de SARS-CoV-2 que comprende cebadores y sondas (RC30JW, TaKaRa , Japón). La RT-PCR en tiempo real se realizó en las condiciones de reacción descritas en el manual del Instituto Nacional de Enfermedades Infecciosas de Japón18. Si la carga viral estaba por debajo del límite de detección, a la muestra correspondiente se le asignaba un valor Ct de 45, el número máximo de ciclos según el protocolo RT-PCR en tiempo real18. La diferencia entre los valores medios de Ct de las muestras de los dos grupos (con o sin el dispositivo de bloqueo) se probó mediante una prueba t pareada de dos colas, en la que el nivel de significancia se estableció en 0,05. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito de todos los participantes. El estudio experimental fue aprobado por el Comité de Ética de la Clínica Kuramochi Interpark (IPK-0002) y se realizó de acuerdo con la Declaración de Helsinki y las Directrices Éticas de Japón para la Investigación Médica y Biológica con Seres Humanos establecidas por el Ministerio de Educación, Cultura. Deportes, Ciencia y Tecnología, el Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar Social, y el Ministerio de Economía, Comercio e Industria.

Todos los datos necesarios para evaluar las conclusiones del artículo están presentes en el artículo y/o en los materiales complementarios. Se pueden solicitar a los autores datos adicionales relacionados con este artículo.

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Agradecemos al personal médico de Kuramochi Clinic Interpark que participó en la recopilación de datos y a todos los participantes de este estudio.

Laboratorio para el Futuro, Investigación Interdisciplinaria de Ciencia y Tecnología, Instituto de Tecnología de Tokio, Kanagawa, Japón

Kaito Kanda, Kazuma Nakagoe, Tetsuya Yamada y Yasuko Yanagida

Departamento de Promoción de la Salud Global, Universidad Médica y Dental de Tokio, Tokio, Japón

Hisaaki Nishimura, Mariko Hanafusa, Tomoki Kawahara y Takeo Fujiwara

Departamento de Aeronáutica y Astronáutica, Universidad de Tokio, Tokio, Japón

Takuya Koiso

Centro de Investigación de Ingeniería Médica Fronteriza, Universidad de Chiba, Chiba, Japón

Kousuke Takemoto y Masaharu Takahashi

Interparque de la Clínica Kuramochi, Utsunomiya, Japón

Jin Kuramochi

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KK, HN, TK, KN, TY y TF planificaron el experimento. KK, TK y TY concibieron y diseñaron el dispositivo. KK, HN, TK, KT, TY, MT y TF contribuyeron al análisis de los datos y a la discusión. KK, HN, KT, TY, MH, TK, JK nad TF realizaron el experimento. KK, HN y TY escribieron el artículo. Todos los autores revisaron y editaron el artículo. YY, JK y TF supervisaron el proyecto.

Correspondencia a Tetsuya Yamada o Takeo Fujiwara.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kanda, K., Nishimura, H., Koiso, T. et al. Aplicar iones negativos y un campo eléctrico para contrarrestar la transmisión de gotas/aerosoles sin obstaculizar la comunicación. Informe científico 13, 13965 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40303-5

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Recibido: 22 de abril de 2023

Aceptado: 08 de agosto de 2023

Publicado: 26 de agosto de 2023

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

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