Ультрафиолетовый (УФ) свет обычно используется для дезинфекции. Он инактивирует микроорганизмы (включая вирусы), разрушая их генетический материал и структурные молекулы, так что они больше не являются инфекционными. УФ-свет обычно используется для дезинфекции воды, воздуха и поверхностей; однако длины волн, которые наиболее эффективны для инактивации микробов, также считаются опасными для кожи и глаз человека. В этой статье дается общий обзор УФ-дезинфекции. Что такое ультрафиолетовый свет? Свет можно описать как частицу и волну - явление, известное как дуальность волна-частица.

Как частица безмассовые фотоны переносят световую энергию по Вселенной (со скоростью света). Как волна, энергия излучается плавными колебаниями электромагнитного поля. УФ-излучение находится на коротковолновой стороне электромагнитного спектра, занимая диапазон от 100 до 400 нм. УФ-диапазон подразделяется на четыре категории: УФ-А (от 315 до 400 нм), УФ-В (от 280 до 315 нм), УФ-С (от 200 до 280 нм) и вакуумный УФ (от 100 до 200 нм). ).

Длины волн вакуумного УФ-излучения получили свое название из-за их сильного поглощения даже воздухом. Длины волн УФ-А, которые вызывают загар и используются в соляриях (Nilsen et al., 2016), также обычно используются для отверждения чего угодно, от красок и покрытий до клеев и лака для ногтей (Endruweit 2006). Энергия, переносимая светом, обратно пропорциональна его длине волны; следовательно, чем короче длина волны, тем выше энергия. По этой причине УФ-В-излучение с более короткими длинами волн, чем УФ-А, имеет более высокую энергию и несет в себе больший риск рака у людей (NTP, 2016).

Для дезинфекции чаще всего используется излучение с более высокой энергией в диапазоне УФ-С. Большинство микробов демонстрируют относительный пик чувствительности к излучению около 265 нм, поэтому применение УФ-дезинфекции нацелено на «бактерицидный» диапазон вокруг этого пика.  Источники УФ-света Как и другие типы света в электромагнитном спектре, УФ-свет производится как естественным, так и искусственным путем. Естественный ультрафиолетовый свет исходит от солнца; некоторые из них достигают поверхности Земли, а некоторые поглощаются атмосферой. Из-за сильного поглощения излучения более высокой энергии в верхних слоях атмосферы солнечное УФ-C почти не достигает поверхности Земли (ASTM G-173 2020); спектр солнечного излучения, обычно называемый значениями воздушной массы (AM), варьируется по поверхности Земли.

Искусственное ультрафиолетовое излучение производится в основном плазменными газоразрядными лампами и светоизлучающими диодами (СИД), а также непреднамеренным излучением в результате таких действий, как дуговая сварка. Плазменные газоразрядные лампы содержат газовую смесь, заключенную в стеклянную трубку. Когда к нити накала лампы прикладывается напряжение, электроны в замкнутом газе возбуждаются до состояния с более высокой энергией; когда они возвращаются в основное состояние, они выделяют эту дополнительную энергию в виде фотона, который представляет собой пакет световой энергии. Спектр или длина излучаемой волны зависит от элементов газа внутри. Обычные плазменные газоразрядные лампы включают ртутные лампы, металлогалогенные лампы, ксеноновые лампы (импульсные УФ), эксимерные и эксиплексные лампы, а также дейтериевые лампы.

  Ультрафиолетовые светодиоды (УФ-светодиоды) представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства. Под действием приложенного напряжения электроны проталкиваются через энергетический барьер (запрещенную зону), разделяющий различные заряженные слои в кристаллической структуре светодиода. Пройдя через барьер, эти электроны могут потерять энергию, полученную при переходе, и испустить фотон. Выбор полупроводниковых материалов, используемых в светодиодах, определяет размер барьера и, следовательно, длину волны излучаемого фотона. Промышленные УФ-светодиоды состоят из тонких слоев кристаллического нитрида алюминия-галлия (AlGaN), нанесенных на подложку (сапфир или нитрид алюминия); отношение алюминия к галлию в тонких слоях определяет ширину запрещенной зоны и, следовательно, спектр излучения, излучаемого светодиодом.

  Как УФ-свет инактивирует микроорганизмы? УФ-С и УФ-В свет оказывает прямое дезинфицирующее действие, когда его энергия поглощается генетическим материалом (ограничение репликации) или другими клеточными или вирусными компонентами, такими как белок (ограничение прикрепления и инфекционности). Фотоны УФ-В и УФ-С могут напрямую изменять химические связи в этих ключевых биомолекулах, влияя на их структуру и функцию. Когда фотоны поглощаются ДНК / РНК, возникающее в результате повреждение может подавлять способность микроорганизма к репликации, делая его более не заразным (Harm 1980).  УФ-свет также может косвенно инактивировать микробы с меньшей скоростью, чем прямое повреждение, вызванное длинами волн УФ-В и УФ-С. УФ-свет обеспечивает дезинфекцию путем активации естественных компонентов в воде или клетках-мишенях, которые генерируют высокореактивные химические соединения, такие как гидроксильные радикалы (Lester et al.

, 2013); эти химически активные вещества могут вызывать разложение химических соединений, на которое не влияет прямой УФ-фотолиз. Хотя скорость дезинфекции с помощью этих длин волн УФ-А ниже, чем скорость прямого повреждения лучами УФ-В и УФ-С, ее нельзя сбрасывать со счетов как технологию из-за обилия свободного УФ-А в солнечном свете (Besaratinia et al. 2011 г.). Поскольку повреждение, вызванное УФ-излучением, воздействует на каждый микроб и его компоненты по-разному, воздействуя на воду, воздух и т.

д.  Для патогенных микробов способность к размножению имеет решающее значение для заражения или инвазии; поэтому измерение микробной репликации до и после лечения (инактивации) является хорошим способом определения эффективности системы. Инактивация определяется как уменьшение концентрации культивируемых микробов (Nt) от начальной концентрации (No) в результате воздействия дезинфицирующего средства в течение периода времени (t) (Hijnen et al, 2006). Обычно используется значение log10, например, 1-log (90%), 2-log (99%), 3-log (99,9%) или 4-log (99,99%) инактивации. Использование стандартизированных методов , как описано позволяет определение восстановительной эквивалентной дозы УФ (RED, мДж см -2 ) от измеренной инактивации, который может быть использован в качестве метрики производительности для систем УФ обеззараживания.

  Использование ультрафиолетового излучения для дезинфекции жидкостей и поверхностей Ультрафиолетовый свет может инактивировать микробы в воздухе, на поверхностях (включая рабочие поверхности, пищевые продукты, фармацевтические препараты и упаковку), а также в воде или других жидкостях. Химические или физические (например, тепловые) дезинфицирующие средства требуют определенной концентрации и времени контакта или температуры для достижения инактивации целевого микроба. Точно так же степень УФ-дезинфекции определяется степенью УФ-облучения целевого микроба. Кроме того, длина волны этого УФ-излучения и сам микроб будут влиять на общую инактивацию. Степень УФ-облучения выражается в дозе УФ-излучения (мДж · см -2.

, более правильно называемый «флюенс»), который представляет собой количество УФ-света, доставляемого целевому микробу. Доза УФ-излучения является продуктом УФ-излучения и времени воздействия, что означает, что более высокая доза УФ-излучения может быть получена путем увеличения интенсивности УФ-излучения, увеличения времени воздействия или того и другого. В реальных системах любой отдельный микроб не обязательно будет испытывать такую ​​же дозу ультрафиолета, как любой другой микроб во время воздействия. Для жидкостей (обычно воздуха и воды) это происходит из-за комбинации неравномерного поступления УФ-света (излучения) по всему объему обработки и различий в путях прохождения жидкости через систему. Для поверхностей это происходит из-за неравномерного воздействия УФ-излучения на интересующую поверхность.

При рассмотрении общей производительности системы будет измерена средняя деактивация журнала. В отдельном тесте Используя хорошо откалиброванное оборудование, интенсивность излучения и пути потока строго контролируются, и создается кривая доза-реакция, чтобы показать измеренную логарифмическую инактивацию микроба для набора примененных УФ-доз. Путем сравнения средней инактивации, измеренной в системе, с тем, что было измерено в калибровочном эксперименте, можно назначить уменьшенную эквивалентную дозу (КРАСНАЯ). Это средняя доза, необходимая для достижения эквивалентной инактивации, измеренной в системе. КРАСНЫЙ цвет УФ-системы можно оценить с помощью моделирования, но его нелегко угадать.

Генерация и распространение ультрафиолетовых источников света имеют сложный характер. Распространение света через систему требует точного описания многочисленных оптических интерфейсов и геометрических характеристик. Кроме того, жидкости могут быть мутными (мутными) и вызывать рассеивание света; локальные пути потока жидкости сильно влияют на время пребывания в разных точках, вызывая струйные потоки или захватывая поток в вихрях. Даже в относительно более простом случае облучения поверхности шероховатые поверхности могут создавать эффекты затенения, которые необходимо учитывать. Такие параметры, как влажность, также оказывают значительное влияние на инактивацию поверхностно-связанных микробов.

Инактивация одного и того же вида микробов может варьироваться от длины волны к длине волны. Например, инактивация аденовируса, вируса простуды, при длине волны 210 нм в 16 раз больше, чем при длине волны 254 нм (Beck et al. 2014). Эквивалентные системы могут оказывать совершенно разные эффекты инактивации в зависимости от подвергаемых воздействию микробов-мишеней. Восприимчивость микробов к УФ-излучению существенно различается (Beck et al.

, 2015). Например, яйца паразитических червей обладают высокой устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, тогда как простейшие, такие как Giardia и Cryptosporidium , очень чувствительны (Hijnen et al, 2006). Самый чувствительный из известных вирусов ( бактериофаг Т4) примерно в 75 раз более чувствителен, чем самый устойчивый из известных вирусов (вирус инфекционного некроза поджелудочной железы)., IPNV) под УФ-излучением на длине волны 254 нм (Malayeri et al., 2016).

Бактерии обычно очень чувствительны к УФ-излучению, хотя экстремофилы, такие как D. radiodurans, могут быть на несколько порядков более устойчивыми (Pogoda 2005). Длина волны применяемого бактерицидного света - еще одна характеристика, которую необходимо учитывать. Как обсуждалось ранее, разные длины волн (УФ-А, УФ-В, УФ-С) могут вызывать разные фотохимические реакции и воздействовать на разные клеточные процессы. Однако даже в пределах этих полос эффективность этих фотохимических реакций варьируется.

Это изменение эффективности описывается «спектром бактерицидного действия» или спектральной чувствительностью микроба-мишени, и, хотя между микробами наблюдаются различия, общей чертой является широкий пик около 265 нм с близким к нулю значением около 300 нм. на более длинноволновой стороне и падает до ~ 50% около 240 нм. Некоторые микробы, особенно вирусы, демонстрируют значительно повышенную восприимчивость к более коротким длинам волн УФ-С (Beck et al. 2014), Безопасность Как и в случае с возможностью дезинфекции, опасность УФ-излучения зависит как от длины волны, так и от воздействия. Перед использованием следует учитывать риски, связанные с каждым источником ультрафиолетового излучения; уважаемые производители предоставят рекомендации по безопасному использованию.

При использовании бактерицидных источников ультрафиолетового излучения необходимо соблюдать меры безопасности для защиты любого человека, который может подвергнуться воздействию. УФ-излучение опасно для кожи и глаз, поэтому часто рекомендуются соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ); Общие симптомы чрезмерного воздействия УФ-излучения - это реакции кожи, похожие на солнечные ожоги (эритема), и болезненное зудящее состояние в глазах (фотокератит). Недавние исследования показывают, что дальний УФ-С (от 200 до 225 нм) может оказывать бактерицидное действие, не повреждая кожу или глаза; IUVA опубликовал обзор этой технологии для дальнейшего чтения (Simons et al. 2020). Безопасная работа с ультрафиолетом означает понимание физики источника (длина волны, мощность, расстояние), химического состава цели (образование озона, разложение материала, летучие соединения) и условий воздействия (СИЗ, время, экранирование, защитные блокировки) .

При необходимости следуйте инструкциям учреждения и, в случае сомнений, соблюдайте осторожность, чтобы избежать ненужного воздействия на человека и достаточно покрыть кожу и глаза. Более полное обсуждение вопросов безопасности от УФ-излучения приведено в CIE 187: 2010 (CIE, 2010), 2006/25 / EC (Европейский парламент, 2006) и 14-м отчете NTP США по канцерогенным веществам (NTP, 2016).