Ожидая полного доступа к своим лабораториям из-за ограничений COVID-19, ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) воспользовались этой редкой возможностью, чтобы сообщить технические детали новаторских исследований, проведенных ими по дезинфекции питьевой воды с использованием ультрафиолета ( УФ-свет.
Еще в 2012 году ученые NIST и их сотрудники опубликовали несколько статей о некоторых фундаментальных открытиях, которые могут принести пользу компаниям водоснабжения. Но эти статьи никогда полностью не объясняли установку облучения, которая сделала эту работу возможной.
Теперь исследователи NIST впервые публикуют технические детали уникального эксперимента, в котором использовался портативный лазер для проверки того, насколько хорошо различные длины волн УФ-света инактивируют различные микроорганизмы в воде. Работа опубликована сегодня в Обзоре научных инструментов (RSI).
Одной из срочности публикации полного описания системы NIST является то, что исследователи предполагают использовать эту ультрафиолетовую установку для новых экспериментов, которые выходят за рамки изучения питьевой воды и предназначены для дезинфекции твердых поверхностей и воздуха. Потенциальные применения могут включать лучшую УФ-дезинфекцию больничных палат и даже исследования того, как солнечный свет инактивирует коронавирус, ответственный за COVID-19.
& quot; Насколько я знаю, никто не дублировал эту работу, по крайней мере, для биологических исследований," - сказал Ларасон." Вот' почему мы хотим выпустить эту газету сейчас."
Достаточно хорошо пить
Ультрафиолетовый свет имеет длину волны, которая слишком коротка для человеческого глаза. УФ варьируется от примерно 100 нанометров (нм) до 400 нм, тогда как люди могут видеть радугу цвета от фиолетового (примерно 400 нм) до красного (примерно 750 нм).
Один из способов дезинфекции питьевой воды - облучение ее УФ-светом, который разрушает вредные микроорганизмы' ДНК и родственные молекулы.
Во время первоначального исследования в большинстве систем облучения воды использовалась УФ-лампа, которая испускала большую часть своего УФ-света на одной длине волны 254 нм. Однако в течение многих лет компании водоснабжения проявляли растущий интерес к другому типу дезинфекционной лампы, которая была" полихромной," Это означает, что он излучает ультрафиолетовый свет с множеством разных длин волн. Но эффективность новых ламп не была точно определена, сказал Карл Линден, инженер-эколог из Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder), который был главным исследователем исследования 2012 года.
В 2012 году группа микробиологов и инженеров-экологов во главе с К.Ю. Боулдером была заинтересована в пополнении базы знаний предприятий водоснабжения относительно УФ-дезинфекции. При финансовой поддержке некоммерческой организации Water Research Foundation, ученые стремились методически проверить, насколько чувствительны различные микробы к разным длинам волн ультрафиолетового света.
Обычно источником света для этих экспериментов была лампа, которая генерирует широкий диапазон длин волн УФ-излучения. Чтобы максимально сузить полосу частот, исследователи' план был направить свет через фильтры. Но это все равно произвело бы относительно широкие полосы света длиной 10 нм, а нежелательные частоты просочились бы через фильтр, что затруднило бы точное определение того, какие длины волн инактивируют каждый микроорганизм.
Микробиологи и инженеры хотели получить более чистый и управляемый источник ультрафиолетового света. Поэтому они призвали NIST помочь.
NIST разработал, построил и эксплуатировал систему для доставки контролируемого УФ-луча на каждый образец тестируемых микроорганизмов. Установка заключалась в помещении исследуемого образца - чашки Петри, наполненной водой с определенной концентрацией одного из образцов - в светонепроницаемую камеру.
Уникальность этого эксперимента заключается в том, что NIST разработал УФ-луч, который доставляется с помощью настраиваемого лазера." Настраиваемый" означает, что он может производить луч света с чрезвычайно узкой полосой пропускания - менее одного нанометра - в широком диапазоне длин волн, в данном случае от 210 до 300 нм. Лазер также был портативным, что позволяло ученым приносить его в лабораторию, где проводилась работа. Исследователи также использовали откалиброванный NIST УФ-детектор для измерения света, падающего на чашку Петри до и после каждого измерения, чтобы убедиться, что они действительно знают, сколько света попадает в каждый образец.
Было много проблем, чтобы заставить систему работать. Исследователи перенесли ультрафиолетовый свет в чашку Петри с помощью серии зеркал. Однако для разных длин волн УФ-излучения требуются разные отражающие материалы, поэтому исследователям NIST пришлось разработать систему, в которой использовались зеркала с различными отражающими покрытиями, которые можно было менять между тестовыми запусками. Им также пришлось приобрести светорассеиватель, чтобы принимать лазерный луч, который имеет более высокую интенсивность в центре, и распределять его так, чтобы он был однородным по всей пробе воды.
Конечным результатом стала серия графиков, показывающих, как разные микробы реагируют на ультрафиолетовый свет с разной длиной волны - первые данные для некоторых микробов - с большей точностью, чем когда-либо ранее. И команда нашла неожиданные результаты. Например, вирусы проявляли повышенную чувствительность при уменьшении длины волны ниже 240 нм. Но для других патогенов, таких как лямблии, чувствительность к ультрафиолетовому излучению была примерно такой же, даже если длина волны уменьшилась.
& quot; Результаты этого исследования довольно часто использовались компаниями водоснабжения, регулирующими органами и другими лицами в области УФ-излучения, работающими непосредственно над дезинфекцией воды, а также воздуха," - сказала инженер-эколог CU Boulder Сара Бек, первый автор трех статей, подготовленных на основе этой работы 2012 года." Понимание того, какие длины волн света инактивируют различные патогены, может сделать методы дезинфекции более точными и эффективными," она сказала.
Я, УФ-робот
Та же система, которую разработал NIST для доставки контролируемого узкого диапазона УФ-света к образцам воды, также может быть использована для будущих экспериментов с другими потенциальными приложениями.
Например, исследователи надеются изучить, насколько хорошо ультрафиолетовый свет убивает микробы на твердых поверхностях, таких как те, которые находятся в больничных палатах, и даже микробы, взвешенные в воздухе. Стремясь уменьшить внутрибольничные инфекции, некоторые медицинские центры взрывают помещения стерилизующим пучком ультрафиолетового излучения, переносимого роботами.
Но пока нет реальных стандартов для использования этих роботов, говорят исследователи, поэтому, хотя они могут быть эффективными,' трудно понять, насколько они эффективны, или сравнить сильные стороны разных моделей.
& quot; Для устройств, которые облучают поверхности, есть много переменных. Откуда вы знаете, что они' повторно работают?" - сказал Ларасон. Такие системы, как NIST' s, могут быть полезны для разработки стандартного способа тестирования различных моделей дезинфекционных роботов.
Другой потенциальный проект мог бы изучить влияние солнечного света на новый коронавирус как в воздухе, так и на поверхности, сказал Ларасон. Первоначальные сотрудники заявили, что надеются использовать лазерную систему для будущих проектов, связанных с дезинфекцией воды.
& quot; Чувствительность микроорганизмов и вирусов к разным длинам волн УФ-излучения по-прежнему очень актуальна для современной практики дезинфекции воды и воздуха," Бек сказал: «& quot; особенно учитывая развитие новых технологий, а также новые проблемы с дезинфекцией, например, связанные с COVID-19 и внутрибольничными инфекциями."
