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 о технических деталях новаторских исследований, которые они провели по дезинфекции питьевой воды с использованием ультрафиолетового (УФ) света.
Еще в 2012 году ученые NIST и их сотрудники опубликовали несколько статей о некоторых фундаментальных выводах с потенциальными преимуществами для водохозяйственных компаний. Но эти статьи никогда полностью не объясняли установку облучения, которая сделала работу возможной.
Теперь, впервые, исследователи NIST публикуют технические детали уникального эксперимента, который опирался на портативный лазер, чтобы проверить, насколько хорошо различные длины волн ультрафиолетового света инактивировали различные микроорганизмы в воде. Работа появляется сегодня в Обзоре научных приборов (RSI).
«Мы хотели официально написать это в течение многих лет», - сказал Том Ларасон из NIST. «Теперь у нас есть время, чтобы рассказать об этом миру».
Одна из неотложных проблем для публикации полного описания системы NIST заключается в том, что исследователи предполагают использовать эту УФ-установку для новых экспериментов, которые выходят за рамки изучения питьевой воды и дезинфицируют твердые поверхности и воздух. Потенциальные применения могут включать лучшую УФ-дезинфекцию больничных палат и даже исследования того, как солнечный свет инактивирует коронавирус, ответственный за COVID-19.
«Насколько я знаю, никто не дублировал эту работу, по крайней мере, для биологических исследований», — сказал Ларасон. «Вот почему мы хотим вытащить эту бумагу сейчас».
Достаточно хорошо пить
Ультрафиолетовый свет имеет длины волн, которые слишком коротки для человеческого глаза. УФ колеблется от примерно 100 нанометров (нм) до 400 нм, тогда как люди могут видеть радугу цвета от фиолетового (около 400 нм) до красного (около 750 нм).
Одним из способов дезинфекции питьевой воды является облучение ее ультрафиолетовым светом, который разрушает ДНК вредных микроорганизмов и связанные с ними молекулы.
Во время первоначального исследования большинство систем облучения водой использовали ультрафиолетовую лампу, которая излучала большую часть своего ультрафиолетового света на одной длине волны, 254 нм. В течение многих лет, однако, водохозяйственные компании проявляли растущий интерес к другому типу дезинфекционных ламп, которые были «полихроматическими», что означает, что они излучали ультрафиолетовый свет на нескольких разных длинах волн. Но эффективность новых ламп не была четко определена, сказал Карл Линден, инженер-эколог из Университета Колорадо Боулдер (CU Boulder), который был главным исследователем в исследовании 2012 года.
«В середине 2000-х годов мы обнаружили, что полихроматические УФ-источники были более эффективными для инактивации вируса — в частности, потому, что эти лампы производили ультрафиолетовый свет на низких длинах волн, менее 230 нм», — сказал Линден. «Но было трудно количественно оценить, насколько более эффективными и каковы механизмы этой эффективности».
В 2012 году группа микробиологов и инженеров-экологов во главе с CU Boulder была заинтересована в добавлении к базе знаний, которую водохозяйственные компании имели в отношении УФ-дезинфекции. При финансовой поддержке Некоммерческой организации Water Research Foundation ученые стремились методично проверить, насколько чувствительны различные микробы к различным длинам волн ультрафиолетового света.
Обычно источником света для этих экспериментов была бы лампа, которая генерирует широкий диапазон длин волн ультрафиолета. Чтобы максимально сузить полосу частот, план исследователей состоял в том, чтобы светить через фильтры. Но это все равно произвело бы относительно широкие 10-нм полосы света, а нежелательные частоты просочились бы через фильтр, что затрудняло бы точное определение того, какие длины волн инактивируют каждый микроорганизм.
Микробиологи и инженеры хотели более чистый, более контролируемый источник ультрафиолетового света. Поэтому они обратились за помощью к NIST.
NIST разработал, построил и эксплуатировал систему для доставки хорошо контролируемого ультрафиолетового луча на каждый образец тестируемых микроорганизмов. Установка включала в себя помещение рассматриваемого образца - чашки Петри, наполненной водой с определенной концентрацией одного из образцов - в светонепроницаемый корпус.
Что делает этот эксперимент уникальным, так это то, что NIST разработал УФ-луч, который будет доставляться перестраиваемым лазером. «Перестраиваемый» 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 нм до 300 нм. Лазер также был портативным, что позволило ученым доставить его в лабораторию, где велись работы. Исследователи также использовали откалиброванный NIST УФ-детектор для измерения света, попадающего на чашку Петри до и после каждого измерения, чтобы убедиться, что они действительно знают, сколько света попадает на каждый образец.
Было много проблем, чтобы заставить систему работать. Исследователи переправили ультрафиолетовый свет в чашку Петри с помощью серии зеркал. Однако различные длины волн УФ требуют разных отражающих материалов, поэтому исследователям NIST пришлось разработать систему, в которой использовались зеркала с различными отражающими покрытиями, которые они могли бы менять между тестовыми запусками. Они также должны были приобрести рассеиватель света, чтобы взять лазерный луч, который имеет более высокую интенсивность в центре, и распределить его так, чтобы он был однородным по всему образцу воды.
Конечным результатом стала серия графиков, которые показали, как различные микробы реагировали на ультрафиолетовый свет разных длин волн - первые данные для некоторых микробов - с большей точностью, чем когда-либо измеренные ранее. И команда нашла некоторые неожиданные результаты. Например, вирусы демонстрировали повышенную чувствительность, поскольку длины волн уменьшались ниже 240 нм. Но для других патогенов, таких как лямблии, чувствительность к ультрафиолетовому излучению была примерно такой же, даже когда длины волн стали ниже.
«Результаты этого исследования довольно часто использовались водохозяйственными компаниями, регулирующими органами и другими в области УФ-излучения, работающими непосредственно над обеззараживанием воды, а также воздуха», - сказала инженер-эколог CU Boulder Сара Бек, первый автор трех статей, созданных на основе этой работы 2012 года. «Понимание того, какие длины волн света инактивируют различные патогены, может сделать методы дезинфекции более точными и эффективными», — сказала она.
I, УФ-робот
Та же система, которую NIST разработал для доставки контролируемой узкой полосы ультрафиолетового 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. В попытке уменьшить количество инфекций, приобретенных в больницах, некоторые медицинские центры взрывают комнаты 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.
«Для устройств, которые облучают поверхности, существует множество переменных. Откуда вы знаете, что они работают?» — сказал Ларасон. Система, подобная NIST, может быть полезна для разработки стандартного способа тестирования различных моделей ботов для дезинфекции.
Другой потенциальный проект может изучить влияние солнечного света на новый коронавирус, как в воздухе, так и на поверхностях, сказал Ларасон. И первоначальные сотрудники заявили, что надеются использовать лазерную систему для будущих проектов, связанных с обеззараживанием воды.
«Чувствительность микроорганизмов и вирусов к различным длинам волн ультрафиолета по-прежнему очень актуальна для современных методов дезинфекции воды и воздуха, — сказал Бек, — особенно учитывая разработку новых технологий, а также новые проблемы дезинфекции, такие как те, которые связаны с COVID-19 и больничными инфекциями, например».
Источник рассказа:
материалыпредоставленоНациональный институт стандартов и технологий (NIST). Оригинал написан Дженнифер Лорен Ли. Примечание: Контент может быть отредактирован по стилю и длине.
