Giữa UVC 222nm và UVC 254nm, đâu mới là thiết bị khử trùng tốt nhất

Theo truyền thống, những nỗ lực xung quanh các phương pháp khử trùng được thúc đẩy bằng cách giảm nhiễm trùng do các sinh vật gây bệnh. Với đại dịch COVID-19, nhu cầu cao hơn về các phương pháp khử trùng được ghi chép và kiểm soát để xử lý không khí và các bề mặt chịu trách nhiệm về sự lây truyền vi rút. Ánh sáng UVC được chứng minh là có hiệu quả vô hiệu hóa hầu hết các mầm bệnh bao gồm vi khuẩn kháng thuốc và hầu hết các chủng vi rút. Khử trùng bằng tia UV thông thường dựa trên đèn thủy ngân (Hg) đã được sử dụng cho các ứng dụng như vậy nhưng những lo ngại về an toàn và các quy định xung quanh việc cấm sử dụng thủy ngân đã thúc đẩy sự phát triển của các nguồn UV thay thế để khử trùng.

Đèn LED UVC được coi là sự thay thế tự nhiên cho đèn thủy ngân vì một số lý do: chúng không chứa thủy ngân, cung cấp các tính năng hoạt động thuận lợi (ví dụ: bật / tắt tức thời, khả năng quay vòng mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ, khai thác nhiệt theo hướng ngược lại của ánh sáng UVC, kiểm soát độ tin cậy hiệu suất cao) và chi phí bảo trì thấp. Những lợi ích này đã cho phép tích hợp đèn LED UVC vào nhiều ứng dụng khử trùng khác nhau trong nước và các bề mặt cảm ứng cao, tăng chất lượng sản phẩm và tính năng cho người dùng cuối và giảm chi phí cho OEM.
Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã điều tra việc sử dụng đèn excimer krypton-clo (Kr-Cl) như một phương pháp thay thế để khử trùng. Các bước sóng ngắn hơn của những loại đèn này được cho là hạn chế nguy cơ đối với sức khỏe con người do tính hấp thụ mạnh trong vật liệu sinh học, có nghĩa là ánh sáng không xuyên qua đủ xa vào các sinh vật đa tế bào (chẳng hạn như con người) để tạo ra thiệt hại lâu dài. Tuy nhiên, các bước sóng ngắn hơn cũng dẫn đến một quá trình khử trùng khác. Ở đây chúng tôi xem xét cả hai công nghệ và tính hữu dụng của chúng trong nhiều ứng dụng.

Bước sóng UV và độ nhạy quang phổ của khử trùng

Vùng quang phổ UV nằm trong khoảng từ 100 nm đến 400 nm và thường được chia thành ba vùng phụ dựa trên sự hấp thụ trong khí quyển và hoạt động sinh học của bức xạ:
• UVA : 315 nm đến 400 nm
• UVB : 280 nm đến 315 nm
• UVC : 200 nm đến 280 nm
UVA và UVB được truyền qua bầu khí quyển của trái đất và có tác dụng diệt khuẩn hạn chế. Mặt khác, UVC bị hấp thụ hoàn toàn bởi bầu khí quyển của trái đất và rất dễ gây rối loạn cho các sinh vật sống vì nó bị hấp thụ mạnh bởi các protein (chủ yếu là 210 nm đến 230 nm) và các axit nucleic của DNA và RNA (chủ yếu là 250 nm đến 280 nm. ). Dải bước sóng thứ hai thường được gọi là “ dải UVC diệt khuẩn ”.

Độ nhạy quang phổ của vi khuẩn là khả năng tương đối của vi khuẩn trong việc hấp thụ một photon dưới dạng một hàm của bước sóng trên một dải bước sóng. Các mầm bệnh có một “dấu vân tay” hấp thụ bức xạ duy nhất, có nghĩa là chúng hấp thụ các photon khác nhau ở các bước sóng khác nhau. Mặc dù khác nhau, nhưng mỗi mầm bệnh cho thấy một đỉnh hấp thụ gần 265 nm và giảm nhanh chóng trên 280 nm trong phạm vi UVB. Đối với hầu hết các mầm bệnh, độ nhạy giảm xuống dưới 250 nm.

So sánh tác động của UVC xa và UVC diệt khuẩn đối với việc khử trùng

Trong phạm vi UVC diệt khuẩn, 260 nm đến 270 nm được coi là bước sóng lý tưởng, chỉ giảm một phần nhỏ về hiệu quả gây hại cho axit nucleic trong phạm vi bước sóng đó (mức hấp thụ DNA / RNA cao nhất được quan sát trong khoảng từ 263 nm đến 265 nm) trong khi bên ngoài phạm vi đó, hiệu quả của các bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn bắt đầu giảm mạnh.
Để so sánh, UVC trong phạm vi đó hiệu quả hơn tia UVA trong việc gây ra tổn thương DNA từ hai đến ba bậc.
Quá trình khử trùng chính trong phạm vi diệt khuẩn là bằng cách tạo ra chất dimer cyclobutan pyrimidine (CPD), dạng gây hại bộ gen do tia cực tím gây ra. Những chất làm mờ này làm gián đoạn quá trình sao chép của DNA / RNA và dẫn đến cái chết của tế bào vi khuẩn và sự bất hoạt của virus.
Gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu ứng dụng của đèn excimer Krypton-Bromine và Krypton-Chlorine để tạo ra các đỉnh phát xạ photon sơ cấp lần lượt là 207 nm và 222 nm. UVC trong dải từ 207 nm đến 222 nm thường được gọi là UVC Viễn . Trong khi các photon phát ra trong phạm vi này được hấp thụ ở một mức độ nào đó bởi các axit nucleic của DNA / RNA, yếu tố chính làm giảm khả năng lây nhiễm được cho là do sự hấp thụ và dẫn đến tổn thương protein. Điều này đã được chứng minh đáng chú ý trên virus adenovirus, tụ cầu vàng kháng methicillin (MRSA) và virus cúm loại H1N1.

Trong các ứng dụng nước, việc sử dụng 222 nm dường như không khả thi vì độ truyền tia cực tím (UVT) trong nước trở nên lớn không thể chấp nhận được. UVT đối với nước lọc xấp xỉ không đổi xuống đến 260 nm và bắt đầu giảm đột ngột ở bước sóng ngắn hơn do các chất ô nhiễm hóa học phổ biến như nitrat. Ngoài ra, các tác nhân gây bệnh được quan tâm là vi khuẩn tạo màng sinh học như pseudomonas với đỉnh hấp thụ từ 260 nm đến 265 nm biểu hiện sự hấp thụ photon thấp hơn ở bước sóng ngắn hơn.
Việc sử dụng nguồn photon 205 nm đến 230 nm để xử lý mầm bệnh có nhiều khả năng phụ thuộc vào khía cạnh protein của mầm bệnh, có thể có hệ số hấp thụ khác nhau về cơ bản, thay vì phương pháp tiếp cận DNA / RNA axit nucleic đã được chứng minh sử dụng đỉnh hấp thụ trong Dải bước sóng 260 nm đến 270 nm đã được chứng minh là bất hoạt các mầm bệnh một cách nhất quán và có thể dự đoán được.

Sự phát triển các sản phẩm ra thị trường

Đèn LED UVC có thể được coi là hấp dẫn đối với một loạt các ứng dụng do chi phí sở hữu / bảo trì thấp và giá cả khả thi về mặt thương mại. Ví dụ: ngày nay, Crystal IS cung cấp đèn LED UVC với khối lượng thương lượng trong khoảng giá từ 10 đến 15 xu cho mỗi mW.
Đèn LED UVC có bán trên thị trường dựa trên chất bán dẫn được chế tạo từ hợp kim Al1-xGaxN và bước sóng phát xạ của chúng được kiểm soát bởi hàm lượng hợp kim của chúng, có nghĩa là đèn LED UVC cũng có thể được chế tạo để phát ra ở bước sóng dưới 225 nm bao gồm 222 nm. Do đó, câu hỏi về bước sóng không chỉ đơn giản là của đèn excimer so với đèn LED UVC. Cần có phần mol Al cao hơn để UVC LEDS phát ra ở các bước sóng ngắn hơn và điều này dẫn đến hiệu suất thấp hơn. Ví dụ, ngày nay, đèn LED UVC thương mại của Crystal IS có hiệu quả hơn ở bước sóng 265 nm (hệ số 10) ở bước sóng 265 nm so với ở bước sóng 230 nm và hai cấp độ kém mạnh hơn; bước sóng dưới 225 nm dự kiến sẽ bị suy giảm hơn nữa về hiệu quả và công suất.

Do đó, đối với phần lớn các mầm bệnh, mức độ khử trùng đạt được sẽ cao hơn nhiều trong phạm vi diệt khuẩn khi sử dụng công nghệ LED UVC ngày nay. Adenovirus là một trường hợp đặc biệt khi hiệu quả của bức xạ 222 nm cao bằng hệ số 10 (1 bậc độ lớn) so với phạm vi diệt khuẩn nhưng, ngay cả ở đây, công suất thấp hơn và tuổi thọ ngắn hơn của đèn LED hiện tại dưới 230 nm sẽ làm tăng đáng kể chi phí của giải pháp LED trong dải bước sóng này so với dải diệt khuẩn.
Khi so sánh đèn excimer với đèn LED UVC, có những yếu tố khác cần xem xét cẩn thận. Dấu chân của đèn excimer (thường là ống dài hơn 10 cm) so với đèn LED UVC (thường hình khối với đế vuông 0,3 cm) có nghĩa là tính linh hoạt trong lắp đặt sẽ khác nhau khá nhiều. Đối với các ứng dụng ban đầu của đèn excimer tiếp xúc trực tiếp trên da (cho đến nay chỉ có nghiên cứu hạn chế được thực hiện, mặc dù kết quả dường như cho thấy không có tổn thương vĩnh viễn nào được nhìn thấy). Đèn Excimer sẽ yêu cầu các bộ lọc thông dải đắt tiền để loại bỏ bước sóng dài hơn (ví dụ, đèn KrCl cho phát xạ 222 nm có các đỉnh phát xạ thứ cấp trong UVC khoảng 258 nm và trong UVB). Điều này sẽ làm tăng thêm chi phí của một sản phẩm đã lên đến hàng nghìn đô la.

Kết luận

Câu hỏi về sở thích đối với bước sóng UVC cụ thể (ví dụ: 222 nm so với 254nm) tùy thuộc vào ứng dụng. Đèn Excimer dường như thấy thích hợp để điều trị các khu vực rộng lớn có con người tiếp tục qua lại, tuy nhiên các nghiên cứu hạn chế đã điều tra tác động của việc phơi nhiễm kéo dài đối với con người.
Jose Morey, MD, Giám đốc Đổi mới Y tế của Liberty BioSecurity và cố vấn cho MIT Solve và NASA iTech, nói rằng mặc dù công nghệ Far-UVC cho thấy rất nhiều hứa hẹn, nhưng nó vẫn chưa hoàn toàn sẵn sàng cho thời điểm quan trọng. Ông nói: “Vẫn chưa xác định được góc và thời gian phơi sáng. "Độ phơi sáng cho đến nay đã được kiểm soát, và [đã có] kết quả hỗn hợp tùy thuộc vào loại bề mặt, vải và độ cong."
So với đèn thủy ngân, việc sử dụng đèn LED UVC không chỉ xanh hơn mà còn hấp dẫn hơn về mặt thương mại trong một số ứng dụng. Mặc dù con người không nên tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng UVC, nhưng dấu chân nhỏ của đèn LED UVC và thế hệ ánh sáng gần giống điểm cho phép thiết kế các ứng dụng khử trùng mục tiêu trong đó bức xạ UVC được kiểm soát tốt và loại bỏ sự phơi nhiễm không mong muốn để ngăn ngừa các mối nguy hiểm cho sức khỏe. Ngoài ra, mặc dù hiệu suất cắm tường (WPE) của đèn LED UVC thấp hơn so với đèn thủy ngân khi chạy liên tục, khả năng bật / tắt đèn LED theo yêu cầu mà không cần thời gian khởi động giúp mang lại hiệu suất điện cao hơn trong suốt thời gian sử dụng của ứng dụng và cho phép khử trùng được lập thành văn bản, có thể dự đoán được và đáng tin cậy.