Forskere beskriver et unikt system til at teste, hvor godt smalle bølgebånd af UV-lys dræber bakterier

Mens de afventer fuld adgang til deres laboratorier på grund af COVID-19-restriktioner, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har benyttet denne sjældne lejlighed til at rapportere de tekniske detaljer om banebrydende forskning, de udførte om desinfektion af drikkevand ved hjælp af ultraviolet (UV) lys.

Tilbage i 2012, NIST-forskerne og deres samarbejdspartnere udgav adskillige artikler om nogle grundlæggende resultater med potentielle fordele for vandforsyningsselskaber. Men disse artikler forklarede aldrig fuldt ud den bestrålingsopsætning, der gjorde arbejdet muligt.

Nu, for første gang, NIST-forskere offentliggør de tekniske detaljer om det unikke eksperiment, som var afhængig af en bærbar laser til at teste, hvor godt forskellige bølgelængder af UV-lys inaktiverede forskellige mikroorganismer i vand. Værket optræder i dag i Gennemgang af videnskabelige instrumenter ( RSI ).

"Vi har ønsket at skrive dette formelt op i årevis, " sagde NISTs Tom Larason. "Nu har vi tid til at fortælle verden om det."

En nødvendighed for at offentliggøre en fuldstændig beskrivelse af NIST-systemet er, at forskere forestiller sig at bruge denne UV-opsætning til nye eksperimenter, der går ud over studiet af drikkevand og til desinfektion af faste overflader og luft. De potentielle anvendelser kunne omfatte bedre UV-desinfektion af hospitalsrum og endda undersøgelser af, hvordan sollys inaktiverer coronavirus, der er ansvarlig for COVID-19.

"Så vidt jeg ved, ingen har duplikeret dette arbejde, i hvert fald ikke til biologisk forskning, " sagde Larason. "Det er derfor, vi ønsker at få dette papir ud nu."

Godt nok til at drikke

Ultraviolet lys har bølgelængder, der er for korte til, at det menneskelige øje kan se. UV spænder fra omkring 100 nanometer (nm) til 400 nm, hvorimod mennesker kan se en regnbue med farve fra violet (ca. 400 nm) til rød (ca. 750 nm).

En måde at desinficere drikkevand på er at bestråle det med UV-lys, som nedbryder skadelige mikroorganismers DNA og relaterede molekyler.

På tidspunktet for den oprindelige undersøgelse, de fleste vandbestrålingssystemer brugte en UV-lampe, der udsendte det meste af sit UV-lys ved en enkelt bølgelængde, 254 nm. Årevis, selvom, vandforsyningsselskaber havde vist stigende interesse for en anden type desinfektionslampe, der var "polykromatisk, " hvilket betyder, at den udsendte UV-lys ved flere forskellige bølgelængder. Men effektiviteten af ​​de nye lamper var ikke veldefineret, sagde Karl Linden, en miljøingeniør fra University of Colorado Boulder (CU Boulder), som var hovedforsker på undersøgelsen i 2012.

"Vi opdagede i midten af ​​2000'erne, at polykromatiske UV-kilder var mere effektive til virusinaktivering - specifikt fordi disse lamper producerede UV-lys ved lave bølgelængder, under 230 nm, " sagde Linden. "Men det var svært at kvantificere, hvor meget mere effektivt og hvad mekanismerne bag denne effektivitet var."

I 2012 en gruppe mikrobiologer og miljøingeniører ledet af CU Boulder var interesserede i at tilføje den videnbase, som vandforsyningsselskaber havde om UV-desinfektion. Med midler fra Vandforskningsfonden, en nonprofit organisation, forskerne søgte metodisk at teste, hvor følsomme forskellige bakterier var over for forskellige bølgelængder af UV-lys.

Normalt, lyskilden til disse eksperimenter ville have været en lampe, der genererer en lang række UV-bølgelængder. For at indsnævre frekvensbåndet så meget som muligt, forskernes plan var at skinne lyset gennem filtre. Men det ville stadig have produceret relativt bredt, 10-nm lysbånd, og uønskede frekvenser ville have blødt gennem filteret, hvilket gør det svært at bestemme præcist, hvilke bølgelængder, der inaktiverede hver mikroorganisme.

Mikrobiologerne og ingeniørerne ville have en renser, mere kontrollerbar kilde til UV-lyset. Så, de opfordrede NIST til at hjælpe.

NIST udviklet, bygget og drev et system til at levere en velkontrolleret UV-stråle på hver prøve af mikroorganismer, der testes. Opsætningen involverede at sætte den pågældende prøve - en petriskål fyldt med vand med en vis koncentration af en af ​​prøverne - i et lystæt indelukke.

Det, der gør dette eksperiment unikt, er, at NIST designede UV-strålen til at blive leveret af en afstembar laser. "Tunable" betyder, at den kan producere en lysstråle med en ekstremt smal båndbredde - mindre end en enkelt nanometer - over en lang række bølgelængder, i dette tilfælde fra 210 nm til 300 nm. Laseren var også bærbar, giver videnskabsfolk mulighed for at bringe det til laboratoriet, hvor arbejdet blev udført. Forskere brugte også en NIST-kalibreret UV-detektor til at måle lyset, der rammer petriskålen før og efter hver måling, for at sikre, at de virkelig vidste, hvor meget lys der ramte hver prøve.

Der var mange udfordringer for at få systemet til at fungere. Forskere transporterede UV-lyset til petriskålen med en række spejle. Imidlertid, forskellige UV-bølgelængder kræver forskellige reflekterende materialer, så NIST-forskere skulle designe et system, der brugte spejle med forskellige reflekterende belægninger, som de kunne bytte ud mellem testkørsler. De skulle også anskaffe en lysspreder for at tage laserstrålen - som har en højere intensitet i midten - og sprede den ud, så den var ensartet over hele vandprøven.

Slutresultatet var en række grafer, der viste, hvordan forskellige bakterier reagerede på UV-lys af forskellige bølgelængder - de første data for nogle af mikroberne - med større præcision end nogensinde målt før. Og holdet fandt nogle uventede resultater. For eksempel, vira udviste øget følsomhed, da bølgelængder faldt under 240 nm. Men for andre patogener som Giardia, UV-følsomheden var omtrent den samme, selvom bølgelængderne blev lavere.

"Resultaterne fra denne undersøgelse er blevet brugt ret hyppigt af vandforsyningsselskaber, tilsynsmyndigheder og andre inden for UV-området, der arbejder direkte med vand- og også luftdesinfektion, " sagde CU Boulder miljøingeniør Sara Beck, første forfatter på tre artikler produceret fra dette værk fra 2012. "Forståelse af, hvilke bølgelængder af lys, der inaktiverer forskellige patogener, kan gøre desinfektionspraksis mere præcis og effektiv, " hun sagde.

JEG, UV robot

Det samme system, som NIST designet til at levere en kontrolleret, smalbånd af UV-lys til vandprøver kan også bruges til fremtidige eksperimenter med andre potentielle anvendelser.

For eksempel, forskere håber at kunne udforske, hvor godt UV-lys dræber bakterier på faste overflader som dem, der findes i hospitalsrum, og endda bakterier suspenderet i luften. I et forsøg på at reducere hospitalserhvervede infektioner, nogle medicinske centre har sprængt rum med en steriliserende stråle af UV-stråling båret ind af robotter.

Men der er endnu ingen reelle standarder for brugen af ​​disse robotter, sagde forskerne, så selvom de kan være effektive, det er svært at vide, hvor effektivt, eller for at sammenligne styrkerne ved forskellige modeller.

"For enheder, der bestråler overflader, der er mange variabler. Hvordan ved du, at de virker?" sagde Larason. Et system som NIST's kunne være nyttigt til at udvikle en standardmetode til at teste forskellige modeller af desinfektionsrobotter.

Et andet potentielt projekt kunne undersøge effekten af ​​sollys på den nye coronavirus, både i luften og på overflader, sagde Larason. Og de oprindelige samarbejdspartnere sagde, at de håber at bruge lasersystemet til fremtidige projekter relateret til vanddesinfektion.

"Følsomheden af ​​mikroorganismer og vira over for forskellige UV-bølgelængder er stadig meget relevant for nuværende vand- og luftdesinfektionspraksis, " sagde Beck, "især i betragtning af udviklingen af ​​nye teknologier samt nye desinfektionsudfordringer, såsom dem, der er forbundet med COVID-19 og hospitalserhvervede infektioner, for eksempel."