Ultraviolete adânci 222 nm Experimente cu laser în toate stările-solid-
Figura 5.20Punctul laser de ieșire laser pulsat de 222 nm la cea mai mare putere medie (vezi placa color) La puterea medie de ieșire maximă de 35 mW pentru laserul pulsat de 222 nm, a fost măsurată stabilitatea puterii de ieșire laser. După cum se arată înFigura 5.21, stabilitatea puterii de ieșire peste 2 ore a fost de 2%.
Figura 5.21Stabilitatea puterii de ieșire laser pulsat de 222 nm
5.3 Experimente de inactivare bacteriană folosind laser pulsat de 222 nm
5.3.1 Principiul și avantajele aplicației ale inactivării UVC îndepărtate a bacteriilor
În 1903, Niels Finsen a primit Premiul Nobel pentru că a descoperit că lumina ultravioletă poate ucide bacteriile [2]. În secolul următor, dezinfecția cu ultraviolete a devenit foarte populară și a fost utilizată pe scară largă pentru sterilizarea obiectelor, a secțiilor de spital și a altor locuri publice. Pe fondul pandemiei COVID-19 în curs de desfășurare, țările din întreaga lume au nevoie urgent de noi metode pentru a inactiva virușii din aer.
Sterilizarea și dezinfecția optică funcționează în principal prin două mecanisme: efecte fotochimice și fototermice.
(1) Efect fotochimic: Când materialul genetic bacterian (ADN/ARN) este iradiat de lumina ultravioletă, acesta absoarbe puternic radiația UV, ceea ce duce la formarea de dimeri de pirimidină (cum ar fi dimerii de timină) și izomerii acestora în structura acidului nucleic, așa cum este ilustrat înFigura 5.22. Aceste fotoproduse perturbă funcțiile metabolice ale bacteriilor, împiedicând reproducerea și în cele din urmă provocând moartea [3]. Acest mecanism fotochimic este principiul principal de dezinfecție al luminii UV tradiționale. Cu toate acestea, pentru ciupercile și microorganismele care formează-spori, lumina UV se străduiește să pătrundă în pereții celulari denși, astfel încât ADN-ul nu poate absorbi eficient radiația, ceea ce duce la o eficiență mai scăzută de inactivare împotriva acestor organisme.
Figura 5.22Diagrama schematică a dimerizării timinei în ADN dublu-catenar sub iradiere UV (vezi placa color)
(2) Efect fototermic: Iradierea cu lumină pulsată poate crește rapid temperatura de suprafață a celulelor microbiene, distrugând peretele celular, evaporând lichidul celular și perturbând complet structura celulară, ducând la moarte. Efectul fototermic apare atunci când energia luminoasă absorbită de material este transformată în căldură. Când microorganismele sunt expuse la lumină pulsată intensă la distanță apropiată, ele absorb o cantitate mare de energie optică într-un timp foarte scurt, provocând o creștere bruscă a temperaturii suprafeței care dăunează ireversibil structurii suprafeței. Deoarece întregul proces fototermic este extrem de scurt, interiorul obiectului iradiat nu suferă practic nicio creștere a temperaturii, păstrând astfel nutrienții. Conform mecanismului de dezinfecție fototermală, lumina intensă pulsată poate ucide în mod eficient toate tipurile de microorganisme.
Lumina UV pulsată combină atât efectele fotochimice, cât și cele fototermale pentru sterilizare, astfel încât, teoretic, eficiența sa de inactivare este mai mare decât cea a oricărui mecanism singur.
Lămpile germicide UV tradiționale sunt lămpi cu vapori de mercur, care emit o lungime de undă de vârf de 254 nm. Această lungime de undă este dăunătoare pentru celulele și țesuturile umane și, în cazuri severe, poate provoca cancer de piele [4] și cataractă [5]. Cercetările din ultimul deceniu au arătat că lumina ultravioletă în banda de 200–230 nm (cunoscută la nivel internațional ca „UVC departe”) poate inactiva bacteriile, virusurile gripale din aer, SARS-CoV{-2 și alți agenți patogeni fără a deteriora celulele umane [6–9]. În timpul Jocurilor Olimpice de iarnă de la Beijing din 2022, far-UVC a fost utilizat pe scară largă pentru sterilizare și dezinfecție în China și a fost denumit „vaccin ușor”.
În comparație cu UV germicid tipic de 254 nm, motivul biofizic pentru care UVC este inofensiv pentru celulele umane constă în vârful puternic de absorbție al proteinelor în acest interval de lungimi de undă [10]. În acest experiment, a fost folosit un spectrofotometru pentru a măsura spectrul de absorbție a proteinei, așa cum se arată în
Figura 5.23. Se poate observa că proteinele au o absorbție foarte scăzută la 254 nm, dar o absorbție puternică în intervalul 200-230 nm departe-UVC.
UVC departe-poate pătrunde în microorganisme (diametrele tipice ale bacteriilor și virușilor sunt de ~1 μm și, respectiv, ~0,1 μm) [11], care sunt mult mai mici decât celulele umane tipice (10-25 μm). UVC departe- este absorbit puternic de proteinele din citoplasma celulelor umane și se atenuează brusc înainte de a ajunge la nucleul celulei [6]. Pentru pielea umană, stratul exterior este stratul cornos, compus din keratinocite moarte, anucleate. Funcția principală a stratului cornos este de a proteja țesuturile subiacente. Cele mai îndepărtate-radiații UVC sunt absorbite de proteinele din citoplasma celulelor stratului cornos și nu pot pătrunde pentru a ajunge la celulele bazale critice sau melanocitele de dedesubt [12], așa cum se arată înFigura 5.24. Pentru ochiul uman, țesutul sensibil la UV-este cristalinul, care este situat în spatele corneei (grosimea corneei ≈ 500 μm) [13]. Pătrunderea UVC departe-prin cornee până la cristalin este în esență zero [14].
Figura 5.23Spectrul de absorbție a proteinelorFigura 5.24Penetrarea și absorbția UVC departe-în pielea umană (referință descriptivă; figura originală nu este afișată aici)
