Sử dụng ánh sáng tia cực tím (UV) 222 nm để khử trùng an toàn hơn

Cả ánh sáng UV 254 nm và tia UV 222 nm đều là những bước sóng ánh sáng diệt khuẩn có tác dụng vô hiệu hóa vi khuẩn và vi rút. Giống như UVC 254 nm tiêu chuẩn, ánh sáng UV 222 nm phá vỡ các liên kết DNA bên trong nhân của vi khuẩn, điều này có thể ngăn vi khuẩn tái tạo. Ngoài ra, tia cực tím 222 nm được hấp thụ mạnh bởi các liên kết protein trong vỏ màng của vi khuẩn và tế bào người. Sự tương tác với protein này làm cho ánh sáng 222 nm có hiệu quả trong việc tiêu diệt vi khuẩn và an toàn hơn nhiều so với tia UV 254 nm khi con người tiếp xúc. Dữ liệu hiện tại chỉ ra rằng ánh sáng 222 nm an toàn hơn 100 lần đối với con người so với ánh sáng 254 nm. Điều này có thể cho phép tia cực tím 222 nm được sử dụng an toàn khi có sự hiện diện của con người.

Đại dịch COVID-19 đã làm tăng nhu cầu về các không gian công cộng được khử trùng, bao gồm các tòa nhà, tàu, máy bay và các loại phương tiện giao thông khác. Điều cấp thiết là giảm nguy cơ lây truyền mầm bệnh trong cả hoạt động dân sự và quân sự. Các quy trình khử trùng triệt để và hiệu quả phải được thực hiện để trở lại các hoạt động quân sự và dân sự trước đại dịch một cách hiệu quả về chi phí. Một lựa chọn khử trùng COVID có giá trị là đèn UV.

Không phải tất cả các tia UV đều giống nhau. Một số bước sóng UV tốt hơn những bước sóng khác trong việc khử trùng và một số an toàn hơn cho con người. Không thể nhìn thấy đối với mắt người, UV là ánh sáng ở bước sóng ngắn hơn 400 nm và lớn hơn 100 nm. Quang phổ UV được chia thành các tiểu dải UVA, UVB và UVC (Hình 1). Dải sóng UVA gần như có thể nhìn thấy được và thường được gọi là ánh sáng đen. UVB, bước sóng ngắn hơn một chút, là yếu tố chính khiến da bị cháy nắng và có thể gây ung thư da. Cả UVA và UVB dễ dàng đi vào bầu khí quyển của trái đất và có trong ánh sáng mặt trời. Mặt khác, các bước sóng UVC, ngắn hơn UVB, bị chặn bởi ôzôn ở tầng thượng khí quyển của trái đất và thường không xuất hiện trong ánh sáng mặt trời ở bề mặt trái đất. Điều này rất quan trọng đối với hiệu quả diệt khuẩn vì nó có nghĩa là vi khuẩn có ít khả năng phòng thủ hơn trước các bước sóng UVC ngắn hơn. Ngay cả trong dải UVC này, không phải tất cả ánh sáng đều giống nhau. Theo các nghiên cứu tại Columbia và các trường đại học khác, ánh sáng UV ở bước sóng 222 nm có khả năng diệt khuẩn tương tự như ánh sáng UV 254 nm được sử dụng rộng rãi hơn để tiêu diệt hoặc bất hoạt vi sinh vật (vi khuẩn và vi rút), nhưng nó có không tạo ra các tác động gây hại cho da hoặc mắt như ánh sáng 254 nm. Sự an toàn được cải thiện này là do bước sóng UV 222 nm ngắn hơn đã làm giảm độ sâu thâm nhập vào mô người. Trong khi các tác động tiêu cực đến con người được giảm bớt, ánh sáng 222 nm đã tăng hiệu suất tiêu diệt một số vi khuẩn và vi rút. Ánh sáng UV ở bước sóng 222 nm có khả năng diệt khuẩn tương tự như ánh sáng UV 254 nm được sử dụng rộng rãi hơn để tiêu diệt hoặc bất hoạt vi sinh vật (vi khuẩn và vi rút), nhưng nó không tạo ra những tác động gây hại cho da hoặc mắt như 254 nm soi rọi. Sự an toàn được cải thiện này là do bước sóng UV 222 nm ngắn hơn đã làm giảm độ sâu thâm nhập vào mô người. Trong khi các tác động tiêu cực đến con người được giảm bớt, ánh sáng 222 nm đã tăng hiệu suất tiêu diệt một số vi khuẩn và vi rút. Ánh sáng UV ở bước sóng 222 nm có khả năng diệt khuẩn tương tự như ánh sáng UV 254 nm được sử dụng rộng rãi hơn để tiêu diệt hoặc bất hoạt vi sinh vật (vi khuẩn và vi rút), nhưng nó không tạo ra những tác động gây hại cho da hoặc mắt như 254 nm soi rọi. Sự an toàn được cải thiện này là do bước sóng UV 222 nm ngắn hơn đã làm giảm độ sâu thâm nhập vào mô người. Trong khi các tác động tiêu cực đến con người được giảm bớt, ánh sáng 222 nm đã tăng hiệu suất tiêu diệt một số vi khuẩn và vi rút.

Hình 1: Quang phổ UV 

Hiện nay, cách dễ nhất để tạo ra ánh sáng 222 nm là sử dụng đèn excimer, là một ống thủy tinh chứa đầy khí và được gắn các điện cực cao áp dọc theo chiều dài của nó. Đèn Excimer về cơ bản là tia chớp trong chai (Hình 2). Sự phóng điện cao áp giữa các điện cực bên trong và bên ngoài tạo ra phân tử khí “tạm thời” phân hủy nhanh chóng. Các hỗn hợp khí khác nhau tạo ra các tần số ánh sáng khác nhau. Một đèn excimer chứa đầy hỗn hợp khí krypton (Kr) và clo (Cl) chủ yếu tạo ra ánh sáng 222 nm khi được cung cấp năng lượng. Cường độ đầu ra của đèn 222 nm có thể thay đổi bằng cách thay đổi công suất đầu vào, cho phép đèn được làm sáng ngay lập tức hoặc làm mờ theo yêu cầu. Tùy thuộc vào thiết kế, đèn excimer có thể chạy ở các mức công suất từ ​​thấp đến vài watt đến kilowatt. Để cải thiện sự an toàn của con người đối với ánh sáng 222 nm Kr / Cl hơn nữa.

Hình 2: Đèn chiếu ánh sáng UV 222nm

Ánh sáng từ hệ thống UVC được hấp thụ bởi DNA. Sự hấp thụ UVC bởi DNA của vi rút hoặc vi khuẩn làm hỏng DNA của nó, ngăn vi khuẩn tái tạo. Một vi khuẩn không thể tạo bản sao của chính nó thì không thể gây hại. Tia UV 254 nm được DNA hấp thụ cao nhưng không dễ dàng được hấp thụ bởi protein. Điều này có nghĩa là ánh sáng 254 nm sẽ thâm nhập sâu hơn vào các lớp tế bào da giàu protein. Trong khi tia UV 254 nm làm hỏng DNA của vi sinh, nó cũng có thể xâm nhập sâu hơn vào da người và làm hỏng DNA của các tế bào da đang phân chia tích cực. DNA bị hư hỏng trong quá trình phân chia tích cực các tế bào của con người có thể dẫn đến ung thư.

Mặt khác, tia UV 222 nm lại được cả protein và DNA hấp thụ cao. Vỏ màng bên ngoài của tất cả các vi khuẩn và vi rút đều chứa protein. Do đó, tia cực tím 222 nm không chỉ tương tác với DNA của vi sinh vật mà còn tương tác với vỏ màng bên ngoài của vi sinh vật. So với UVC 254 nm, cơ chế kép này của cả tổn thương DNA và tương tác vỏ protein có thể làm tăng hiệu quả của tia UV 222 nm chống lại một số vi khuẩn. Nó cũng làm cho nó an toàn hơn cho con người.

Tất cả các tế bào đều giàu protein. Vì ánh sáng 222 nm được hấp thụ rất nhiều bởi protein, nó không thể xuyên qua rất xa vào các lớp tế bào dày (Hình 3). Vi khuẩn và vi rút rất nhỏ – nhỏ hơn hàng trăm hoặc hàng nghìn lần so với tế bào của con người. Ánh sáng 222 nm sẽ xâm nhập hoàn toàn vào vi rút và vi khuẩn nhưng không thể xuyên qua lớp ngoài giàu protein dày của da, được cấu tạo bởi các tế bào da chết. Lớp tế bào da chết bên ngoài không chứa tế bào hoạt động và dày hơn 20 lần so với vi khuẩn hoặc vi rút lớn nhất. Lớp này hoạt động như một chiếc áo giáp chống lại ánh sáng 222 nm. Một lớp tế bào bảo vệ bên ngoài tương tự, lớp nước mắt, bảo vệ mắt. Điều này làm cho tia cực tím 222 nm an toàn hơn nhiều đối với con người vì ánh sáng 222 nm không bao giờ tiếp cận DNA của các tế bào đang hoạt động phân chia bên trong cơ thể. Vì ánh sáng 222 nm không chiếu tới các tế bào đang phân chia tích cực.

Hình 3: Ánh sáng 222 nm được hấp thụ bởi protein và DNA, ngăn chặn sự xâm nhập vào tế bào da chủ động phân chia

Ánh sáng 222 nm có hiệu quả cao trong việc tiêu diệt coronavirus, bao gồm SARS-CoV-2, loại virus gây ra COVID-19. Tiến sĩ David Brenner từ Đại học Columbia và những người khác đã nghiên cứu hiệu quả của tia UV 222 nm đối với các coronavirus ở người trong không khí [8]. Theo nghiên cứu của họ, ngay cả một liều thấp 1,7 mJ / cm ^{2 đã làm} bất hoạt 99,9% coronavirus dạng khí dung (OC43). Trong một nghiên cứu riêng biệt được thực hiện tại Đại học Hiroshima, SARS-CoV-2 đã giảm 99,7% trên bề mặt 3 mJ / cm ² của ánh sáng 222 nm. Liều lượng ánh sáng này có thể được cung cấp bởi một số đèn excimer 222 nm công suất cao trong vòng chưa đầy 1/8 giây. Do đó, ánh sáng 222 nm có thể được sử dụng để tiêu diệt coronavirus một cách nhanh chóng mà không gây hại cho con người (Hình 4).

Hình 4: Ánh sáng 222 nm vô hiệu hóa các Coronavirus như OC43 và SARS-CoV-2 

Vì ánh sáng 222 nm vừa gây chết vi khuẩn vừa an toàn hơn cho con người, nên nó có tiềm năng được sử dụng trong các ứng dụng có mặt con người trong quá trình khử trùng bằng tia cực tím trong khi vẫn nằm trong hướng dẫn tiếp xúc tia cực tím của chính phủ. Đèn 222 nm có thể được lắp đặt trên trần nhà hoặc tường và được bật khi cần thiết để khử trùng. Việc lắp đặt đèn UV có thể lớn bằng đèn huỳnh quang hoặc nhỏ như đầu báo khói, tùy thuộc vào tốc độ khử trùng mong muốn. Các ứng dụng là vô hạn. Một vài ví dụ bao gồm các cơ sở y tế, khu vực dành cho khách, khu văn phòng, khu dịch vụ ăn uống, nhà vệ sinh và các loại phương tiện vận chuyển (Hình 5). Hầu hết mọi không gian chung đều có thể được hưởng lợi từ việc khử trùng an toàn và hiệu quả tự động và không sử dụng hóa chất. Làn sóng của tương lai đã đến với khả năng khử trùng bằng tia UV 222 nm.

Hình 5: Hệ thống Khử trùng tự động 222 nm được xây dựng trong bồn rửa trên máy bay

Nguồn: dsiac.org