Mens de avventer full tilgang til laboratoriene sine på grunn av COVID-19-restriksjoner, har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) benyttet denne sjeldne muligheten til å rapportere de tekniske detaljene i banebrytende forskning de utførte om desinfisering av drikkevann ved bruk av ultrafiolett ( UV) lys.
Tilbake i 2012 publiserte NIST-forskerne og deres samarbeidspartnere flere artikler om noen grunnleggende funn med potensielle fordeler for vannforsyningsselskapene. Men disse artiklene forklarte aldri bestrålingsoppsettet som gjorde arbeidet mulig.
Nå publiserer NIST-forskere for første gang de tekniske detaljene i det unike eksperimentet, som stolte på en bærbar laser for å teste hvor godt forskjellige bølgelengder av UV-lys inaktiverte forskjellige mikroorganismer i vann. Verket vises i dag i The Review of Scientific Instruments (RSI).
En haster for å publisere en fullstendig beskrivelse av NIST-systemet er at forskere ser for seg å bruke dette UV-oppsettet for nye eksperimenter som går utover studiet av drikkevann og til desinfisering av faste overflater og luft. De potensielle applikasjonene kan inkludere bedre UV-desinfisering av sykehusrom og til og med studier av hvordan sollys inaktiverer coronavirus som er ansvarlig for COVID-19.
& quot; Så vidt jeg vet har ingen duplisert dette arbeidet, i det minste ikke for biologisk forskning," Sa Larason." Derfor' derfor vil vi få denne artikkelen ut nå."
God nok til å drikke
Ultrafiolett lys har bølgelengder som er for korte til at det menneskelige øye kan se. UV varierer fra ca. 100 nanometer (nm) til 400 nm, mens mennesker kan se en regnbue med farger fra fiolett (ca. 400 nm) til rød (ca. 750 nm).
En måte å desinfisere drikkevann på er å bestråle det med UV-lys, som bryter ned skadelige mikroorganismer' DNA og relaterte molekyler.
På tidspunktet for den opprinnelige studien brukte de fleste vannstrålingssystemer en UV-lampe som sendte ut mesteparten av UV-lyset ved en enkelt bølgelengde, 254 nm. I mange år hadde imidlertid vannforsyningsselskaper vist økende interesse for en annen type desinfiseringslampe som var" polychromatic," noe som betyr at den sendte ut UV-lys i flere forskjellige bølgelengder. Men effektiviteten til de nye lampene var ikke godt definert, sa Karl Linden, en miljøtekniker fra University of Colorado Boulder (CU Boulder) som var hovedforsker på 2012-studien.
I 2012 var en gruppe mikrobiologer og miljøteknikere ledet av CU Boulder interessert i å legge til kunnskapsbasen som vannforsyningsselskapene hadde om UV-desinfeksjon. Med finansiering fra Water Research Foundation, en ideell organisasjon, ønsket forskerne å teste metodisk hvor følsomme forskjellige bakterier var for forskjellige bølgelengder av UV-lys.
Normalt ville lyskilden for disse eksperimentene ha vært en lampe som genererer et bredt spekter av UV-bølgelengder. For å begrense frekvensbåndet så mye som mulig, forskerne' planen var å skinne lyset gjennom filtre. Men det ville fremdeles ha produsert relativt brede, 10 nm lysbånd, og uønskede frekvenser ville ha blødd gjennom filteret, noe som gjorde det vanskelig å bestemme nøyaktig hvilke bølgelengder som inaktiverte hver mikroorganisme.
Mikrobiologene og ingeniørene ønsket en renere, mer kontrollerbar kilde for UV-lyset. Så de ba NIST om å hjelpe.
NIST utviklet, bygget og drev et system for å levere en godt kontrollert UV-stråle på hver prøve av mikroorganismer som ble testet. Oppsettet innebar å sette prøven i spørsmålet - en petriskål fylt med vann med en viss konsentrasjon av en av prøvene - i et lystett kabinett.
Det som gjør dette eksperimentet unikt, er at NIST designet UV-strålen som skal leveres av en avstemmelig laser." Tunable" betyr at den kan produsere en lysstråle med en ekstremt smal båndbredde - mindre enn et enkelt nanometer - over et bredt spekter av bølgelengder, i dette tilfellet fra 210 nm til 300 nm. Laseren var også bærbar, slik at forskere kunne bringe den til laboratoriet der arbeidet ble utført. Forskere brukte også en NIST-kalibrert UV-detektor for å måle lyset som rammet petriskålen før og etter hver måling, for å sikre at de virkelig visste hvor mye lys som traff hver prøve.
Det var mange utfordringer for å få systemet til å fungere. Forskere ferjet UV-lyset til petriskålen med en serie speil. Imidlertid krever forskjellige UV-bølgelengder forskjellige reflekterende materialer, så NIST-forskere måtte designe et system som brukte speil med forskjellige reflekterende belegg som de kunne bytte mellom testkjøringer. De måtte også anskaffe en lysdiffusor for å ta laserstrålen - som har en høyere intensitet i midten - og spre den ut slik at den var jevn over hele vannprøven.
Sluttresultatet var en serie grafer som viste hvordan forskjellige bakterier reagerte på UV-lys med forskjellige bølgelengder - de første dataene for noen av mikroberene - med større presisjon enn noen gang målt før. Og teamet fant noen uventede resultater. For eksempel viste virusene økt følsomhet ettersom bølgelengder reduserte under 240 nm. Men for andre patogener som Giardia, var UV-følsomheten omtrent den samme, selv om bølgelengdene ble lavere.
& quot; Resultatene fra denne studien har blitt brukt ganske ofte av vannforsyningsselskaper, reguleringsorganer og andre innen UV-feltet som jobber direkte med vann - og også luftdesinfisering," sa CU Boulder miljøingeniør Sara Beck, første forfatter på tre artikler produsert fra dette arbeidet i 2012." Å forstå hvilke bølgelengder av lys som inaktiverer forskjellige patogener kan gjøre desinfiseringsmetoder mer presise og effektive," hun sa.
Jeg, UV-robot
Det samme systemet som NIST designet for å levere et kontrollert, smalt bånd av UV-lys til vannprøver, kan også brukes til fremtidige eksperimenter med andre potensielle applikasjoner.
For eksempel håper forskere å utforske hvor godt UV-lys dreper bakterier på faste overflater som de som finnes i sykehusrom, og til og med bakterier suspendert i luften. I et forsøk på å redusere sykehuservervede infeksjoner, har noen medisinske sentre sprengt rom med en sterilisering av UV-stråling som bæres inn av roboter.
Men det er ingen reelle standarder ennå for bruk av disse robotene, sa forskerne, så selv om de kan være effektive, er det&# 39 vanskelig å vite hvor effektivt, eller å sammenligne styrkene til forskjellige modeller.
& quot; For enheter som bestråler overflater, er det mange variabler. Hvordan vet du at de&# 39 jobber?" Sa Larason. Et system som NIST' s kan være nyttig for å utvikle en standard måte å teste forskjellige modeller av desinfiseringsroboter på.
Et annet potensielt prosjekt kan undersøke effekten av sollys på det nye koronaviruset, både i luften og på overflater, sa Larason. Og de opprinnelige samarbeidspartnerne sa at de håper å bruke lasersystemet til fremtidige prosjekter relatert til vanndesinfeksjon.
& quot; Følsomheten til mikroorganismer og virus for forskjellige UV-bølgelengder er fortsatt veldig relevant for gjeldende vann- og luftdesinfeksjonspraksis," Beck sa," spesielt gitt utviklingen av ny teknologi så vel som nye desinfiseringsutfordringer, som for eksempel de som er forbundet med COVID-19 og sykehuservervede infeksjoner."
