Sementara menunggu akses penuh ke makmal mereka kerana sekatan COVID-19, para saintis di Institut Piawaian dan Teknologi Nasional (NIST) telah mengambil kesempatan langka ini untuk melaporkan butiran teknikal penyelidikan perintis yang mereka lakukan mengenai pembasmian kuman air minum menggunakan ultraviolet ( UV) cahaya.
Kembali pada tahun 2012, para saintis NIST dan kolaborator mereka menerbitkan beberapa makalah mengenai beberapa penemuan asas dengan potensi keuntungan bagi syarikat utiliti air. Tetapi artikel-artikel ini tidak pernah menjelaskan sepenuhnya penyediaan penyinaran yang memungkinkan kerja itu dapat dilaksanakan.
Kini, buat pertama kalinya, penyelidik NIST menerbitkan butiran teknikal eksperimen unik itu, yang bergantung pada laser mudah alih untuk menguji sejauh mana panjang gelombang cahaya UV yang berbeza mengaktifkan mikroorganisma yang berbeza di dalam air. Karya ini muncul hari ini dalam Kajian Instrumen Ilmiah (RSI).
Satu keperluan mendesak untuk menerbitkan penerangan lengkap mengenai sistem NIST ialah para penyelidik membayangkan menggunakan persediaan UV ini untuk eksperimen baru yang melangkaui kajian tentang air minum dan pembasmian kuman pada permukaan pepejal dan udara. Aplikasi yang berpotensi merangkumi pembasmian kuman UV yang lebih baik dari bilik hospital dan juga kajian tentang bagaimana cahaya matahari menonaktifkan coronavirus yang bertanggungjawab untuk COVID-19.
& quot; Sejauh yang saya tahu, tidak ada yang menduplikasi karya ini, sekurang-kurangnya bukan untuk penyelidikan biologi," Larason berkata." Itulah sebabnya kami mahu mengeluarkan kertas ini sekarang."
Cukup sedap untuk diminum
Cahaya ultraviolet mempunyai panjang gelombang yang terlalu pendek untuk dilihat oleh mata manusia. UV berkisar antara 100 nanometer (nm) hingga 400 nm, sedangkan manusia dapat melihat pelangi warna dari ungu (sekitar 400 nm) hingga merah (sekitar 750 nm).
Salah satu cara untuk membasmi kuman air minum adalah menyinari dengan cahaya UV, yang memecah mikroorganisma berbahaya' DNA dan molekul yang berkaitan.
Pada masa kajian asal, kebanyakan sistem penyinaran air menggunakan lampu UV yang memancarkan sebahagian besar cahaya UV pada panjang gelombang tunggal, 254 nm. Namun, selama bertahun-tahun, syarikat utiliti air menunjukkan minat yang tinggi terhadap jenis lampu pembasmian kuman yang berbeza" polychromatic," bererti ia memancarkan cahaya UV pada pelbagai panjang gelombang yang berbeza. Tetapi keberkesanan lampu baru tidak dapat ditentukan dengan jelas, kata Karl Linden, jurutera persekitaran University of Colorado Boulder (CU Boulder) yang merupakan penyiasat utama kajian 2012.
Pada tahun 2012, sekumpulan ahli mikrobiologi dan jurutera alam sekitar yang diketuai oleh CU Boulder berminat untuk menambah pengetahuan yang dimiliki syarikat utiliti air mengenai pembasmian kuman UV. Dengan pembiayaan dari Water Research Foundation, sebuah organisasi bukan untung, para saintis ingin menguji secara metodis bagaimana sensitif pelbagai kuman terhadap panjang gelombang cahaya UV yang berbeza.
Biasanya, sumber cahaya untuk eksperimen ini adalah lampu yang menghasilkan pelbagai panjang gelombang UV. Untuk mengecilkan frekuensi sebanyak mungkin, para penyelidik' rancangannya adalah untuk menyinari cahaya melalui penapis. Tetapi itu masih akan menghasilkan jalur cahaya yang cukup lebar, 10-nm, dan frekuensi yang tidak diingini akan berdarah melalui penapis, sehingga sukar untuk menentukan dengan tepat panjang gelombang mana yang mengaktifkan setiap mikroorganisma.
Ahli mikrobiologi dan jurutera mahukan sumber yang lebih bersih dan terkawal untuk cahaya UV. Oleh itu, mereka meminta NIST untuk membantu.
NIST mengembangkan, membina dan mengendalikan sistem untuk menyampaikan sinar UV yang terkawal dengan baik ke setiap sampel mikroorganisma yang diuji. Penyediaannya melibatkan meletakkan sampel yang dimaksudkan - piring petri berisi air dengan kepekatan tertentu dari salah satu spesimen - ke dalam kandang yang ketat.
Apa yang menjadikan eksperimen ini unik adalah bahawa NIST merancang sinar UV untuk dihantar dengan laser yang dapat ditala." Tunable" bermaksud ia dapat menghasilkan pancaran cahaya dengan lebar jalur yang sangat sempit - kurang dari satu nanometer - di atas panjang gelombang yang luas, dalam hal ini dari 210 nm hingga 300 nm. Laser itu juga mudah alih, yang membolehkan para saintis membawanya ke makmal tempat kerja itu dijalankan. Para penyelidik juga menggunakan alat pengesan UV yang dikalibrasi NIST untuk mengukur cahaya yang memukul piring petri sebelum dan selepas setiap pengukuran, untuk memastikan mereka benar-benar tahu berapa banyak cahaya yang memukul setiap sampel.
Terdapat banyak cabaran untuk menjadikan sistem berfungsi. Para penyelidik membawa cahaya UV ke piring petri dengan serangkaian cermin. Walau bagaimanapun, panjang gelombang UV yang berbeza memerlukan bahan reflektif yang berbeza, jadi penyelidik NIST harus merancang sistem yang menggunakan cermin dengan pelbagai lapisan reflektif yang dapat mereka ganti antara ujian berjalan. Mereka juga harus memperoleh penyebar cahaya untuk mengambil sinar laser - yang mempunyai intensitas yang lebih tinggi di tengah - dan menyebarkannya sehingga seragam di seluruh sampel air.
Hasil akhirnya adalah sekumpulan grafik yang menunjukkan bagaimana kuman yang berbeza bertindak balas terhadap cahaya UV dengan panjang gelombang yang berbeza - data pertama untuk beberapa mikroba - dengan ketepatan yang lebih besar daripada yang diukur sebelumnya. Dan pasukan itu menemui beberapa hasil yang tidak dijangka. Sebagai contoh, virus menunjukkan kepekaan yang meningkat kerana panjang gelombang menurun di bawah 240 nm. Tetapi untuk patogen lain seperti Giardia, kepekaan UV hampir sama walaupun panjang gelombang semakin rendah.
& quot; Hasil dari kajian ini telah sering digunakan oleh syarikat utiliti air, agensi pengawalseliaan dan lain-lain di bidang UV yang bekerja secara langsung pada air - dan juga pembasmian kuman udara," kata jurutera alam sekitar CU Boulder, Sara Beck, pengarang pertama pada tiga makalah yang dihasilkan dari karya 2012 ini." Memahami panjang gelombang cahaya yang tidak aktif mematikan patogen yang berbeza dapat menjadikan amalan pembasmian kuman lebih tepat dan cekap," dia berkata.
Saya, Robot UV
Sistem yang sama yang dirancang oleh NIST untuk menyampaikan jalur cahaya UV yang terkawal dan sempit ke sampel air juga dapat digunakan untuk eksperimen masa depan dengan aplikasi berpotensi lain.
Sebagai contoh, para penyelidik berharap dapat meneroka sejauh mana cahaya UV membunuh kuman di permukaan padat seperti yang terdapat di bilik hospital, dan bahkan kuman yang terampai di udara. Dalam usaha untuk mengurangkan jangkitan yang diperoleh hospital, beberapa pusat perubatan telah meledakkan bilik dengan pancaran sterilisasi sinaran UV yang dibawa oleh robot.
Tetapi belum ada piawaian sebenar untuk penggunaan robot ini, kata para penyelidik, jadi walaupun ia boleh menjadi berkesan, sukar untuk mengetahui sejauh mana keberkesanannya, atau membandingkan kekuatan model yang berbeza.
& quot; Untuk peranti yang memancarkan permukaan, terdapat banyak pemboleh ubah. Bagaimana anda tahu bahawa mereka&# 39 sedang berfungsi?" Larason berkata. Sistem seperti NIST&# 39 dapat berguna untuk mengembangkan cara standard untuk menguji model bot disinfeksi yang berbeza.
Projek lain yang berpotensi dapat mengkaji pengaruh cahaya matahari pada coronavirus novel, baik di udara maupun di permukaan, kata Larason. Dan kolaborator asal mengatakan bahawa mereka berharap dapat menggunakan sistem laser untuk projek masa depan yang berkaitan dengan pembasmian kuman air.
& quot; Kepekaan mikroorganisma dan virus terhadap panjang gelombang UV yang berlainan masih sangat relevan untuk amalan pembasmian kuman air dan udara semasa," Beck berkata," terutama memandangkan perkembangan teknologi baru dan juga cabaran pembasmian kuman baru, seperti yang berkaitan dengan COVID-19 dan jangkitan yang diperoleh hospital, misalnya."
