I avvaktan på full tillgång till sina laboratorier på grund av COVID-19-begränsningar har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) tagit detta sällsynta tillfälle att rapportera de tekniska detaljerna i banbrytande forskning som de utförde om desinfektion av dricksvatten med ultraviolett ( UV ljus.
Redan 2012 publicerade NIST-forskarna och deras medarbetare flera artiklar om några grundläggande resultat med potentiella fördelar för vattenföretag. Men dessa artiklar förklarade aldrig helt bestrålningsuppsättningen som gjorde arbetet möjligt.
För första gången publicerar NIST-forskare de tekniska detaljerna i det unika experimentet, som förlitade sig på en bärbar laser för att testa hur väl olika våglängder av UV-ljus inaktiverade olika mikroorganismer i vatten. Verket visas idag i The Review of Scientific Instruments (RSI).
& quot; Vi' vi har formellt vill skriva upp detta i flera år," sa NIST' s Tom Larason." Nu har vi tid att berätta för världen om det."
En angelägenhet för att publicera en fullständig beskrivning av NIST-systemet är att forskare föreställer sig att använda denna UV-inställning för nya experiment som går utöver studien av dricksvatten och desinfektion av fasta ytor och luft. De potentiella applikationerna kan inkludera bättre UV-desinfektion av sjukhusrum och till och med studier av hur solljus inaktiverar koronavirus som är ansvarigt för COVID-19.
& quot; Såvitt jag vet har ingen duplicerat detta arbete, åtminstone inte för biologisk forskning," Sa Larason." Det är därför&39 vi vill få ut det här dokumentet nu."
Bra nog att dricka
Ultraviolett ljus har våglängder som är för korta för det mänskliga ögat att se. UV sträcker sig från cirka 100 nanometer (nm) till 400 nm, medan människor kan se en regnbågsfärg från violett (cirka 400 nm) till rött (cirka 750 nm).
Ett sätt att desinficera dricksvatten är att bestråla det med UV-ljus, som bryter ner skadliga mikroorganismer' DNA och relaterade molekyler.
Vid tidpunkten för den ursprungliga studien använde de flesta vattenbestrålningssystem en UV-lampa som avgav större delen av sitt UV-ljus vid en enda våglängd, 254 nm. I åratal hade dock vattenföretag visat ökande intresse för en annan typ av desinfektionslampa som var &, polykromatisk, &, vilket betyder att det avger UV-ljus vid flera olika våglängder. Men effektiviteten hos de nya lamporna definierades inte väl, säger Karl Linden, en miljötekniker från University of Colorado Boulder (CU Boulder) som var en huvudutredare i 2012 års studie.
& quot; Vi upptäckte i mitten av 2000-talet att polykromatiska UV-källor var mer effektiva för virusinaktivering - speciellt för att dessa lampor producerade UV-ljus vid låga våglängder, under 230 nm," Sa Linden." Men det var svårt att kvantifiera hur mycket effektivare och vilka mekanismer för denna effektivitet var."
År 2012 var en grupp mikrobiologer och miljötekniker ledda av CU Boulder intresserade av att lägga till den kunskapsbas som vattenföretagen hade om UV-desinfektion. Med finansiering från Water Research Foundation, en ideell organisation, ville forskarna metodiskt testa hur känsliga olika bakterier var för olika våglängder av UV-ljus.
Normalt skulle ljuskällan för dessa experiment ha varit en lampa som genererar ett brett spektrum av UV-våglängder. För att begränsa frekvensbandet så mycket som möjligt, forskarna' planen var att skina ljuset genom filter. Men det skulle fortfarande ha producerat relativt breda 10 nm-ljusband och oönskade frekvenser skulle ha blivit genom filtret, vilket gör det svårt att bestämma exakt vilka våglängder som inaktiverar varje mikroorganism.
Mikrobiologerna och ingenjörerna ville ha en renare, mer kontrollerbar källa för UV-ljuset. Så de uppmanade NIST att hjälpa till.
NIST utvecklade, byggde och drev ett system för att leverera en välkontrollerad UV-stråle på varje prov av mikroorganismer som testades. Uppsättningen innebar att provet i fråga - en petriskål fylld med vatten med en viss koncentration av ett av proverna - placerades i ett ljust tätt hölje.
Vad som gör detta experiment unikt är att NIST designade UV-strålen för att levereras av en avstämbar laser." Tunable" betyder att den kan producera en ljusstråle med en extremt smal bandbredd - mindre än en enda nanometer - över ett brett spektrum av våglängder, i detta fall från 210 nm till 300 nm. Lasern var också bärbar, så att forskare kunde ta med den till laboratoriet där arbetet bedrevs. Forskare använde också en NIST-kalibrerad UV-detektor för att mäta ljuset som träffade petriskålen före och efter varje mätning, för att se till att de verkligen visste hur mycket ljus som träffade varje prov.
Det fanns många utmaningar för att få systemet att fungera. Forskare färde UV-ljuset till petriskålen med en serie speglar. Olika UV-våglängder kräver dock olika reflekterande material, så NIST-forskare var tvungna att utforma ett system som använde speglar med olika reflekterande beläggningar som de kunde byta ut mellan testkörningarna. De var också tvungna att skaffa en ljusspridare för att ta laserstrålen - som har en högre intensitet i mitten - och sprida ut den så att den var enhetlig över hela vattenprovet.
Slutresultatet var en serie grafer som visade hur olika bakterier reagerade på UV-ljus med olika våglängder - de första uppgifterna för några av mikroberna - med större precision än någonsin uppmätt tidigare. Och laget hittade några oväntade resultat. Exempelvis uppvisade virusen ökad känslighet då våglängder minskade under 240 nm. Men för andra patogener som Giardia var UV-känsligheten ungefär densamma även när våglängderna blev lägre.
& quot; Resultaten från denna studie har använts ganska ofta av vattenföretag, tillsynsmyndigheter och andra inom UV-området som arbetar direkt med vatten - och även luftdesinfektion," säger CU Boulder miljöingenjör Sara Beck, första författare på tre artiklar producerade från detta arbete från 2012." Att förstå vilka våglängder av ljus som inaktiverar olika patogener kan göra desinfektionsmetoder mer exakta och effektiva," Hon sa.
Jag, UV-robot
Samma system som NIST konstruerat för att leverera ett kontrollerat, smalt band av UV-ljus till vattenprover kan också användas för framtida experiment med andra potentiella applikationer.
Till exempel hoppas forskare att undersöka hur väl UV-ljus dödar bakterier på fasta ytor som de som finns i sjukhusrum och till och med bakterier som är upphängda i luften. I ett försök att minska sjukhusförvärvade infektioner har vissa medicinska centra sprängt rum med en steriliserande stråle av UV-strålning som bärs in av robotar.
Men det finns inga riktiga standarder ännu för användningen av dessa robotar, sa forskarna, så även om de kan vara effektiva är det&# 39 svårt att veta hur effektivt, eller att jämföra styrkorna hos olika modeller.
& quot; För enheter som bestrålar ytor finns det många variabler. Hur vet du att de&# 39 arbetar?" Sa Larason. Ett system som NIST' s kan vara användbart för att utveckla ett vanligt sätt att testa olika modeller av desinfektionsrobotar.
Ett annat potentiellt projekt kan undersöka effekten av solljus på det nya koronaviruset, både i luften och på ytor, sa Larason. Och de ursprungliga medarbetarna sa att de hoppas kunna använda lasersystemet för framtida projekt relaterade till desinfektion av vatten.
& quot; Mikroorganismernas och virusens känslighet för olika UV-våglängder är fortfarande mycket relevant för nuvarande vatten- och luftdesinfektionsmetoder," Beck sa,", särskilt med tanke på utvecklingen av ny teknik såväl som nya desinfektionsutmaningar, till exempel de som är associerade med COVID-19 och sjukhusförvärvade infektioner, till exempel."
Berättelsekälla:
Materialtillhandahålls avNational Institute of Standards and Technology (NIST). Original skrivet av Jennifer Lauren Lee.Obs! Innehållet kan redigeras för stil och längd.
