Diep ultraviolet 222 nm Alle-Solid-State Laser-experimenten
Figuur 5.20Laservlek van 222 nm gepulseerde laseruitgang bij het hoogste gemiddelde vermogen (zie kleurenplaat) Bij het maximale gemiddelde uitgangsvermogen van 35 mW voor de 222 nm gepulseerde laser werd de stabiliteit van het laseruitgangsvermogen gemeten. Zoals getoond inFiguur 5.21was de stabiliteit van het uitgangsvermogen gedurende 2 uur binnen 2%.
Figuur 5.21Stabiliteit van 222 nm gepulseerd laseruitgangsvermogen
5.3 Experimenten met bacteriële inactivatie met behulp van gepulseerde laser van 222 nm
5.3.1 Principe en toepassingsvoordelen van verre-UVC-inactivatie van bacteriën
In 1903 kreeg Niels Finsen de Nobelprijs voor zijn ontdekking dat ultraviolet licht bacteriën kan doden [2]. In de daaropvolgende eeuw werd ultraviolette desinfectie zeer populair en werd op grote schaal gebruikt voor het steriliseren van voorwerpen, ziekenhuisafdelingen en andere openbare plaatsen. Te midden van de aanhoudende COVID-19-pandemie hebben landen over de hele wereld dringend behoefte aan nieuwe methoden om virussen in de lucht te inactiveren.
Optische sterilisatie en desinfectie werken voornamelijk via twee mechanismen: fotochemische en fotothermische effecten.
(1) Fotochemisch effect: Wanneer bacterieel genetisch materiaal (DNA/RNA) wordt bestraald met ultraviolet licht, absorbeert het de UV-straling sterk, wat leidt tot de vorming van pyrimidinedimeren (zoals thyminedimeren) en hun isomeren in de nucleïnezuurstructuur, zoals geïllustreerd inFiguur 5.22. Deze fotoproducten verstoren de metabolische functies van de bacterie, voorkomen reproductie en veroorzaken uiteindelijk de dood [3]. Dit fotochemische mechanisme is het belangrijkste desinfectieprincipe van traditioneel UV-licht. Bij schimmels en sporen{4}}vormende micro-organismen heeft UV-licht echter moeite om door hun dichte celwanden heen te dringen, zodat DNA de straling niet effectief kan absorberen, wat resulteert in een lagere inactivatie-efficiëntie tegen deze organismen.
Figuur 5.22Schematisch diagram van dimerisatie van thymine in dubbel-strengig DNA onder UV-straling (zie kleurenplaat)
(2) Fotothermisch effect: Bestraling met gepulseerd licht kan de oppervlaktetemperatuur van microbiële cellen snel verhogen, waardoor de celwand wordt vernietigd, cellulaire vloeistof verdampt en de celstructuur volledig wordt verstoord, wat tot de dood leidt. Het fotothermische effect treedt op wanneer de door het materiaal geabsorbeerde lichtenergie wordt omgezet in warmte. Wanneer micro-organismen van dichtbij worden blootgesteld aan intens gepulseerd licht, absorberen ze in zeer korte tijd een grote hoeveelheid optische energie, waardoor een sterke stijging van de oppervlaktetemperatuur ontstaat die de oppervlaktestructuur onomkeerbaar beschadigt. Omdat het hele fotothermische proces extreem kort is, ondervindt de binnenkant van het bestraalde object vrijwel geen temperatuurstijging, waardoor voedingsstoffen behouden blijven. Volgens het fotothermische desinfectiemechanisme kan gepulseerd intens licht alle soorten micro-organismen effectief doden.
Gepulseerd UV-licht combineert zowel fotochemische als fotothermische effecten voor sterilisatie, dus in theorie is de inactiveringsefficiëntie hoger dan die van elk mechanisme afzonderlijk.
Traditionele UV-kiemdodende lampen zijn kwikdamplampen, die een piekgolflengte van 254 nm uitstralen. Deze golflengte is schadelijk voor menselijke cellen en weefsels en kan in ernstige gevallen huidkanker [4] en cataract [5] veroorzaken. Onderzoek van de afgelopen tien jaar heeft aangetoond dat ultraviolet licht in de 200–230 nm-band (internationaal bekend als 'far-UVC') bacteriën, door de lucht verspreide influenzavirussen, SARS-CoV-2 en andere ziekteverwekkers kan inactiveren zonder menselijke cellen te beschadigen [6–9]. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2022 in Peking werd ver-UVC op grote schaal gebruikt voor sterilisatie en desinfectie in China en werd het een ‘licht vaccin’ genoemd.
Vergeleken met de typische kiemdodende UV-straling van 254 nm ligt de biofysische reden dat-UVC onschadelijk is voor menselijke cellen, in de sterke absorptiepiek van eiwitten in dit golflengtebereik [10]. In dit experiment werd een spectrofotometer gebruikt om het eiwitabsorptiespectrum te meten, zoals weergegeven in
Figuur 5.23. Het is duidelijk dat eiwitten een zeer lage absorptie hebben bij 254 nm, maar een sterke absorptie in het verre- UVC-bereik van 200–230 nm.
Verre-UVC kan micro-organismen binnendringen (typische diameters van bacteriën en virussen zijn respectievelijk ~1 μm en ~0,1 μm) [11], die veel kleiner zijn dan typische menselijke cellen (10-25 μm). Far-UVC wordt sterk geabsorbeerd door eiwitten in het cytoplasma van menselijke cellen en verzwakt sterk voordat het de celkern bereikt [6]. Voor de menselijke huid is de buitenste laag het stratum corneum, bestaande uit dode, kernloze keratinocyten. De primaire functie van het stratum corneum is het beschermen van onderliggende weefsels. In de meeste gevallen wordt-UVC-straling geabsorbeerd door eiwitten in het cytoplasma van de stratum corneumcellen en kan deze niet doordringen om kritische basale cellen of melanocyten eronder te bereiken [12], zoals weergegeven inFiguur 5.24. Voor het menselijk oog is het UV-gevoelige weefsel de lens, die zich achter het hoornvlies bevindt (hoornvliesdikte ≈ 500 μm) [13]. De penetratie van ver-UVC door het hoornvlies naar de lens is in wezen nul [14].
Figuur 5.23EiwitabsorptiespectrumFiguur 5.24Penetratie en absorptie van ver-UVC in de menselijke huid (beschrijvende referentie; originele figuur hier niet weergegeven)
