Время

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22588 (2022) Цитировать эту статью

893 Доступа

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Существует большая потребность в разработке и демонстрации новых технологий дезинфекции для защиты от различных патогенных вирусов и бактерий. В этом контексте ультрафиолетовое (УФ) облучение представляет собой эффективный и удобный метод инактивации патогенных микроорганизмов. Количественная оценка эффективности УФ-стерилизации основана на простом законе взаимности дозы и времени, предложенном Бунзеном-Роско. Однако константы скорости инактивации, указанные в литературе, широко варьируются даже при одинаковых дозах и длинах волн облучения. Таким образом, вполне вероятно, что физический механизм УФ-инактивации не может быть описан простым законом взаимности дозы и времени, а требует вторичного процесса инактивации, который необходимо идентифицировать для прояснения научной основы. В данной работе мы провели эксперимент по УФ-инактивации Escherichia coli в той же дозе, но с разной интенсивностью и продолжительностью облучения, варьируя интенсивность излучения на два-три порядка. Мы показали, что эффективность инактивации, полученная при облучении УФ-светодиодами, существенно различается на один порядок при одной и той же дозе, но при разных уровнях облучения на фиксированной длине волны. Чтобы объяснить это, мы построили стохастическую модель, вводящую вторую скорость инактивации, например, из-за активных форм кислорода (АФК), которые способствуют повреждению ДНК и / или белков, вместе со скоростью инактивации УФ-излучением, основанной на флюенсе. Путем решения дифференциальных уравнений на основе этой модели была четко выяснена эффективность инактивации в зависимости от освещенности и продолжительности облучения при одинаковых условиях дозы УФ-излучения. Предложенная модель ясно показывает, что в УФ-инактивации участвуют по крайней мере две скорости инактивации, причем обычно используемая скорость УФ-инактивации не зависит от освещенности, но скорость инактивации за счет АФК действительно зависит от освещенности. Мы пришли к выводу, что полученные к настоящему времени результаты УФ-инактивации были просто подогнаны по одной скорости инактивации, которая накладывала эти две скорости инактивации. Эффективность длительного УФ-облучения при низкой освещенности, но той же дозе дает полезную информацию для будущих технологий дезинфекции, таких как дезинфекция больших помещений, например, больничных палат с использованием УФ-излучения, поскольку это может снизить дозу облучения и связанный с ней риск. к человеческому телу.

Существует большая потребность в разработке и демонстрации эффективных технологий дезинфекции для защиты от различных болезнетворных вирусов и бактерий. В этой ситуации особый интерес вызывает стерилизация ультрафиолетовым (УФ) облучением, поскольку УФ-облучение предлагает эффективный и удобный метод инактивации патогенных микроорганизмов, в том числе коронавирусов1,2,3,4,5.

Принцип стерилизации основан на законе взаимности дозы и времени, предложенном Бунзеном-Роско6: Log(N/N0) = − Γ × D, где Γ (см2/мДж) — константа скорости инактивации, зависящая от длины волны, D = τ. × P, D (мДж/см2) — доза УФ-излучения, P (мВт/см2) — УФ-излучение, τ (с) — продолжительность облучения (здесь и далее мы используем D как дозу УФ-излучения, P как УФ-излучение и τ как продолжительность облучения.). Этот закон взаимности был применен ко многим различным категориям процессов фотореакций, таким как фотополимеризация, фотопроводимость и фотодеградация, а также УФ-стерилизация7. Закон взаимности предполагает, что скорость процесса фотохимической реакции пропорциональна освещенности света (линейный стохастический процесс), так что интенсивность процесса зависит только от D. Хотя это верно для большинства процессов первичных фотохимических реакций при освещенности, которая не вызывают нелинейных эффектов, существует множество реакций, которые не подчиняются закону взаимности в любом значительном диапазоне условий реакции, например, радикальная полимеризация8. Более того, константы скорости инактивации многих бактерий и вирусов УФ-облучением, о которых сообщается в литературе, широко варьируются даже для исследований, в которых использовались одна и та же длина волны облучения и одни и те же типы и штаммы бактерий и вирусов9,10,11. Этот широкий диапазон сообщаемых значений, по-видимому, предполагает, что физический механизм УФ-инактивации не может быть описан простым законом взаимности дозы и времени; вместо этого необходимо выявить вторичный процесс инактивации, чтобы прояснить научную основу7.