فرصت‌ها و چالش‌های ضدعفونی با اشعه فرابنفش
ملاحظات اندازه‌گیری روشهای ضدعفونی مبتنی بر اشعه فرابنفش برای مبارزه با COVID-19 در همه‌گیری کنونی بیماری بیماری همه‌گیر COVID-19 فناوری ضدعفونی‌کردن را در تمام دنیا مورد توجه ویژه قرار داده است.
تابش اشعه فرا بنفش یک روش امیدوارکننده برای جلوگیری از عفونت‌های تنفسی و عفونت‌های ناشی از قرار گرفتن در معرض سطوح آلوده است. این روش مدت‌هاست که به‌عنوان گزینه‌ای برای غیرفعال سازی میکرو ارگانیسم‌های بیماری‌زا، به‌ویژه برای ضدعفونی کردن آب استفاده شده‌است و امروزه، به‌طور فزایندهای برای ضدعفونی کردن سطوح نیز به‌کار برده می‌شود. با این حال، آشنایی با این فناوری و درک صحیح چرایی و چگونگی اندازه‌گیری آن برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد بسیار مهم است.
منابع اشعه فرابنفش
تابش الکترومغناطیسی در محدوده طول موجی بین 200 تا 280 نانومتر به‌عنوان قسمت UV-C اشعه فرابنفش شناخته می‌شود. منبع طبیعی اشعه فرابنفش نور خورشید است. اما بیشتر UV-C حاصل از خورشید توسط لایه اُزون موجود در جو مسدود می‌شود. در میان منابع اشعهUV-C ساخته‌شده توسط انسان، متداولترین آن‌ها لامپ‌های تخلیه گاز است. برای مدت زمان طولانی، لامپ‌های بخار جیوه مهم‌ترین منابع این تابش در بازار لامپ اشعه فرابنفش بودند. اکنون، آخرین پیشرفت‌های فنآوریLED ، موجب ارائه LEDهای UV-C به‌عنوان ضدعفونی کننده، به‌ویژه در محدوده 260 تا 280 نانومتر شده‌است.
اگرچه LEDهای UV-C هنوز هم به‌عنوان منابع UV-C نسبتاً گران و پر مصرف هستند، اما در حال حاضر میتوان از آن‌ها در سیستم‌های ضدعفونی کننده با طراحی مناسب استفاده کرد. از نقاط قوت مهم LED UV-C ، کوچک بودن، استحکام، کنترل بهتر جریان گرما و تنظیم دقیق طول موج است.
اشعه فرابنفش راهی برای غیرفعال‌سازی پاتوژنها
اصطلاح “پاتوژن” همه میکرو ارگانیسم‌های عفونی از جمله باکتری‌ها، ویروس‌ها، تک‌یاخته‌های انگلی و قارچ‌ها را که باعث بیماری می‌شوند، در بر‌می‌گیرد. بیش از 140 سال است که اشعه فرابنفش به‌عنوان اشعه‌ای دارای اثر ضد باکتری شناخته شده است، به‌این معنی که میتواند میکرو ارگانیسم‌ها را غیرفعال کرده و یا از بین ببرد. اشعه فرابنفش با ایجاد تخریب فتوشیمیایی اسیدهای نوکلئیک آن‌ها DNA) و (RNA این کار را انجام میدهد. این بدان معنی است که در بیشتر موارد پاتوژنها از بین نمیروند اما از نظر تکثیر ناتوان می‌شوند. در مقابل، استریلیزاسیون که در آن تمام اشکال زندگی میکروبیولوژیکی از بین می‌رود، ضدعفونی با فرآیندی است که در آن کاهش یا غیرفعال‌سازی میکرو ارگانیسم‌های مضر به کمتر از حد بیماری‌زایی می‌رسد. با غیرفعال‌سازی پاتوژنها، آن‌ها دیگر قادر به آلوده کردن موجودات دیگر نیستند.
روش ضدعفونی که در آن از اشعه فرابنفش برای غیرفعال سازی میکرو ارگانیسم‌های بیماری‌زا استفاده می‌شود، تابش فرابنفش میکروبکش یا UVGI[1] نام دارد. بیایید نگاهی به پارامترهای اصلی بیندازیم و ببینیم که آیا تابش UV میتواند پاتوژنها را غیرفعال کند یا خیر. این فرآیند به طول موج تابش، حساسیت میکرو ارگانیسم پاتوژنها و مقدار انرژی تابشی که میکرو ارگانیسم، در معرض آن قرار گرفته است، بستگی دارد.
شکل 1- شکل نشان میدهد که منحنی اثر میکروب کشی اشعه فرابنفش برای باکتری E. Coli در حدود 260 تا 265 نانومتر است. این منحنی میتواند بین میکرو ارگانیسم‌ها متفاوت باشد اما منطقه‌ای که حداکثر جذب UV را توسط DNA آن‌ها نشان میدهد معمولاً بین 250 تا 280 نانومتر است.
لامپ‌های جیوه با فشار کم، پیکی در 7/253 نانومتر دارند، که این امر آن‌ها را برای UVGI بسیار مناسب میکند. به‌همین دلیل است که آن‌ها را اغلب لامپ‌های میکروبکش مینامند.
کاربردهای ضدعفونی UV-C UVGI
در مقایسه با ضدعفونی کننده‌های شیمیایی یک مزیت قابل توجه دارد: اشعه فرابنفش هیچ ماده شیمیایی مضر یا فرآورده فرعی بر جای نمی‌گذارد. بنابراین،UVGI میتواند در کاربردهای مختلفی مانند ضدعفونی آب، هوا و سطوح استفاده شود.
پیشرفتهترین و پذیرفتهشدهترین کاربردUV-C ، برای ضدعفونی آب است. مفهوم آلودگی هوا از طریق قطرات تنفسی و استفاده از UVGI به‌منظور ضدعفونی کردن هوا برای اولین بار در دهه 1930 کشف شد. امروزه ضدعفونی کردن هوا را میتوان به‌چندین روش انجام داد: تابشUV به هوای داخل یک اتاق، به‌صورت جزئی یا کل اتاق، یا تابش به هوایی که از طریق سیستم گردش هوا بسته مخصوص (مانند ونتیلاتور یا تهویه هوا) عبور میکند. برای پاتوژنهای هوابرد که در نهایت سقوط میکنند و سطح را آلوده میکنند، نیزضدعفونی کننده سطح وارد صحنه می‌شود. برای دستیابی به‌نتایج مطلوب، ضدعفونی کردن هوا و سطح با UV باید در کنار هم انجام شوند زیرا هر دو در مبارزه با عوامل بیماری‌زا مهم هستند.
ضد عفونی کردن سطوح با اشعه UV در عمل
میزان انرژی تابشی اشعه فرابنفش بر میکرو ارگانیسم‌های در معرض آن، نقش تعیینکنندهای در غیرفعال‌سازی آن‌ها دارد. حال سوال جالب این است: در صورتی کهUV به میکروب‌ها بتابد، چه مقدار انرژی تابشی به آن‌ها می‌رسد؟
برای تعیین مقدار تابش اشعه فرابنفش، کمیت‌های رادیومتری متعارف مختلفی وجود دارد: توان تابشی[2] (شار تابشی) منبعUV ، که انرژی تابشی ساطع شده در واحد زمان (W) است. ایرادیانس[3]، که توان جذب شده توسط سطح در واحد سطح (W / m2) است؛ و نمایه تابشی[4]، که انرژی تابشی است که توسط یک سطح (J / m2) دریافت می‌شود و دوز UV نیز نامیده می‌شود، که برای درک مکانیسم‌های UVGI بسیار مهم است.
دوزهای UV برای غیرفعال سازی پاتوژنها
در آزمایش‌های ضد میکروبی، اصطلاح کاهش لگاریتمی استفاده می‌شود، که به‌مقدار تغییر در تعداد میکروارگانیسم غیرفعال یا کشته‌شده اشاره دارد. کاهش log3 به این معنی است که تعداد میکرو ارگانیسم‌های موجود در یک نمونه با فاکتور 1000 کاهش یافته و تنها 0.1٪ از تعداد اولیه پس از قرار گرفتن در معرض دوز خاصUV باقی مانده است. میکروب‌های مختلف حساسیت‌های مختلفی نسبت به UVGI دارند و برای همین به دوزهای مختلف تابش برای غیرفعال شدن نیاز دارند. جدول 1 نشان میدهد که بسته به نوع میکرو ارگانیسم، دوز UV چگونه بر میزان کاهش سطح پاتوژن تأثیر می‌گذارد.
جدول 1- تأثیر دوز UV بر میزان کاهش سطح پاتوژن بسته به نوع میکروارگانیسم
(منبع: گزارش خطرات بهداشتی پرکردن سفره‌های آب زیر زمینی با آب بازیافت شده، WHO Europe ، 2003، صفحه 53)
مقادیر دوز و سطح غیر فعال سازی به‌طور معمول با نتایج آزمایشگاهی در شرایط خاص به‌دست آمده‌است، که ممکن است با شرایط “واقعی” متفاوت باشد. معمولاً دوزهای بالاتر از مقدار پیشنهادی، در مکان‌های مورد نظر اعمال می‌شود. در حال حاضر، بسیاری از محققان در حال کار بر روی تعیین دوز کشنده UV برای ویروس SARS-CoV-2 هستند و هنوز هیچ نتیجه آزمایشگاهی در دسترس نیست.
هنگامیکه برای یک میکروارگانیسم مشخص، دوز کاهش لگاریتمی خاصی تعیین شد، سوال بعدی که مطرح می‌شود این است: برای جلوگیری از شیوع این میکروارگانیسم خاص، چه سطح از کاهش مورد نیاز است؟ دستورالعمل‌های آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده[5] در مورد گندزدایی بیان میکنند که برای ادعای ضدعفونی شدن یک پاتوژن خاص، کاهش باید بیشتر یا مساوی با log6 در کمتر از 10 دقیقه باشد. باقی ماندن پاتوژن زنده میتواند به معنای رشد بسیار سریع و مجدد آن‌ها باشد.
کارایی، ایمنی و اهمیت اندازه‌گیری
دو جنبه مهم فرآیند گندزداییUV-C ، کارایی و ایمنی آن است. اگر ما میخواهیم ضدعفونی کارآمدی داشته باشیم، باید فضا و سطوح خود را با جزئیات، توانایی‌ها و محدودیت‌های منبع UV استفاده شده و عوامل بیماری‌زایی را که میخواهیم از بین ببریم، خوب بشناسیم. همچنین، ما باید مراقب موارد ایمنی باشیم که هنگام استفاده ازUV به کسی آسیب نرسانیم. یکی از معیارهای اصلی که باید مورد توجه قرار گیرد، سایه‌زدایی است که به‌طور قابل توجهی در اثربخشی ضدعفونی‌کنندگی UV-C تأثیر می‌گذارد. این فرآیند میتواند ماکروسکوپی (میکروب پشت اشیا) یا میکروسکوپی (جایی که میکروب‌های ریز در شکاف سطح پنهان می‌شوند) باشد. در هر دو حالت، اگر میکروب‌ها در مناطق سایه‌دار باشند، غیرفعال نمی‌شوند. برای درک پیچیدگی این وضعیت، بگذارید یک اتاق را در بیمارستان تصور کنیم که باید توسط سیستم ضدعفونی UV-C یا یک روبات، ضدعفونی شود (شکل 2).
شکل 2- یک اتاق در بیمارستان با سیست مضدعفونی رباتیک UV-C در مرکز
مسئله اول ایمنی است. از آنجایی که قرار گرفتن در معرض مستقیم اشعه فرابنفش بر موجودات زنده تأثیر می‌گذارد، قبل از شروع ضدعفونی کردن، همه افراد یا سایر موجودات زنده که نباید در معرض خطر قرار بگیرند، باید اتاق را ترک کنند. ما همچنین باید مواد موجود در اتاق را مورد توجه قرار دهیم زیرا قرار گرفتن چند باره در معرض اشعه UV-C به‌مدت طولانی میتواند منجر به آسیب به سطوح (به‌ویژه پلیمری) شود.
دوم اینکه، برای ضدعفونی شدن با اشعه فرابنفش، فضایی که قرار است ضدعفونی شود باید در ابتدا تمیز شود، به‌عنوان مثال خاصیت جذب کنندگی مایعاتی مانند خون، موفقیت در غیرفعال سازی پاتوژنها را کاهش میدهد. تمام اشیا غیر ضروری که سایه‌های ماکروسکوپی ایجاد میکنند باید برداشته شوند. پارچه‌های کف یا داخل کمد لباس‌ها، در صورت عدم دسترسی به اشعه فرابنفش، میکروب‌هایشان غیرفعال نمی‌شود.
سطوح مختلف و شکافهای زیادی وجود دارد که در آن‌ها باکتری‌ها و ویروس‌ها میتوانند رشد کنند. هنگام ضدعفونی محیطی در کل اتاق، استفاده از سیستم‌هایی که امکان دسترسی به هر سطحی (از جمله کف) را، بدون توجه به مسافت دارند، ضروری است. در فرآیند ضدعفونی، توجه به اشیا یا مواد موجود بین منبع UV و سطح تابش شده بسیار مهم است.
مسئله سوم زمان قرار گرفتن در معرض تابش است. از آنجا که تابش با مربع فاصله از منبع UV نسبت عکس دارد و توان تابشی منبع نیز معمولاً ثابت است، این فاصله و مدت زمان قرار گرفتن در معرض تابش برای دستیابی به دوز مورد نیاز، بسیار مهم است. برای رسیدن به نتیجه بهتر، چندین منبع UV میتوانند ترکیب شوند. چندین سیستم نصب شده در قسمت‌های مختلف مانند گوشه‌ها، دیوارها و سقف و یا روبات‌های متحرک، قدرت تابشی موجود را افزایش میدهند. با استفاده از این روش، میتوان اطمینان داشت که کاهش لگاریتمی مربوط به دوز UV مورد نیاز برای زدودن نوع خاصی از پاتوژنها، در اتاق حاصل می‌شود. برای بهینه‌سازی نتایج ضدعفونی و استفاده از زمان کمتر، ایده‌آل این است که منبع به سطوح نزدیک شود. شیب زاویه منبع اشعه فرابنفش به سمت جسم نیز مهم است زیرا سطوح عمود، انرژی بیشتری جذب میکنند و سایه‌های میکروسکوپی نیز ضدعفونی می‌شوند و بافت سطح به‌صورت بهتری قابل دسترسی است.
اگر به مسائل ایمنی UVGI برگردیم، توجه به این نکته مهم است که بین اثر بیولوژیکی و عمق نفوذ تابش UV تفاوت وجود دارد. در حالی که محدوده طول موج UV-C از نظر بیولوژیکی فعالترین نوع تابش است، اما برای افراد خطر کمی دارد زیرا توسط لایه خارجی و مرده پوست جذب می‌شود. اما اشعه UV-B و UV-A بیشتر در بافت نفوذ میکنند. روشهای ایمن بسیار مهم هستند زیرا قرار گرفتن در معرض اشعه 254 نانومتر میتواند منجر به اثرات آفتاب سوختگی (اریتما[6]) و یک وضعیت دردناک در چشم شود که به‌عنوان “فلش جوشکاری” (فتوکراتیتیس[7]) شناخته می‌شود.
ابزارهای اندازه گیری اشعه فرابنفش
رادیومترهای فرابنفش (که به آن‌ها حس‌گرهای تابش و دوزسنج نیز گفته می‌شود) معمولاً برای اندازه‌گیری اشعه فرابنفش و دوز آن در کاربردهای ضدعفونی استفاده می‌شود. برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد، انتخاب حس‌گر مناسب و استفاده صحیح از آن بسیار مهم است. یکی از راه‌های اندازه‌گیری توان تابشی منبعUV ، استفاده از یک کره یکپارچه متصل به یک سنسور و یک طیف سنج است؛ و در نهایت، کالیبراسیون مناسب همان چیزی است که اطمینان میدهد نتایج به‌دست آمده دقیق و قابل اعتماد هستند. شرایط خاص میدانی ممکن است به برخی از روشهای اندازه‌گیری خاص یا راهحلهای سفارشی ویژه نیاز داشته باشد.
نتیجه
غیرفعال‌سازی پاتوژنهایی مانند ویروس SARS-CoV-2 یا COVID-19 بر روی سطوح با اشعه فرابنفش میتواند یک روش ضدعفونی مؤثر، ایمن و سازگار با محیط زیست باشد، اما یافتن یک رویکرد جامع که تمام محدودیت‌ها را در نظر بگیرد ضروری است. بدین ترتیب امروزه بهبود مقررات مربوط به استفاده از اشعه فرابنفش، برای کاربردهای ضدعفونی، به‌ویژه در بهداشت و درمان یک ضرورت به‌شمار می‌رود. توسعه تجهیزات اندازه‌گیری و تسهیل استفاده از آن‌ها، نیز اکنون به‌شکل یک نیاز اساسی رخ مینماید.
Source: The History of Ultraviolet Germicidal Irradiation for Air Disinfection, N.G. Reed, Public Health Rep. 2010 Jan-Feb; 125 (1): 15-27