Kontekst badania
Doniesienia naukowe wskazują na globalny problem związany z rosnącą częstością występowania mikroorganizmów opornych na wiele leków i zakażeń szpitalnych, w tym zakażeń krzyżowych pochodzących z rąk personelu medycznego, stanowiących szacunkowo od 20% do 40% odnotowanych przypadków. Transmisja następuje poprzez kontakt z zakażonymi przedmiotami lub powierzchniami, przy czym wirusy zazwyczaj wykazują dłuższą żywotność na powierzchniach nieporowatych niż porowatych. Wśród najczęściej dotykanych powierzchni przez pracowników służby zdrowia znajdują się barierki łóżkowe, powierzchnie łóżek, wózki dostawcze, stoliki nadłóżkowe i pompy dożylne, urządzenie medyczne służące do dostarczania kontrolowanych ilości płynów, w tym odżywiania i leków, do organizmu pacjenta. Ta ciągła interakcja wskazuje na konieczność stosowania metod zapobiegania zakażeniom, najczęściej z użyciem chemicznych środków dezynfekujących. Jednak równocześnie istnieje rosnące zapotrzebowanie na zautomatyzowane, wolne od chemikaliów alternatywne rozwiązania. Jest nim promieniowanie ultrafioletowe (UVC). Większość urządzeń dezynfekujących opartych na promieniowaniu UVC dostępnych na rynku opiera się na lampach rtęciowych, które emitują promieniowanie o szczytowej długości fali 254 nm. Jednak delikatna konstrukcja i potrzeba wydłużonego czasu nagrzewania w tej technologii stanowią wyzwania w określonych zastosowaniach, a ich szkodliwa dla środowiska zawartość rtęci budzi obawy. W związku z tym wiele branż, takich jak te zajmujące się dezynfekcją wody i powietrza, przechodzi z lamp rtęciowych na diody UV-LED. Dane literaturowe najczęściej dotyczą jednak przypadku użycia jednej lampy UVC do eliminacji bakterii, która może osiągnąć znaczny poziom skuteczności dezynfekcji w krótkim czasie jedynie na małych odległościach. W przypadku użycia kilku lamp i większych odległości – takich badań jest niewiele. W tym badaniu porównano trzy oddzielne zestawy eksperymentów wykorzystujących konfiguracje pojedynczej diody LED, 6 diod LED i 8 diod LED w celu zoptymalizowania skuteczności dezynfekcji.
Cel i hipotezy
Głównym celem była optymalizacja konfiguracji lamp UVC-LED w celu zwiększenia skuteczności procesu dezynfekcji. Ponadto oceniono skuteczność biobójczą lamp w różnych odległościach do 60 cm.
Metoda badawcza
W przeprowadzonych badaniach wykorzystano diody LED UV-C 5 W 3535 (RZX, Shenzhen Trillion Auspicious Lightening Co., LTD, Chiny, długość fali szczytowej 275 nm). Najpierw przetestowano pojedynczą diodę LED UV, aby ocenić jej wpływ na dezynfekcję w porównaniu z łączną wydajnością uzyskaną dzięki zastosowaniu konfiguracji 6 i 8 diod LED zainstalowanych w okrągłym panelu (średnica 14 cm) wykonanym przy użyciu drukarki 3D (Ender 3 Pro, Creality, Chiny). Odstęp pomiędzy diodami wynosił 2,5 cm. Testowano następujące konfiguracje pracy diod: odległość od źródła światła -5, 10, 15, 30, 45, 60 cm oraz czas naświetlania: 10, 30, 60 s, 90, and 120 s. Testowanym szczepem patogenu był S. aureus (ATCC 15 442) w stężeniu początkowym 5,20×109 CFU/ml.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Konfiguracja 8 lamp-LED wykazywała lepsze zdolności dezynfekcyjne w porównaniu z konfiguracjami pojedynczej lampy i 6-LED. Gdy próbki były wystawione na działanie promieniowania UV przez 10 do 120 s przy użyciu konfiguracji pojedynczej LED w odległości 5 cm, stężenie bakterii zmniejszyło się osiągając redukcję w zakresie od 2,55×109 CFU/ml do 1,82×109 CFU/ml. Odpowiednio, wartości dawki wzrosły z 113 µJ/cm2 do 1356 µJ/cm2 , wskazując odwrotną zależność między dawką a skutecznością dezynfekcji. Znacznie wyższą skuteczność dezynfekcji wykazano przy konfiguracji 6 diod LED, tj. stężenie bakterii zmniejszyło się do 1,60×105 CFU/ml i do 1,20×104 CFU/ml przy 10s do 120s napromieniowania po ekspozycji na dawki w zakresie od 250 µJ/cm2 do 3000 µJ/cm2. W przypadku konfiguracji 8 diod LED odnotowano redukcję w zakresie od 1,57×103 do 1,32×103 CFU/ml przy podobnych okresach napromieniowania, co odpowiada wartościom dawek od 320 µJ/cm2 do 3840 µJ/cm2. Gdy odległość została zwiększona do 10 cm, skuteczność dezynfekcji nieznacznie poprawiła się w przypadku konfiguracji z pojedynczą diodą LED. Wartości CFU spadły z 3,70×108 do 7,10×107 CFU/ml po ekspozycji na minimalny i maksymalny czas, co odpowiada wartościom dawki od 55 µ/cm2 do 660 µJ/cm2. Ta zmiana wartości CFU sugeruje, że kąt 30 stopni pojedynczej diody LED znacząco wpływał na skuteczność dezynfekcji w najbliższym zasięgu (5 cm). W konsekwencji, wraz ze wzrostem odległości między źródłem a próbką, różnice w wartościach redukcji stopniowo malały. Natomiast konfiguracja 6 diod LED konsekwentnie osiągała wyższą wydajność, przy czym wartości CFU/ml wahały się od 1,65×105 CFU/ml do 1,43×104 CFU/ml po narażeniu na zakres dawek od 140 µJ/cm2 do 1680 µJ/cm2. Jednak redukcja była bardziej wyraźna w przypadku konfiguracji 8-LED niż konfiguracji pojedynczej i 6-LED tj. od 9,23×103 do 2,70×103 CFU/ml przy podobnych warunkach ekspozycji. Co ważne podkreślenia redukcja CFU osiągnięta przy użyciu pojedynczej diody LED wykazała tendencję spadkową w miarę zwiększania odległości od źródła UV-C, w szczególności z 30 do 60 cm, co skutkowało wartościami CFU rejestrowanymi odpowiednio na poziomie 2,10×109 CFU/ml i 3,50×109 CFU/ml przy 10 s naświetlania.
Wnioski
Badanie potwierdziło wpływ liczby diod UVC-LED i ich rozmieszczenia na skuteczność dezynfekcji powierzchni. Podczas gdy pojedyncza dioda LED może być skuteczna w bliskiej odległości od dezynfekowanych przedmiotów, jej skuteczność maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła UV-C. Z drugiej strony konfiguracje z wieloma diodami LED zapewniają wysoką skuteczność dezynfekcji, nawet przy dużych odległościach. Badania wykazały, że konfiguracja 8 diod LED osiągnęła wyjątkową skuteczność dezynfekcji na poziomie 99,99% lub 4,9-log inaktywacji, nawet w odległości 60 cm.
Ograniczenia zakresu badawczego W artykule nie wskazano czy testy zostały przeprowadzone w powtórzeniach czy był to tylko pomiar jednorazowy.
Artykuł opublikowany w Hygiene and Environmental Health Advances.