In afwachting van volledige toegang tot hun laboratoria vanwege COVID-19-beperkingen, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben van deze zeldzame gelegenheid gebruik gemaakt om de technische details te rapporteren van baanbrekend onderzoek dat ze hebben uitgevoerd naar de desinfectie van drinkwater met behulp van ultraviolet (UV) licht.

Terug in 2012, de NIST-wetenschappers en hun medewerkers publiceerden verschillende artikelen over enkele fundamentele bevindingen met mogelijke voordelen voor waterbedrijven. Maar deze artikelen legden nooit volledig de bestralingsopstelling uit die het werk mogelijk maakte.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, NIST-onderzoekers publiceren de technische details van het unieke experiment, die op een draagbare laser vertrouwde om te testen hoe goed verschillende golflengten van UV-licht verschillende micro-organismen in water inactiveerden. Het werk verschijnt vandaag in de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten ( RSI ).

"We wilden dit al jaren formeel opschrijven, " zei Tom Larason van NIST. "Nu hebben we tijd om de wereld erover te vertellen."

Een urgentie voor het publiceren van een volledige beschrijving van het NIST-systeem is dat onderzoekers deze UV-opstelling willen gebruiken voor nieuwe experimenten die verder gaan dan de studie van drinkwater en naar desinfectie van vaste oppervlakken en lucht. Mogelijke toepassingen zijn onder meer een betere UV-desinfectie van ziekenhuiskamers en zelfs onderzoeken naar hoe zonlicht het coronavirus dat verantwoordelijk is voor COVID-19 inactiveert.

"Voor zover ik weet, niemand heeft dit werk gedupliceerd, althans niet voor biologisch onderzoek, "Zei Larason. "Daarom willen we deze krant nu naar buiten brengen."

Goed genoeg om te drinken

Ultraviolet licht heeft golflengten die te kort zijn voor het menselijk oog om te zien. UV varieert van ongeveer 100 nanometer (nm) tot 400 nm, terwijl mensen een regenboog van kleur kunnen zien van violet (ongeveer 400 nm) tot rood (ongeveer 750 nm).

Een manier om drinkwater te desinfecteren is door het te bestralen met UV-licht, die het DNA van schadelijke micro-organismen en verwante moleculen afbreekt.

Ten tijde van het oorspronkelijke onderzoek, de meeste waterbestralingssystemen gebruikten een UV-lamp die het meeste van zijn UV-licht op één golflengte uitstraalde, 254 nm. Voor jaren, Hoewel, waterleidingbedrijven hadden steeds meer interesse getoond in een ander type desinfectielamp die "polychromatisch, " wat betekent dat het UV-licht uitstraalde op meerdere verschillende golflengten. Maar de effectiviteit van de nieuwe lampen was niet goed gedefinieerd, zei Karl Linden, een milieu-ingenieur van de University of Colorado Boulder (CU Boulder), die hoofdonderzoeker was van het onderzoek uit 2012.

"In het midden van de jaren 2000 ontdekten we dat polychromatische UV-bronnen effectiever waren voor het inactiveren van virussen, met name omdat deze lampen UV-licht produceerden bij lage golflengten, onder 230 nm, " zei Linden. "Maar het was moeilijk te kwantificeren hoeveel effectiever en wat de mechanismen van die effectiviteit waren."

In 2012, een groep microbiologen en milieu-ingenieurs onder leiding van CU Boulder was geïnteresseerd in het uitbreiden van de kennis die waterleidingbedrijven hadden met betrekking tot UV-desinfectie. Met financiering van de Water Research Foundation, een non-profitorganisatie, de wetenschappers wilden methodisch testen hoe gevoelig verschillende ziektekiemen waren voor verschillende golflengten van UV-licht.

Normaal gesproken, de lichtbron voor deze experimenten zou een lamp zijn geweest die een breed scala aan UV-golflengten genereert. Om de frequentieband zo veel mogelijk te verkleinen, het plan van de onderzoekers was om het licht door filters te laten schijnen. Maar dat zou nog steeds relatief veel hebben opgeleverd, 10-nm banden van licht, en ongewenste frequenties zouden door het filter zijn gebloed, waardoor het moeilijk was om precies te bepalen welke golflengten elk micro-organisme inactiveerden.

De microbiologen en ingenieurs wilden een schoner, beter controleerbare bron voor het UV-licht. Dus, ze riepen NIST om te helpen.

NIST ontwikkeld, een systeem gebouwd en bediend om een ​​goed gecontroleerde UV-straal af te geven op elk monster van micro-organismen dat wordt getest. De opstelling omvatte het plaatsen van het betreffende monster - een petrischaal gevuld met water met een bepaalde concentratie van een van de monsters - in een lichtdichte behuizing.

Wat dit experiment uniek maakt, is dat NIST de UV-straal heeft ontworpen om te worden geleverd door een afstembare laser. "Afstembaar" betekent dat het een lichtstraal kan produceren met een extreem smalle bandbreedte - minder dan een enkele nanometer - over een breed scala aan golflengten, in dit geval van 210 nm tot 300 nm. De laser was ook draagbaar, waardoor wetenschappers het naar het laboratorium konden brengen waar het werk werd uitgevoerd. Onderzoekers gebruikten ook een NIST-gekalibreerde UV-detector om het licht te meten dat de petrischaal voor en na elke meting raakt, om er zeker van te zijn dat ze echt wisten hoeveel licht er op elk monster viel.

Er waren veel uitdagingen om het systeem werkend te krijgen. Onderzoekers brachten het UV-licht met een reeks spiegels naar de petrischaal. Echter, verschillende UV-golflengten vereisen verschillende reflecterende materialen, dus moesten NIST-onderzoekers een systeem ontwerpen dat spiegels gebruikte met verschillende reflecterende coatings die ze tussen testruns konden verwisselen. Ze moesten ook een lichtdiffusor aanschaffen om de laserstraal - die in het midden een hogere intensiteit heeft - te nemen en uit te spreiden zodat deze uniform was over het hele watermonster.

Het eindresultaat was een reeks grafieken die lieten zien hoe verschillende ziektekiemen reageerden op UV-licht van verschillende golflengten - de eerste gegevens voor sommige van de microben - met grotere precisie dan ooit tevoren gemeten. En het team vond een aantal onverwachte resultaten. Bijvoorbeeld, de virussen vertoonden een verhoogde gevoeligheid naarmate de golflengten afnamen tot onder 240 nm. Maar voor andere pathogenen zoals Giardia, De UV-gevoeligheid was ongeveer hetzelfde, zelfs toen de golflengten lager werden.

"De resultaten van dit onderzoek zijn vrij vaak gebruikt door waterleidingbedrijven, regelgevende instanties en anderen op het gebied van UV die rechtstreeks werken aan water- en ook luchtdesinfectie, " zei CU Boulder milieu-ingenieur Sara Beck, eerste auteur van drie artikelen die uit dit werk uit 2012 zijn voortgekomen. "Begrijpen welke golflengten van licht verschillende pathogenen inactiveren, kan desinfectiepraktijken nauwkeuriger en efficiënter maken, " ze zei.

L, UV-robot

Hetzelfde systeem dat NIST heeft ontworpen voor het leveren van een gecontroleerde, smalle band van UV-licht naar watermonsters kan ook worden gebruikt voor toekomstige experimenten met andere mogelijke toepassingen.

Bijvoorbeeld, onderzoekers hopen te onderzoeken hoe goed UV-licht ziektekiemen doodt op vaste oppervlakken zoals die in ziekenhuiskamers, en zelfs ziektekiemen die in de lucht zweven. In een poging om ziekenhuisinfecties te verminderen, sommige medische centra hebben kamers gestraald met een steriliserende straal UV-straling die door robots wordt binnengebracht.

Maar er zijn nog geen echte standaarden voor het gebruik van deze robots, zeiden de onderzoekers, dus hoewel ze effectief kunnen zijn, het is moeilijk om te weten hoe effectief, of om de sterke punten van verschillende modellen te vergelijken.

"Voor apparaten die oppervlakken bestralen, er zijn veel variabelen. Hoe weet je dat ze werken?" zei Larason. Een systeem als dat van NIST zou nuttig kunnen zijn voor het ontwikkelen van een standaardmanier om verschillende modellen desinfectiebots te testen.

Een ander potentieel project zou het effect van zonlicht op het nieuwe coronavirus kunnen onderzoeken, zowel in de lucht als op oppervlakken, zei Larason. En de oorspronkelijke medewerkers zeiden dat ze het lasersysteem hopen te gebruiken voor toekomstige projecten met betrekking tot waterdesinfectie.

"De gevoeligheid van micro-organismen en virussen voor verschillende UV-golflengten is nog steeds zeer relevant voor de huidige water- en luchtdesinfectiepraktijken, "Bek zei, "vooral gezien de ontwikkeling van nieuwe technologieën en nieuwe desinfectie-uitdagingen, zoals die geassocieerd met COVID-19 en ziekenhuisinfecties, bijvoorbeeld."