اشعه ماوراء بنفش عمیق 222 نانومتر همه-آزمایش‌های لیزر حالت جامد-
شکل 5.20نقطه لیزر 222 نانومتر خروجی لیزر پالسی در بالاترین توان متوسط (به صفحه رنگ مراجعه کنید) در حداکثر توان متوسط خروجی 35 میلی‌وات برای لیزر پالسی 222 نانومتر، پایداری توان خروجی لیزر اندازه‌گیری شد. همانطور که در نشان داده شده استشکل 5.21، پایداری توان خروجی در طول 2 ساعت در 2٪ بود.
شکل 5.21پایداری توان خروجی لیزر پالسی 222 نانومتر
5.3 آزمایش های غیرفعال سازی باکتری ها با استفاده از لیزر پالسی 222 نانومتر
5.3.1 اصل و مزایای کاربردی غیرفعال کردن باکتری‌ها با UVC دور{{1}
در سال 1903، نیلز فینسن به دلیل کشف اینکه نور فرابنفش می تواند باکتری ها را از بین ببرد، جایزه نوبل را دریافت کرد [2]. در طول قرن بعد، ضدعفونی با اشعه ماوراء بنفش به طور گسترده ای رایج شد و به طور گسترده برای استریل کردن اشیاء، بخش های بیمارستان و سایر مکان های عمومی مورد استفاده قرار گرفت. در بحبوحه همه‌گیری مداوم COVID-19، کشورهای سراسر جهان به روش‌های جدید برای غیرفعال کردن ویروس‌های موجود در هوا نیاز فوری دارند.
عقیم سازی و ضدعفونی نوری عمدتاً از طریق دو مکانیسم انجام می شود: اثرات فتوشیمیایی و فتوترمال.
(1) اثر فتوشیمیاییهنگامی که ماده ژنتیکی باکتری (DNA/RNA) تحت تابش نور ماوراء بنفش قرار می گیرد، پرتوهای فرابنفش را به شدت جذب می کند و منجر به تشکیل دیمرهای پیریمیدین (مانند دایمرهای تیمین) و ایزومرهای آنها در ساختار اسید نوکلئیک می شود، همانطور که در نشان داده شده است.شکل 5.22. این محصولات نوری عملکرد متابولیک باکتری را مختل می کنند و از تولید مثل جلوگیری می کنند و در نهایت باعث مرگ می شوند [3]. این مکانیسم فتوشیمیایی اصل ضدعفونی اولیه نور UV سنتی است. با این حال، برای قارچ‌ها و میکروارگانیسم‌های تشکیل‌دهنده هاگ، اشعه ماوراء بنفش برای نفوذ به دیواره‌های سلولی متراکم آنها تلاش می‌کند، بنابراین DNA نمی‌تواند به طور موثر تشعشع را جذب کند و در نتیجه راندمان غیرفعال‌سازی کمتری در برابر این موجودات ایجاد می‌کند.
شکل 5.22نمودار شماتیک دیمریزاسیون تیمین در DNA دو رشته ای- تحت تابش UV (به صفحه رنگی مراجعه کنید)
(2) اثر فتوترمال: تابش نور پالسی می تواند به سرعت دمای سطح سلول های میکروبی را افزایش دهد، دیواره سلولی را از بین ببرد، مایع سلولی را تبخیر کند و ساختار سلول را کاملاً مختل کند و منجر به مرگ شود. اثر فتوترمال زمانی رخ می دهد که انرژی نور جذب شده توسط ماده به گرما تبدیل شود. هنگامی که میکروارگانیسم ها در فاصله نزدیک در معرض نور شدید پالسی قرار می گیرند، مقدار زیادی انرژی نوری را در مدت زمان بسیار کوتاهی جذب می کنند و باعث افزایش شدید دمای سطح می شوند که به طور غیر قابل برگشتی به ساختار سطح آسیب می زند. از آنجایی که کل فرآیند فتوترمال بسیار کوتاه است، فضای داخلی جسم تحت تابش عملاً افزایش دما را تجربه نمی کند، بنابراین مواد مغذی حفظ می شود. با توجه به مکانیسم ضدعفونی حرارتی نور، نور شدید پالسی می تواند به طور موثر انواع میکروارگانیسم ها را از بین ببرد.
نور UV پالسی هر دو اثر فتوشیمیایی و فتوترمال را برای استریل کردن ترکیب می‌کند، بنابراین در تئوری، راندمان غیرفعال‌سازی آن بیشتر از هر مکانیزم به تنهایی است.
لامپ‌های میکروب‌کش سنتی UV لامپ‌های بخار جیوه هستند که حداکثر طول موج 254 نانومتر را ساطع می‌کنند. این طول موج برای سلول ها و بافت های انسان مضر است و در موارد شدید می تواند باعث سرطان پوست [4] و آب مروارید [5] شود. تحقیقات در دهه گذشته نشان داده است که نور فرابنفش در باند 200 تا 230 نانومتر (که در سطح بین‌المللی به عنوان "فر-UVC" شناخته می‌شود) می‌تواند باکتری‌ها، ویروس‌های آنفلوانزای موجود در هوا، SARS-CoV-2 و سایر پاتوژن‌ها را بدون آسیب رساندن به سلول‌های انسانی غیرفعال کند [6-9]. در طول المپیک زمستانی 2022 پکن، دور UVC به طور گسترده برای استریل کردن و ضد عفونی کردن در چین استفاده شد و به عنوان "واکسن سبک" شناخته شد.
در مقایسه با اشعه ماوراء بنفش میکروب کش معمولی 254 نانومتری، دلیل بیوفیزیکی-بی ضرر بودن UVC برای سلول های انسانی در اوج جذب قوی پروتئین ها در این محدوده طول موج است [10]. در این آزمایش از اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری طیف جذب پروتئین استفاده شد، همانطور که در
شکل 5.23. می توان مشاهده کرد که پروتئین ها در 254 نانومتر جذب بسیار پایینی دارند اما در محدوده 200-230 نانومتر دور{4}}UVC جذب قوی دارند.
دور{0}UVC می‌تواند به میکروارگانیسم‌ها نفوذ کند (قطر معمول باکتری‌ها و ویروس‌ها به ترتیب ~1 میکرومتر و ~0.1 میکرومتر است) [11] که بسیار کوچک‌تر از سلول‌های انسانی معمولی هستند (10-25 میکرومتر). دور{7}}UVC به شدت توسط پروتئین های موجود در سیتوپلاسم سلول های انسانی جذب می شود و قبل از رسیدن به هسته سلول به شدت ضعیف می شود. برای پوست انسان، خارجی ترین لایه لایه شاخی است که از کراتینوسیت های مرده و هسته دار تشکیل شده است. وظیفه اصلی لایه شاخی محافظت از بافت های زیرین است. دورترین اشعه UVC توسط پروتئین‌های سیتوپلاسم سلول‌های لایه شاخی جذب می‌شود و نمی‌تواند برای رسیدن به سلول‌های اساسی اساسی یا ملانوسیت‌های زیر [12] نفوذ کند، همانطور که در نشان داده شده است.شکل 5.24. برای چشم انسان، بافت حساس به اشعه ماوراء بنفش، عدسی است که در پشت قرنیه قرار دارد (ضخامت قرنیه ≈ 500 میکرومتر) [13]. نفوذ UVC دور از قرنیه به عدسی اساساً صفر است [14].
شکل 5.23طیف جذب پروتئینشکل 5.24نفوذ و جذب-UVC دور در پوست انسان (مرجع توصیفی؛ شکل اصلی اینجا نشان داده نشده است)
