Trong khi chờ đợi quyền truy cập đầy đủ vào phòng thí nghiệm của họ do hạn chế COVID-19, các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã tận dụng cơ hội hiếm hoi này để báo cáo chi tiết kỹ thuật của nghiên cứu tiên phong mà họ đã tiến hành về khử trùng nước uống bằng tia cực tím (UV).
Trở lại năm 2012, các nhà khoa học NIST và cộng tác viên của họ đã xuất bản một số bài báo về một số phát hiện cơ bản với lợi ích tiềm năng cho các công ty tiện ích nước. Nhưng những bài viết này không bao giờ giải thích đầy đủ về thiết lập chiếu xạ giúp công việc có thể thực hiện được.
Bây giờ, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu NIST đang công bố các chi tiết kỹ thuật của thí nghiệm độc đáo, dựa trên laser di động để kiểm tra các bước sóng khác nhau của ánh sáng UV bất hoạt các vi sinh vật khác nhau trong nước như thế nào. Công trình xuất hiện ngày nay trong Tạp chí Dụng cụ Khoa học (RSI).
Tom Larason của NIST cho biết: "Chúng tôi đã muốn chính thức viết điều này trong nhiều năm. " "Bây giờ chúng ta có thời gian để nói với thế giới về nó."
Một cấp bách để xuất bản một mô tả đầy đủ về hệ thống NIST là các nhà nghiên cứu hình dung sử dụng thiết lập UV này cho các thí nghiệm mới vượt ra ngoài nghiên cứu về nước uống và khử trùng bề mặt rắn và không khí. Các ứng dụng tiềm năng có thể bao gồm khử trùng UV tốt hơn cho các phòng bệnh viện và thậm chí các nghiên cứu về cách ánh sáng mặt trời bất hoạt coronavirus chịu trách nhiệm về COVID-19.
Larason nói: "Theo như tôi biết, không ai sao chép công việc này, ít nhất là không phải cho nghiên cứu sinh học. " Đó là lý do tại sao chúng tôi muốn đưa bài báo này ra ngay bây giờ.
Đủ tốt để uống
Tia cực tím có bước sóng quá ngắn để mắt người nhìn thấy. UV dao động từ khoảng 100 nanomet (nm) đến 400 nm, trong khi con người có thể nhìn thấy cầu vồng màu từ tím (khoảng 400 nm) đến đỏ (khoảng 750 nm).
Một cách để khử trùng nước uống là chiếu xạ nó bằng tia UV, phá vỡ DNA của vi sinh vật có hại và các phân tử liên quan.
Tại thời điểm nghiên cứu ban đầu, hầu hết các hệ thống chiếu xạ nước đã sử dụng đèn UV phát ra hầu hết ánh sáng UV của nó ở một bước sóng duy nhất, 254 nm. Tuy nhiên, trong nhiều năm, các công ty tiện ích nước đã thể hiện sự quan tâm ngày càng tăng đối với một loại đèn khử trùng khác là "đa sắc", có nghĩa là nó phát ra ánh sáng UV ở nhiều bước sóng khác nhau. Nhưng hiệu quả của những chiếc đèn mới không được xác định rõ, Karl Linden, một kỹ sư môi trường của Đại học Colorado Boulder (CU Boulder), một nhà điều tra chính trong nghiên cứu năm 2012 cho biết.
Linden nói: "Chúng tôi đã phát hiện ra vào giữa những năm 2000 rằng các nguồn TIA CỰC TÍM đa sắc có hiệu quả hơn đối với sự bất hoạt của virus - đặc biệt là vì những chiếc đèn này tạo ra tia UV ở bước sóng thấp, dưới 230 nm. " Nhưng thật khó để định lượng hiệu quả hơn bao nhiêu và cơ chế của hiệu quả đó là gì.
Vào năm 2012, một nhóm các nhà vi sinh học và kỹ sư môi trường do CU Boulder dẫn đầu đã quan tâm đến việc bổ sung vào cơ sở kiến thức mà các công ty tiện ích nước có liên quan đến khử trùng UV. Với sự tài trợ từ Quỹ nghiên cứu nước, một tổ chức phi lợi nhuận, các nhà khoa học đang tìm cách kiểm tra một cách có phương pháp mức độ nhạy cảm của các vi trùng khác nhau với các bước sóng khác nhau của ánh sáng UV.
Thông thường, nguồn sáng cho các thí nghiệm này sẽ là một loại đèn tạo ra một loạt các bước sóng UV. Để thu hẹp dải tần số càng nhiều càng tốt, kế hoạch của các nhà nghiên cứu là chiếu ánh sáng qua các bộ lọc. Nhưng điều đó vẫn sẽ tạo ra các dải ánh sáng tương đối rộng, 10 nm và tần số không mong muốn sẽ chảy máu qua bộ lọc, gây khó khăn cho việc xác định chính xác bước sóng nào đang bất hoạt mỗi vi sinh vật.
Các nhà vi sinh học và kỹ sư muốn có một nguồn sạch hơn, dễ kiểm soát hơn cho ánh sáng UV. Vì vậy, họ kêu gọi NIST giúp đỡ.
NIST đã phát triển, xây dựng và vận hành một hệ thống để cung cấp một chùm tia UV được kiểm soát tốt trên mỗi mẫu vi sinh vật đang được thử nghiệm. Việc thiết lập liên quan đến việc đưa mẫu vào câu hỏi - một đĩa petri chứa đầy nước với nồng độ nhất định của một trong những mẫu vật - vào một vỏ bọc kín ánh sáng.
Điều làm cho thí nghiệm này trở nên độc đáo là NIST đã thiết kế chùm tia UV được cung cấp bằng laser có thể điều chỉnh. "Có thể điều chỉnh" có nghĩa là nó có thể tạo ra một chùm ánh sáng với băng thông cực kỳ hẹp - ít hơn một nanomet duy nhất - trên một loạt các bước sóng, trong trường hợp này từ 210 nm đến 300 nm. Laser cũng di động, cho phép các nhà khoa học mang nó đến phòng thí nghiệm nơi công việc đang được tiến hành. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng máy dò UV hiệu chuẩn NIST để đo ánh sáng chiếu vào đĩa petri trước và sau mỗi phép đo, để đảm bảo họ thực sự biết có bao nhiêu ánh sáng chiếu vào mỗi mẫu.
Có rất nhiều thách thức để làm cho hệ thống hoạt động. Các nhà nghiên cứu đã đưa tia UV vào đĩa petri bằng một loạt gương. Tuy nhiên, các bước sóng UV khác nhau đòi hỏi các vật liệu phản xạ khác nhau, vì vậy các nhà nghiên cứu NIST đã phải thiết kế một hệ thống sử dụng gương với các lớp phủ phản xạ khác nhau mà họ có thể hoán đổi giữa các lần chạy thử nghiệm. Họ cũng phải mua một bộ khuếch tán ánh sáng để lấy chùm tia laser - có cường độ cao hơn ở trung tâm - và trải nó ra để nó đồng đều trên toàn bộ mẫu nước.
Kết quả cuối cùng là một loạt các biểu đồ cho thấy các vi trùng khác nhau phản ứng như thế nào với ánh sáng UV của các bước sóng khác nhau - dữ liệu đầu tiên cho một số vi khuẩn - với độ chính xác cao hơn bao giờ hết được đo trước đây. Và nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một số kết quả bất ngờ. Ví dụ, virus biểu hiện tăng độ nhạy khi bước sóng giảm xuống dưới 240 nm. Nhưng đối với các mầm bệnh khác như Giardia, độ nhạy UV cũng tương tự ngay cả khi bước sóng thấp hơn.
"Kết quả từ nghiên cứu này đã được sử dụng khá thường xuyên bởi các công ty tiện ích nước, cơ quan quản lý và những người khác trong lĩnh vực UV làm việc trực tiếp trên nước - và cả không khí - khử trùng," kỹ sư môi trường CU Boulder Sara Beck, tác giả đầu tiên của ba bài báo được sản xuất từ tác phẩm năm 2012 này cho biết. "Hiểu được bước sóng ánh sáng nào làm bất hoạt các mầm bệnh khác nhau có thể làm cho việc thực hành khử trùng chính xác và hiệu quả hơn," cô nói.
I, UV Robot
Cùng một hệ thống mà NIST thiết kế để cung cấp một dải ánh sáng UV hẹp, được kiểm soát cho các mẫu nước cũng có thể được sử dụng cho các thí nghiệm trong tương lai với các ứng dụng tiềm năng khác.
Ví dụ, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ khám phá mức độ tia UV giết chết vi trùng trên các bề mặt rắn như trong phòng bệnh và thậm chí cả vi trùng lơ lửng trong không khí. Trong nỗ lực giảm nhiễm trùng mắc phải tại bệnh viện, một số trung tâm y tế đã nổ tung các phòng với chùm bức xạ UV khử trùng do robot mang vào.
Nhưng chưa có tiêu chuẩn thực sự nào để sử dụng các robot này, các nhà nghiên cứu cho biết, vì vậy mặc dù chúng có thể hiệu quả, nhưng thật khó để biết hiệu quả như thế nào hoặc so sánh điểm mạnh của các mô hình khác nhau.
"Đối với các thiết bị chiếu xạ bề mặt, có rất nhiều biến số. Làm thế nào để bạn biết họ đang làm việc?" Larason nói. Một hệ thống như NIST có thể hữu ích để phát triển một cách tiêu chuẩn để thử nghiệm các mô hình bot khử trùng khác nhau.
Một dự án tiềm năng khác có thể kiểm tra ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời đối với coronavirus mới, cả trong không khí và trên bề mặt, Larason nói. Và các cộng tác viên ban đầu cho biết họ hy vọng sẽ sử dụng hệ thống laser cho các dự án trong tương lai liên quan đến khử trùng nước.
"Sự nhạy cảm của vi sinh vật và vi rút với các bước sóng UV khác nhau vẫn rất phù hợp với các thực hành khử trùng nước và không khí hiện tại," Beck nói, "đặc biệt là với sự phát triển của các công nghệ mới cũng như những thách thức khử trùng mới, chẳng hạn như những thách thức liên quan đến COVID-19 và nhiễm trùng mắc phải tại bệnh viện, ví dụ."
Nguồn câu chuyện:
Vật liệuđược cung cấp bởiViện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Nguyên tác bởi Jennifer Lauren Lee. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa theo kiểu và độ dài.
