LEDs Go Anti-Viral – LED-alapú fertőtlenítő megoldás a COVID-19 visszaszorítására

A koronavírus cseppfertőzéssel terjed hatékonyan. A levegőben lebegő részecskék 3 órán keresztül, a felületre lecsapódva pedig még 2-3 napig is fertőzőképesek. Jelenleg még nincs hatékony ellenszerünk a koronavírusos betegek kezelésére, ezért kritikus a vírus elpusztítása, környezetünk fertőtlenítése.

Az UV fertőtlenítés alapelvei

Az emberi szem számára láthatatlan ultraibolya fényt rendkívül reaktív jellegének köszönhetően széles körben alkalmazzák az iparban. Az UV fény reaktív tulajdonsága abból ered, hogy az ultraibolya tartományban lévő fotonok nagy energiával, magas frekvencián oszcillálnak. (Egy adott „ν” frekvenciájú fény adott E energiájú fotonokból áll; E = hν, ahol „h” a Planck-állandó és „ν” a foton frekvenciája). Amikor az UV fotonok egy atom (például oxigén) elektronjaival ütköznek, gerjesztett állapotba hozzák az atomot, ami sokkal reaktívabbá teszi. Amikor az UV fotonok eltalálják a DNS-molekulát, akkor hibákat hozva létre a szerkezetében, inaktiválják azt. Az UV fotonok szabad gyököket hozhatnak létre, amelyek a sejtben lévő más kritikus molekulákkal együtt még tovább károsíthatják a DNS-molekulát, ezzel a pusztulását okozva. Intelligens mérnöki megoldásokkal az ultraibolya fény ezen tulajdonsága sokféle kórokozó ellen használható – ideértve a veszélyes vírusokat is, mint például az új SARS COV-2 (COVID-19) vírus – számos különféle alkalmazásban, ott ahol más fertőtlenítési módszerek nem alkalmazhatók vagy nem a legmegfelelőbbek.

1. ábra  A fertőtlenítést a vírus egészének megsemmisítésével érik el; egyes részek, de különösen az inaktivációs genom megsemmisítése (RNS vagy DNS) hatékony

A fertőtlenítésről általában

A fertőtlenítés soha nem pusztítja el az összes mikrobát, ez egy statisztikai folyamat, ahol a kórokozók mennyisége jelentősen csökken. Általában a kórokozók 99,9%-ának vagy 99,99% -ának eltávolítása a legtöbb fertőtlenítési alkalmazásnál elegendő. A kórokozók 90%-os csökkentése (az arcmaszkok által biztosított védelem körülbelüli százaléka) szintén hasznos lehet. Például, a forrásban lévő víz sem semmisíti meg a kórokozók 100%-át, különösen, ha figyelembe vesszük az egész folyamatot, ahol a túlélő mikrobák és a hordozók általi újraszennyeződés jelentőssé válhat. A fertőtlenítés során nemcsak a kórokozókat és vírusokat pusztítják el, hanem egy hasznos mikrobiomát is, megfelelő feltételeket teremtve ezzel számos más kórokozó újbóli betelepüléséhez. Ezért a kezdeti besugárzás után (például vírusok ellen) az eljárást meg kell ismételni az újratelepülő baktériumok és gombák ellen végzett alapos fertőtlenítés céljából.

2. ábra  A DUV-LED fertőtlenítési hatékonyság a hullámhossz függvényében

Fertőtlenítő dózis

Az ultraibolya fény hullámhossza 100 és 430 nm között mozog, és három tartományra osztható: UV-C (100–280 nm), UV-B (280–315 nm) és UV-A (315–380 nm). A különböző UV-tartományok eltérő mennyiségű energiát hordoznak, és általában eltérő hatással vannak a DNS-molekulákra és sejtekre. Ugyanakkor – mivel a Nap az UV sugárzás természetes forrása – az élő szervezetek az evolúciójuk során kifejlesztették védekező mechanizmusaikat. Általában sok baktérium és vírus alacsony vagy közepes ellenállással rendelkezik a kék és az UV fénnyel szemben. Ezzel ellentétben a gombák és spóráik természetesen fejlett védekezési mechanizmusuk miatt szignifikánsan nagyobb kihívást jelentenek az UV-fénnyel történő fertőtlenítés során.
Az UV-fénnyel történő fertőtlenítés több tényezőtől függ:

• Fényintenzitás I [W]

• Expozíciós idő t [s]

• Megvilágított felület A [m²]

A „D” fertőtlenítési adagot ezen paraméterek alapján az alábbi képlet segítségével lehet kiszámítani:

• D = I × t / A [Ws / m² = J/m²]

(Az irodalomban néha mJ /cm²-t használnak, ahol 1 mJ / cm² = 10 J/m²)

A fertőtlenítéshez szükséges pontos dózist szakirodalomból vagy különféle mikrobiológiai vizsgálatokból lehet meghatározni, és a következőktől függ:

• A fertőtlenítés célszintje (például 99,99%, 90%)

• Az adott mikrobiális kultúra tulajdonsága

3. ábra  A mobiltelefon és az arcmaszk ultraibolya sterilizálása fertőtlenítés céljából. Az ultraibolya sterilizálás és fertőtlenítés egyike a COVID-19 megelőzési eljárásoknak

UV-C – A fertőtlenítés ipari szabványa

A spektrum UV-C tartománya nem a Napból származik, mert a Föld ózonrétege nagy részét blokkolja. Mesterséges fényforrásokkal (germicidcsövek, hegesztőívek, speciális UV LED-ek) azonban előállítható. A legrövidebb hullámhossz (100–280 nm) hordozza a legtöbb energiát az UV spektrumban, ami egyúttal a legerősebb fertőtlenítő hatást jelenti. Az UV-C sugárzás közvetlenül megtámadja a mikrobák RNS-ét vagy DNS-ét, és úgy változtatja meg, hogy azok már nem tudnak szaporodni.
Mivel képesek fényt előállítani az UV-C spektrumban, a germicidlámpák széles körben elfogadottak az UV-fertőtlenítőiparban. A germicidlámpák UV-fénykibocsátása 253,7 nm hullámhosszon történik, ami jó (de nem optimális) átfedés a DNS / RNS molekulák abszorpciós spektrumával. A LED-alapú megoldásoknál a 275–280 nm hullámhosszon működő UV-LED-ek használata ajánlott. A kritikus DNS / RNS abszorpció azonban 265 nm hullámhosszon csúcsosodik, és a legrosszabb esetben a 280 nm hullámhosszon a szint körülbelüli felére csökken. A fertőtlenítéshez szükséges UV-dózis kiszámítását tehát ennek megfelelően ki kell igazítani, szorozva a D-t 2-szeres tényezővel. Másrészről, az ilyen típusú UV-LED-ek nagyobb hatékonyságot és hosszabb élettartamot mutatnak, mint a 265 nm-en vagy rövidebb hullámhosszon működő típusok, ami jó kompromisszumot jelenthet a legtöbb alkalmazás számára.
Az UV-C fény ugyanolyan hatással van az emberi sejt DNS-ére, mint bármely más DNS molekulára. Bizonyos óvintézkedéseket kell tenni ezért az UV-C sugárzással történő munkavégzés során a kockázatok minimalizálása érdekében: a test minden részét el kell fedni (be kell takarni), vagy más módon kell megvédeni. Ezen okból kifolyólag az UV-C fénnyel történő fertőtlenítés csak korlátozott mértékben alkalmazható nyilvános és nyílt terek esetében, ami a szélesebb körű felhasználás legfőbb akadálya. Egy tipikus 99,99%-os fertőtlenítési dózis, például az E-Coli esetében 400-800 J/m², míg a munkahelyi határ egy munkanap 30 J/m², 270-280 nm esetén. (Az E. Coli – Escherichia coli – kólibaktérium vagy kólibacilus a referenciaként általánosan alkalmazott kórokozó).

4. ábra  Ivóvíz sterilizáció a fejlődő országokban napsugárzásnak kitéve legalább 6 órán keresztül. A fertőtlenítő hatás egyaránt tulajdonítható az UV-A fénynek és a nap melegének

Fertőtlenítés UV-A és kék-fénnyel

Noha a Naptól érkező UV-C sugárzás nem jut el a Föld felszínéig, a napsugárzást hatékonyan lehet használni a fertőtlenítéshez, mivel a csillagunk által kibocsátott fény néhány más hullámhossztartományba eső összetevője, például az UV-A és a kék fény (380-500 nm) is rendelkezik bizonyos fertőtlenítő tulajdonságokkal. Az UV-A és a kék fény fertőtlenítésének mechanizmusa az oxidatív stressz és a rövid távú gyökök képződésén alapul. Ezek a nagyon reakcióképes részecskék egészében megtámadják a kórokozót, és káros hatással vannak annak DNS / RNS molekuláira. Ennek jó példája a napközbeni vízfertőtlenítés (SODIS) a harmadik világ Egyenlítő közelében található országaiban, ahol sok a napfény. Ezenkívül a kék fény fertőtlenítő hatása nagymértékben hozzájárul az úgynevezett „tavaszhatás” (spring-effect) néven emlegetett jelenséghez, amely a tavaszi és a nyári időszakokban kedvezően befolyásolja a szervezet immunitását és a betegségekkel szembeni ellenálló képességére gyakorolt hatását.
Mivel a Nap egy erőteljes természetes fényforrás, amely több mint 100 W/m² kék és UV-A fényt bocsát ki, a kék fénnyel történő fertőtlenítéshez szükséges dózis a jelentős, mert az MJ/m² tartományba esik. Mivel a kék és az UV-A fény a természetes spektrum része, az emberekkel és az anyagokkal való kompatibilitásuk sokkal jobb, mint az UV-C fényé. Ennek ellenére az emberi biztonságot és az anyag tartósságát is meg kell vizsgálni azoknál a megoldásoknál, amelyeknél UV-A / kék fényt is alkalmaznak.

5. ábra  A Nap kék-fényű és UV-A sugárzása inaktiválja a vírusokat

A tavaszhatás

Az UV-A / kék fény fertőtlenítő képessége jelentős mértékben hozzájárul az úgynevezett tavaszhatáshoz: a vírusfertőzések – mint például az influenza – általában tavasszal és nyáron jelentősen csökkenek. Ezért normál körülmények között a SARS-CoV 2 virulenciának is csökkennie kell. Amikor az addig nagyrészt zárt terekben élő emberek meleg időben kimennek a természetbe, a Nap inaktiválja a kórokozókat, például a héj nélküli vírusokat (ilyen az influenza, a SARS-COV-2) a kilélegzett permetekben. A kórokozók koncentrátumának szellőztetés révén a szél általi hígításával a nyár folyamán csökken a fertőzések valószínűsége.
A nyugati világban személyes tapasztalatainkból tudjuk, hogy a tavaszhatás mennyire hatékony az influenza és a megfázás ellen. Ennek a többtényezős jelenségnek a hatásairól azonban továbbra is ellentmondásos tudományos viták folynak. Tény azonban, hogy a fejlett LED-es világítási megoldások kétségkívül hozzájárulnak a tavaszhatás épületekbe történő „beépítéséhez”, elősegítve a SARS-CoV 2 virulencia második hullámának ellaposodását a következő télen.

Fotokatalitikus felületek

Megvilágításkor egyes fém-oxidok, például a TiO₂, hajlamosak oxidálni minden olyan szerves anyagot, amely érintkezésbe kerül a felületükkel. Az ilyen fém-oxidok nemcsak a kis molekulákat, például a szagokat és a veszélyes gázokat távolítják el a levegőből, hanem a kórokozókat is, amelyeket megtámadnak és inaktiválnak. A felhasznált fotokatalitikus anyagtól függően ezek a felületek a fénysugárzás 365 nm-től akár 475 nm-ig terjedő hullámhossz-tartományában is megfelelőek a hatás kiváltására. Például, 1000 lux fehér fényforrás alkalmazásával mindössze egy órányi expozíció elegendő lehet a 99,8%-os fertőtlenítési arány eléréséhez. Tehát az UV-A és a kék-fény általi besugárzást fotokatalitikus felületekkel kombinálva hasonló fertőtlenítési hatékonysági arányok érhetők el, mint a hagyományos UV-C fény alkalmazása esetében, de anélkül, hogy az UV-C emberi egészségre káros hatása jelentkezne.
Az EBV szakértői szilárdan meg vannak győződve arról, hogy ez a hatás áttörést jelenthet a felületi fertőtlenítés területén, nagyfokú kompatibilitást biztosítva számos anyaggal, az emberi biztonság alacsony kockázata mellett.
A fotokatalitikus fém-oxidok vékony rétege szintén blokkolja az UV-fényt, megakadályozva annak behatolását az alapul szolgáló anyagba. Ezért a fém-oxidokat, például a TiO₂-t általában UV-blokkolóként használják különféle napkrémekben és fényvédő krémekben, védve a bőrt a napégéstől. A TiO₂ ugyanolyan sikeresen felhasználható más anyagok UV-lebomlás elleni védelmére (például ABS műanyagoknál).

6. ábra  A fotokatalitikus felületek, mint például a TiO₂, a szuper-hidrofilitás miatt felszívnak kórokozókat egy vékony vízréteget létrehozva; továbbá az oxidatív stressz és a szabad gyökök inaktiválják a mikrobákat

UV-LED megoldások és alkalmazási példák

Mint már említettük, a germicidlámpa a tényleges szabvány az UV-fertőtlenítőiparban. Hosszú éveken át tartó használat során a germicidlámpák elérték a tervezési csúcspontjukat, ebből adódóan e fényforrások szegmensében már nem lehet jelentős mértékű javulást elérni. Az egyre jobban előtérbe kerülő Wide-Bandgap (WBG) technológiával rendelkező félvezetőipar egyes új megoldásai a belátható jövőben elkerülhetetlenül felváltják a hagyományos germicidlámpákat.
Már manapság is széles választékban léteznek kiváló teljesítményt nyújtó UV-LED-eszközök. Habár a nagy teljesítmény elérése még mindig probléma, a LED-források fő előnye a kis méret és a félvezető tulajdonságuk. Az UV-LED-alapú megoldások különösen vonzóak a kompakt és rugalmas alkalmazások esetében. Ezen túlmenően az UV-LED-források hatékonyabb optikai tervezést tesznek lehetővé, ezért bizonyos alkalmazásoknál felülmúlhatják a germicidlámpákat. A germicidlámpáktól eltérően az UV-LED megoldásoknál nincs szükség bemelegedési időre, fényerősségük PWM-jellel szabályozható. Esetükben a hőkezelés is sokkal egyszerűbb, mint a germicidlámpáknál. Az UV-LED-ek tipikus nyitófeszültsége 5 és 8 V között van, lehetővé téve a nagyfeszültség-védelem nélküli telepítést, és a meglévő LED-es meghajtó IC-megoldások által történő vezérlését. Ez különösen a szigorúbb elektromos biztonsági előírásokkal (VDE 100: legfeljebb 12 V AC vagy 30 V DC) rendelkező párás, nedves alkalmazási környezetek esetében érvényes.
Az UV-LED-ek új lehetőségeket nyitnak meg a nagy hatékonyságú fertőtlenítő eszközök, például a vízreaktorok tervezésében. Az UV fény mennyiségének pontos szabályozásával a PWM szabályozással, a reaktoron áthaladó vízáram függvényében, optimális fertőtlenítés érhető el, jelentős teljesítménycsökkentéssel. Egy másik jó példa olyan alkalmazásokra, amelyeknél az UV-LED-ek tökéletesen használhatók, a kisméretű, háztartásban használatos eszközök, ahol a 20 mA-es kis teljesítményű LED-ek hosszabb időn keresztül fertőtlenítik a kicsi, különálló területeket. Kis méretüknek köszönhetően az UV LED-ek felhasználhatók kozmetikai tartókban, fogkefe tokokban és más hasonló eszközökben, 24 óra/hét időtartamú fertőtlenítést biztosítva, miközben csak minimális mennyiségű energiát fogyasztanak (mW tartományban). Ez a képesség más eszközökkel nem valósítható meg.

7. ábra  A Covid-19 molekulák lebontása UV-fény alatt. A COVID fertőtlenítési koncepciója

Következtetések

A korábban említett tavaszhatás miatt néhol csökkent intenzitású virulencia-időszak után a COVID-19 vírus a várható elképzeléseknek megfelelően ősszel visszatér. A jelenlegi COVID-19 gócpontok egy részét a hűtött munkahelyek jelentik, például a húsfeldolgozó. Gyanítható, hogy az őszi és a téli hőmérséklet csökkenésével a COVID-19 virulenciája visszatér az előző szintre, megvalósítva ezáltal a második hullám nagymértékű elterjedését.
Itt az ideje tehát, hogy most kidolgozzuk azokat az UV-LED megoldásokat, amelyekkel az épületek számára kifejlesztett „tavaszhatás” a COVID-19 visszaszorításának megoldásává válhat. Fel kellett készülnünk arra, hogy a koronavírus visszatér, mégpedig a lehető legszélesebb mértékben – fel kellett töltődnünk, meg kellett erősödnünk a vírus őszi / téli visszatéréséig!
Mi szükséges a megvalósításhoz?

• Találja meg az alkalmazásához legmegfelelőbb megközelítést!

• Tervezze meg a megoldást!

• Az EBV támogatása segítségével valóra válthatjuk!

Az EBV Elektronik, mint az EMEA régió legnagyobb félvezető-disztribútora a különféle LED/UV-LED megoldások és az azt támogató, kiegészítő elektronikai alkatrészek széles választékát kínálja. Az EBV világítástechnikai szakértőcsapata konzultációs lehetőséget és részletes ismeretanyagot kínál a legújabb technológiákkal kapcsolatban, hozzáférést biztosít a tudományos, képesítési és ipari partnerei hálózatához.

További támogatásáért vegye fel a kapcsolatot az EBV-vel.
Örömmel részt veszünk a COVID-19 elleni harcban Önnel, és várjuk virtuális találkozóinkra!

EBV Elektronik Kft.
Gnyálin István
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36304703496
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com

A cikk második része itt olvasható.