Зайдите в Кембридж, Онтарио, в офис компании PrescientX, производящей оборудование для здравоохранения, и вы, вероятно, не заподозрите, что попадаете в одно из самых санитарных мест в Северной Америке.

В этом обычном офисном пакете, расположенном в районе Торонто, вы можете дезинфицировать свои ключи, телефон и другие портативные устройства на стойке для ультрафиолетовой стерилизации в приемной. В более прохладные месяцы воздух, которым вы дышите, очищается от плесени и бактерий в нагревательных элементах, стерилизованных ультрафиолетом, а также подвергается продувке ультрафиолетовыми приборами в воздуховодах офиса для уничтожения вирусов. Ультрафиолетовые светильники в комнате, направленные к потолку, дезинфицируют воздух, в то время как другие ультрафиолетовые лампы, которые включаются только тогда, когда в комнате никого нет, выявляют патогены на столах, клавиатурах и поверхностях с высокой чувствительностью в ванных комнатах и ​​рабочих местах.

По словам основателя и генерального директора PrescientX Барри Ханта, офис представляет собой возможное будущее, в котором пандемии, подобные COVID-19, становятся более обычным явлением, но в котором бактерицидный ультрафиолетовый свет является одним из самых мощных средств борьбы с ними.

За почти сто лет и половины , ученые исследовали смертельное воздействие ультрафиолетового света на микробов. В последнее время УФ-излучение использовалось в качестве дезинфицирующего средства против смертельных частиц коронавируса во время вспышки атипичной пневмонии в 2003 году. И как только новый коронавирус начал серьезно распространяться в Китае в конце прошлого года, УФ-излучение вернулось в качестве потенциально мощного оружия для борьбы с этим новым бедствием. . В то время как противовирусные препараты и вакцины сосредоточены на минимизации и отражении инфекций в организме, развертываемые ультрафиолетовые системы сосредоточены на уничтожении вируса в окружающей среде, прежде чем он сможет кого-либо заразить.

Бактерицидная УФ-технология теперь используется для стерилизации воздуха, поверхностей и средств индивидуальной защиты, таких как маски N95. Между тем эксперты в этой области уделяют много времени информированию общественности об эффективности технологии против коронавируса, а также о предстоящих вспышках и пандемиях. Основное препятствие для бактерицидного УФ-излучения, говорит Дин Сапута, вице-президент и соучредитель UV Resources , компании, занимающейся УФ-технологиями, из Санта-Клариты, Калифорния, «преодолевает недостаток ... понимания этой технологии».

Во-первых, как отмечают эксперты, не все ультрафиолетовые лучи одинаковы. Ультрафиолетовый свет находится в области электромагнитного спектра за пределами индиго и фиолетового. Любой, кто читал этикетку на флаконе солнцезащитного крема, знает, что длины волн УФ-излучения, придающие вам загар или солнечный ожог, называются УФ-А (с длинами волн от 400 до 315 нанометров) и УФ-В (от 315 до 280 нм). Бактерицидная УФ-технология фокусируется на более коротких и более энергичных длинах волн УФ-излучения, известных как УФ-С, которые лежат между 280 и 100 нм. Озоновый слой Земли препятствует тому, чтобы практически весь УФ-С свет достиг нас. Итак, микробы и вирусы (и все остальное на самом деле) эволюционировали миллионы и миллиарды лет, не подвергаясь воздействию этих длин волн.

Ситуация изменилась в 1901 году с изобретением ртутной лампы. Он излучает мощную длину волны УФ-С-света - 254 нм - которая оказалась разрушительной практически для любого генетического материала на его пути, включая коронавирус или человека.

Большая часть хитрости в использовании бактерицидного ультрафиолетового света против распространения болезней заключается в том, чтобы найти способ защитить людей от этого света. Те, кто участвует, уже накопили большой опыт в этой области, но новая технология может облегчить работу по использованию УФ-С в занятых помещениях.

Хотя УФ-С свет успешно используется против микробов более века , исследователи только недавно поняли, почему он так успешен. В четырехбуквенном алфавите нуклеотидов ДНК тимин (T) и цитозин (C) особенно чувствительны к УФ-излучению. УФ-излучение сбивает электрон и заставляет две молекулы Т или две молекулы С соединиться вместе, что вносит ошибку в цепочку ДНК. У людей есть генетические механизмы самовосстановления, в том числе молекула p53. Этот белок (иногда называемый «хранителем генома») патрулирует нити ДНК и ищет именно такого рода повреждения нуклеотидов. Но p53 может не так много. Слишком большой урон подавляет его и может привести к раку.

Наглядная диаграмма спектра света.
Источник: УФ-ресурсы
Смертельные лучи: УФ-С находится на дальнем конце ультрафиолетовой части спектра. В большинстве продуктов UV-C используются ртутные лампы с длиной волны 254 нм. Ученые изучают другую длину волны, 222 нм, потому что она может быть безопаснее для людей. 
SARS-CoV-2, вирус, вызывающий COVID-19, не имеет таких сложных механизмов самовосстановления, а его генетический материал состоит из РНК, а не ДНК. РНК содержит урацил вместо тимина, но эффект УФ-С практически такой же: накапливаются генетические повреждения и вирус уничтожается.

Основная проблема с УФ-светом в диапазоне 254 нм заключается в том, что он проникает через кожу и глаза человека, что приводит к раку кожи и катаракте . Таким образом, эффект разрушения ДНК UV-C означает, что любое дезинфицирующее устройство, которое его использует, должно быть спроектировано так, чтобы работать либо тогда, когда в комнате никого нет, либо в изолированном пространстве, куда люди не могут попасть.

Исследователи десятилетиями пытались найти баланс между преимуществами и опасностями УФ-С. В конце 1930-х - начале 1940-х годов американский эпидемиолог Уильям Ф. Уэллс установил в школах Филадельфии ртутные лампы УФ-С для борьбы со вспышкой кори в качестве продолжения своей новаторской работы, которая показала наличие бактерий и вирусов, переносимых по воздуху. может вызвать инфекцию. Светильники предназначены для облучения воздуха только в верхней части комнаты, чтобы защитить студентов и персонал от воздействия лучей. И они работали. В школах, у которых было оборудование для очистки воздуха, уровень заражения составил 13,3% по сравнению с 53,6% среди населения в целом .

Бактерицидное УФ-излучение в большинстве коммерческих и промышленных предприятий до сих пор исходит от ртутных ламп, говорит Хант из PrescientX. Эти устройства имеют спектральный пик при 254 нм. Это излучение является результатом электрической дуги, которая ионизирует (обычно) газообразный аргон и испаряет жидкую ртуть. Стекло блокирует излучение, поэтому эти лампы сделаны из кварца.

Светодиоды, излучающие УФ-С, изготовленные из сплавов нитрида алюминия, намного новее и обладают рядом потенциальных преимуществ перед ртутными лампами: отсутствие токсичной ртути, большая долговечность, более быстрый запуск и излучение на разных длинах волн, что может способствовать их бактерицидной роли. Однако наиболее важным является теоретический потенциал светодиодов UV-C для повышения эффективности. Однако этот потенциал пока не реализован. Джэхак Чон, научный сотрудник и вице-президент Seoul Semiconductor, сказал IEEE Spectrum, что современные ртутные лампы имеют более высокий КПД при подключении к розетке - электрическая мощность на входе по сравнению с оптической мощностью на выходе, - чем светодиоды UV-C, представленные сейчас на рынке. Но ожидается, что преимущество ртутных ламп не будет продолжительным, потому что исследователи предсказывают, что светодиоды UV-C улучшатся во многом так же, как синие светодиоды, чтобы занять свое доминирующее положение в освещении. А пока,

Недавний опыт с УФ-светом подтверждает то, что Уэллс обнаружил в 1930-х годах: дезинфекция воздуха УФ-светом 254 нм «очень эффективна», - говорит Хант. Он добавляет, что прямое освещение воздуха в верхней части комнаты обеспечивает лучшую пропускную способность, чем облучение воздуха внутри блоков HVAC. По данным Общества инженеров освещения , 17 милливатт излучения лампы с длиной волны 254 нм на кубический метр надземного пространства - это доказанная доза, разработанная для борьбы с туберкулезом. Однако некоторые бактерии, вирусы и другие микроорганизмы более устойчивы к ультрафиолетовому излучению, чем другие.

Фотография вестибюля больницы.Фотография палаты в больнице.
Фотографии: AeroMed
Воздух там: бактерицидные светильники AeroMed Infinity с ультрафиолетовым излучением, установленные возле потолков в больничном центре округа Кингс в Нью-Йорке, помогают предотвратить распространение частиц коронавируса в виде аэрозоля там, где их ждут пациенты.
При такой дозе воздушные светильники могут уничтожить микробы в зоне прямой видимости ламп «за считанные секунды», - говорит Сапута из UV Resources. Чтобы обезопасить людей, светильники, которые обычно стоят несколько тысяч долларов каждый, размещаются на высоте более 2 метров, а неотражающие перегородки направляют ультрафиолетовую энергию вверх и наружу. (УФ-С плохо отражается от большинства поверхностей, поэтому существует небольшая опасность воздействия лучей, отражающихся от потолков и других приспособлений; тем не менее, установщики должны убедиться, используя измерители УФ-С.) Такие установки могут использоваться в самых разных условиях. , включая палаты пациентов, залы ожидания, вестибюли, лестничные клетки, входы и коридоры в отделения неотложной помощи.

Воздух - не единственное , что нужно дезинфицировать. Во время пандемии роботы , использующие ультрафиолетовые лучи в больницах, и ультрафиолетовые уничтожители микробов в самолетах и вагонах метро присоединились к множеству технологий, внедряемых для дезинфекции поверхностей.

Основное различие между этими системами и УФ-стерилизаторами воздуха заключается в том, что первые не могут работать в присутствии людей, поэтому они не защищают участки от вирусов постоянно. «Инженеры-конструкторы должны помнить, что дезинфекция длится только до тех пор, пока людей не поместят на больничную койку или не сядут в кресло самолета», - говорит Сапута.

Но спорадическая дезинфекция предпочтительнее, чем ее вовсе. До этого года компания Cleanbox Technology из Карлсбад, штат Калифорния, разрабатывала светодиодный блок UV-C для стерилизации гарнитур виртуальной и дополненной реальности. Система компании была легко адаптирована для стерилизации масок N95, говорит главный технологический директор и соучредитель Cleanbox Дэвид Джорджсон.

В результате световой короб для дезинфекции CleanDefense N95 может одновременно удерживать четыре маски. Коробка портативна и питается от стены или аккумуляторной батареи, что позволяет использовать ее в мобильных средах, таких как машины скорой помощи и самолеты, а также в медицинских учреждениях, ресторанах и торговых центрах.

Проблема с этой технологией и любым другим типом УФ-дезинфекции заключается в том, что «радиация должна действительно поразить вирус, чтобы разрушить [РНК] и инактивировать его», - говорит Роберт Карличек, директор Центра систем и приложений с поддержкой освещения Политехнического института Ренсселера. , Трой, штат Нью-Йорк. «Если эти вирусные частицы сидят за грязью или покрыты другим волокном, вам придется рассеять много света, прежде чем у вас будет хороший показатель уничтожения».

Фотография замаскированного лица, купающегося в ультрафиолетовом свете. Фото стерилизатораФотография Cleanbox
Фото сверху: PrescientX; Роберт Карличек / RPI; Технология Cleanbox
Использование, стерилизация, повторение: УФ-свет облучает поверхности защитных масок N95 в системе Prescient X [вверху], поэтому маски можно использовать повторно. Стерилизатор Политехнического института Ренсселера [в центре] обеспечивает одновременное воздействие УФ-излучения на обе стороны маски. Система Cleanbox Technology [внизу] была адаптирована из системы, дезинфицирующей VR-оборудование.
Проблема иллюстрируется так называемым эффектом «стены каньона». Для бактерий и вирусов текстурные особенности на обычных поверхностях могут быть похожи на каньоны 100-метровой глубины для нас. В экспериментах с поверхностями, имеющими субмиллиметровую текстуру, степень уничтожения УФ-С бактериями Staphylococcus aureus варьировалась в 500 раз в зависимости от угла, под которым падал свет ртутной лампы.

По словам Марка Верхугстрате, доцента кафедры общественного здравоохранения Университета Аризоны, из-за этой зависимости от угла обычно требуется три УФ-системы для дезинфекции больничной палаты. Но даже тогда остаются неэкспонированные участки. Поэтому для этого применения дезинфицирующие средства UV-C должны быть частью системы, которая включает в себя обычную дезинфекцию поверхностей, гигиену рук и обработку воздуха, - говорит он.

Получение тщательной дозировки под более чем одним углом является ключом к дезинфекции масок N95 для повторного использования. Карличек и его команда разработали стерилизатор для масок N95 с ртутной лампой, который был протестирован в больнице Mount Sinai в Нью-Йорке. Он использует два набора УФ-ламп для одновременного облучения передней и задней части масок. PrescientX также входит в бизнес по стерилизации масок N95 со световым коробом UV-C под названием Terminator CoV. Есть и другие системы, находящиеся на разных стадиях разработки и коммерциализации.

Точная доза УФ-С, необходимая для инактивации вирусной частицы SARS-CoV-2, еще не определена, говорит генеральный директор PrescientX Хант. Но, добавляет он, в ряде рецензируемых исследований изучались дозы УФ-С для штаммов гриппа H5N1 и H1N1 и для предыдущих вспышек коронавируса, включая MERS и SARS . Эксперты считают, что разумно предположить, что такое же количество энергии инактивирует коронавирус, вызывающий COVID-19.

Все эти исследования показали, что облучения масок 1-2 джоулями энергии УФ-С на квадратный сантиметр было достаточно, чтобы инактивировать от 99,9 до 99,99 процентов вирусных частиц на маске. Тем не менее, устранение частиц коронавируса - это не просто игра с числами. Если блок стерилизации отбрасывает на маску какие-либо тени, эта маска не будет полностью дезинфицирована. Вот почему эти системы разработаны с застежками и крючками, которые растягивают маску и минимизируют тени.

«Чтобы избавиться от вируса, нужны интенсивность и геометрия», - говорит Хант.

Учитывая вредное воздействие 254-нм УФ-С, ученые исследуют более высокую длину волны 222 нм в дальнем УФ-диапазоне. Было обнаружено, что эта длина волны убивает вирусы и бактерии, и первоначальные исследования показывают, что она значительно безопаснее, чем фотоны в диапазоне 254 нм. Фактически, дальний ультрафиолетовый свет может безопасно залить всю комнату стерилизующим светом даже в присутствии людей.

Дальний свет УФ при 222 нм «едва проникает в наружный слой кожи,» говорит Дэвид Sliney, отставной менеджер лазерной армии США и оптического излучения программы в армии Центра общественного здравоохранения, недалеко от Балтимора. «Он сильно усваивается белками. Но есть некоторые свидетельства того, что он может быть даже более эффективным против переносимых по воздуху вирусов », чем другой ультрафиолетовый свет. Длина волны кажется безопасной и для глаз, потому что она проникает не глубже, чем слой слез, покрывающий глаз. 2019 исследования белых крыс в Японии обнаружило , длительное дальние УФ-облучения не индуцированные нет кожи или глаза повреждения .

В настоящее время дальний УФ-свет генерируется эксимерными криптон-хлорными лампами. («Эксимер» - это сочетание «возбужденного» и «димерного», что означает возбужденное состояние двухкомпонентной молекулы.) Внутри герметичной камеры из кварцевого стекла такой лампы криптон и хлор нагреваются электрическим разрядом, энергия которого достаточно, чтобы на мгновение создать эксимер KrCl, который испускает спектральную линию 222 нм перед тем, как снова диссоциировать.

Однако эти источники света не просто излучают ультрафиолетовый свет вдали. «Эксимерные лампы дают пик на 222 нм, но они также излучают [более] длинноволновый свет», - объясняет Дэвид Бреннер , директор Центра радиологических исследований Колумбийского университета в Нью-Йорке. «И это вредно, потому что у него нет защитных свойств 222 нм. Он может проникать [через кожу] и повреждать ДНК ».

Фильтры могут устранить посторонние длины волн, но Бреннер говорит, что лучшим решением будет светодиодная лампа дальнего УФ-диапазона с узким спектральным профилем прямо на 222 нм. Такого светодиода пока нет. «Светодиоды уменьшаются в длине волны в течение долгого времени», - говорит он. «Когда вы спускаетесь ниже 250, 240, 230 [нм], эффективность резко падает. Это похоже на обрыв ».

Так что в ближайшей перспективе лучшая надежда - это эксимерные лампы. Бреннер ожидает, что такие лампы появятся на рынке к концу этого года или в начале 2021 года.

Несмотря на этот арсенал ультрафиолетовых технологий - светодиоды УФ-С, ртутные лампы и эксимерные лампы на основе KrCl - нынешняя пандемия еще может наступить и исчезнуть до того, как мир развернет бактерицидное УФ-излучение в достаточной степени, чтобы оказать большое влияние. Итак, эксперты уже планируют следующий опасный патоген, и когда он появится, они надеются встретить его фалангой УФ-очистителей воздуха и поверхностных стерилизаторов в больницах, аэропортах, общественном транспорте, офисах, школах, домах престарелых, магазинах, ресторанах. , лифты и др. Повсеместное распространение ультрафиолетовых технологий должно значительно затруднить распространение вспышки, что, возможно, предотвратит превращение смертельной инфекции в пандемию.