في انتظار الوصول الكامل إلى مختبراتهم بسبب القيود المفروضة على COVID-19 ، انتهاز العلماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) هذه الفرصة النادرة للإبلاغ عن التفاصيل التقنية للأبحاث الرائدة التي أجراوها حول تطهير مياه الشرب باستخدام الأشعة فوق البنفسجية (UV).
في عام 2012، نشر علماء NIST والمتعاونون معهم العديد من الأوراق حول بعض النتائج الأساسية مع فوائد محتملة لشركات مرافق المياه. ولكن هذه المقالات لم تشرح بشكل كامل إعداد الإشعاع الذي جعل العمل ممكنا.
الآن ، للمرة الأولى ، يقوم باحثو NIST بنشر التفاصيل التقنية للتجربة الفريدة ، والتي اعتمدت على ليزر محمول لاختبار مدى تعطيل أطوال موجية مختلفة من ضوء الأشعة فوق البنفسجية للكائنات الدقيقة المختلفة في الماء. يظهر العمل اليوم في مراجعة الصكوك العلمية (RSI).
أحد الاستعجال لنشر وصف كامل لنظام NIST هو أن الباحثين يتصورون استخدام إعداد الأشعة فوق البنفسجية هذا للتجارب الجديدة التي تتجاوز دراسة مياه الشرب وإلى تطهير الأسطح الصلبة والهواء. يمكن أن تشمل التطبيقات المحتملة تطهير أفضل للأشعة فوق البنفسجية لغرف المستشفيات وحتى دراسات حول كيفية تعطيل أشعة الشمس للفيروس التاجي المسؤول عن COVID-19.
وقال لاراسون "على حد علمي، لم يكرر احد هذا العمل، على الاقل ليس للابحاث البيولوجية". ولهذا السبب نريد نشر هذه الورقة الآن".
جيد بما فيه الكفاية للشرب
الأشعة فوق البنفسجية لها أطوال موجية قصيرة جدا للعين البشرية لرؤية. تتراوح الأشعة فوق البنفسجية من حوالي 100 نانومتر (نانومتر) إلى 400 نانومتر ، في حين يمكن للبشر رؤية قوس قزح من اللون من البنفسجي (حوالي 400 نانومتر) إلى الأحمر (حوالي 750 نانومتر).
إحدى الطرق لتطهير مياه الشرب هي تشعيعها بضوء الأشعة فوق البنفسجية ، الذي يكسر الحمض النووي للكائنات الحية الدقيقة الضارة والجزيئات ذات الصلة.
في وقت الدراسة الأصلية، استخدمت معظم أنظمة تشعيع المياه مصباح الأشعة فوق البنفسجية التي تنبعث منها معظم ضوء الأشعة فوق البنفسجية على طول موجي واحد، 254 نانومتر. على الرغم من ذلك، أظهرت شركات مرافق المياه لسنوات اهتماما متزايدا بنوع مختلف من مصباح التطهير الذي كان "متعدد الألوان"، مما يعني أنه ينبعث منه ضوء الأشعة فوق البنفسجية على أطوال موجية مختلفة متعددة. لكن فعالية المصابيح الجديدة لم تكن محددة بشكل جيد، كما قال كارل ليندن، وهو مهندس بيئي في جامعة كولورادو بولدر (CU Boulder) كان محققا رئيسيا في دراسة عام 2012.
في عام 2012، كانت مجموعة من علماء الأحياء المجهرية والمهندسين البيئيين بقيادة CU Boulder مهتمة بإضافة قاعدة المعرفة التي لدى شركات مرافق المياه فيما يتعلق بتطهير الأشعة فوق البنفسجية. وبتمويل من مؤسسة أبحاث المياه، وهي منظمة غير ربحية، كان العلماء يتطلعون إلى اختبار منهجي لمدى حساسية الجراثيم المختلفة لأطوال موجية مختلفة من الأشعة فوق البنفسجية.
عادة، كان مصدر الضوء لهذه التجارب هو المصباح الذي يولد مجموعة واسعة من الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية. لتضييق نطاق الترددات قدر الإمكان، كانت خطة الباحثين لتسليط الضوء من خلال المرشحات. ولكن ذلك كان لا يزال سينتج نطاقات واسعة نسبيا من الضوء يبلغ طولها 10 نانومترات، وكانت الترددات غير المرغوب فيها ستنزف من خلال الفلتر، مما يجعل من الصعب تحديد الأطوال الموجية التي كانت تعطيل كل كائن حي الدقيقة بالضبط.
أراد علماء الأحياء المجهرية والمهندسون مصدرا أنظف وأكثر قابلية للتحكم في ضوء الأشعة فوق البنفسجية. لذا، دعوا NIST للمساعدة.
قامت NIST بتطوير وبناء وتشغيل نظام لتقديم شعاع الأشعة فوق البنفسجية الذي يتم التحكم فيه بشكل جيد على كل عينة من الكائنات الحية الدقيقة التي يتم اختبارها. وشمل الإعداد وضع العينة المعنية - طبق بتري مملوء بالماء بتركيز معين لإحدى العينات - في حاوية ضيقة الضوء.
ما يجعل هذه التجربة فريدة من نوعها هو أن NIST صمم شعاع الأشعة فوق البنفسجية ليتم تسليمها بواسطة ليزر غير قادر. "Tunable" يعني أنه يمكن أن تنتج شعاع من الضوء مع عرض نطاق ترددي ضيق للغاية - أقل من نانومتر واحد - على مجموعة واسعة من الأطوال الموجية، في هذه الحالة من 210 نانومتر إلى 300 نانومتر. كما كان الليزر محمولا، مما سمح للعلماء بإحضاره إلى المختبر الذي يجري فيه العمل. كما استخدم الباحثون كاشف الأشعة فوق البنفسجية الذي تم معايرة NIST لقياس الضوء الذي يضرب طبق بيتري قبل وبعد كل قياس ، للتأكد من أنهم يعرفون حقا مقدار الضوء الذي يضرب كل عينة.
كان هناك الكثير من التحديات لجعل النظام يعمل. نقل الباحثون ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى طبق بيتري مع سلسلة من المرايا. ومع ذلك ، تتطلب الأطوال الموجية المختلفة للأشعة فوق البنفسجية مواد عاكسة مختلفة ، لذلك اضطر باحثو NIST إلى تصميم نظام يستخدم المرايا مع الطلاء العاكس المختلفة التي يمكنهم تبديلها بين أشواط الاختبار. كما كان عليهم شراء ناشر ضوئي لأخذ شعاع الليزر -- الذي له كثافة أعلى في المركز -- ونشره بحيث كان موحدا عبر عينة الماء بأكملها.
وكانت النتيجة النهائية سلسلة من الرسوم البيانية التي أظهرت كيف استجابت الجراثيم المختلفة لضوء الأشعة فوق البنفسجية من أطوال موجية مختلفة - البيانات الأولى لبعض الميكروبات - بدقة أكبر من أي وقت مضى تقاس من قبل. ووجد الفريق بعض النتائج غير المتوقعة. على سبيل المثال، أظهرت الفيروسات حساسية متزايدة مع انخفاض الأطوال الموجية إلى أقل من 240 نانومتر. ولكن بالنسبة لمسببات الأمراض الأخرى مثل جيارديا، كانت حساسية الأشعة فوق البنفسجية هي نفسها تقريبا حتى مع انخفاض الأطوال الموجية.
وقالت سارة بيك، المهندسة البيئية في شركة CU Boulder، المؤلفة الأولى لثلاث ورقات تم إنتاجها من هذا العمل في عام 2012: "لقد استخدمت نتائج هذه الدراسة بشكل متكرر من قبل شركات مرافق المياه والوكالات التنظيمية وغيرها في مجال الأشعة فوق البنفسجية التي تعمل مباشرة على تطهير المياه - وكذلك الهواء. "إن فهم الأطوال الموجية للضوء التي تؤدي إلى تعطيل مسببات الأمراض المختلفة يمكن أن يجعل ممارسات التطهير أكثر دقة وكفاءة."
I، UV روبوت
ويمكن أيضا استخدام نفس النظام الذي صممته NIST لتقديم نطاق ضيق من ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى عينات المياه في التجارب المستقبلية مع التطبيقات المحتملة الأخرى.
على سبيل المثال، يأمل الباحثون في استكشاف مدى نجاح الأشعة فوق البنفسجية في قتل الجراثيم على الأسطح الصلبة مثل تلك الموجودة في غرف المستشفيات، وحتى الجراثيم المعلقة في الهواء. وفي محاولة للحد من العدوى المكتسبة في المستشفيات، تقوم بعض المراكز الطبية بتفجير الغرف بشعاع معقم من الأشعة فوق البنفسجية تحمله الروبوتات.
ولكن لا توجد معايير حقيقية حتى الآن لاستخدام هذه الروبوتات، كما قال الباحثون، لذلك على الرغم من أنها يمكن أن تكون فعالة، فإنه من الصعب معرفة مدى فعالية، أو لمقارنة نقاط القوة في نماذج مختلفة.
"بالنسبة للأجهزة التي تشعيع الأسطح، هناك الكثير من المتغيرات. كيف تعرف أنهم يعملون؟" قال لاراسون. يمكن أن يكون نظام مثل NIST مفيدا لتطوير طريقة قياسية لاختبار نماذج مختلفة من روبوتات التطهير.
وقال لاراسون إن مشروعا محتملا آخر يمكن أن يدرس تأثير أشعة الشمس على الفيروس التاجي الجديد، سواء في الهواء أو على الأسطح. وقال المتعاونون الأصليون إنهم يأملون في استخدام نظام الليزر للمشاريع المستقبلية المتعلقة بتطهير المياه.
"حساسية الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات لمختلف الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية لا تزال ذات صلة كبيرة لممارسات تطهير المياه والهواء الحالية"، وقال بيك، "لا سيما بالنظر إلى تطوير تكنولوجيات جديدة، فضلا عن تحديات التطهير الجديدة، مثل تلك المرتبطة COVID-19 والعدوى المكتسبة في المستشفى، على سبيل المثال."
