I väntan på full tillgång till deras labb på grund av covid-19-restriktioner, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har tagit detta sällsynta tillfälle att rapportera de tekniska detaljerna i banbrytande forskning som de utfört om desinfektion av dricksvatten med hjälp av ultraviolett (UV) ljus.

Tillbaka 2012, NIST-forskarna och deras medarbetare publicerade flera artiklar om några grundläggande resultat med potentiella fördelar för vattenverksföretag. Men dessa artiklar förklarade aldrig fullständigt bestrålningsuppsättningen som gjorde arbetet möjligt.

Nu, för första gången, NIST -forskare publicerar de tekniska detaljerna i det unika experimentet, som förlitade sig på en bärbar laser för att testa hur väl olika våglängder av UV-ljus inaktiverade olika mikroorganismer i vatten. Verket visas idag i Granskning av vetenskapliga instrument ( RSI ).

"Vi har velat skriva det här formellt i flera år, " sa NIST:s Tom Larason. "Nu har vi tid att berätta för världen om det."

En angelägenhet för att publicera en fullständig beskrivning av NIST -systemet är att forskare tänker sig att använda denna UV -installation för nya experiment som går utöver studier av dricksvatten och till desinfektion av fasta ytor och luft. De potentiella tillämpningarna kan inkludera bättre UV-desinfektion av sjukhusrum och till och med studier av hur solljus inaktiverar coronaviruset som är ansvarigt för COVID-19.

"Så vitt jag vet, ingen har duplicerat detta arbete, åtminstone inte för biologisk forskning, " sa Larason. "Det är därför vi vill få ut den här tidningen nu."

Tillräckligt gott att dricka

Ultraviolett ljus har våglängder som är för korta för det mänskliga ögat att se. UV sträcker sig från cirka 100 nanometer (nm) till 400 nm, medan människor kan se en regnbåge med färg från violett (ca 400 nm) till rött (ca 750 nm).

Ett sätt att desinficera dricksvatten är att bestråla det med UV-ljus, som bryter ner skadliga mikroorganismers DNA och relaterade molekyler.

Vid tidpunkten för den ursprungliga studien, de flesta vattenbestrålningssystem använde en UV-lampa som avgav det mesta av sitt UV-ljus vid en enda våglängd, 254 nm. I åratal, fastän, vattenföretag hade visat ökande intresse för en annan typ av desinfektionslampa som var "polykromatisk, "vilket betyder att det avgav UV -ljus vid flera olika våglängder. Men effektiviteten hos de nya lamporna var inte väldefinierad, sa Karl Linden, en miljöingenjör från University of Colorado Boulder (CU Boulder) som var en huvudutredare i 2012 års studie.

"Vi upptäckte i mitten av 2000-talet att polykromatiska UV-källor var mer effektiva för virusinaktivering - speciellt eftersom dessa lampor producerade UV-ljus vid låga våglängder, under 230 nm, "Linden sa." Men det var svårt att kvantifiera hur mycket mer effektivt och vilka mekanismerna för den effektiviteten var. "

Under 2012, en grupp mikrobiologer och miljöingenjörer under ledning av CU Boulder var intresserade av att lägga till den kunskapsbas som vattenföretag hade om UV -desinfektion. Med medel från Vattenforskningsstiftelsen, en ideell organisation, forskarna försökte metodiskt testa hur känsliga olika bakterier var för olika våglängder av UV-ljus.

I vanliga fall, ljuskällan för dessa experiment skulle ha varit en lampa som genererar ett brett spektrum av UV-våglängder. För att begränsa frekvensbandet så mycket som möjligt, forskarnas plan var att skina ljuset genom filter. Men det hade ändå producerat relativt brett, 10 nm ljusband, och oönskade frekvenser skulle ha blödat genom filtret, vilket gör det svårt att avgöra exakt vilka våglängder som inaktiverade varje mikroorganism.

Mikrobiologerna och ingenjörerna ville ha en städare, mer kontrollerbar källa för UV-ljus. Så, de uppmanade NIST att hjälpa.

NIST utvecklat, byggde och drev ett system för att leverera en välkontrollerad UV-stråle på varje prov av mikroorganismer som testas. Uppställningen innebar att provet i fråga - en petriskål fylld med vatten med en viss koncentration av ett av proverna - placerades i en ljustät inkapsling.

Det som gör detta experiment unikt är att NIST designade UV-strålen för att levereras av en avstämbar laser. "Tunable" betyder att den kan producera en ljusstråle med en extremt smal bandbredd - mindre än en enda nanometer - över ett brett våglängdsområde, i detta fall från 210 nm till 300 nm. Lasern var också bärbar, låta forskare ta med det till labbet där arbetet utfördes. Forskare använde också en NIST-kalibrerad UV-detektor för att mäta ljuset som träffar petriskålen före och efter varje mätning, för att se till att de verkligen visste hur mycket ljus som träffade varje prov.

Det var många utmaningar för att få systemet att fungera. Forskare transporterade UV-ljuset till petriskålen med en serie speglar. Dock, olika UV-våglängder kräver olika reflekterande material, så NIST -forskare var tvungna att utforma ett system som använde speglar med olika reflekterande beläggningar som de kunde byta ut mellan testkörningar. De var också tvungna att skaffa en ljusspridare för att ta laserstrålen - som har en högre intensitet i mitten - och sprida ut den så att den var enhetlig över hela vattenprovet.

Slutresultatet var en serie grafer som visade hur olika bakterier reagerade på UV-ljus med olika våglängder – de första uppgifterna för några av mikroberna – med större precision än någonsin uppmätt tidigare. Och laget hittade några oväntade resultat. Till exempel, virusen uppvisade ökad känslighet när våglängderna minskade under 240 nm. Men för andra patogener som Giardia, UV-känsligheten var ungefär densamma även när våglängderna blev lägre.

"Resultaten från denna studie har använts ganska ofta av vattenverk, tillsynsmyndigheter och andra inom UV -området som arbetar direkt med desinfektion av vatten - och även luft - "säger CU Boulders miljöingenjör Sara Beck, första författare på tre artiklar producerade från detta arbete från 2012. "Att förstå vilka våglängder av ljus som inaktiverar olika patogener kan göra desinfektionsmetoderna mer exakta och effektiva, " Hon sa.

jag, UV-robot

Samma system som NIST konstruerat för att leverera en kontrollerad, smala band av UV -ljus till vattenprover kan också användas för framtida experiment med andra potentiella tillämpningar.

Till exempel, forskare hoppas kunna utforska hur väl UV-ljus dödar bakterier på fasta ytor som de som finns i sjukhusrum, och även bakterier svävande i luften. I ett försök att minska sjukhusförvärvade infektioner, vissa vårdcentraler har sprängt rum med en steriliserande stråle av UV-strålning som bärs in av robotar.

Men det finns ännu inga riktiga standarder för användningen av dessa robotar, forskarna sa, så även om de kan vara effektiva, det är svårt att veta hur effektivt, eller för att jämföra styrkorna hos olika modeller.

"För enheter som bestrålar ytor, det finns många variabler. Hur vet du att de fungerar?" sa Larason. Ett system som NISTs kan vara användbart för att utveckla ett standardsätt att testa olika modeller av desinfektionsrobotar.

Ett annat potentiellt projekt kan undersöka effekten av solljus på det nya coronaviruset, både i luften och på ytor, Sa Larason. Och de ursprungliga kollaboratörerna sa att de hoppas kunna använda lasersystemet för framtida projekt relaterade till vattendesinfektion.

"Känsligheten hos mikroorganismer och virus för olika UV-våglängder är fortfarande mycket relevant för nuvarande vatten- och luftdesinfektionsmetoder, " sa Beck, "särskilt med tanke på utvecklingen av ny teknik samt nya desinfektionsutmaningar, såsom de som är förknippade med covid-19 och sjukhusförvärvade infektioner, till exempel."