Mientras esperan el acceso completo a sus laboratorios debido a las restricciones de COVID-19, Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han aprovechado esta rara oportunidad para informar los detalles técnicos de la investigación pionera que llevaron a cabo sobre la desinfección del agua potable con luz ultravioleta (UV).

En 2012, los científicos del NIST y sus colaboradores publicaron varios artículos sobre algunos hallazgos fundamentales con beneficios potenciales para las empresas de servicios de agua. Pero estos artículos nunca explicaron completamente la configuración de irradiación que hizo posible el trabajo.

Ahora, por primera vez, Los investigadores del NIST están publicando los detalles técnicos del experimento único, que se basó en un láser portátil para probar qué tan bien diferentes longitudes de onda de luz ultravioleta inactivaban diferentes microorganismos en el agua. La obra aparece hoy en el Revisión de instrumentos científicos ( RSI ).

"Hemos querido redactar esto formalmente durante años, ", dijo Tom Larason de NIST." Ahora tenemos tiempo para contárselo al mundo ".

Una urgencia para publicar una descripción completa del sistema NIST es que los investigadores visualizan el uso de esta configuración UV para nuevos experimentos que van más allá del estudio del agua potable y en la desinfección de superficies sólidas y aire. Las aplicaciones potenciales podrían incluir una mejor desinfección UV de las habitaciones de los hospitales e incluso estudios de cómo la luz solar inactiva el coronavirus responsable del COVID-19.

"Por lo que sé, nadie ha duplicado este trabajo, al menos no para la investigación biológica, "Dijo Larason." Por eso queremos sacar este periódico ahora ".

Suficientemente bueno para beber

La luz ultravioleta tiene longitudes de onda que son demasiado cortas para que el ojo humano la vea. Los rayos UV varían de aproximadamente 100 nanómetros (nm) a 400 nm, mientras que los humanos pueden ver un arco iris de color desde el violeta (aproximadamente 400 nm) hasta el rojo (aproximadamente 750 nm).

Una forma de desinfectar el agua potable es irradiarla con luz ultravioleta, que descompone el ADN de los microorganismos dañinos y las moléculas relacionadas.

En el momento del estudio original, la mayoría de los sistemas de irradiación de agua usaban una lámpara UV que emitía la mayor parte de su luz UV en una sola longitud de onda, 254 nm. Durante años, aunque, Las empresas de servicios de agua habían mostrado un interés creciente en un tipo diferente de lámpara de desinfección que era "policromática, "lo que significa que emitía luz ultravioleta en varias longitudes de onda diferentes. Pero la eficacia de las nuevas lámparas no estaba bien definida, dijo Karl Linden, un ingeniero ambiental de la Universidad de Colorado Boulder (CU Boulder) que fue investigador principal en el estudio de 2012.

"Descubrimos a mediados de la década de 2000 que las fuentes de UV policromáticas eran más efectivas para la inactivación de virus, específicamente porque estas lámparas producían luz ultravioleta en longitudes de onda bajas, por debajo de 230 nm, ", Dijo Linden." Pero era difícil cuantificar cuánto más eficaz y cuáles eran los mecanismos de esa eficacia ".

En 2012, un grupo de microbiólogos e ingenieros ambientales dirigidos por CU Boulder estaba interesado en agregar a la base de conocimientos que las empresas de servicios de agua tenían con respecto a la desinfección UV. Con financiación de la Water Research Foundation, una organización sin fines de lucro, los científicos buscaban probar metódicamente qué tan sensibles eran varios gérmenes a diferentes longitudes de onda de luz ultravioleta.

Normalmente, la fuente de luz para estos experimentos habría sido una lámpara que genera una amplia gama de longitudes de onda UV. Para reducir la banda de frecuencias tanto como sea posible, El plan de los investigadores era hacer brillar la luz a través de filtros. Pero eso todavía habría producido relativamente amplia, Bandas de luz de 10 nm, y las frecuencias no deseadas habrían sangrado a través del filtro, lo que dificulta determinar exactamente qué longitudes de onda inactivaban cada microorganismo.

Los microbiólogos e ingenieros querían un limpiador, fuente más controlable para la luz ultravioleta. Entonces, pidieron ayuda al NIST.

NIST desarrollado, construyó y operó un sistema para enviar un rayo ultravioleta bien controlado sobre cada muestra de microorganismos que se está probando. La configuración implicó poner la muestra en cuestión, una placa de Petri llena de agua con una cierta concentración de una de las muestras, en un recinto hermético a la luz.

Lo que hace que este experimento sea único es que el NIST diseñó el rayo ultravioleta para que lo entregara un láser sintonizable. "Sintonizable" significa que puede producir un haz de luz con un ancho de banda extremadamente estrecho (menos de un nanómetro) en una amplia gama de longitudes de onda, en este caso de 210 nm a 300 nm. El láser también era portátil, permitiendo a los científicos llevarlo al laboratorio donde se estaba realizando el trabajo. Los investigadores también utilizaron un detector UV calibrado por NIST para medir la luz que llega a la placa de Petri antes y después de cada medición. para asegurarse de que realmente supieran cuánta luz llegaba a cada muestra.

Hubo muchos desafíos para que el sistema funcionara. Los investigadores transportaron la luz ultravioleta a la placa de Petri con una serie de espejos. Sin embargo, diferentes longitudes de onda UV requieren diferentes materiales reflectantes, por lo que los investigadores del NIST tuvieron que diseñar un sistema que usara espejos con varios revestimientos reflectantes que pudieran intercambiar entre las pruebas. También tuvieron que adquirir un difusor de luz para tomar el rayo láser, que tiene una mayor intensidad en el centro, y extenderlo de manera que sea uniforme en toda la muestra de agua.

El resultado final fue una serie de gráficos que mostraban cómo los diferentes gérmenes respondían a la luz ultravioleta de diferentes longitudes de onda (los primeros datos para algunos de los microbios) con mayor precisión que nunca antes. Y el equipo encontró algunos resultados inesperados. Por ejemplo, los virus mostraron una mayor sensibilidad cuando las longitudes de onda disminuyeron por debajo de 240 nm. Pero para otros patógenos como Giardia, La sensibilidad a los rayos UV fue aproximadamente la misma incluso cuando las longitudes de onda disminuyeron.

"Los resultados de este estudio han sido utilizados con bastante frecuencia por las empresas de servicios de agua, agencias reguladoras y otros en el campo de los rayos ultravioleta que trabajan directamente en la desinfección del agua, y también del aire, "dijo la ingeniera ambiental de CU Boulder Sara Beck, primer autor de tres artículos producidos a partir de este trabajo de 2012. "Entender qué longitudes de onda de luz inactivan diferentes patógenos puede hacer que las prácticas de desinfección sean más precisas y eficientes, " ella dijo.

I, Robot UV

El mismo sistema que diseñó el NIST para brindar un La banda estrecha de muestras de luz ultravioleta a agua también se puede utilizar para experimentos futuros con otras aplicaciones potenciales.

Por ejemplo, Los investigadores esperan explorar qué tan bien la luz ultravioleta mata los gérmenes en superficies sólidas como las que se encuentran en las habitaciones de los hospitales, e incluso gérmenes suspendidos en el aire. En un esfuerzo por reducir las infecciones adquiridas en el hospital, algunos centros médicos han estado explotando salas con un rayo esterilizante de radiación ultravioleta transportada por robots.

Pero aún no existen estándares reales para el uso de estos robots, los investigadores dijeron, así que, aunque pueden ser eficaces, es difícil saber qué tan efectivo, o comparar las fortalezas de diferentes modelos.

"Para dispositivos que irradian superficies, Hay una gran cantidad de variables. ¿Cómo sabes que están funcionando? ”, Dijo Larason. Un sistema como el de NIST podría ser útil para desarrollar una forma estándar de probar diferentes modelos de bots de desinfección.

Otro proyecto potencial podría examinar el efecto de la luz solar sobre el nuevo coronavirus, tanto en el aire como en las superficies, Dijo Larason. Y los colaboradores originales dijeron que esperan utilizar el sistema láser para futuros proyectos relacionados con la desinfección del agua.

"La sensibilidad de los microorganismos y virus a las diferentes longitudes de onda de los rayos ultravioleta sigue siendo muy relevante para las prácticas actuales de desinfección del agua y el aire, "Beck dijo, "especialmente dado el desarrollo de nuevas tecnologías, así como los nuevos desafíos de desinfección, como los asociados con COVID-19 e infecciones adquiridas en el hospital, por ejemplo."