Enquanto aguardam o acesso total aos laboratórios devido às restrições do COVID-19, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) aproveitaram esta rara oportunidade para relatar os detalhes técnicos de pesquisas pioneiras que realizaram sobre a desinfecção de água potável usando luz ultravioleta (UV).

Em 2012, os cientistas do NIST e seus colaboradores publicaram vários artigos sobre algumas descobertas fundamentais com benefícios potenciais para as empresas de serviços de água. Mas esses artigos nunca explicaram totalmente a configuração de irradiação que tornou o trabalho possível.

Agora, pela primeira vez, Os pesquisadores do NIST estão publicando os detalhes técnicos do experimento único, que contou com um laser portátil para testar o quão bem diferentes comprimentos de onda de luz ultravioleta inativaram diferentes microorganismos na água. A obra aparece hoje no Revisão de instrumentos científicos ( RSI )

"Há anos que queremos escrever isso formalmente, "disse Tom Larason do NIST." Agora temos tempo para contar ao mundo sobre isso. "

Uma urgência para publicar uma descrição completa do sistema NIST é que os pesquisadores imaginem usar esta configuração UV para novos experimentos que vão além do estudo da água potável e na desinfecção de superfícies sólidas e do ar. As aplicações potenciais podem incluir uma melhor desinfecção por UV de quartos de hospitais e até mesmo estudos de como a luz solar inativa o coronavírus responsável pelo COVID-19.

"Até onde sei, ninguém duplicou este trabalho, pelo menos não para pesquisa biológica, "Larason disse." É por isso que queremos publicar este jornal agora. "

Bom o suficiente para beber

A luz ultravioleta tem comprimentos de onda muito curtos para serem vistos pelo olho humano. UV varia de cerca de 100 nanômetros (nm) a 400 nm, enquanto os humanos podem ver um arco-íris colorido do violeta (cerca de 400 nm) ao vermelho (cerca de 750 nm).

Uma maneira de desinfetar a água potável é irradiá-la com luz ultravioleta, que decompõe o DNA de microrganismos nocivos e moléculas relacionadas.

No momento do estudo original, a maioria dos sistemas de irradiação de água usava uma lâmpada ultravioleta que emitia a maior parte de sua luz ultravioleta em um único comprimento de onda, 254 nm. Por anos, no entanto, as concessionárias de água demonstraram interesse crescente em um tipo diferente de lâmpada de desinfecção que era "policromática, "o que significa que emitiu luz ultravioleta em vários comprimentos de onda diferentes. Mas a eficácia das novas lâmpadas não foi bem definida, disse Karl Linden, um engenheiro ambiental da Universidade do Colorado Boulder (CU Boulder) que foi o principal investigador do estudo de 2012.

"Descobrimos em meados dos anos 2000 que as fontes de UV policromáticas eram mais eficazes para a inativação de vírus - especificamente porque essas lâmpadas produziam luz UV em comprimentos de onda baixos, sob 230 nm, "Linden disse." Mas era difícil quantificar o quanto mais eficaz e quais eram os mecanismos dessa eficácia. "

Em 2012, um grupo de microbiologistas e engenheiros ambientais liderados por CU Boulder estava interessado em aumentar a base de conhecimento que as empresas de serviços de água tinham em relação à desinfecção UV. Com financiamento da Water Research Foundation, uma organização sem fins lucrativos, os cientistas estavam procurando testar metodicamente o quão sensíveis vários germes eram a diferentes comprimentos de onda de luz ultravioleta.

Normalmente, a fonte de luz para esses experimentos teria sido uma lâmpada que gera uma ampla gama de comprimentos de onda UV. Para estreitar a banda de frequências tanto quanto possível, o plano dos pesquisadores era fazer brilhar a luz por meio de filtros. Mas isso ainda teria produzido relativamente amplo, Bandas de luz de 10 nm, e frequências indesejadas teriam vazado pelo filtro, tornando difícil determinar exatamente quais comprimentos de onda estavam inativando cada microorganismo.

Os microbiologistas e engenheiros queriam um limpador, fonte mais controlável para a luz ultravioleta. Então, eles chamaram o NIST para ajudar.

NIST desenvolvido, construiu e operou um sistema para fornecer um feixe de UV bem controlado em cada amostra de microrganismos testados. A configuração envolvia colocar a amostra em questão - uma placa de Petri cheia de água com uma certa concentração de uma das amostras - em um invólucro à prova de luz.

O que torna este experimento único é que o NIST projetou o feixe de UV para ser fornecido por um laser sintonizável. "Ajustável" significa que pode produzir um feixe de luz com uma largura de banda extremamente estreita - menos do que um único nanômetro - em uma ampla faixa de comprimentos de onda, neste caso de 210 nm a 300 nm. O laser também era portátil, permitindo que os cientistas o levassem para o laboratório onde o trabalho estava sendo realizado. Os pesquisadores também usaram um detector de UV calibrado pelo NIST para medir a luz que atinge a placa de Petri antes e depois de cada medição, para ter certeza de que eles realmente sabiam quanta luz estava atingindo cada amostra.

Houve muitos desafios para fazer o sistema funcionar. Os pesquisadores transportaram a luz ultravioleta para a placa de Petri com uma série de espelhos. Contudo, diferentes comprimentos de onda UV requerem diferentes materiais reflexivos, então os pesquisadores do NIST tiveram que projetar um sistema que usasse espelhos com vários revestimentos reflexivos que eles pudessem trocar entre as execuções de teste. Eles também tiveram que adquirir um difusor de luz para pegar o feixe de laser - que tem uma intensidade maior no centro - e espalhá-lo de forma que ficasse uniforme em toda a amostra de água.

O resultado final foi uma série de gráficos que mostraram como diferentes germes responderam à luz ultravioleta de diferentes comprimentos de onda - os primeiros dados para alguns dos micróbios - com maior precisão do que nunca. E a equipe encontrou alguns resultados inesperados. Por exemplo, os vírus exibiram sensibilidade aumentada conforme os comprimentos de onda diminuíram abaixo de 240 nm. Mas para outros patógenos, como Giardia, A sensibilidade UV era quase a mesma, mesmo quando os comprimentos de onda diminuíam.

"Os resultados deste estudo foram usados ​​com bastante frequência por empresas de abastecimento de água, agências reguladoras e outros no campo de UV trabalhando diretamente na desinfecção da água - e também do ar, "disse a engenheira ambiental de CU Boulder Sara Beck, primeiro autor em três artigos produzidos a partir deste trabalho de 2012. "Compreender quais comprimentos de onda de luz inativam diferentes patógenos pode tornar as práticas de desinfecção mais precisas e eficientes, " ela disse.

EU, Robô UV

O mesmo sistema que o NIST projetou para entregar uma A banda estreita de luz ultravioleta para amostras de água também pode ser usada para experimentos futuros com outras aplicações potenciais.

Por exemplo, pesquisadores esperam explorar o quão bem a luz ultravioleta mata os germes em superfícies sólidas, como as encontradas em quartos de hospital, e até germes suspensos no ar. Em um esforço para reduzir infecções adquiridas em hospitais, alguns centros médicos têm explodido salas com um feixe esterilizador de radiação ultravioleta transportado por robôs.

Mas ainda não existem padrões reais para o uso desses robôs, os pesquisadores disseram, então, embora possam ser eficazes, é difícil saber o quão eficaz, ou para comparar os pontos fortes de diferentes modelos.

"Para dispositivos que irradiam superfícies, Há muitas variáveis. Como você sabe que eles estão funcionando? ", Disse Larason. Um sistema como o do NIST pode ser útil para desenvolver uma maneira padrão de testar diferentes modelos de bots de desinfecção.

Outro projeto potencial poderia examinar o efeito da luz solar sobre o novo coronavírus, tanto no ar quanto em superfícies, Larason disse. E os colaboradores originais disseram que esperam usar o sistema a laser para projetos futuros relacionados à desinfecção de água.

"A sensibilidade de microrganismos e vírus a diferentes comprimentos de onda de UV ainda é muito relevante para as práticas atuais de desinfecção de água e ar, "Beck disse, "especialmente devido ao desenvolvimento de novas tecnologias, bem como aos novos desafios de desinfecção, como aqueles associados a COVID-19 e infecções adquiridas em hospitais, por exemplo."