تؤكد الدراسات أن الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (UVC) يمكنها القضاء بفعالية على الجراثيم العالقة في الهواء داخل الغرف.

المقال التالي مصدره شركة قوانغمينغيوان لتكنولوجيا الإضاءة ، كتبه شركة قوانغمينغيوان لتكنولوجيا الإضاءة

اختبر علماء من جامعة سانت أندروز، وجامعة دندي، وجامعة ليدز، وجامعة كولومبيا الفعالية الجرثومية للأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) في غرفة حقيقية بمعدلات تهوية مكافئة للبيئات المنزلية أو المكتبية النموذجية (حوالي ثلاث تبديلات هوائية في الساعة).

أثناء التجربة، قام جهاز التبخير برش ضباب هوائي من بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) باستمرار في الغرفة. (تم اختيار هذا الكائن الدقيق لأنه أقل حساسية قليلاً للأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) مقارنة بفيروسات كورونا، مما يوفر للباحثين نموذجًا محافظًا مناسبًا.) بمجرد استقرار التركيز الميكروبي في الغرفة، قام الباحثون بتشغيل مصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة في الغرفة. قضت هذه المصابيح على أكثر من 98% من الميكروبات المحمولة جواً في غضون خمس دقائق فقط.

قال الدكتور كينيث وود من جامعة سانت أندروز: "كانت نتائج تجاربنا مذهلة، متفوقة بكثير على ما يمكن تحقيقه بالتهوية وحدها." "من حيث منع الأمراض المنقولة جواً، يمكن لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (UVC) أن تجعل الأماكن الداخلية آمنة مثل ملاعب الجولف في سانت أندروز."

في الغرف الحقيقية، تعمل الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (UVC) على تعطيل مسببات الأمراض العالقة في الهواء بفعالية

包括COVID-19在内的许多传染病，都是通过空气中的病原体得以传播，因而有必要采取不依赖于人类行为的环境控制措施。一种潜在的解决方案是氯化氪准分子灯(通常称为远紫外线)，它可以有效地灭活空气中的病原体，如冠状病毒和流感病毒。研究表明，当氯化氪灯过滤掉长波紫外线辐射后，它不会引起皮肤或者眼睛的急性反应，也不会引起皮肤癌等延迟症状。虽然有实验室的数据表明远紫外有效，但在实际的房间空间中，其有效性还得不到确认。

نثبت لأول مرة أن نشر ضوء الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) في الأماكن المغلقة يمكنه تعطيل بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية المحمولة جواً بشكل فعال. مع معدل تغيير هواء يبلغ 3 مرات في الساعة (ACH) وخمسة مصادر للأشعة فوق البنفسجية المفلترة، انخفضت مستويات مسببات الأمراض في الحالة المستقرة بنسبة 98.4%، وهو ما يعادل توفير 184 تغييراً هوائياً مكافئاً إضافياً. تتوافق جرعة إشعاع الأشعة فوق البنفسجية البعيدة المستخدمة مع قيمة الحد الأقصى الحالية للمؤتمر الأمريكي لخبراء الصحة الصناعية الحكوميين (ACGIH) للتعرض المستمر للجلد لمدة 8 ساعات. تشير بياناتنا إلى أن الأشعة فوق البنفسجية البعيدة قد تكون أكثر فعالية ضد الفيروسات الشائعة المحمولة جواً، بما في ذلك فيروس SARS-CoV-2، وتعمل كتقنية "غير تدخلية" فعالة للحد من الأمراض المنقولة بالهواء. توفر هذه النتائج دعماً للبيانات على النطاق المكاني لتصميم وتطوير أنظمة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة.

يمكن أن ينتقل فيروس كورونا 2 المسبب للمتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة (SARS-CoV-2)، الذي تسبب في جائحة كوفيد-19، عبر الهواء من شخص إلى شخص واحد أو أكثر. تزداد مخاطر الانتقال الجوي لـ SARS-CoV-2 في البيئات الداخلية المزدحمة، خاصةً عندما تكون التهوية غير كافية.

كما هو معروف، أدى الانتشار العالي لـ SARS-CoV-2 إلى إرباك أنظمة الرعاية الصحية الوطنية، مما أسفر عن ملايين الوفيات ومشاكل صحية طويلة الأمد. وبينما تسبب في آثار مستمرة ومدمرة على الاقتصاد العالمي، أدى ذلك بدوره إلى مشاكل أعمق في الرفاهية والصحة العامة.

من الواضح أن تقليل أو منع انتشار فيروس SARS-CoV-2 يمثل تحدياً عالمياً حاسماً وغير مسبوق. تشمل تدابير مكافحة الانتشار الإغلاقات الوطنية، وتقييد التجمعات الاجتماعية والتجارية، وتحسين التهوية الداخلية، وحملات الصحة العامة، وارتداء الكمامات الواقية، والتطعيم. تختلف فعالية هذه التدابير. لقد ظل التطعيم أحد أكثر التدابير فعالية في تقليل الوفيات والأمراض الشديدة، لكن فعاليته في تقليل انتقال الفيروس لا تزال غير واضحة. يعد تغطية الوجه تدبيراً فعالاً للتحكم في تقليل خطر الانتقال عبر الهواء، لكنه يعتمد على الخيارات السلوكية الفردية ويتطلب امتثالاً عالياً للتأثير في كبح الانتشار. مع تطور جائحة كوفيد-19، انخفض قبول واعتماد تدابير المكافحة التي تؤثر على الحياة اليومية، مما زاد الحاجة إلى تدابير فعالة لا تعتمد على الخيارات السلوكية البشرية. لا يقتصر هذا على فيروس كورونا المستجد؛ فالانتقال عبر الهواء يُعتبر آلية مهمة لمجموعة من العدوى الفيروسية الأخرى، بما في ذلك الإنفلونزا والحصبة وفيروسات كورونا البشرية الأخرى (سارس-كوف، متلازمة الشرق الأوسط التنفسية)، وكذلك الفيروس المخلوي التنفسي (RSV)، والعدوى البكتيرية مثل السل، وبعض مسببات الأمراض المنقولة جنسياً.

الأشعة فوق البنفسجية المبيدة للجراثيم (GUV) هي إجراء تحكم يلبي المتطلبات المذكورة أعلاه ولديه سجل علمي ناجح. في عام 1942، أثبت ويلز وآخرون أنه مقارنة بالغرف التي لا تحتوي على GUV، كانت الغرف التي تتعرض للإشعاع العلوي لـ GUV أقل في انتقال الحصبة والنكاف بين الأطفال. وبالمثل، أثبت إسكومب وآخرون أنه عند استخدام الأشعة فوق البنفسجية المبيدة للجراثيم في المنطقة العلوية، انخفض انتقال السل من المرضى إلى خنازير غينيا بأكثر من 70٪: كان معدل العدوى في المجموعة الضابطة 35٪، بينما كان في مجموعة GUV 9.5٪. ومع ذلك، فإن الخطر الرئيسي للأشعة فوق البنفسجية المبيدة للجراثيم التقليدية بطول موجي 254 nm ينبع من التعرض البشري العرضي المحتمل، مما قد يسبب حروقًا جلدية وقرنية. وهذا يحد من استخدام الأشعة فوق البنفسجية المبيدة للجراثيم التقليدية لأنظمة المنطقة العلوية المصممة بعناية، أو الوحدات المغلقة، أو إشعاع الغرف غير المشغولة. حتى مع هذه الإجراءات، لا يزال التعرض العرضي ممكنًا، مما يؤثر على اعتماد هذه التكنولوجيا.

الحل المتكامل المحتمل هو "الأشعة فوق البنفسجية UVC"، وهي أشعة فوق بنفسجية مبيدة للجراثيم في النطاق C بأطوال موجية تتراوح عادةً بين 200 و230 nm. مصدر شائع للأشعة فوق البنفسجية البعيدة هو مصباح الإكسيمر من كلوريد الكريبتون، الذي يتميز بطول موجي انبعاثي رئيسي يبلغ 222 nm وانبعاثات متبقية منخفضة عبر منطقة الأشعة فوق البنفسجية في الطيف الكهرومغناطيسي. في التجارب المخبرية، ثبت أن الخصائص المبيدة للجراثيم لمصابيح إكسيمر KrCl تعطل البكتيريا إيجابية الجرام وسلبية الجرام، والبكتيريا المقاومة للأدوية، وفيروسات الإنفلونزا، والفيروسات التاجية البشرية بما في ذلك فيروس SARS-CoV-2. ومن المهم أنه عند تقليل الأشعة فوق البنفسجية فوق 230 nm إلى الحد الأدنى عن طريق الترشيح، فإن مصابيح إكسيمر الأشعة فوق البنفسجية البعيدة من كلوريد الكريبتون أقل احتمالاً بكثير للتسبب في ردود فعل سلبية حادة في الجلد والعينين مقارنة بالأشعة فوق البنفسجية المبيدة للجراثيم التقليدية بطول 254 nm. وحتى الآن، لم تثبت الدراسات التي أجريت على نماذج حيوانية وبشرية أي آثار صحية ضارة طويلة الأمد.

النتائج التجريبية التي تظهر تعطيل مسببات الأمراض في بيئات مختبرية قياسية خاضعة للرقابة مشجعة، لكن نشر هذه التقنية تحت قيود "العالم الحقيقي" لا يعني بالضرورة أنها ستقلل من انتقال الأمراض. توفر السوابق التاريخية للأشعة فوق البنفسجية الجرمية العلوية بعض الثقة في إمكانات الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC) لتقليل انتقال الأمراض، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى تقييمات عملية. مثل هذه الدراسات معقدة ويجب إجراؤها على فترات طويلة (عادةً 12 شهرًا على الأقل)، وخطوة انتقالية نحو البحث في العالم الحقيقي تتضمن تجارب في غرف رذاذ كبيرة بحجم الغرفة. تتميز هذه الغرف بحجم الغرفة بتدفق هواء ودرجة حرارة ورطوبة مُتحكم بها، ومصممة لمحاكاة بيئات الغرف الحقيقية. لقد استُخدمت مثل هذه المساحات بالفعل لإثبات فعالية أنظمة الأشعة فوق البنفسجية الجرمية العلوية ولدراسة بقاء وانتشار الميكروبات. يمكنها أيضًا المساعدة في فهم تطبيق تقنية ما في الغرف التي قد يتواجد فيها أشخاص مصابون لفترات طويلة (مشابهة للمدارس وأماكن العمل والمستشفيات ومناطق الاستقبال). من خلال التحكم المستمر في إطلاق مسببات الأمراض المحمولة جواً لتحقيق حالة بيئية مستقرة، يمكن لأخذ عينات من الهواء الداخلي مع أو بدون تقنية تطهير الهواء المحيط توفير بيانات أقرب إلى ظروف العالم الحقيقي. هنا، نقدم أول دراسة حول فعالية الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC) في تعطيل مسببات الأمراض المحمولة جواً في غرفة هباء حيوي كاملة الحجم تحت ظروف الحالة المستقرة.

النتائج

تم تركيب خمس مصابيح إكسيمر من كلوريد الكريبتون على سقف غرفة هباء حيوي بحجم غرفة في جامعة ليدز، مع ترشيحها لتقليل انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية فوق 230 نانومتر، وتزويدها بموزعات في نوافذ الانبعاث لتوسيع نمط الإشعاع. تم ترتيب المصابيح بنمط خماسي (الشكل 1)، مع توجيه انبعاثها نحو الأرض. أجريت الدراسة مع تشغيل جميع المصابيح الخمسة أو فقط المصباح المركزي. تم ذلك لدراسة تأثيرات الإشعاع الموضعي (مصباح واحد) والكامل (خمسة مصابيح) لحجم الغرفة. كانت الغرفة ذات الحجم 32 مترًا مكعبًا مُهواة ميكانيكيًا بمعدل 3 تغييرات هواء في الساعة (ACH)، وتم إطلاق بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية على شكل رذاذ بشكل مستمر في الغرفة على ارتفاع 168 سم. بعد فترة استقرار مدتها 60 دقيقة، تم جمع 10 عينات هواء خلال 50 دقيقة. ثم تم تشغيل مصدر ضوء واحد (المصباح المركزي للأشعة فوق البنفسجية البعيدة) أو خمسة مصادر ضوء للأشعة فوق البنفسجية البعيدة، واستمر أخذ العينات لمدة 50 دقيقة أخرى.

أعدنا هذه الاختبارات باستخدام ثلاثة مستويات مختلفة من الإشعاع (الجدول 1). تعتمد مستويات الإشعاع المختارة على توصيات الإشعاع الضوئي الصادرة عن اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع غير المؤين (ICNIRP) للسيناريو "المعتدل" وحدود التعرض الصادرة عن المؤتمر الأمريكي لأخصائيي الصحة الصناعية الحكوميين (ACGIH) للسيناريو "العالي". بالإضافة إلى ذلك، تم تضمين سيناريو إضافي بشدة إشعاع أقل (سيناريو "منخفض"). يتم توفير التحليل الإحصائي المفصل في الجدول S1.

كما هو موضح في قسم "الطرق"، تم أخذ عينات مستمرة لمدة 4 دقائق كل 5 دقائق قبل وبعد تشغيل الضوء. يُظهر الشكل 1 تركيز مسببات الأمراض الحية من المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) في الهواء في موقع الجمع. يُظهر الشكل 2 والجدول 1 نتائج وحدات تكوين المستعمرات لكل متر مكعب (cfu m-3) لمدة 45 دقيقة قبل "تشغيل الضوء" و50 دقيقة بعد "تشغيل الضوء"، على التوالي. تُعبر القيم بعد "تشغيل الضوء" كنسبة مئوية من المتوسط قبل تشغيل الضوء. ويُؤكد مرة أخرى أن مسببات الأمراض كانت تُطلق باستمرار في الغرفة طوال التجربة.

كما كان متوقعًا، حدث أكبر انخفاض في أعداد المكورات العنقودية الذهبية القابلة للحياة في الهواء في الحالة المستقرة تحت سيناريو الإشعاع "العالي". مقارنة بالتهوية وحدها (3 تغييرات للهواء في الساعة)، أدى استخدام جميع المصابيح الخمسة إلى تقليل البكتيريا القابلة للحياة في الحالة المستقرة بنسبة 98.4٪ (انحراف معياري 0.7٪). تراوح معدل تغيير الهواء المكافئ المقدر من 128 إلى 322 eACH (فترة ثقة لانحراف معياري واحد). في هذا السيناريو "العالي"، أشارت جرعة التعرض القصوى لمدة 8 ساعات إلى قيمة حد العتبة الجلدية للمؤتمر الأمريكي لأخصائيي النظافة الصناعية الحكوميين (ACGIH) (حد جرعة 222 نانومتر هو 478 مللي جول/سم² لأكثر من 8 ساعات). تحت سيناريو الإشعاع "العالي"، لم تتجاوز جرعة التعرض المتوسطة لمدة 8 ساعات من مصباح واحد حدود التعرض الخاصة بـ ICNIRP، وانخفضت مستويات مسببات الأمراض بنسبة 93.7٪، وتراوح معدل تغيير الهواء المكافئ المقدر من 33 إلى 66 eACH. على الرغم من أن مصباحًا واحدًا لم يشع الغرفة بأكملها، فمن المرجح أن الخلط الجيد للهواء في الداخل ساهم في هذا التأثير الكبير جدًا.

الشكل 1 هو مخطط ثلاثي الأبعاد لغرفة الهباء الحيوي، يوضح أبعاد الغرفة، ومواضع وحدات الإضاءة، ومصادر مسببات الأمراض ونقاط الجمع (أعلى)، ومثالاً على التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة من النوع C (أسفل).

يوضح الجدول 1 متوسط النسب المئوية لمعدل تقليل مسببات الأمراض، والإشعاع، وجرعة التعرض لمدة 8 ساعات تحت ثلاثة ظروف إضاءة مختلفة على ارتفاعين فوق الأرض. تتجاوز قيم التعرض لمدة 8 ساعات المكتوبة بخط عريض ومائل حد التعرض الخاص بـ ICNIRP لطول موجي 222 نانومتر البالغ 23 مللي جول/سم². لم يتجاوز أي من التعرضات حد التعرض الجلدي الصادر عن ACGIH لعام 2022 والبالغ 478 مللي جول/سم². يُشار إلى الدلالة الإحصائية على النحو التالي: ns = p > 0.05، * = p ≤ 0.05، ** = p ≤ 0.01، *** = p ≤ 0.001، **** = p ≤ 0.0001.

في سيناريو التشعيع "المعتدل"، تشير ذروة جرعة التشعيع لمدة 8 ساعات إلى حد التعرض الحالي في إرشادات ICNIRP البالغ 23 مللي جول/سم². مع استخدام المصابيح الخمسة جميعها، انخفض الحمل الجرثومي الحيوي في الحالة المستقرة بنسبة 92.0٪. وهذا يعادل تقريباً 35 eACH (النطاق 27-46 eACH)، وهو ما يزيد عن 11 مرة من التهوية القياسية خلال 15 دقيقة. والجدير بالذكر أنه على الرغم من أن ذروة جرعة التعرض لمدة 8 ساعات أعلى قليلاً من حد التعرض في إرشادات ICNIRP، فإن متوسط جرعة التعرض لمدة 8 ساعات أقل بأكثر من 5 مرات من حد التعرض في إرشادات ICNIRP (الجدول 1).

سيناريو الإشعاع "المنخفض"، أي شدة إشعاع منخفضة للغاية للأشعة فوق البنفسجية البعيدة من النوع C (أقل بعشر مرات من سيناريو معدل التعرض "المتوسط")، يقلل من حمل مسببات الأمراض الحية بنسبة 13% (مصباح واحد) و29% (خمسة مصابيح).

الشكل 2: بعد تشغيل مصدر الضوء للأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC)، تظهر النسبة المئوية لبكتيريا المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) القابلة للحياة المتبقية في الهواء مع مرور الوقت تحت سيناريوهات الإشعاع العالية والمتوسطة والمنخفضة علاقة لوغاريتمية على المحور الصادي. ملاحظة: تم إطلاق مسببات الأمراض باستمرار في الغرفة طوال فترة التجربة: أجريت الدراسة باستخدام إما مصباح مركزي واحد (أخضر، نقاط بيانات مربعة، خط متقطع) أو جميع مصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة الخمسة (أزرق، نقاط بيانات دائرية، خط متصل).

مناقشة

لأول مرة، أثبتنا في غرفة بحجم طبيعي، تحت ظروف تهوية نموذجية ومع استمرار وجود مسببات الأمراض في الهواء، أن الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) لديها القدرة على تقليل مسببات الأمراض المحمولة جواً بسرعة وبشكل كبير. عند مستويات الإشعاع التي لا تتجاوز حدود التعرض المحددة في إرشادات ICNIRP، يمكن الوصول إلى مستوى بيئي جديد مع انخفاض بنسبة تقارب 92٪ في عدد البكتيريا القابلة للحياة خلال 15 دقيقة. وعند قيمة الحد العتبي لـ ACGIH، يمكن تحقيق انخفاض بنسبة تقارب 98٪ في أقل من 5 دقائق. يوضح الشكل 3 مقارنة بين الحالتين.

على الرغم من عدم استخدام SARS-CoV-2 في دراستنا لأسباب تتعلق بالسلامة، فقد عملت المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) في حالة الهباء الجوي كبديل للفيروسات المحمولة جواً مثل فيروسات كورونا البشرية وفيروسات الإنفلونزا. يوضح الشكل 4 المبدأ الأساسي لهذه النظرية، حيث يقارن معدلات التعطيل بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) لفيروسات كورونا البشرية المحمولة جواً (OC43 و 229E)، وفيروس الإنفلونزا المحمول جواً (H1N1)، والمكورات العنقودية الذهبية المحمولة جواً. تم قياس جميع معدلات التعطيل باستخدام نفس الإعداد المخبري. على الرغم من أن نتائج تعطيل SARS-CoV-2 بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة لم تُنشر بعد، فإن النتائج المتعلقة بتعطيل ناقل SARS-CoV-2 بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة تشير إلى أن حساسيته مشابهة لحساسية فيروسات كورونا البشرية OC43 و 229E. تظهر نتائجنا أن المكورات العنقودية الذهبية في الهواء أقل حساسية للتعطيل بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة مقارنة بفيروسات الإنفلونزا وفيروسات كورونا البشرية المحمولة جواً، مما يجعلها بديلاً محافظاً وحذراً.

الشكل 3: النسبة المئوية لبكتيريا المكورات العنقودية الذهبية المحمولة جواً والقابلة للحياة المتبقية على المحور الصادي في سيناريوهي التعرض الاثنين استناداً إلى حدود التعرض وفقاً لإرشادات ICNIRP (5 مصابيح "متوسطة") وقيم الحد العتبي لـ ACGIH (5 مصابيح "عالية"). لاحظ أنه طوال التجربة، تم إطلاق مسببات الأمراض بشكل مستمر في الغرفة بمعدل تهوية ميكانيكية يبلغ 3 تغييرات للهواء في الساعة.

الشكل 4: تعطيل فيروسات كورونا البشرية HCoV-OC43 و HCoV-229E، وفيروس الإنفلونزا أ (H1N1) مقارنةً بالمكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) المحمولة جواً تحت جرعات إشعاعية منخفضة من الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC). أُجريت القياسات باستخدام نظام إشعاع مسببات الأمراض المحمولة جواً في مختبرات جامعة كولومبيا. تم تضمين البيانات المنشورة سابقاً حول HCoV-OC43 و HCoV-229E والإنفلونزا أ (H1N1) لأغراض المقارنة.

يُفترض أن النسبة المئوية لفيروسات كورونا والإنفلونزا المحمولة جواً التي يتم تعطيلها قد تكون أكبر، مع أوقات تعطيل أقصر.

بالنسبة لأولئك الذين يقومون بتركيب مصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC)، قد يكون تفسير وتطبيق حدود التعرض للإشعاع الضوئي أمرًا صعبًا. يتبع الكثيرون نهجًا محافظًا، مفترضين جرعة تعرض لمدة 8 ساعات بناءً على شدة الاستضاءة القصوى. ومع ذلك، تعتمد حدود التعرض على المتوسط المرجح زمنيًا (TWA) للإشعاع (ETWA)، الذي يأخذ في الاعتبار التعرض الفعلي الذي يتلقاه الفرد داخل مساحة معينة. إذا بقي ETWA ضمن الحدود، يُسمح بإشعاع ذروي أعلى. في هذه الدراسة، قد تكون شدة المصباح الذروية أعلى بخمس مرات من السيناريو "المعتدل"، مما يحسن فعالية التعطيل، بينما ستظل الجرعة المتوسطة لمدة 8 ساعات ضمن حدود التعرض الواردة في إرشادات ICNIRP.

يُبرز هذا الأمر أهمية التركيب الصحيح لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC) لضمان حصول الحيز المحدد على إشعاع مناسب وآمن. على سبيل المثال، على الرغم من أن مصباحًا واحدًا يحقق معدلًا إجماليًا لتقليل مسببات الأمراض بنحو 94% في السيناريو "العالي"، إلا أن بعض المناطق داخل الغرفة لا تتعرض للإشعاع بشكل كامل. مقارنةً بالغرفة المستخدمة في التجربة، قد تكون مساحات الغرف الفعلية أكبر، وقد تكون تأثيرات اختلاط الهواء أضعف، وقد يكون التقليل الفعلي لمسببات الأمراض أقل بكثير. استنادًا إلى دراسات النمذجة السابقة، قمنا بتحسين مصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة من خلال وضع مادة مشتتة للضوء على السطح الباعث لمصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية البعيدة في الداخل لتوسيع نمط الإشعاع وزيادة تغطية الأشعة فوق البنفسجية البعيدة.

توفر نتائجنا أيضًا بعض البيانات الأولية التي يمكن مقارنتها بتقنيات أخرى مثل أجهزة تنقية الهواء المحمولة. اعتمادًا على حجم الجهاز، تتراوح معدل تسليم الهواء النظيف (CADR) عادةً بين 200 و500 متر مكعب في الساعة، بينما في المختبر ستصل إلى 6.2 إلى 15.5 eACH. لذلك، فإن سيناريو الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC) "المتوسط" الذي يحتوي على 5 مصابيح يعمل بشكل أفضل من أجهزة تنقية الهواء HEPA ذات التدفق الأعلى. على الرغم من أن أنظمة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة أكثر تعقيدًا في التصميم والتركيب من أجهزة تنقية الهواء المحمولة "جاهزة للاستخدام"، إلا أن هذا النهج قد يوفر معدل eACH أعلى وهو أيضًا هادئ جدًا. ميزة محتملة أخرى للأشعة فوق البنفسجية البعيدة مقارنة بأجهزة تنقية الهواء والأشعة فوق البنفسجية germicidal العلوية هي أنها قد لا تتطلب خلطًا "جيدًا" للهواء داخل الغرفة. سنبحث في ذلك في الدراسات المستقبلية.

يجب استخدام جميع الطرق الهادفة إلى تقليل الانتقال الجوي للأمراض مثل كوفيد-19 بشكل مثالي على شكل طبقات، بما في ذلك التطعيم عند الاقتضاء، والتباعد الاجتماعي، وارتداء الكمامات، والتهوية. هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول تأثير معلمات مثل درجة الحرارة، والرطوبة، ومعدلات التهوية، والقرب من مصادر العدوى، لكن النتائج المبلغ عنها هنا ينبغي أن توفر الثقة بأن الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC)، عند نشرها بشكل مناسب والامتثال للحدود التنظيمية للسلامة الحالية (أو المستقبلية)، يمكن أن تكون إجراء تحكم فعالاً ومستقلاً عن السلوك البشري. فهي تعطل مسببات الأمراض الجوية الرئيسية، مثل فيروسات كورونا البشرية والإنفلونزا، مما يقلل من انتقالها عبر الهواء والأسطح الملوثة.

الطريقة

غرفة الهباء الحيوي.أُجريت التجارب في غرفة هباء حيوي مُتحكَّم بها بأبعاد 4.26 متر طولاً، و3.35 متر عرضاً، و2.26 متر ارتفاعاً. تعمل الغرفة بنظام تهوية ميكانيكية وتحت ضغط سلبي، ومجهزة بنظام هواء نقي بنسبة 100% مع ترشيح HEPA لكل من مدخل الهواء ومخرجه لضمان التحكم التجريبي والسلامة التشغيلية. يُوزَّع هواء التهوية عبر شبكة دخول مثبتة على الحائط تقع في إحدى زوايا الغرفة. توجد مخرج مثبت على الحائط في موضع منخفض على الجانب المقابل قطرياً. تعمل غرفة الاختبار بمعدل تدفق هواء قدره 0.027 م³/ث، وهو ما يعادل ثلاث تبديلات للهواء في الساعة (ACH). أظهرت دراسات سابقة خلطاً جيداً للهواء داخل هذه الغرفة. وُضِع نقطة إطلاق بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) على ارتفاع 168 سم من الأرض، وعلى بعد 50 سم من مدخل الهواء، وعلى بعد 64 سم من الجدار المجاور (الشكل 1). كانت نقطة أخذ العينات على ارتفاع 50 سم، وعلى بعد 20 سم من مخرج الهواء، وعلى بعد 64 سم من الجدار المجاور. تشير أبحاث سابقة إلى أن هذا الموقع يمثل متوسط التركيز داخل المختبر. تم الحرص على ضمان ألا تكون نقطة إطلاق البكتيريا ولا نقطة أخذ العينات مباشرة تحت مصدر الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (UVC) (الشكل 1). حُفِظَت درجة حرارة المختبر عند 28 درجة مئوية ± 1 درجة مئوية، مع رطوبة نسبية تبلغ 50% ± 2%. وعلى الرغم من أن التهوية الميكانيكية وفرت تدفق هواء مختلطاً جيداً، لم تُستخدم مراوح خلط داخل الغرفة. تطلبت التجارب احتواءً للأمن الحيوي؛ وقد أُجريت مع إغلاق الغرفة بإحكام وأثناء عملية التهبيل، مع تشغيل عن بُعد لأجهزة أخذ عينات الهباء الجوي وأجهزة إشعاع الأشعة فوق البنفسجية البعيدة.

اختيار مسببات الأمراض المُهوَاءَة. كما وصف ويلش وآخرون: من الناحية العملية، لا يمكن استخدام غرف الهباء الحيوي لمسببات الأمراض من المجموعة الثالثة للمخاطر المُهوَاءَة، مثل SARS-CoV-2. لاختيار مُمْرِض مُهَوَّى قابل للاستخدام، أي نموذج معقول ولكن حذر ومحافظ للفيروسات التاجية البشرية المنقولة جوًا، أجرينا دراسات أولية باستخدام نظام التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية لمسببات الأمراض المُهوَاءَة في مختبر جامعة كولومبيا. يتكون هذا النظام من مصدر لمسببات الأمراض المُهوَاءَة، حيث يمر تدفقه عبر غرفة تشعيع بالأشعة فوق البنفسجية تتكون من مصدر للأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC) ونوافذ شفافة للأشعة فوق البنفسجية البعيدة؛ ويمكن الحصول على جرعات مختلفة من الأشعة فوق البنفسجية البعيدة عن طريق تغيير شدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية البعيدة وسرعة مسببات الأمراض. تم جمع المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) المحمولة جواً على مرشحات الجيلاتين (Sartorius، ألمانيا) بعد التشعيع، وذوبانها في 5 مل من محلول PBS، وتحليل تعطيلها باستخدام طريقة وحدات تكوين المستعمرات (CFU) على أطباق آغار الصويا التربتيكي (TSA).

يوضح الشكل 4 النتائج الداخلية لبكتيريا المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) المُهواة، مقارنة بالنتائج المنشورة سابقًا لفيروسات كورونا البشرية 229E وOC43 المُهواة، بالإضافة إلى فيروس إنفلونزا H1N1. نستنتج من هذه الدراسات الأولية أنه، على الرغم من الاختلافات بين البكتيريا والفيروسات، يمكن استخدام بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية المُهواة كنموذج محافظ ومعقول لتعطيل فيروسات كورونا البشرية بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) في الدراسات الداخلية الحالية. لقد تم تطبيق بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية في العديد من التجارب الداخلية وأثبتت أنها كائن اختبار موثوق يمكن تهويته في الغرف وأخذ عينات منه باستمرار من الفضاء، مما يتيح إجراء مقارنات جيدة بين التجارب. تعتبر بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية أيضًا بكتيريا ممرضة، لأنها تمثل المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (MRSA)، والتي تعد مهمة في العدوى المكتسبة في المستشفيات وغالبًا ما تُستخدم كمرجع للتنظيف. في أعقاب الجائحة الحالية، يعد تقييم تقنيات تعطيل مسببات الأمراض أمرًا بالغ الأهمية.

مصابيح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC). تم وضع خمس مصابيح إكسيمر تجارية من كلوريد الكريبتون (KrCl) للأشعة فوق البنفسجية البعيدة، ومفلترة لتقليل الإشعاع فوق البنفسجي فوق 230 نانومتر، في غرفة على ارتفاع 2.12 متر بنمط الخماسي (نمط النقاط الخمس على نرد سداسي الأوجه)، مع توجيه الإشعاع نحو الأرض. تعمل هذه المصابيح بشكل مستمر وتم تعديلها بمادة مشتتة لتوسيع نطاق توزيع إشعاع الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، مما يزيد من شدة الإشعاع إلى أقصى حد. لضبط شدة إشعاع المصابيح، قام قسم الفيزياء الطبية والهندسة السريرية في مستشفى ناينويلز في دندي بتصنيع مرشحات تخفيف شبكية معدنية مخصصة. وفرت هذه المرشحات شدد إشعاع تبلغ 10% و1% من خرج الأشعة فوق البنفسجية البعيدة الأصلي. وضعت مرشحات التخفيف بين المصابيح ومادة التشتيت.

تم قياس مجال الإشعاعية (E) داخل المقصورة على مستوى أفقي باستخدام مقياس إشعاع UVC معاير (كاشف UV-3727-5 مع رأس بصري X1-5، Gigahertz-Optik، ألمانيا، 29 أبريل 2021). أُجريت القياسات على ارتفاعين (z) هما 1.7 متر و1 متر فوق الأرض، بفاصل 0.5 متر. في المعادلة (1)، تُعرّف التعرض بأنه التعرض الإشعاعي H عند الارتفاع z، بحيث

هنا، Eiz هي الإشعاعية عند الارتفاع z والموقع i مضروبة في الوقت المستغرق في الموقع iz، ومكاملة على جميع المواقع. تُفترض ذروة جرعة التعرض عند t = 8 ساعات (28,800 ثانية) في الموقع i حيث يكون قياس الإشعاعية أعلى لـ z معينة (أي مباشرة تحت المصباح). تُعرّف جرعة التعرض المتوسطة بأنها التعرض الإشعاعي لمدة 8 ساعات استناداً إلى متوسط الإشعاعية المقاسة عند ارتفاع معين. وبعد تفكير متأنٍ، قررنا عدم تسمية الأجهزة ذات الطول الموجي القصير جداً المستخدمة في هذه الدراسة، لأن هذه التجارب هي دراسة لمبادئ الأشعة فوق البنفسجية البعيدة وليست تأييداً لأي جهاز معين.

الإجراء التجريبي. تحضير المعلق وتوليد الهباء الحيوي. تم توليد الهباء في بيئة خاضعة للتحكم حيث أخذت درجة الحرارة (28 درجة مئوية ± 1 درجة مئوية) والرطوبة النسبية (50% ± 2%) في الاعتبار. استُخدم مرذاذ كوليسون ذو 6 فتحات (BGI، الولايات المتحدة الأمريكية) يعمل بسرعة 12 لتر/دقيقة لتوليد الهباء؛ وكان موجودًا خارج الغرفة، ودخل الهباء إلى غرفة الاختبار عبر أنبوب. كان قطر الهباء المتولد من المرذاذ يتراوح بين 0.3 ميكرومتر و5 ميكرومتر، بمتوسط قطر هوائي كتلي قدره 2.5 ميكرومتر (انحراف معياري هندسي قدره 1.8). تتألف المعلقة في وعاء المرذاذ (100 مل) من المكورات العنقودية الذهبية (ATCC 6538) المحضرة في ماء مقطر معقم بتركيز يقارب 1.35 × 10⁶ وحدة تشكيل مستعمرة/مل. أظهرت التحقيقات الأولية لمعلقات مسببات الأمراض في أوساط أخرى (أي مصل العجل الجنيني بنسبة 1%) عدم وجود تأثير كبير على النتائج.

أخذ العينات باستخدام جهاز أخذ العينات. تستخدم عملية أخذ العينات مُصطدم أندرسون ذو الست مراحل (Anderson INC.) بمعدل تدفق 28 لتر/دقيقة. تُنقل العينات من الخارج إلى الحجرة، وتُجمع عبر أنابيب الاختبار. تم تحضير أطباق آغار الصويا التربتيكي (TSA) في المرحلتين 5 و6 من مُصطدم أندرسون باستخدام 40 غرامًا من TSA (Oxoid، المملكة المتحدة) لكل 1 لتر من الماء المقطر. تم جمع حوالي 90% من الهباء الجوي للمكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus) في المرحلة 6 (قطر الهباء الجوي 0.65 ميكرومتر - 1.1 ميكرومتر)، بينما جُمع الـ 10% المتبقية في المرحلة 5 (قطر الهباء الجوي 1.1 ميكرومتر - 2.1 ميكرومتر). في التجارب السابقة، وفي نفس الظروف البيئية ونفس تركيز المكورات العنقودية الذهبية، شكلت الهباء الجوي المجمعة في المراحل من 1 إلى 4 (2.1 و3.3 و4.7 و7 ميكرومتر) أقل من 1% من إجمالي الكمية المجمعة. بعد أخذ العينات، حُضنت أطباق الآغار عند درجة حرارة 37 مئوية لمدة 24 ساعة، ثم عُدّت المستعمرات على كل طبق باستخدام عداد مستعمرات Gallenkamp. وأخيرًا، صُححت النتائج باستخدام جدول تصحيح الثقوب الموجبة، واستُخدم معدل تدفق جهاز أخذ العينات لتحديد تركيز وحدات تشكيل المستعمرات لكل متر مكعب (CFU/m³) في الهواء.

هذه التجربة. أنشأت المكورات العنقودية الذهبية المنقولة عبر الهواء حالة مستقرة لمدة 60 دقيقة في الداخل، تشبه شخصًا مصابًا ينبعث منه مسببات أمراض محمولة على الهباء الجوي من زاوية الغرفة. ثم، في كل نقطة أخذ عينات، تم جمع 10 عينات هواء مدة كل منها 4 دقائق كل 5 دقائق (الشكل 2)، مع استخدام الوقت المتبقي لتحضير العينة التالية. ثم تم تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC) وتكرار أخذ العينات بنفس الطريقة. قبل تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تم تحديد تركيز المكورات العنقودية الذهبية الداخلي (cfu m-3) باستخدام متوسط أول 10 عينات هواء. بعد ذلك، تم رسم تركيز (cfu m-3) كل عينة هواء كنسبة مئوية من متوسط التركيز الأولي للحالة المستقرة.

分析。在开启远uvc设备之前，通过与所有样品的平均浓度进行比较，将金黄色葡萄球菌的浓度归一化，以便在实验内部和实验之间进行比较。当灯打开后的衰减期结束后，在20到50分钟之间进行6次测量，以确定灯打开时的稳定浓度。由(2)式(C)和(Cuv)（灯被打开前(C)和之后(Cuv)的稳态浓度）计算出了由远超紫外线引起的等效换气率。

حيث N هو معدل تهوية الغرفة (ACH)، وNuv هو معدل تغيير الهواء المكافئ.

التحليل الإحصائي. تم استخدام اختبار t غير المزدوج لمقارنة البكتيريا الحية قبل تشغيل مصباح Far-UVC وبعد 20 دقيقة من تشغيله. تم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام GraphPad Prism (Prism 9، GraphPad Software، الولايات المتحدة الأمريكية). الدلالة الإحصائية لجميع الحالات: ns = p > 0.05، * = p ≤ 0.05، ** = p ≤ 0.01، *** = p ≤ 0.001، **** = p ≤ 0.0001.

المرجع الأصلي: الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (Far-UVC) تعطل بكفاءة مسببًا للأمراض محمولًا جوًا في غرفة بحجم حجرة