Chuqur-Ultrabinafsha 222nm qattiq-davlat lazerida tajriba
5.2.4 222nm chuqurlikdagi-Ultrabinafsha impulsli lazerning chiqishi
Shakl 5.16. 15 kHz takrorlash chastotasida AOK qilingan nasos quvvatiga ega 457 nm impulsli lazerning o'rtacha quvvati va impuls kengligining o'zgarishi
Chap o'q 457 nm lazerning o'rtacha quvvatini mVt (200-700), o'ng o'q ns (40-120) da impuls kengligini, gorizontal o'q esa Vt (30-42) da AOK qilingan nasos quvvatini ifodalaydi.
Bitta egri chiziq f=15kHz chastotadagi o‘rtacha quvvatga to‘g‘ri keladi, u taxminan 650 mVt dan 350 mVt gacha kamayadi. Boshqa egri chiziq impuls kengligiga to'g'ri keladi, taxminan 50 ns dan 110 ns gacha ko'tariladi.
5.17-rasm 10 kHz takrorlash chastotasi bilan maksimal o'rtacha quvvati 600 mVt bo'lgan 457 nm impulsli lazerning nuqta va nur sifati (rang diagrammasiga qarang)
Chap qismi nuqta diagrammasi, o'ng qismi esa nur sifati diagrammasi.
Nurning sifati diagrammasida gorizontal o'q - mm (0-200) dagi tarqalish o'qi bo'ylab pozitsiya, vertikal o'q esa mm (0-4) da nuqta diametri. "x gorizontal" va "y vertikal" deb nomlangan ikkita egri chiziq mavjud, ularda My²=1.32 va Mx²=1.15. Egri chiziqlar avval kamayadi, keyin esa ortadi, minimal qiymat taxminan 100 mm va nuqta diametri taxminan 0,5 mm.
Yuqorida aytib o'tilgan 457 nm impulsli lazer tajribasidan nasos nuqta radiusi taxminan 200 mkm, L1 va L2 taxminan 83 mm va 31 mm va takrorlash chastotasi 10 kHz bo'lsa, eng yuqori tepalik quvvatiga ega 457 nm impulsli lazer chiqishi olinadi. Ushbu 457 nm impulsli lazer BBO kristalli bilan chastotani ikki baravar oshirish orqali 222 nm impulsli lazerni yaratish uchun yorug'lik manbai sifatida ishlatiladi. Fokuslash oynasi M3 va BBO kristalining joylashuvi uchun uzluksiz 222 nm chiqishiga erishish uchun, 457 nm impulsli lazer chiqishining nur sifati 457 nm dan farq qilganligi sababli, fokuslash oynasi M3 va BBO kristalining joylashishini mos ravishda sozlash kerak. Bu 457nm impulsli lazer M3 fokuslash oynasidan o'tgandan so'ng, chastotani ikki baravar oshirish samaradorligini oshirish uchun uning Rayleigh uzunligi BBO kristalining uzunligiga mos kelishini ta'minlaydi. Nihoyat, maksimal o'rtacha quvvati 35 mVt va impuls kengligi 36 ns (detektorda to'g'ridan-to'g'ri lazer tushishi bilan o'lchanadi) bo'lgan 222 nm impulsli lazer chiqishiga erishiladi. 222 nm LED yoki 222 nm uvc chiroq kabi tijorat variantlari kengroq ilovalar uchun mavjud bo'lsa-da, bu qattiq holat tizimi aniq impulsli chiqishni ta'minlaydi. 5.18-rasmda ultrabinafsha lazer spektri ko'rsatilgan. 222 nm impulsli lazerning o'rtacha chiqish quvvati 457 nm impulsli lazerning AOK qilingan quvvati ortishi bilan ortadi va o'zgaruvchanlik munosabatlari 5.19-rasmda ko'rsatilgan. 5.20-rasm - eng yuqori o'rtacha chiqish quvvatida 222 nm impulsli lazerning lazer nuqta diagrammasi.
Shakl 5.18 Ultraviyole lazer spektri
Gorizontal o'q to'lqin uzunligi nm (200-260), vertikal o'q esa intensivlik (0-15000). Cho'qqisi 222 nm atrofida.
5.19-rasm 10 kHz takrorlanish chastotasida 457 nm impulsli lazerning AOK qilingan quvvati bilan 222 nm impulsli lazerning o'rtacha chiqish quvvatining o'zgarishi
Gorizontal o'q mVt (200-600) da 457 nm lazerning AOK qilingan quvvati, vertikal o'q esa 222 nm lazerning mVt (0-40)dagi o'rtacha quvvatidir. Egri chiziqli ravishda ko'tariladi, taxminan 5 mVt dan 35 mVt gacha.
Shakl 5.20 Eng yuqori o'rtacha chiqish quvvatidagi 222 nm impulsli lazerning lazer nuqtasi (rang diagrammasiga qarang)
Spot kvadrat konturli halqa shakliga ega.
Shakl 5.21 222nm impulsli lazer chiqish quvvatining barqarorligi
222 nm impulsli lazerning maksimal o'rtacha chiqish quvvati 35 mVt bo'lsa, lazer chiqish quvvatining barqarorligi o'lchanadi. 5.21-rasmda ko'rsatilganidek, 2 soat ichida lazer chiqishi barqarorligi 2% ichida.
Gorizontal o'q daqiqada vaqt (0-120), vertikal o'q esa 222 nm lazerning o'rtacha quvvati mVt (0-50). Egri chiziq asosan barqaror, 35 mVt atrofida o'zgarib turadi.
5.3 222 nm impulsli lazer yordamida bakterial inaktivatsiya bo'yicha tajriba
5.3.1 Bakteriyalarni inaktivatsiya qilish uchun -Ultrabinafsha nurning printsipi va qo'llanilishining afzalliklari
1903 yilda Niels Finsen ultrabinafsha nurlar bakteriyalarni o'ldirishi mumkinligini kashf etgani uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi. Keyingi asrda ultrabinafsha nurlari buyumlar, palatalar va boshqa jamoat joylarini dezinfektsiyalashda dezinfeksiya usuli sifatida keng qo'llanildi. Davom etayotgan COVID-19 pandemiyasi davrida butun dunyo mamlakatlari havodagi viruslarni faolsizlantirishning yangi usullariga zudlik bilan muhtoj. Fotodinamik sterilizatsiya va dezinfeksiyaning ikkita asosiy usuli mavjud: fotokimyoviy ta'sir va fototermik ta'sir.
(1) Fotokimyoviy ta'sir Bakteriyalarning genetik ma'lumotlari nuklein kislotalari (DNK/RNK) nurlanish paytida ko'p miqdorda ultrabinafsha nurni o'zlashtiradi. Bu 5.22-rasmda ko'rsatilganidek, organizmda diaazabenzollar va diaazabenzollarning izomerlari hosil bo'lishiga olib keladi. Ushbu modda bakteriyalarning metabolik funktsiyalarini buzadi, ularning o'limiga qadar ko'payishiga to'sqinlik qiladi. Ushbu fotokimyoviy ta'sir an'anaviy ultrabinafsha nurlarining asosiy dezinfeksiya mexanizmi hisoblanadi. Biroq, mog'or va sporali mikroorganizmlar uchun ultrabinafsha nurlar ularning zich hujayra devori tuzilmalariga kirib borishda qiyinchilik tug'diradi, shuning uchun DNK ultrabinafsha nurni o'zlashtira olmaydi, natijada bu mikroorganizmlar uchun nisbatan past dezinfeksiya samaradorligi.
5.22-rasm Ultrabinafsha nurlanish ostida qoʻsh zanjirli DNKning timin dimerizatsiyasining sxematik-diagrammasi (Rang diagrammasiga qarang)
U ultrabinafsha nurlanish taʼsirida timin dimerlarini hosil qiluvchi qoʻsh zanjirli DNK jarayonini koʻrsatadi.
(2) Fototermik ta'sir Impulsli yorug'lik nurlanishi hujayralarning sirt haroratini tezda oshirishi, bakteriyalarning hujayra devorlarini yo'q qilishi, hujayra suyuqligini bug'lanishi va hujayra tuzilmalariga to'liq zarar etkazishi mumkin, bu esa o'limga olib keladi. Fototermik ta'sir - yorug'lik energiyasini moddalar tomonidan yutilishi natijasida yuzaga keladigan harorat ko'tarilishi. Mikroorganizmlar yaqin masofada kuchli impulsli yorug'lik bilan nurlantirilganda, ular qisqa vaqt ichida ko'p miqdorda yorug'lik energiyasini o'zlashtiradi, bu ularning sirt harorati keskin ko'tarilishiga va sirt strukturalarining butunlay vayron bo'lishiga olib keladi, natijada o'limga olib keladi. Butun fototermik ta'sir jarayoni juda qisqa bo'lgani uchun nurlangan ob'ekt ichida harorat ko'tarilmaydi, shuning uchun u asosan oziq moddalariga ta'sir qilmaydi. Fototermik dezinfektsiya mexanizmiga ko'ra, kuchli impulsli yorug'lik barcha mikroorganizmlarni samarali ravishda o'ldirishi mumkin. Impulsli ultrabinafsha nurlar sterilizatsiya va dezinfeksiya uchun fotokimyoviy va fototermik harakatlarni birlashtiradi, shuning uchun uning nazariy dezinfeksiya samaradorligi bitta usuldan yuqori. Sterilizatsiya uchun an'anaviy ultrabinafsha nur manbai simob bug'li chiroqdir. Biroq, simob bug 'lampalari chiqaradigan ultrabinafsha nurlarning eng yuqori to'lqin uzunligi 254 nm ni tashkil qiladi, bu inson hujayralari va to'qimalariga zararli va og'ir holatlarda teri saratoni [4] va kataraktaga olib kelishi mumkin. So‘nggi o‘n yillikda olib borilgan tadqiqotlar shuni ko‘rsatdiki, 200-230nm diapazondagi ultrabinafsha nurlar havodagi bakteriyalar, gripp viruslari va SARS-CoV-2 kabi patogenlarni inson hujayralariga zarar bermasdan faolsizlantirishi mumkin. Xalqaro miqyosda 200{29}}230 nm diapazondagi chuqur{21}}ultrabinafsha nurlar "uzoq-ultrabinafsha nurlar" deb ataladi va ko'pincha 222 nm ultrabinafsha nurli tizimlar orqali amalga oshiriladi. 2022-yilda Pekin Qishki Olimpiada oʻyinlarida sterilizatsiya va dezinfeksiya uchun ultrabinafsha nurlardan keng foydalanilgan. 222 nm ultrabinafsha nurlanishni sotmoqchi bo'lganlar uchun variantlar orasida 222 nm ultraviyole nurlanish modullari yoki 222 nm uvc chiroq moslamalari mavjud bo'lib, ular ixcham shakllarda 222 nm ultraviyole nurlanishga o'xshash afzalliklarni taqdim etadi. Sterilizatsiya uchun odatiy 254 nm ultrabinafsha nur bilan solishtirganda, ultrabinafsha nurlar inson hujayralari uchun zararsiz bo'lishining biofizik printsipi shundaki, u{48}}proteinlar ushbu bandda so'rilish cho'qqisiga ega. Ushbu tajribada 5.23-rasmda ko'rsatilganidek, oqsilni yutish spektrini o'lchash uchun spektrofotometrdan foydalaniladi. 5.23-rasmdan ko'rinib turibdiki, oqsillar odatda 254 nm diapazonda yorug'likni juda kam singdiradi, lekin 200 - 230 nm diapazonda nisbatan yuqori yutilishga ega. Uzoq ultrabinafsha nurlar inson hujayralaridan ancha kichikroq mikroorganizmlar orqali o'tishi mumkin (bakteriya va viruslarning odatdagi diametri 1 mkm va 0,1 mkm) [11], odatdagi odam hujayralarining diametri esa 10 dan 25 mkm gacha. Uzoq ultrabinafsha nurlar inson sitoplazmasidagi oqsillar tomonidan kuchli so'riladi va inson hujayra yadrosiga etib borgunga qadar keskin zaiflashadi [6]. Misol uchun, inson terisining eng tashqi qatlami o'lik anuklyatsion keratinotsitlardan tashkil topgan shox pardadir. Stratum corneumning asosiy vazifasi teri osti to'qimasini himoya qilishdir. Nurlangan uzoq ultrabinafsha nurlarning ko'p qismi terining shox pardasi sitoplazmasidagi oqsillar tomonidan so'riladi va 5.24-rasmda ko'rsatilganidek, asosiy bazal hujayralar yoki melanotsitlarga etib borish uchun terining shox pardasiga kira olmaydi. Inson ko'zlari uchun ultrabinafsha nurga sezgir bo'lgan to'qimalar linzadir. Shu bilan birga, linza shox pardaning orqa qismida joylashgan va shox pardaning qalinligi taxminan 500 mkm. Shuning uchun uzoq ultrabinafsha nurlarning shox parda orqali linzaga o'tkazuvchanligi asosan nolga teng.
Shakl 5.23 Proteinning yutilish spektri
Gorizontal o'q to'lqin uzunligi nm (200-300), vertikal o'q esa yutilish qiymati (0-3,0). Egri chiziqda uchta nuqta mavjud: (222, 1.41), (230, 1.25) va (254, 0.168). To'lqin uzunligi ortishi bilan yutilish qiymati kamayadi.
5.24-rasm Uzoq{1}}Ultrabinafsha nurlarning terida va patogenlarda tarqalishining sxematik diagrammasi
Chap tomonda terining tuzilishi ko'rsatilgan, u erda ultrabinafsha nurlar shox parda tomonidan uzoq-so'riladi. O'ng tomonda kattalashgan patogen ko'rsatilgan, u erda uzoq-ultrabinafsha nurlar kirib, bakteriyalar va viruslarga ta'sir qiladi.
5.3.2 222 nm impulsli lazer yordamida bakterial inaktivatsiya bo'yicha tajriba
Bakterial tayyorlash Escherichia coli tabiatda keng tarqalgan va inson salomatligi uchun asosiy patogen bo'lib, Enterobacteriaceae ning dori{0}}davosiga eng chidamli turlaridan biri bo'lib, ko'pincha ultrabinafsha nurlar bilan zararsizlantirish va atrof-muhit gigienasi bo'yicha tadqiqotlarda qo'llaniladi. Bacillus oziq-ovqat zaharlanishini keltirib chiqarishda odamlar bilan chambarchas bog'liq bo'lib, uning sporalarining issiqlikka chidamliligi va kislotaga chidamliligi tufayli uni pasterizatsiya yoki oddiy gigiena protseduralari bilan bartaraf etib bo'lmaydi. Shuning uchun bu tajribada ishlatiladigan bakterial shtammlar Escherichia Coli va Bacillus Cereus hisoblanadi. Escherichia coli va Bacillus Escherichia coli [Escherichia coli CMCC (B) 44102] Ta'lim vazirligining Tropik orollar ekologiyasining asosiy laboratoriyasi, Xaynan Normal universiteti va Bacillus thuringiensis kenja turi tomonidan taqdim etilgan. Escherichia coli va Bacillus ozuqaviy agar muhitida o'stiriladi, 35 daraja va 5% CO₂ inkubatorga joylashtiriladi, ekish davri 24 soat. Oziqlantiruvchi agar muhiti Guangdong Huankai Microbial Technology Co., Ltd. tomonidan taqdim etiladi va uning tarkibiy qismlariga pepton, mol go'shti ekstrakti kukuni, natriy xlorid va agar kiradi, yakuniy pH ≈ 7,3. O'stirilgan bakteriyalar slaydni tayyorlash orqali kuzatiladi. Ichak tayoqchasini misol qilib olsak, uning slaydni tayyorlash bosqichlari 5.25-rasmda, kuzatish natijalari esa 5.26-rasmda ko'rsatilgan.
Slayd olish: Slaydlar spirtli eritmada saqlanadi, tashqariga chiqariladi va issiq havo puflagich bilan quritiladi.
Steril suv tomchisi: super{0}}toza ish stoli ostiga bakteriyalarni suyultirish uchun slaydga (juda katta emas) bir tomchi steril suv tushiring.
Namuna olish: bakteriyalarni koloniyadan muloyimlik bilan botirish uchun sterillangan tish pichog'ining tekis uchidan foydalaning; tish pichog'ini qayta ishlatib bo'lmaydi.
Aralashtirish: Bakteriyalarni suv tomchisida to'liq va teng taqsimlash uchun soat yo'nalishi bo'yicha aralashtiring.
Pishirish: Slayddagi bakteriyalarni mahkamlash uchun ishlov berilgan slaydni quriting.
Bo'yash: Coomassie Brilliant Blue reagentini (toksik, qo'lqop bilan ishlating) slaydga tushiring, bu tomchi bakterial plastinkani qoplaydi va uni 15 soniyadan ko'proq vaqtga qoldiring.
Chayish: Ortiqcha Coomassie Brilliant Blue reagentini sekin suv oqimi bilan yuvib tashlang, bakterial plastinkani yuvib yubormaslik uchun uni to'g'ridan-to'g'ri yuvib yubormaslik uchun ehtiyot bo'ling.
Kuzatish: Slaydni mikroskop sahnasiga qo'ying, bakterial plastinka ustiga bir tomchi moy tomizing, so'ngra moyli linza bilan kuzating.
Shakl 5.25 Bakterial slaydni tayyorlash bosqichlari
U sakkiz bosqichdan iborat rasm jarayonini o'z ichiga oladi: "slayd olish va quritish", "steril suv tomchisi", "namuna olish", "aralashtirish", "pishirish", "bo'yash", "chayish" va "kuzatish".
5.26-rasm Mikroskop ostida kuzatilgan tayoqcha tasviri
U juda koʻp sonli tayoqcha shaklidagi Bacillus-koʻrsatilgan.
Bakterial inaktivatsiyaning ta'siri Nurlanish manbai 222 nm, barcha{1}}qattiq{2}}impulsli uzoq-ultrabinafsha lazer bo'lib, bu ishda ishlab chiqilgan, spektral chiziq kengligi 0,1 nm dan kam. Barcha eksperimental operatsiya toza xonada amalga oshiriladi. Tajriba asboblari yuqori bosimli sterilizator yordamida sterilizatsiya qilinadi va ish stoli atrof-muhitdan bakterial ifloslanishni oldini olish uchun tajribadan oldin 1 soat davomida ultrabinafsha nurlar bilan nurlanadi. Kyuvetka bakterial suspenziyani qo'ygandan so'ng, suspenziyaning tashqi havo bilan bevosita aloqa qilishiga yo'l qo'ymaslik uchun muhrlanadi. Tajriba davomida bakteriyalar tabiiy o'limdan kelib chiqqan eksperimental xatolardan qochish uchun ozuqaviy suyuqlikda bo'ladi. Muayyan konsentratsiyali Escherichia coli va Bacillus suspenziyalaridan 1 ml namuna oling va ularni qisqa to'lqinli ultrabinafsha diapazonida-o'tkazuvchanligi yuqori bo'lgan kyuvetaga joylashtiring. Lazerni yoqing va lazerning chiqish quvvatini va kyuvetaning joylashishini sozlash orqali kyuvetada 222 nm lazerning nurlanishi 0,1 mVt/sm² ni tashkil qiladi. Turli nurlanish vaqtlari uchun Escherichia coli va Bacillus suspenziyasi namunalarini nurlantirish uchun 0,1mVt/sm² 222nm lazerdan foydalaning. 5.27 (a) rasmda Escherichia coli suspenziyasi orqali vertikal ravishda o'tadigan 222 nm lazer ko'rsatilgan. Nazorat namunalari va nurlangan namunalar yana 24 soat davomida ekiladi va nurlanmagan va nurlangan bakteriyalarning tarqalishi 5.27 (b) va (c) rasmlarda ko'rsatilgan. Oziqlantiruvchi agar plastinkasini hisoblash usuli nazorat guruhida va nurlanishdan keyin ichak tayoqchasining bakterial sonini aniqlash uchun ishlatiladi. Eksperimental ma'lumotlarning aniqligini oshirish uchun har bir namuna bir xil nurlanish dozasi ostida 3 marta takrorlanadi va o'rtacha qiymat olinadi.
Shakl 5.27 222nm impulsli lazer sterilizatsiyasi tajribasi
a) nurlanish ostida ichak tayoqchasi suspenziyasi;
b) Ichak tayoqchasining 0, 10 va 20 soniya nurlanishdan keyin tarqalishi, nurlanish vaqti ortishi bilan plastinkadagi koloniyalar soni kamayib boradi;
(c) nurlanish vaqtining ortishi bilan plastinkadagi koloniyalar sonining kamayib borishi bilan nurlanishning 0, 30 va 60-yillaridan keyin Bacillusning tarqalishi.
Sinov natijalari 5.1-jadvalda keltirilgan. 222 nm lazer Escherichia coli suspenziyasini 10 soniya davomida (1mJ/sm²) nurlantirganda, inaktivatsiya darajasi 90,7% ni tashkil qiladi; 15 soniya (1,5 mJ/sm²) uchun inaktivatsiya darajasi 96,9% ni tashkil qiladi; va 20 soniya (2mJ/sm²) uchun inaktivatsiya darajasi 100% gacha. 222 nm lazer Bacillus suspenziyasini 30 soniya davomida (3mJ/sm²) nurlantirganda inaktivatsiya darajasi 88,4% ni tashkil qiladi; 45 soniya (4,5 mJ/sm²) uchun inaktivatsiya darajasi 98,6% gacha; va 60s (6mJ/sm²) uchun inaktivatsiya darajasi 100% gacha. Ushbu eksperimental tadqiqot shuni ko'rsatadiki, 2 mJ/sm² va 6 mJ/sm² dozalarda uzoq ultrabinafsha 222 nm impulsli lazer bilan nurlanish mos ravishda Escherichia coli va Bacillus ni samarali ravishda faolsizlantirishi mumkin. Ushbu tajriba va boshqa adabiyotlardan ko'rinib turibdiki, Bacillusni ultrabinafsha nurlar bilan inaktivatsiya qilish uchun zarur bo'lgan nurlanish dozasi ichak tayoqchasiga qaraganda kattaroqdir. Sababi, bakteriyalar va viruslarni ultrabinafsha nurlar taʼsirida inaktivatsiya qilish uchun zarur boʻlgan nurlanish dozasi asosan mikroorganizmlarning oʻlchami, hujayra membranalarining (devorlarining) qalinligi va nuklein kislotalarning tuzilishi (bir ipli yoki ikki-torli) kabi omillarga bogʻliq. Umuman olganda, mikroorganizmning kattaligi qanchalik katta bo'lsa va hujayra membranasi qanchalik qalin bo'lsa, shunchalik ko'p nurlanish dozasi talab qilinadi; ikki ipli tuzilmaga ega mikroorganizmlar bir ipli tuzilishga ega mikroorganizmlarga qaraganda kuchliroq taʼmirlash qobiliyatiga ega, shuning uchun ham koʻproq nurlanish dozasi talab qilinadi. Bacillus ham, Escherichia coli ham ikki tarmoqli tuzilishga ega, ammo Bacillusning kattaligi va hujayra devori qalinligi mos ravishda (1,0~1,2) nm × (3,0~5,0) nm va 20~80nm, Escherichia coli esa atigi (0,5~0nm) ni tashkil qiladi. va 11nm. Shuning uchun Bacillusni inaktivatsiya qilish uchun zarur bo'lgan ultrabinafsha nurlanish dozasi ichak tayoqchasiga qaraganda kattaroqdir.
