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Nov
Visión general de la desinfección ultravioleta
Luz ultravioleta
RESUMEN:
La luz ultravioleta (UV) se puede producir a partir de fuentes naturales y artificiales.
- UV se puede subdividir en varias categorías, incluyendo UV-A, UV-B, UV-C, y vacío UV. Cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la energía de los fotones.
- La luz UV es un desinfectante eficaz, que rompe los enlaces en el genoma y la estructura de un organismo. Este daño puede inhibir los procesos normales, la replicación y los mecanismos de reparación y así prevenir la infección.
- La capacidad de la luz UV para inactivar microorganismos (incluidos los virus)es una función de la intensidad de la fuente UV, la distancia entre la fuente UV y el objetivo, la duración de la exposición, la medida en que el aire o el agua interfieren con la energía UV, la susceptibilidad de un microbio la luz UV, y las longitudes de onda de UV aplicadas.
INTRODUCCIÓN
La luz ultravioleta (UV) se utiliza comúnmente para la desinfección. Inactiva microorganismos (incluidos los virus) degradando su material genético y moléculas estructurales para que ya no sean infecciosas. La luz UV se utiliza comúnmente para desinfectar el agua, el aire y las superficies; sin embargo, las longitudes de onda que son más eficaces para inactivar a los microbios también se consideran perjudiciales para la piel y los ojos humanos. Este artículo ofrece una visión general, para un público general, de la desinfección UV.
¿QUÉ ES LA LUZ UV?
La luz se puede describir como una partícula y una onda, un fenómeno conocido como dualidad onda-partícula. Como partícula, los fotones sin masa transportan energía lumínica por todo el universo (a la velocidad de la luz). Como onda, la energía es irradiada por oscilaciones suaves del campo electromagnético. La radiación UV se encuentra en el lado de longitud de onda corta del espectro electromagnético, ocupando el rango de 100 a 400 nm. El rango UV se subdivide en cuatro categorías: UV-A (315 nm a 400 nm), UV-B (280 nm – 315 nm), UV-C (200 nm – 280 nm), y UV de vacío (100 – 200 nm); las longitudes de onda UV de vacío se llaman así debido a su fuerte absorción, incluso por el aire. Las longitudes de onda UV-A, que causan bronceados y se utilizan en los salones que broncean (Nilsen y otros 2016), son también de uso general para el curado de las tintas o de las capas de los pegamentos y al esmalte de uñas (Endruweit 2006). La energía transportada por la luz es inversamente proporcional a su longitud de onda; por lo tanto, cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la energía. Por esta razón, la radiación UV-B, en longitudes de onda más cortas que la UV-A, tiene mayor energía y conlleva un mayor riesgo de cáncer en los seres humanos (NTP, 2016). Incluso la radiación de mayor energía en la banda UV-C se utiliza más comúnmente para la desinfección. La mayoría de los microbios muestran un pico relativo en la sensibilidad a la radiación alrededor de 265 nm, por lo que la aplicación de la desinfección UV se ha dirigido al rango 'germicida' alrededor de este pico.
FUENTES DE LUZ UV
Al igual que con otros tipos de luz en el espectro electromagnético, la luz UV se produce tanto natural como artificialmente. La luz UV natural proviene del Sol; algunos de los cuales llegan a la superficie de la tierra y otros son absorbidos por la atmósfera. Debido a la fuerte absorción de la radiación de mayor energía en la atmósfera superior, casi ningún UV-C solar llega a la superficie de la tierra (ASTM G- 173 2020); el espectro de la radiación solar —comúnmente referido por los valores de masa de aire (AM)— varía a través de la superficie de la tierra.
La luz UV artificial se produce principalmente a partir de lámparas de descarga de plasma y diodos (LED) emisores de luz, así como de emisiones no intencionales de actividades como la soldadura por arco. Las lámparas de descarga de plasma contienen una mezcla de gases encerrada dentro de un tubo de vidrio.
A medida que se aplica un voltaje al filamento de la lámpara, los electrones dentro del gas cerrado se excitan a un estado de mayor energía; a medida que caen de vuelta al estado 'suelo', liberan esa energía extra como un fotón, que es un paquete de luz energía.
El espectro, o longitudes de onda emitidas, depende de los elementos del gas en su interior. Las lámparas de descarga de plasma comunes incluyen lámparas de vapor de mercurio, lámparas de halogenuros metálicos, lámparas de xenón (UV pulsadas), lámparas de excímero y exciplex, y lámparas de deuterio.
Los diodos emisores de luz ultravioleta (LED UV) son dispositivos semiconductores de estado sólido. Con un voltaje aplicado, los electrones son 'empujados' a través de una barrera de energía (espacio de banda) que separa de manera diferente capas cargadas dentro de la estructura cristalina LED. Una vez atravesados la barrera, estos electrones pueden perder la energía obtenida en la transición y emitir un fotón. La elección de los materiales semiconductores utilizados en el LED dicta el tamaño de la barrera y, por lo tanto, la longitud de onda del fotón emitido. Los LED UV comerciales están formados por capas delgadas de nitruro de galio de aluminio cristalino (AlGaN) depositadas sobre un sustrato (zafiro o nitruro de aluminio); la relación entre aluminio y galio en las capas delgadas determina la brecha de banda y, por lo tanto, el espectro de emisión emitido por el LED.
¿CÓMO INACTIVA LA LUZ UV LOS MICROORGANISMOS?
La luz UV-C + UV-B tiene un efecto de desinfección directa cuando su energía es absorbida por material genético (variación de la replicación) o por otros componentes celulares o virales como una proteína (limitando la unión e infectividad). Los fotones UV-B y UV-C pueden alterar directamente los enlaces químicos dentro de estas biomoléculas clave, afectando su estructura y función. Donde los fotones son absorbidos por el ADN/ARN, el daño resultante puede inhibir la capacidad del microorganismo para replicarse, haciéndolo ya no infeccioso (Harm 1980).
La luz UV también puede inactivar indirectamente los microbios a velocidades más lentas que el daño directo causado por las longitudes de onda UV- B y UV-C. La luz UV-A permite la desinfección mediante la activación de constituyentes naturales en el agua o en células diana que generan especies químicas altamente reactivas, como los radicales hidroxilos (Lester et al., 2013); estas especies reactivas pueden causar la degradación de compuestos químicos inactivación) es una buena manera de definir la eficacia del sistema. La inactivación se define como la disminución de la concentración de microbios cultivables (Nt) a partir de la concentración inicial (No) como resultado de la exposición a un desinfectante durante un período de tiempo (t) (Hijnen et al, 2006). Normalmente se utiliza un valor log10, por ejemplo, 1-log (90%), 2-log (99%), 3-log (99,9%) o 4-log (99.99%) inactivación. El uso de métodos estandarizados, como se describe a continuación, permite la definición de una dosis de UV equivalente de reducción (RED, mJ cm-2) a partir de una inactivación medida, que puede emplearse como una métrica de rendimiento para sistemas de desinfección UV.
USO DE LUZ UV PARA DESINFECTAR FLUIDOS Y SUPERFICIES
La luz UV puede inactivar microbios en el aire, en superficies (incluidas superficies de trabajo, productos alimenticios, productos farmacéuticos y envases) y en agua u otros líquidos. Los desinfectantes químicos o físicos (es decir, calor) requieren que se alcance una cierta concentración y tiempo de contacto o temperatura para inactivar un microbio objetivo. Del mismo modo, el grado de desinfección UV se rige por el grado de exposición a los rayos UV del microbio objetivo. Además, la longitud de onda de esa radiación UV y el microbio en sí afectarán la inactivación general.
El grado de exposición a los rayos UV se expresa como una potencia radiante por unidad de área en un tiempo dado (mJ cm-2), aunque comúnmente conocido como una "dosis UV" el término "fluencia UV" es más correcto cuando se habla de aire o agua tratamiento; esta es la cantidad de luz UV entregada al objetivo. La dosis uv es el producto de la irradiancia UV y el tiempo de exposición, lo que significa que una dosis UV más alta podría entregarse aumentando la intensidad de la luz UV, aumentando el tiempo de exposición, o ambos. Dentro de los sistemas del mundo real, cualquier microbio individual no experimentará necesariamente la misma dosis de UV que cualquier otro microbio durante su exposición. Para los fluidos (generalmente aire y agua), esto se debe a una combinación de entrega desigual de luz UV (irradiancia) a lo largo del volumen de tratamiento y diferencias en las trayectorias de flujo del fluido a través del sistema. Para las superficies, esto se debe a exposición UV no uniforme a través de la superficie de interés. Al observar el rendimiento general del sistema, se medirá una inactivación de registro promedio. En una prueba separada, utilizando equipos bien calibrados, las trayectorias de irradiancia y flujo se controlan estrechamente y se crea una curva dosis-respuesta para mostrar la inactivación logarítmica medida de un microbio para un conjunto de dosis UV aplicadas. Al comparar la inactivación media medida en el sistema con lo que se midió en el experimento de calibración, es posible asignar una reducción dosis equivalente (RED). Esta es la dosis media necesaria para lograr una inactivación equivalente medida en el sistema.
El ROJO de un sistema UV se puede estimar mediante simulación, pero no se puede adivinar fácilmente. La generación y la distribución a partir de fuentes de luz UV es de naturaleza compleja. La propagación de la luz a través de un sistema requiere una descripción precisa de numerosas interfaces ópticas y características geométricas. Además, los fluidos pueden estar nublados (turbios) y hacer que la luz se disperse; las trayectorias de flujo de fluido local afectan fuertemente los tiempos de residencia en diferentes puntos, causando corrientes en chorro o atrapando el flujo dentro de los vórtices. Incluso en el caso relativamente más simple de la irradiación superficial, las superficies rugosas pueden introducir efectos de sombreado que deben tenerse en cuenta. Parámetros como la humedad también muestran un efecto considerable en la inactivación de microbios ligados a la superficie. La inactivación de la misma especie microbiana puede variar de una longitud de onda a otra. Por ejemplo, la inactivación del adenovirus, un virus del resfriado común es 16 veces mayor a 210 nm que a 254 nm (Beck et al. 2014). Los sistemas equivalentes pueden impartir efectos de inactivación dramáticamente diferentes dependiendo de los microbios objetivo-expuestos. La susceptibilidad de los microbios a la radiación UV difiere significativamente (Beck et al., 2015). Por ejemplo, los huevos de gusano parásito son altamente resistentes a la luz UV, mientras que los protozoos como Giardia y Cryptosporidium son altamente sensibles (Hijnen et al, 2006). El virus más sensible conocido (Bacteriófago T4) es aproximadamente 75 veces más susceptible que el virus más resistente conocido (Infectious Pancreatic Necrosis Virus, IPNV) bajo radiación UV a 254 nm (Malayeri et al. 2016). Las bacterias son típicamente altamente susceptibles a la radiación UV, aunque los extremófilos tales como radiodurans de la D. pueden ser órdenes de la magnitud del más resistentes (Pogoda 2005).
La longitud de onda de la luz germicida aplicada es otra característica que debe considerarse. Como discutido anteriormente, diferentes longitudes de onda (UV-A, UV-B, UV-C) pueden causar diferentes reacciones fotoquímicas y dirigirse a diferentes procesos celulares. Sin embargo, incluso dentro de estas bandas, la eficiencia de estas reacciones fotoquímicas varía. Esta variación en la eficiencia se describe por la 'acción germicida espectro', o sensibilidad espectral, del microbio objetivo, y aunque la variación se observa entre los microbios, una característica común es un pico amplio de aproximadamente 265 nm, relaves a casi cero unos 300 nm en la longitud de onda más larga lado, y cayendo a ~ 50% alrededor de 240 nm. Algunos microbios, especialmente los virus, muestran una susceptibilidad mucho mayor a longitudes de onda UV-C más cortas (Beck et al. 2014), lo que lleva al interés en el potencial de la desinfección llamada 'UV-C lejana' (Simons et al. 2020).
Al igual que con el potencial de desinfección, el peligro de la radiación UV varía con la longitud de onda y la exposición. Los riesgos asociados con cada fuente UV deben considerarse antes de su uso; fabricantes de buena reputación proporcionarán orientación para un uso seguro.
Cuando se utilizan fuentes UV 'germicidas', se requieren prácticas seguras para proteger a cualquier persona que pueda estar expuesta. La radiación UV es peligrosa para la piel y los ojos y a menudo se recomienda un equipo de protección personal adecuado (EPP); los síntomas comunes de la sobreexposición a los rayos UV son reacciones similares a las quemaduras solares en la piel (eritema) y una afección dolorosa y con picazón en los ojos (fotoqueratitis). Estudios recientes indican que los UV lejanos C (200 – 225 nm) pueden proporcionar efectos germicidas sin dañar la piel o los ojos; el IUVA ha publicado una revisión de esta tecnología para su posterior lectura (Simons et al. 2020).
Trabajar de forma segura con UV significa comprender la física de la fuente (longitud de onda, potencia, distancia), la química del objetivo (generación de ozono, degradación de materiales, compuestos volátiles) y las condiciones de la exposición (PPE, tiempo, blindaje, enclavamientos de seguridad). Seguir las directrices institucionales cuando corresponda, y en caso de duda, tener cuidado para evitar la exposición humana innecesaria y suficientemente cubrir la piel y los ojos. En CIE 187:2010 (CIE, 2010), 2006/25/EC (Parlamento Europeo, 2006) y en el 14º informe de la NTP de los Estados Unidos sobre los carcinógenos (NTP, 2016) se ofrece un análisis más completo de las consideraciones relativas a la seguridad de los rayos UV.
Referencias
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