Wyniki badań laboratoryjnych opublikowanych w magazynie „Nature” [1] dowodzą, że stosowanie lamp UVC do dezynfekcji powierzchni jest skutecznym narzędziem w walce z rozprzestrzenianiem się zakażeń SARS-CoV-2 oraz innych zakażeń przenoszonych drogą kropelkową.
Jak wskazują autorzy publikacji, kontakt z powierzchniami skażonymi kroplami wytwarzanymi przez osoby zakażone podczas wydechu, mówienia, kaszlu i kichania jest głównym czynnikiem powodującym transmisję SARS-CoV-2, ponieważ wirus może przetrwać na powierzchniach przez dłuższy czas. Z tego względu istnieje pilne zapotrzebowanie na urządzenia, które można zastosować w celu dezaktywacji wirusa na skażonych powierzchniach, aby przerwać te łańcuchy transmisji. Publikacja ta opisuje dezaktywację wirusów SARS-CoV-2 zarówno w postaci mokrej, jak i suchej przy użyciu promieniowania generowanego przez dostępne w handlu źródło światła nadfioletowego UVC Signify o długości fali 254 nm. Opublikowane wyniki wskazują, że w przypadku zanieczyszczonych powierzchni do całkowitej dezynfekcji potrzebne są tylko sekundy ekspozycji, co pozwala na łatwe zastosowanie tej technologii.
Warto zauważyć, że przez lata lampy dezynfekcyjne UVC były stosowane praktycznie wyłącznie w pomieszczeniach szpitalnych, gabinetach oraz na stanowiskach przeznaczonych do sterylizacji sprzętu medycznego. Obecna sytuacja związana z pandemią stworzyła większe, powszechne zapotrzebowanie i tym samym wymaga nowego podejścia do kwestii projektowania i zastosowania systemów lampowych przeznaczonych do całych pomieszczeń. Dlatego do praktycznego zastosowania tego typu lamp wymagane jest wykonanie precyzyjnych pomiarów w celu walidacji skuteczności ich działania. Dzięki temu będzie można zaoferować rozwiązania dostosowane do przestrzeni biurowej, sal wykładowych, szkolnych, restauracji, siłowni i innych miejsc, gdzie mamy do czynienia z nagromadzeniem i przebywaniem wielu osób. W tym artykule przedstawimy informacje, jak zweryfikować właściwości lamp dezynfekcyjnych oraz na co należy zwrócić uwagę przy wyborze lamp, aby zapewnić odpowiednie warunki do skutecznej dezynfekcji.
Po pierwsze bezpieczeństwo
Wszelkie uznane, międzynarodowe organizacje, takie jak WHO (Światowa Organizacja Zdrowia) i CIE (Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa), przestrzegają przed wykorzystywaniem lamp UV do dezynfekcji rąk. Promieniowanie nadfioletowe może powodować poważne uszkodzenia skóry i może mieć działanie kancerogenne. Tego typu źródła promieniowania są również sklasyfikowane w najwyższej grupie ryzyka zgodnie z obowiązującą normą bezpieczeństwa fotobiologicznego lamp i systemów lampowych PN-EN 62471:2010. Zgodnie z aktualną wiedzą i obowiązującymi przepisami wszelkie urządzenia wyposażone w źródła UVC, które są wprowadzane na rynek, powinny być odpowiednio oznakowane. Ich stosowanie możliwe jest w określonych warunkach, tak aby chronić ludzi przed bezpośrednim kontaktem z promieniowaniem lamp wirusobójczych. Stwarzają one zagrożenie dla skóry i oczu. Ich właściwości uszkadzające RNA wirusów w taki sam sposób oddziałują na wszelkie żywe tkanki. Nie wolno stosować nieosłoniętych promienników UVC w sposób stwarzający ryzyko bezpośredniego napromienienia skóry i oczu. Należy stosować środki ochronne, osłony i obudowy źródeł lub skonstruować oprawy tak, aby kierowały strumień na powierzchnie, które mają być zdezynfekowane.
W ubiegłym roku pojawiły się nowe źródła promieniowania z zakresu 222 nm, uznawane przez producentów za w pełni bezpieczne. Podczas ostatniej konferencji Międzynarodowego Stowarzyszenia IUVA (International Ultraviolet Association), zrzeszającego specjalistów, firmy i instytucje zajmujące się promieniowaniem nadfioletowym, zaprezentowano wyniki badań, które wskazywały na brak negatywnych reakcji tkanek żywych na napromienienie przy jednoczesnej skutecznej dezynfekcji. Dostawcy tych lamp sugerują możliwość stosowania tych promienników przy jednoczesnej obecności ludzi w pomieszczeniu. Wydaje się, że wymaga to dłuższych badań i na większą skalę, zanim będzie można potwierdzić bezpieczeństwo stosowania tych rozwiązań. Skuteczność dezynfekcji wydaje się potwierdzona, natomiast żeby udowodnić brak negatywnego wpływu na skórę i oczy człowieka.
Pomiar robota do dezynfekcji pomieszczeń UV SpeedyCare firmy Sewertronics
Skuteczna dezynfekcja wymaga odpowiedniej dawki
Odpowiednia dawka to minimalna ilość promieniowania optycznego padającego na daną powierzchnię w trakcie odpowiednio długiej ekspozycji wirusa na to promieniowanie w celu dezaktywacji jego RNA. Dawkę wyrażoną w J/m2 (mJ/cm2) obliczamy jako niezbędną moc, czyli natężenie napromienienia [W/m2] w jednostce czasu [s]. Badania wykonane na próbkach wirusa SARS-CoV-2, przeprowadzone na Uniwersytecie Bostońskim latem 2020 roku, wykazały niezbędną dawkę na poziomie 22 mJ/cm2. W praktyce, biorąc pod uwagę, że badania były prowadzone w warunkach laboratoryjnych, rozsądne jest zachowawcze podejście i zastosowanie zwiększonej dawki, np. 50 mJ/cm2.
Z powyższych zależności wynika, że aby zapewnić skuteczne warunki dezynfekcji, mamy do dyspozycji zwiększanie mocy zastosowanych lamp lub wydłużenie czasu pracy lampy. Ponadto należy pamiętać o odległości pomiędzy lampą a powierzchnią, ponieważ zgodnie z prawem odwrotności kwadratów odległości – natężenie napromienienia maleje wraz ze wzrostem odległości. Z uwagi na to dobór odpowiedniego sprzętu powinien uwzględniać nie tylko miejsce instalacji i przeznaczenie pomieszczenia, na podstawie których można odpowiednio dobrać możliwy czas pracy lampy, ale również gabaryty pomieszczenia lub stanowiska. Warto zauważyć, że inaczej należy podejść do zastosowania lamp w pomieszaniach, gdzie czasowo możliwa jest praca lamp bez obecności personelu. Takie rozwiązanie pozwoli na stosowanie opraw – promienników umożliwiających skuteczną dezynfekcję większości nieosłoniętych powierzchni.
Zupełnie inaczej należy dobierać systemy przeznaczone do dezynfekcji powietrza, które emitują promieniowanie UVC tylko w górnej półprzestrzeni pomieszczenia, tzw. upper room, które jednocześnie umożliwiają ciągłą pracę ludzi przy aktywnej dezynfekcji.
Kolejnym nowym rozwiązaniem są tzw. przepływowe oczyszczacze powietrza z wewnętrzną komorą wyposażoną w promienniki UVC, przez które w wymuszony sposób przepływa powietrze z pomieszczenia.
Na rynku pojawiły się również przenośne promienniki, a nawet roboty, które mogą samodzielnie dezynfekować pomieszczenia. Niezależnie od wybranego systemu najistotniejsze są: zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania oraz odpowiednie dobranie mocy i czasu w celu zapewnienia odpowiedniej dawki promieniowania.
Pomiary natężenia napromienienia
Jedną z metod walidacji promienników UVC jest pomiar natężenia napromienienia. Najprostszym urządzeniem do tego typu pomiarów może być radiometr z głowicą dostosowaną do zakresu od 200 do 280 nm. Należy zwrócić szczególną uwagę na zakres czułości miernika, który również musi być odpowiednio szeroki.
Mając na uwadze to, że skuteczna dezynfekcja wirusów możliwa jest jedynie przy zastosowaniu promieniowania z określonego zakresu widmowego, należy zmierzyć nie tylko moc, lecz także rozkład widmowy oprawy lub urządzenia do dezynfekcji. W ten sposób możliwe jest potwierdzenie jego rzeczywistych parametrów funkcjonalnych. Do tego typu pomiarów charakterystyki widmowej należy stosować odpowiednio wywzorcowane spektroradiometry z głowicą pomiarową przystosowaną do pomiarów źródeł z zakresu nadfioletu. Z praktyki pomiarowej naszego Laboratorium Promieniowania Optycznego CARLO w Puszczykowie, utworzonego m.in. z funduszy WRPO 2014-2020 (Działanie: 1.2 Wzmocnienie potencjału innowacyjnego przedsiębiorstw Wielkopolski), gdzie od początku pandemii zmierzonych zostało kilkadziesiąt modeli różnych lamp dezynfekcyjnych, wiemy, że część urządzeń pozornie wyglądających na odpowiednio przygotowane nie spełnia minimalnych wymogów w zakresie mocy i nie powinno być klasyfikowane jako urządzenia do dezynfekcji. Różnice w mocy zainstalowanych promienników w urządzeniach przepływowych dochodzą kilkuset procent! Dlatego podobnie wyglądające produkty mogą różnić się zasadniczo swoimi parametrami użytkowymi. Dla odbiorcy końcowego różnice te są trudne do wychwycenia, ponieważ nie ma jednolitych standardów, jak określać minimalne wymagania oraz jak znakować tego typu wyroby. Poza tym niewiele osób posiada doświadczenie w doborze tego typu sprzętu. Podobnie wygląda sytuacja w odniesieniu do rodzajów zainstalowanych źródeł promieniowania (lamp i diod UV). Część z produktów dostępnych na rynku ma, co prawda, zainstalowane diody UV, ale z zakresu UVA, który w praktyce nie może służyć do celów dezynfekcyjnych, bo jest nieskuteczny. Inne natomiast mają np. świetlówki dające efekt luminescencji, ale nie mające żadnych właściwości wirusobójczych. Tego typu produkty oferowane są przez dostawcę jako lampy UV do dezynfekcji, ale nie jest to potwierdzone żadnymi pomiarami ani certyfikatami. Wybierając urządzenia, należy zwracać uwagę na producenta, pochodzenie towaru i to, czy dostawca może zagwarantować, że są to faktycznie urządzenia wirusobójcze.
Pomiary przestrzennego rozsyłu intensywności promieniowania
Aby umożliwić zastosowanie lamp dezynfekcyjnych w formie kompleksowych instalacji, a nie tylko stanowiskowych promienników, niezbędne jest zmierzenie, w jaki sposób strumień energetyczny z oprawy jest emitowany w różnych kierunkach. Dzięki takim danym możliwe jest optymalne zaprojektowanie rozmieszczenia oraz dobór mocy opraw w danym pomieszczeniu i w całym budynku. Chodzi tu o uzyskanie pełnych danych kątowego rozsyłu strumienia energetycznego. Analogicznie jak to ma miejsce w przypadku opraw oświetleniowych, promiennik UVC umieszcza się na goniometrze, który obraca oprawę w różnych kierunkach, a umieszczony w odpowiedniej odległości miernik UV lub spektroradiometr mierzy wartości natężenia dla każdego z zadanych kątów pomiarowych. W przypadku lamp dezynfekcyjnych mamy do czynienia z widmem spoza zakresu widzialnego, dlatego szczególną uwagę należy zwrócić na dokładność i geometrię całego układu pomiarowego. Takie kompleksowe pomiary pozwalają uzyskać dane radiometryczne niezbędne do wykonania projektu, o czym szerzej poniżej. Ponadto mamy możliwość obliczenia całościowego strumienia energetycznego oraz przeanalizowania skuteczności całego układu, czyli obliczenia, jaka część mocy elektrycznej została faktycznie wyemitowana jako promieniowanie UV. Przy tych pomiarach wyraźnie widać przewagę konwencjonalnych źródeł promieniowania UVC, których skuteczność wynosi blisko 30%, nad źródłami UV-LED, których skuteczność jest na dzień dzisiejszy jedynie na poziomie kilku procent. Oczywiście, diody mają swoje zalety, bo są źródłami o niewielkich rozmiarach, odpornymi na uszkodzenia mechaniczne, i pozwalają na łatwiejsze sterowanie. Zapewne rozwój tej technologii będzie bardzo szybko postępował, tak jak to miało miejsce około 10 lat temu w LED-ach do ogólnych zastosowań oświetleniowych. Niemniej jednak na dzień dzisiejszy UV-LED-y mogą pokryć jedynie część zapotrzebowania na rynku. Głównym źródłem promieniowania w lampach wirusobójczych pozostają lampy wyładowcze o długości fali 254 nm.
Projektowanie z użyciem dostępnych programów komputerowych
Przystępując do projektu oświetleniowego, projektanci wykorzystują najczęściej narzędzia w postaci programów, takich jak Dialux lub Relux. Umożliwiają one wyliczenie natężenia oświetlenia na wybranej płaszczyźnie pomieszczenia, dobór rodzaju oraz liczby opraw w celu spełniania wymagań oświetleniowych. Analogicznie w przypadku projektu aplikacji do dezynfekcji, aby zapewnić właściwą dezynfekcję powierzchni w pomieszczeniu, niezbędne jest określenie czasu, który dla danego natężenia napromienienia przy zastosowaniu wybranej oprawy do dezynfekcji w zakresie nadfioletu zapewni nam uzyskanie dawki umożliwiającej dezaktywację wirusów oraz bakterii. Informacja o dawkach niezbędnych do osiągniecia zadanego poziomu redukcji określona jest najczęściej dla lamp wyładowczych rtęciowych, konkretnie dla promieniowania UVC o długości fali 254 nm. Znając przestrzenny rozkład promieniowania zawężonego do emisji linii rezonansowej rtęci, wykonanego radiometrem lub spektroradiometrem, możliwe jest stworzenie pliku fotometrycznego w formacie .ltd lub .ies , w którym zamiast światłości w kandelach oraz strumienia świetlnego w lumenach zapisane zostaną odpowiednio wartości intensywności promieniowania nadfioletowego wyrażone w watach na steradian (strumień promieniowania nadfioletowego na jednostkę kąta bryłowego) oraz strumień promieniowania UV wyrażony w watach. Ze względu na właściwości promieniowania nadfioletowego, będącego promieniowaniem optycznym, programy symulacyjne do wyznaczenia natężenia oświetlenia przy uwzględnieniu pliku fotometrycznego z właściwie przygotowanymi wartościami radiometrycznymi umożliwią wyliczenie natężenia napromienienia w zakresie nadfioletu w dowolnym miejscu pomieszczenia (zamiast wartości natężenia oświetlenia wyrażonego w luksach). Tak przeprowadzone obliczenia dadzą nam możliwość dobrania odpowiednich opraw UV oraz zdefiniowania czasów niezbędnych do osiągnięcia wymaganej dawki. Zwrócić należy uwagę na to, że obliczenia będą przedstawiane w jednostkach fotometrycznych [lx] zamiast radiometrycznych [W/m2] czy [mW/m2] (w zależności od zapisu danych w pliku .ltd), którym w praktyce odpowiadają wyliczone wielkości. W większości przypadków konieczne jest ustawienie minimalnych wartości współczynnika odbicia powierzchni w pomieszczeniu (maks. 5%) lub całkowite jego pominięcie, czyli wyłączenie składowej bezpośredniej. Jest to związane ze zjawiskiem, że większość powierzchni ścian i stosowanych elementów wyposażenia prawie całkowicie pochłania promieniowanie UVC, ponieważ nie posiada właściwości odbiciowych w zakresie promieniowania nadfioletowego poniżej 280 nm. Dodatkowo ważnym elementem jest zwrócenie uwagi nie na wartość średnią natężenia na wybranej powierzchni, lecz na wartość minimalną, ponieważ to dla niej trzeba wyznaczyć czas, tak aby uzyskać planowaną w projekcie dawkę w najmniej napromieniowanym punkcie obiektu, który ma zostać zdezynfekowany.
Metoda pomiaru oraz obliczeń
W celu uzyskania danych niezbędnych do stworzenia zamiennika pliku fotometrycznego z danymi radiometrycznymi konieczny jest pomiar goniometryczny w zakresie nadfioletu z wykorzystaniem radiometru lub spektradiometru czułego i wyskalowanego w zakresie nadfioletu. W wyniku takiego pomiaru uzyskujemy przestrzenny rozsył intensywności promieniowania w zakresie UVC, tak jak na poniższym wykresie.
Przykładowy wykres i tabela wyników rozsyłu intensywności promieniowania [W/sr] uzyskana w wyniku pomiaru goniometrycznego dla intensywności w zakresie 240 nm – 260 nm
Wyznaczenie rozkładu natężenia napromienienia UV wyrażone w mW/m2 na wybranej płaszczyźnie (obliczenia z wykorzystaniem właściwości radiometrycznych wstawionych w miejsce światłości w pliku .ltd)
Jak w powyższym przykładzie, w celu uzyskania dawki 22 mJ/cm2 na wskazanej powierzchni pod lampą przeprowadzamy następujące obliczenia:
Wartość minimalna natężenia napromienienia na wybranej płaszczyźnie: 284 W/m2 = 0,0284 mW/cm2
Wyznaczamy czas niezałączenia lampy w projektowanym zastosowaniu, aby uzyskać skuteczną dawkę =22 [mJ/cm2]
Wyznaczamy czas załączenia lampy w projektowanym zastosowaniu, aby uzyskać skuteczną dawkę = 22 [mJ/cm2]:
czas t = 22 [mJ/cm2] / 0,0284 [ mW/cm2] =775 [s] = 13 [min]
Końcowa weryfikacja instalacji do dezynfekcji powierzchni w pomieszczeniu powinna zostać przeprowadzona na podstawie pomiarów powykonawczych, aczkolwiek wyliczanie w oprogramowaniu do symulacji projektów oświetleniowych z danymi radiometrycznymi podstawionymi zamiast danych fotometrycznych stanowią ważne narzędzie umożliwiające przyjęcie wstępnych założeń i dobranie urządzeń dezynfekujących do danego pomieszczenia.
Mikołaj Przybyła, dyrektor operacyjny GL Optic, członek CIE oraz IES
Marcin Pelko, kierownik Laboratorium Promieniowania Optycznego CARLO
Literatura
[1] https://www.nature.com/articles/s41598-020-79600-8
[2] Basic Upper-Room Ultraviolet Germicidal Irradiation Guidelines for Healthcare Settings.
[3] W. Harm, Biological Effects of Ultraviolet Radiation, Cambridge University Press.
[4] A.H. Malayeru, M. Mohseni, B. Cairns, J.R. Bolton, Fluence (UV dose) Required to Achieve Incremental Log Inactivation of Bacteria, Protoza, Viruses and Algae.
[5] Ultraviolet Purification Application information, Philips Lighting B.V.
