СВЕТОДИОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ

LED TECHNOLOGY: THE PROSPECT OF APPLICATION IN MEDICAL STERILIZATION

Mikhail Kulikov

Postgraduate student of the Department of Innovation Management, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Russia, Moscow

Valeria Kulikova

Student of General Medicine, N.I. Pirogov Russian National Research Medical University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена актуальной проблеме сокращения использования ртути в различных областях, особенно в медицине, где ртутьсодержащие лампы традиционно применялись для дезинфекции и стерилизации.

В статье рассматриваются преимущества светодиодных ламп (LED) перед ртутьсодержащими аналогами, проводится сравнительный анализ технических характеристик UVC LED и ртутьсодержащих ламп, который позволяет сделать вывод о том, что LED-технологии имеют большой потенциал для замены традиционных источников ультрафиолетового излучения в будущем.

ABSTRACT

The article is devoted to the urgent problem of reducing the use of mercury in various fields, especially in medicine, where mercury-containing lamps have traditionally been used for disinfection and sterilization.

The article discusses the advantages of LED lamps (LED) over mercury-containing analogues, a comparative analysis of the technical characteristics of UVC LED and mercury-containing lamps is carried out, which allows us to conclude that LED technologies have great potential to replace traditional sources of ultraviolet radiation in the future.

Ключевые слова: UVC LEDs, ультрафиолетовое излучение, стерилизация, ртутные лампы.

Keywords: UVC LEDs, ultraviolet radiation, sterilization, mercury lamps.

Глобальное сообщество стремится к сокращению использования ртути, что подтверждается Минаматской конвенцией о ртути, проведенной в 2013 году. Ее значение – сократить производство и торговли предметами, содержащими ртуть, включая ртутьсодержащие лампы, которые нашли широкое применение в медицине. Это обусловлено их низкой стоимостью и экономической эффективностью.

Существует несколько способов обработки, направленных на уничтожение возбудителей инфекционных заболеваний: дезинфекции и стерилизации.

В процессе дезинфекции количество микроорганизмов снижается до безопасного для пользователя уровня без уничтожения спор, что позволяет снизить концентрацию микроорганизмов как минимум в три раза.

В то время как процессы стерилизации инактивируют микроорганизмы и споры до нежизнеспособного уровня, что приводит к снижению концентрации как минимум в шесть раз. Таким образом, стерилизация гарантирует более высокий результат обеззараживания, чем дезинфекция.

Ультрафиолетовый луч, который могут излучать ртутьсодержащие лампы, обладает замечательным бактерицидным свойством.

Это обусловлено деструктивно-модифицирующими фотохимическими повреждениями ДНК клеточного ядра микроорганизма, что приводит к гибели микробной клетки.

В результате прямого действия происходит коагуляция и денатурация белков микроорганизмов на поверхности раны, слизистой оболочке, что приводит к гибели бактериальной клетки.

Непрямое действие УФ-излучения связано с изменением иммунобиологической реактивности организма под влиянием УФ-лучей. Наибольший вред микроорганизмам наносится при максимальном пике эффективности около 260-265 нм. Однако не все источники ультрафиолетового излучения могут выделять необходимый диапазон длины волн, обладающих обеззараживающими характеристиками (200-280 нм).

Например, ртутные лампы низкого давления имеют пиковую интенсивность 254 нм. Светодиоды могут излучать широкий диапазон длин волн, варьирующийся от инфракрасного до УФ-C (UVC) (265 нм). Светодиоды представляют собой альтернативу ртутным лампам, потому что обладают рядом полезных характеристик: они более надежные, гибкие, долговечные и экологичные.

У светодиодов существует ряд преимуществ перед лампами накаливания на парах ртути. Во-первых, светодиоды не содержат токсичных веществ, таких как ртуть, что является более экологичным вариантом по сравнению с традиционными источниками ультрафиолетового излучения с точки зрения безопасности в использовании и утилизации.

Во-вторых, светодиоды имеют более длительный срок службы (приблизительно 100 000 ч) и ими легче управлять, чем обычными источниками ультрафиолетового излучения. В-третьих, с точки зрения эффективности, светодиоды выделяют мало тепла и имеют низкое энергопотребление. В-четвертых, светодиоды надежны и имеют небольшой размер, что существенно повышает вариативность их использования.

И, наконец, с точки зрения излучения, светодиоды обеспечивают равномерность излучения и также могут производить несколько длин волн, которые можно комбинировать для достижения лучшей эффективности обеззараживания или мощности излучения.

Тем не менее, традиционные источники ультрафиолетового излучения, такие как ртутные лампы, также обладают некоторыми преимуществами по сравнению со светодиодами.

Например, коэффициент полезного действия традиционных ультрафиолетовых ламп на парах ртути выше, чем светодиодов, и достигает почти 40%, в то время как КПД светодиодов колеблется от 1% до 3%. Кроме того, обычные источники ультрафиолетового излучения обладают более высокой эффективностью излучения, чем светодиоды, что имеет решающее значение для достижения желаемых доз излучения. Говоря, что светодиоды стоят недорого, ртутьсодержащие лампы все же дешевле LED источника. В таблице 1 приводится сравнение технических характеристик UVC LEDs и ртутьсодержащих ламп.

Таблица 1.

Сравнение технических характеристик источников УФО

Говоря об эффективности обеззараживания, светодиоды могут излучать волны длиной 260 нм, достигающие спектра повреждения ДНК/РНК структур, или 280 нм, при которых происходит денатурация белков, в то время как обычные источники ультрафиолетового излучения достигают максимального пика эффективности 254 нм.

В будущем есть надежда на то, что светодиоды будут давать лучшие результаты, чем ртутные лампы. Это вероятнее всего можно будет достичь благодаря направленному излучению светодиодов, в то время как излучение ртутных ламп имеет рассеянный характер. Наконец, следует учитывать, что обеззараживание УФ-излучением может столкнуться с потенциальными проблемами, независимо от его источника. При работе со сложными материалами УФ-излучение может быть затруднено, поскольку они могут быть пористыми или иметь сложное строение, что может влиять на качество и степень стерилизации объектов.

Список литературы:

1. Kim S.-J.J., Kim D.-K.K., Kang D.-H.H. Using UVC light-emitting diodes at wavelengths of 266 to 279 nanometers to inactivate foodborne pathogens and pasteurize sliced cheese. Appl. Environ. Microbiol. 2016;82:11–17.
2. Nyangaresi P.O., Qin Y., Chen G., Zhang B., Lu Y., Shen L. Effects of single and combined UV-LEDs on inactivation and subsequent reactivation of E. coli in water disinfection. Water Res. 2018;147:331–341.
3. Song K., Taghipour F., Mohseni M. Microorganisms inactivation by wavelength combinations of ultraviolet light-emitting diodes (UV-LEDs) Sci. Total Environ. 2019;665:1103–1110.
4. United Nations, Minamata Convention on Mercury. 2021.
5. Gross A., Stangl F., Hoenes K., Sift M., Hessling M. Improved Drinking Water Disinfection with UVC-LEDs for Escherichia coli and Bacillus subtilis Utilizing Quartz Tubes as Light Guide. Water. 2015;7:4605–4621.