Eksperiment med Deep-Ultraviolet 222nm Solid-State Laser 3
5.2.4 Output af 222nm dyb-ultraviolet pulserende laser
Figur 5.16 Variation af gennemsnitlig effekt og pulsbredde af 457 nm pulserende laser med indsprøjtet pumpeeffekt ved en gentagelsesfrekvens på 15 kHz
Den venstre akse repræsenterer den gennemsnitlige effekt af 457nm laseren i mW (200-700), den højre akse repræsenterer pulsbredden i ns (40-120), og den vandrette akse repræsenterer den indsprøjtede pumpeeffekt i W (30-42).
Én kurve svarer til den gennemsnitlige effekt ved f=15kHz, faldende fra cirka 650mW til omkring 350mW. Den anden kurve svarer til pulsbredden, stigende fra ca. 50 ns til ca. 110 ns.
Figur 5.17 Spot- og strålekvalitet af 457nm pulserende laser ved en maksimal gennemsnitlig effekt på 600mW med en gentagelsesfrekvens på 10kHz (se farvediagram)
Den venstre del er et spotdiagram, og den højre del er et strålekvalitetsdiagram.
I strålekvalitetsdiagrammet er den vandrette akse positionen langs udbredelsesaksen i mm (0-200), og den lodrette akse er pletdiameteren i mm (0-4). Der er to kurver mærket "x vandret" og "y lodret", med My²=1.32 og Mx²=1.15.. Kurverne falder først og øges derefter med minimumsværdien omkring 100 mm og en pletdiameter på cirka 0,5 mm.
Fra det førnævnte 457 nm pulserede lasereksperiment opnås det 457 nm pulserede laseroutput med den højeste spidseffekt, når pumpespot-radius er cirka 200 μm, L1 og L2 er cirka 83 mm og 31 mm, og gentagelsesfrekvensen er 10 kHz. Denne 457nm pulserende laser bruges som en lyskilde til at generere 222nm pulseret laser gennem frekvensfordobling med en BBO krystal. For at placeringspositionerne af fokusspejlet M3 og BBO-krystallen skal opnå kontinuerlig 222nm output, da strålekvaliteten af det 457nm pulserede laseroutput adskiller sig fra 457nm, er det nødvendigt at justere placeringspositionerne af fokuseringsspejlet M3 og BBO-krystallen. Dette sikrer, at efter den 457 nm pulserede laser passerer gennem fokusspejlet M3, matcher dens Rayleigh-længde længden af BBO-krystallen for at forbedre frekvensfordoblingseffektiviteten. Endelig opnås en 222nm pulseret laserudgang med en maksimal gennemsnitlig effekt på 35mW og en pulsbredde på 36ns (målt ved direkte laserindfald på detektoren). Mens kommercielle muligheder som uvc 222 nm led eller 222 nm uvc lampe er tilgængelige til bredere applikationer, giver dette solid{27}}system et præcist pulserende output. Figur 5.18 viser det ultraviolette laserspektrum. Den gennemsnitlige udgangseffekt for den 222 nm pulserede laser stiger med stigningen i den injicerede effekt af den 457 nm pulsede laser, og variationsforholdet er vist i figur 5.19. Figur 5.20 er laserpletdiagrammet for den 222nm pulserende laser ved den højeste gennemsnitlige udgangseffekt.
Figur 5.18 Ultraviolet laserspektrum
Den vandrette akse er bølgelængden i nm (200-260), og den lodrette akse er intensiteten (0-15000). Toppen er omkring 222nm.
Figur 5.19 Variation af den gennemsnitlige udgangseffekt for 222 nm pulserende laser med indsprøjtet effekt af 457 nm pulserende laser ved en gentagelsesfrekvens på 10 kHz
Den vandrette akse er den indsprøjtede effekt af 457nm laseren i mW (200-600), og den lodrette akse er den gennemsnitlige effekt af 222nm laseren i mW (0-40). Kurven stiger lineært fra cirka 5mW til omkring 35mW.
Figur 5.20 Laserspot af 222nm pulserende laser ved den højeste gennemsnitlige udgangseffekt (se farvediagram)
Pletten har en ringform med en firkantet kontur.
Figur 5.21 Stabilitet af 222nm pulserende laserudgangseffekt
Når den maksimale gennemsnitlige udgangseffekt for den 222nm pulserende laser er 35mW, måles stabiliteten af laserudgangseffekten. Som vist i figur 5.21 er laseroutputstabiliteten inden for 2 timer inden for 2 %.
Den vandrette akse er tid i min (0-120), og den lodrette akse er den gennemsnitlige effekt af 222nm laseren i mW (0-50). Kurven er grundlæggende stabil og svinger omkring 35mW.
5.3 Eksperiment med bakteriel inaktivering med 222nm pulserende laser
5.3.1 Princip og anvendelsesfordele ved fjern-ultraviolet lys til bakteriel inaktivering
Niels Finsen fik i 1903 Nobelprisen for at opdage, at ultraviolet lys kan dræbe bakterier. I løbet af det næste århundrede er ultraviolet lys blevet meget brugt som en desinfektionsmetode til desinficering af genstande, afdelinger og andre offentlige steder. Under den igangværende COVID-19-pandemi har lande verden over et presserende behov for nye metoder til at inaktivere vira i luften. Der er to hovedmetoder til fotodynamisk sterilisering og desinfektion: fotokemisk virkning og fototermisk virkning.
(1) Fotokemisk virkning De genetiske informationsnukleinsyrer (DNA/RNA) fra bakterier absorberer en stor mængde ultraviolet lys, når de bestråles. Dette fører til dannelsen af isomerer af diazabenzener og diazabenzener i kroppen, som vist i figur 5.22. Dette stof forstyrrer bakteriernes metaboliske funktioner og forhindrer dem i at formere sig, indtil de dør. Denne fotokemiske virkning er den vigtigste desinfektionsmekanisme for traditionelt ultraviolet lys. For skimmel- og sporemikroorganismer har ultraviolet lys imidlertid svært ved at trænge ind i deres tætte cellevægsstrukturer, så DNA kan ikke absorbere ultraviolet lys, hvilket resulterer i relativt lav desinfektionseffektivitet for disse mikroorganismer.
Figur 5.22 Skematisk diagram af thymin-dimerisering af dobbelt-strenget DNA under bestråling med ultraviolet lys (se farvediagram)
Den viser processen med dobbelt-DNA, der danner thymin-dimerer under UV-stråling.
(2) Fototermisk virkning Pulserende lysbestråling kan hurtigt øge cellernes overfladetemperatur, ødelægge bakteriens cellevægge, fordampe cellevæske og fuldstændig beskadige cellestrukturer, hvilket fører til døden. Fototermisk virkning er temperaturstigningen forårsaget af stoffers absorption af lysenergi. Når mikroorganismer bliver bestrålet af intenst pulserende lys på nært hold, absorberer de en stor mængde lysenergi på kort tid, hvilket får deres overfladetemperatur til at stige kraftigt og deres overfladestrukturer til at blive fuldstændig ødelagt, hvilket resulterer i døden. Da hele den fototermiske virkningsproces er meget kort, er der ingen temperaturstigning inde i det bestrålede objekt, så det påvirker som udgangspunkt ikke næringsstoffer. Ifølge den fototermiske desinfektionsmekanisme kan intenst pulserende lys effektivt dræbe alle mikroorganismer. Pulserende ultraviolet lys kombinerer fotokemiske og fototermiske virkninger til sterilisering og desinfektion, så dets teoretiske desinfektionseffektivitet er højere end for en enkelt metode. Den traditionelle ultraviolette lyskilde til sterilisering er en kviksølvdamplampe. Den maksimale bølgelængde af ultraviolet lys udsendt af kviksølvdamplamper er dog 254 nm, hvilket er skadeligt for menneskelige celler og væv og kan forårsage hudkræft [4] og grå stær i alvorlige tilfælde. Forskning i det seneste årti har vist, at ultraviolet lys i 200-230nm-båndet kan inaktivere bakterier, influenzavirus i luften og patogener såsom SARS-CoV-2 uden at skade menneskelige celler. Internationalt kaldes dybt-ultraviolet lys i 200-230nm-båndet "langt-ultraviolet lys", ofte implementeret via fjernt UV-lys 222nm-systemer. I 2022 brugte Vinter-OL i Beijing i vid udstrækning-ultraviolet lys til sterilisering og desinfektion, og refererede til det som en "let vaccine". For dem, der søger 222 nm uv-lys til salg, inkluderer mulighederne uvc 222 nm led-moduler eller 222 nm uvc-lampearmaturer, som tilbyder lignende langt uv-lys 222 nm fordele i kompakte former. Sammenlignet med det typiske 254 nm ultraviolette lys til sterilisering er det biofysiske princip, at langt -ultraviolet lys er uskadeligt for menneskelige celler, at proteiner har en absorptionstoppe i dette bånd. I dette forsøg bruges et spektrofotometer til at måle proteinabsorptionsspektret, som vist i figur 5.23. Det kan ses af figur 5.23, at proteiner har meget lav absorption af lys i det typiske 254nm-bånd, men relativt høj absorption i 200-230nm-båndet. Langt ultraviolet lys kan passere gennem mikroorganismer, der er meget mindre end humane celler (de typiske diametre af bakterier og vira er 1μm og 0,1μm) [11], mens diameteren af typiske humane celler varierer fra 10 til 25μm. Langt ultraviolet lys absorberes stærkt af proteiner i human cytoplasma og dæmpes kraftigt, før det når den menneskelige cellekerne [6]. For eksempel er det yderste lag af menneskelig hud stratum corneum, der består af døde anukleerede keratinocytter. Hovedfunktionen af stratum corneum er at beskytte det underliggende subkutane væv. Det meste af det bestrålede langt-ultraviolette lys absorberes af proteiner i cytoplasmaet i hudlagets hornlag og kan ikke trænge ind i hudens stratum corneum for at nå de centrale basalceller eller melanocytter nedenfor, som vist i figur 5.24. For menneskelige øjne er linsen det væv, der er følsomt over for ultraviolet lys. Linsen er dog placeret på bagsiden af hornhinden, og hornhinden er omkring 500μm tyk. Derfor er transmittansen af langt ultraviolet lys gennem hornhinden til linsen stort set nul.
Figur 5.23 Proteinabsorptionsspektrum
Den vandrette akse er bølgelængden i nm (200-300), og den lodrette akse er absorptionsværdien (0-3,0). Der er tre punkter på kurven: (222, 1,41), (230, 1,25) og (254, 0,168). Absorptionsværdien falder, når bølgelængden øges.
Figur 5.24 Skematisk diagram over udbredelsen af fjernt-ultraviolet lys i hud og patogener
Den venstre side viser hudstrukturen, hvor langt-ultraviolet lys absorberes af stratum corneum. Den højre side viser det forstørrede patogen, hvor langt-ultraviolet lys trænger ind og virker på bakterier og vira.
5.3.2 Eksperiment med bakteriel inaktivering med 222nm pulserende laser
Bakteriepræparat Escherichia coli er udbredt til stede i naturen og er et nøglepatogen i menneskers folkesundhed, en af de mest-lægemiddelresistente arter i Enterobacteriaceae og bruges ofte i forskning i ultraviolet desinfektion og miljøhygiejne. Bacillus er nært beslægtet med mennesker ved at forårsage madforgiftning, og på grund af dens sporers varmebestandighed og syreresistens kan den ikke elimineres ved pasteurisering eller normale hygiejneprocedurer. Derfor er bakteriestammerne anvendt i dette eksperiment Escherichia Coli og Bacillus Cereus. Escherichia coli og Bacillus er Escherichia coli [Escherichia coli CMCC (B) 44102] leveret af Key Laboratory of Tropical Island Ecology under Undervisningsministeriet, Hainan Normal University og Bacillus thuringiensis underart kurstaki HD-1 fra Environmental Microbiology Ecology Research Laboratory, henholdsvis Hainan Normal University. Escherichia coli og Bacillus dyrkes i næringsagarmedium, anbringes i en inkubator ved 35 grader og 5% CO2 med en dyrkningsperiode på 24 timer. Næringsagarmediet er leveret af Guangdong Huankai Microbial Technology Co., Ltd., og dets komponenter omfatter pepton, oksekødekstraktpulver, natriumchlorid og agar, med en endelig pH ≈ 7,3. De dyrkede bakterier observeres ved præparation af objektglas. Tager man Escherichia coli som eksempel, er dens præparationstrin vist i figur 5.25, og observationsresultaterne er vist i figur 5.26.
Objektglastagning: Objektglassene opbevares i en alkoholopløsning, tages ud og tørres med en varmluftblæser.
Steril vanddråbe: Under et super-ren arbejdsbord skal du dryppe en dråbe sterilt vand på objektglasset (ikke for stort) for at fortynde bakterier.
Prøveudtagning: Brug den flade ende af en steriliseret tandstik til forsigtigt at dyppe bakterier fra kolonien; tandstikkeren kan ikke genbruges.
Omrøring: Rør bakterierne med uret for at få dem helt og jævnt fordelt i vanddråben.
Bagning: Tør det behandlede objektglas for at fiksere bakterierne på objektglasset.
Farvning: Dryp Coomassie Brilliant Blue-reagens (giftig, brug med handsker) på objektglasset, så dråben blot dækker bakteriepladen og lad den stå i mere end 15 sekunder.
Skylning: Skyl det overskydende Coomassie Brilliant Blue-reagens af med langsom vandgennemstrømning, og pas på ikke at skylle bakterieplakken direkte for at undgå at vaske den væk.
Observation: Placer objektglasset på mikroskopbordet, drop en dråbe olie på bakteriepladen, og observer derefter med en olienedsænkningslinse.
Figur 5.25 Trin til forberedelse af bakterieglas
Den omfatter en billedproces på otte trin: "optagelse og tørring af objektglas", "steril vanddråbe", "prøveudtagning", "omrøring", "bagning", "farvning", "skylning" og "observation".
Figur 5.26 Billede af Bacillus observeret under et mikroskop
Den viser et stort antal stavformede-baciller.
Effekt af bakteriel inaktivering Bestrålingskilden er en 222 nm all-fast- pulseret fjern- ultraviolet laser, der er udviklet i dette arbejde, med en spektral linjebredde på mindre end 0,1 nm. Hele den eksperimentelle operation udføres i et rent rum. Eksperimentelle værktøjer steriliseres ved hjælp af en højtrykssterilisator, og arbejdsbænken bestråles med ultraviolet lys i 1 time før eksperimentet for at undgå bakteriel kontaminering fra miljøet. Kuvetten forsegles efter placering af bakteriesuspensionen for at undgå direkte kontakt mellem suspensionen og udeluften. Under hele forsøget er bakterierne i næringsvæske for at undgå eksperimentelle fejl forårsaget af naturlig død. Tag 1 ml prøver af Escherichia coli og Bacillus suspensioner med en vis koncentration og anbring dem i en kuvette med høj transmission i det kortbølgede ultraviolette bånd. Tænd for laseren, og ved at justere laserudgangseffekten og kuvettens placering, er irradiansen af 222nm laser på kuvetten 0,1mW/cm². Brug 0,1mW/cm² 222nm laser til at bestråle Escherichia coli og Bacillus suspensionsprøver til forskellige bestrålingstider. Figur 5.27 (a) viser 222nm laser, der passerer lodret gennem Escherichia coli suspensionen. Kontrolprøverne og de bestrålede prøver dyrkes i yderligere 24 timer, og fordelingen af ubestrålede og bestrålede bakterier er vist i figur 5.27 (b) og (c). Næringsstofagarpladetællingsmetoden bruges til at bestemme bakterietallet for Escherichia coli i kontrolgruppen og efter bestråling. For at forbedre nøjagtigheden af de eksperimentelle data gentages hver prøve 3 gange under den samme bestrålingsdosis, og gennemsnitsværdien tages.
Figur 5.27 222nm Pulsed Laser Sterilization Experiment
(a) Escherichia coli suspension under bestråling;
(b) Fordeling af Escherichia coli efter 0s, 10s og 20s af bestråling, hvor antallet af kolonier på pladen falder med stigende bestrålingstid;
(c) Fordeling af Bacillus efter 0s, 30s og 60s af bestråling, hvor antallet af kolonier på pladen falder med stigende bestrålingstid.
Testresultaterne er angivet i tabel 5.1. Når 222nm-laseren bestråler Escherichia coli-suspensionen i 10 sekunder (1mJ/cm²), er inaktiveringshastigheden 90,7 %; i 15 sekunder (1,5 mJ/cm²) er inaktiveringshastigheden 96,9 %; og i 20 sekunder (2mJ/cm²) er inaktiveringshastigheden så høj som 100 %. Når 222nm-laseren bestråler Bacillus-suspensionen i 30 sekunder (3mJ/cm²), er inaktiveringshastigheden 88,4 %; i 45 sekunder (4,5 mJ/cm²) er inaktiveringshastigheden så høj som 98,6 %; og i 60'erne (6mJ/cm²) er inaktiveringshastigheden så høj som 100%. Denne eksperimentelle undersøgelse viser, at bestråling med langt-ultraviolet 222nm pulseret laser ved doser på 2mJ/cm² og 6mJ/cm² effektivt kan inaktivere henholdsvis Escherichia coli og Bacillus. Det kan ses fra dette eksperiment og andre litteraturrapporter, at den bestrålingsdosis, der kræves for at inaktivere Bacillus med ultraviolet lys, er større end den for Escherichia coli. Årsagen er, at den bestrålingsdosis, der kræves for at inaktivere bakterier og vira med ultraviolet lys, hovedsageligt er relateret til faktorer som størrelsen af mikroorganismer, tykkelsen af cellemembraner (vægge) og strukturen af nukleinsyrer (enkelt-strengede eller dobbeltstrengede). Generelt gælder det, at jo større mikroorganismens størrelse og jo tykkere cellemembranen er, jo mere strålingsdosis kræves der; mikroorganismer med dobbelt-strengede strukturer har stærkere reparationsevner end dem med enkelt-strengede strukturer, så der kræves også mere bestrålingsdosis. Både Bacillus og Escherichia coli har dobbelt-strukturer, men størrelsen og cellevægtykkelsen af Bacillus er henholdsvis (1,0~1,2) nm × (3,0~5,0) nm og 20~80 nm, mens Escherichia coli kun er (0,5~3) (0,5~3) (1,0) (1,0) (1) nm. 11nm. Derfor er den ultraviolette bestrålingsdosis, der kræves for at inaktivere Bacillus, større end den for Escherichia coli.
