Tam bir hücre yapısına sahip olmayan virüsler, sabun ve alkol ile parçalanabilen yağlar dışında, protein tabaka ve viral genetik materyali taşıyan RNA (ribonükleik asit) veya DNA (deoksiribo nükleik asit) bileşenlerinden oluşur. SARS-CoV-2 dahil bilinen çoğu virüste viral genomunu RNA taşırken, bazı türlerde bu işi DNA yapar. Yine bakterilerin nükleoitleri de RNA ve DNA genetik malzemelerini içerirler.
Yapıları birbirine çok benzeyen RNA ve DNA nükleik asitlerinin ikisinin de UV bölgede 265 nm civarında geniş ve güçlü soğurma bantları vardır (Şekil 1). Bu bölge etrafındaki UV ışınla uyarıldıklarında, RNA/DNA moleküllerinin kimyasında oluşan değişikliklerle virüsün kendini çoğaltma özelliği bloke olur ve virüsün bulaşma özelliği yok edilebilir [5-7]. En yüksek etki veya verim 265 nm civarında alınmaktadır, ancak mikropları etkisiz hale getirebilen dalgaboyu çeşitliliği oldukça geniş olduğundan (yarı yükseklikteki tam genişlik: ~50 nm), bu bölgede ışıma spektrumuna sahip farklı ışık kaynakları UV dezenfeksiyon işleminde kullanılabilir [5].

100-240 nm aralığındaki ışık kaynakları atmosferdeki oksijen moleküllerini zehirli bir gaz olan ozon moleküllerine çevirebildiği için, ışık kaynağının 240 nm üzerinde seçilmesi önemlidir.

• Bu durum dikkate alındığında düşük basınçta (~10-5 bar) çalıştırılan civa buharlı lambaların 253,7 nm’deki ışınımlarının foto dezenfeksiyon uygulamalarında kullanımı ön plana çıkmıştır (Şekil 1, Hg (LP)).
• Daha geniş bir spektrumda fotonlar üreten orta (~1-5 bar) ve yüksek başınçlı civa lambaları da sıklıkla UV dezenfeksiyon uygulamalarında kullanılıyor (Şekil 1, Hg (MP)).
• Orta/yüksek başınçlı civa lambaları, birim uzunluk başına çok daha fazla UV ışınım üretebilir. Daha kısa ömür, çalışırken daha yüksek yüzey sıcaklığı ve 240 nm altında da spektruma sahip olduklarından daha fazla zehirli ozon gazı üretimine yol açmaları dezavantajları olarak sıralanabilir.
• Civa bazlı lambalara indiyum eklenerek (amalgam lamba) ışıma verimlerinin artırılması standart olarak uygulanan bir yöntemdir.
• Alternatif olarak, 222 nm’de ışıyan KrCl ve 282 nm’de ısıyan XeBr excimer kaynakları kullanılabilecek diğer UV lambaları arasında yer alıyor. Yalnız bu lambaların yüksek maliyetleri ve düşük UV oluşturma verimleri yaygın kullanımlarını sınırlıyor.
• Son zamanlarda, UV LED’ler, kompakt olmaları, zehirli civa gazı içermemeleri, ve dalgaboylarının deaktivasyon (mikropların etkisiz hale getirilmesi) verimini optimize etmek için ayarlanabilmesi gibi avantajlar sebebiyle çok daha az güç verseler de ön plana çıkmaya başladı. Tek bir LED’den az bir güç (~10-20 mW) elde edilse de, LED dizinleri kullanılarak yüksek güçlere ulaşma potansiyeli de var.

Genelde hangi ışık kaynağının kullanılacağı, uygulamanın istediklerine göre optimize edilmesi gereken bir tasarım parametresi olarak karşımıza çıkıyor.

Foto deaktivasyon (mikropların ışık ile etkisiz hale getirilmesi) süreci için hangi optik güce sahip UV kaynağının seçileceği, UV ışık kaynağının ya da kaynaklarının ne kadar mesafeden ve ne kadar süre boyunca uygulanması gerektiği UV dezenfeksiyon verimini belirliyor. Dezenfeksiyon süreci boyunca yüzeydeki/örnekteki mikrop sayısı zamanla üssel olarak (katlanarak) azalıyor. Dezenfeksiyon başarısını ölçmede genel olarak işlemden sonra, başlangıçtaki mikropların ne kadarının elimine edildiği incelenir. Bunun için genelde sonuçlar logaritmik olarak karşılaştırılır. Örneğin log-1 indirgeme, işlem sonucu örnekteki mikropların %90’nın elimine edildiğini, sadece %10’nun canlı kaldığını belirtir. Benzer şekilde log-2, log-3, ve log-4 indigeme de sırasıyla %99; %99,9; ve %99,99 oranında dezenfeksiyon oranlarını gösterir. (10 kat azalıyorsa 10=101’in logaritması 1, 100 kat azalıyorsa 102’nin logaritması 2, 1000 kat azalıyorsa 103’ün logaritması 3.)

Işık kaynağının gücü ve örneğe uzaklığı yardımıyla örnek üzerindeki UV ışık akısı hesaplanır (~örneğe ulaşan toplam UV optik güç/yüzey alanı) ve genelde W/m2 birimi ile ifade edilir. Işık akısını uygulama süresiyle çarparak, örneğin aldığı toplam UV dozunu (birim alan başına uygulanan UV enerji miktarını) J/m2 biriminde hesaplayabiliriz. Bakteri veya virüs kaplı bir yüzeyde belirli bir log indirme faktörünü elde etmek için gerekli UV doz miktarını belirlenmesi önemli bir araştırma konusudur.

SARS-CoV-2’yi etkisiz hale getirmek

Güncel öneminden dolayı burada örnek olarak COVID-19’e neden olan SARS-CoV-2 virüsünün UV deaktivasyonu konusundan bahsetmek istiyoruz. Bilinen haliyle henüz SARS-CoV-2 hakkında ölçülmüş bir log indirgeme faktörü literatürde yayınlanmadı [8]. Bunun yanında, farklı korona virüs türleri için daha önce yapılmış ölçümlerde log-1 indirgeme doz miktarının 7 J/m2 ile 240 J/m2 arasında değiştiği ve ortalama olarak 67 J/m2 doz değerinde log-1 indirgeme elde edildiği gösterilmiştir [8].

SARS-CoV-2 virüsü için bu ortalama değerin doğru olduğunu kabul edilirse, örneğin 0,1 W/m2 lik bir ışık akışı sağlayan 260 nm dalgaboyundaki bir UV LED dizini kullanarak, 670 saniye (~11 dakika) içinde 67 J/m2 doza ulaşılarak log-1 indirgenme değeri elde edilebilecektir. Daha güçlü civa bazlı lambalar kullanılması durumunda 10 W/m2’lik bir ışık akısıyla bu süre 10 saniyenin altına düşürülebilir. Burada kullanılacak UV sistem yapısı, uygulama alanının gereksinimlerine göre (dezenfeksiyon alanı, yapının büyüklüğü, vb.) optimize edilmelidir.

Notlar/Kaynaklar: 

[1] A. Downes, and T. P. Blunt, “The influence of light upon the development of bacteria,” Nature 20, 218 (1877).
[2] E. Ackerman, “Autonomous Robots Are Helping Kill Coronavirus in Hospitals,” IEEE Spectrum (2020).
[3] N. G. Jablonski, and G. Chaplin, “Human skin pigmentation as an adaptation to UV radiation,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107, 8962-8968 (2010).
[4] Ultraviolet germicidal irradiation, https://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet_germicidal_irradiation
[5] T. Oppenländer, Photochemical Purification of Water and Air: Advanced Oxidation Processes (John Wiley & Sons, 2003).
[6] P. Schubert, L. Johnson, D. C. Marks, and D. V. Devine, “Ultraviolet-Based Pathogen inactivation Systems: Untangling the Molecular Targets Activated in Platelets,” Frontiers in Medicine 5 (2018).
[7] W. Kowalski, Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook (Springer-Verlag 2009).
[8] W. J. Kowalski, T. J. Walsh, and V. Petraitis, “2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility,” 10.13140/RG.2.2.22803.22566. (2020).
[9] Solar Irradiance https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance
[10] C. D. Lytle, and J. L. Sagripanti, “Predicted inactivation of viruses of relevance to biodefense by solar radiation,” Journal of Virology 79, 14244-14252 (2005).
[11] International Ultraviolet Association http://www.iuva.org/COVID-19