Tác dụng diệt khuẩn của ánh sáng bước sóng 405nm

Khái niệm ánh sáng bước sóng 405nm

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Strathclyde ở Glasgow, Scotland đã phát hiện ra ánh sáng bước sóng 405nm có thể tiêu diệt vi khuẩn và các vi sinh vật khác dẫn đến bằng sáng chế quốc tế về diệt khuẩn bằng ánh sáng nhìn thấy được cấp vào năm 2007. Kể từ phát hiện này, một số nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu bổ sung để khám phá và hiểu việc sử dụng ánh sáng 405 nm để diệt khuẩn trong một số ứng dụng khác nhau.

 

 

Hình bên dưới cho thấy các bước sóng cho dải ánh sáng cực tím (UV), khả kiến ​​và hồng ngoại. Như có thể thấy, bước sóng 405nm nằm ở cuối dải ánh sáng khả kiến ​​do đó có màu xanh tím. Ánh sáng bước sóng 405nm không nằm trong phạm vi ánh sáng UV. Phạm vi đối với ánh sáng UV bắt đầu từ 400 nm – 100 nm. Phạm vi UV là thường được chia thành ba phạm vi  là UVA, UVB và UVC.

Ánh sáng ở bước sóng 405nm, giống như tất cả ánh sáng nhìn thấy là lành tính so với các bước sóng UV. Nếu được sử dụng ở mức độ chiếu xạ thích hợp, nó có thể vừa diệt khuẩn vừa an toàn cho sự tiếp xúc của con người.

Ứng dụng của ánh sáng bước sóng 405nm

Sau phát hiện ban đầu rằng ánh sáng bước sóng 405nm có thể tiêu diệt vi khuẩn, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong những năm tiếp theo để hiểu phạm vi vi sinh vật nhạy cảm với ánh sáng 405nm. Các nghiên cứu bao gồm một loạt nhiều loại vi khuẩn nguy hiểm như Staphylococcus aureus, S. aureus kháng methicillin (MRSA), S. epidermidis và Escherichia coli.

Khử trùng bằng ánh sáng nhìn thấy được là một phương pháp khử trùng tương đối mới sử dụng hiệu ứng quang độc đáo của bước sóng 405nm – ánh sáng xanh nhìn thấy.

Hình 1 cho thấy kết quả thử nghiệm thực tế đối với Staphylococcus aureus và Salmonella enterica với độ chiếu xạ không đổi 0,5 mW / cm²

Lưu ý rằng thời gian cần thiết có thể khác nhau đối với các vi sinh vật khác nhau, nhưng cả hai hầu như đều hoàn toàn bất hoạt bởi mức ánh sáng 405nm này trong vòng chưa đầy nửa ngày.

 

 

Ngoài các nghiên cứu được thực hiện về vi sinh vật nhạy cảm với ánh sáng 405 nm, các thử nghiệm đã được tiến hành với các mầm bệnh khác trên một loạt các bề mặt khác nhau. Ánh sáng bước sóng 405nm đã được chứng minh là có hiệu quả trên tất cả các loại bề mặt được thử nghiệm.

Màng sinh học BioFilm có thể được tìm thấy trong môi trường tự nhiên, công nghiệp và bệnh viện. Màng sinh học là một vật chất vi khuẩn bám vào lên bề mặt bằng cách bài tiết một chất có đường, dính, bao bọc vi khuẩn trong một chất nền. Màng sinh học có xung quanh chúng ta; trong suối, trong cống rãnh và thậm chí trên răng của chúng ta.

Một lm biofilm có thể bao gồm một loài hoặc một tập hợp các loài. Trong nhiều trường hợp, màng sinh học chỉ là vi khuẩn, nhưng chúng cũng có thể bao gồm các các sinh vật sống, chẳng hạn như nấm và tảo, tạo ra các loại vi sinh vật. Màng sinh học là hệ thống phức tạp đôi khi so với sinh vật đa bào.

 

 

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Strathclyde đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm dựa trên phòng thí nghiệm để điều tra tác dụng diệt khuẩn của ánh sáng bước sóng 405nm trên vi sinh vật E. coli  khác nhau được tạo ra trên thủy tinh và bề mặt acrylic. Nghiên cứu cũng nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng 405nm lên Biofilm của các vi khuẩn khác bao gồm P. aeruginosa, S. aureus và L. monocytogenes.

Kết quả từ nghiên cứu này đã chứng minh việc vô hiệu hóa thành công biofilm trên cả bề mặt thủy tinh và acrylic và tác dụng diệt khuẩn đã được quan sát thấy ở cả đơn và quần thể biofilm trưởng thành.

Vô hiệu hóa thành công các biofilm của vi khuẩn ở mặt dưới của kính và acrylic các bề mặt chứng minh khả năng truyền ánh sáng 405 nm qua các vật liệu trong khi vẫn duy trì hoạt động kháng khuẩn của nó.

Ngoài việc kiểm tra nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm, nơi điều kiện vi khuẩn và công suất ánh sáng 405 nm được cẩn thận được đo lường và kiểm soát, đã có nhiều nghiên cứu trong các ứng dụng thực tế cho thấy ánh sáng bước sóng 405nm có tiềm năng đáng kể để giảm tải lượng vi khuẩn trong không khí môi trường nơi mọi người làm việc và vui chơi.

Ví dụ, việc sử dụng bước sóng 405nm để khử trùng môi trường đã trải qua quá trình lâm sàng đánh giá trong các phòng cách ly bệnh nhân có người, nơi nó được sử dụng làm hệ thống chiếu sáng để khử trùng liên tục không khí và các bề mặt tiếp xúc với sự có mặt của bệnh nhân và Nhân Viên.

Kết quả cho thấy mức độ ô nhiễm môi trường giảm đáng kể so với có thể đạt được chỉ bằng các phương pháp kiểm soát khử trùng thông thường (Maclean và cộng sự, 2010).

Giảm nguy cơ nhiễm trùng sau phẫu thuật sau các thủ tục thay khớp đã được chứng minh trong một thử nghiệm được thực hiện tại Maury, Trung tâm Y tế Khu vực ở Tennessee. Đã ghi nhận mức giảm 75-80% ở các trường hợp nhiễm trùng sau phẫu thuật với sử dụng ánh sáng 405 nm trong phòng mổ.

 

 

Có thêm bằng chứng từ ba nghiên cứu trước và sau tại bệnh viện cho thấy bước sóng 405nm có hiệu quả trong việc giảm mức độ khử nhiễm môi trường ở các cơ sở chăm sóc sức khỏe như phòng cách ly trong khoa bỏng và ICU.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu tại Đại học Yamiguchi ở Nhật Bản đã chỉ ra vào năm 2014 nghiên cứu rằng ánh sáng bước sóng 405nm ức chế sự phát triển của botrytis cinerea.

Việc sử dụng tia cực tím để khử trùng bề mặt trái cây và rau quả để bảo vệ sau thu hoạch đã được cũng được nghiên cứu (Ranganna et al. 1997; Marquenie et al. 2002). Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo rằng việc tiếp xúc với tia UVB làm giảm nhiễm bệnh phấn trắng thông qua cơ chế trực tiếp và gián tiếp, bao gồm cả tác dụng diệt nấm và cảm ứng các hoạt động chống chịu của thực vật trong điều kiện nhà kính (Keller và cộng sự 2003; Kobayashi và cộng sự 2013).

Tuy nhiên, tia cực tím UV có những hạn chế vì những tác động bất lợi của nó đối với người lao động, chẳng hạn như gây thương tích cho da hoặc mắt khi tiếp xúc trực tiếp (Young 2006). Ánh sáng bước sóng 405nm không có nhược điểm này và do đó cung cấp một giải pháp thay thế an toàn tia UV trong việc kiểm soát mầm bệnh trên rau quả.

Nguyên ký hoạt động

Cơ chế của sự bất hoạt vi khuẩn được cho là do kích thích quang nội bào porphyrin, dẫn đến việc tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS). Điều này được minh họa trong các sơ đồ trong hình sau: 

 

 

Porphyrin là một phân tử vòng lớn bao gồm bốn pyrrole, là những vòng nhỏ hơn được tạo ra từ bốn nguyên tử cacbon và một nitơ duy nhất.

Các phân tử pyrrole này được kết nối với nhau thông qua một loạt các liên kết đơn và đôi tạo thành phân tử thành một vòng lớn. Porphyrin có khả năng hấp thụ các bước sóng ánh sáng nhất định, đặc biệt là khi liên kết với các ion khác nhau. Porphyrin gây ra cả màu đỏ của máu và màu xanh lá cây của thực vật.

Các phân tử porphyrin phục vụ một số chu trình ở động vật, thực vật và thậm chí cả vi khuẩn. Vì lý do này porphyrin được coi là một phân tử được bảo tồn tiến hóa. Điều này có nghĩa là vì tính hữu ích của nó, vô số các dòng sinh vật đã sử dụng và thay đổi porphyrin để đáp ứng nhu cầu của chúng.

 

 

Một phân tử porphyrin là một phân tử hữu cơ và phải được tạo ra và phá hủy bởi các protein cụ thể trong cơ thể. Bởi vì protein được lập trình bởi DNA, bất kỳ đột biến nào trong DNA có thể gây ra sự cố trong protein mà xử lý các phân tử porphyrin. Mặc dù thường cực kỳ hữu ích, nhưng một porphyrin không được hình thành đúng cách hoặc không thể được chia nhỏ gây ra một mối đe dọa nghiêm trọng cho cơ thể.

Các phân tử porphyrin có tính tương tác cao. Nó có thể phá vỡ màng tế bào và vì chúng giữ một phân tử sắt có tiềm năng hoạt động như một chất hút điện tử, chúng khuyến khích sự hình thành của các gốc tự do.

Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng một loạt các bước sóng ánh sáng trong vùng 400-425 nm có thể được sử dụng cho bất hoạt vi khuẩn, nhưng hoạt động diệt khuẩn tối ưu đã được tìm thấy ở bước sóng 405 nm.

Mức hiệu quả trong hoạt động này tương quan với với sự hấp thụ tối đa của các phân tử porphyrin phản ứng với oxy hoặc các thành phần tế bào khi tiếp xúc với ánh sáng ở bước sóng này gây ra quá trình oxy hóa làm tổn thương màng tế bào và làm chết tế bào vi sinh vật.

Vi khuẩn sử dụng porphyrin theo cách tương tự như tế bào động vật, mặc dù các phân tử  mà chúng sử dụng có thể trông rất khác với ở động vật. Một số vi khuẩn cũng có khả năng quang hợp và giống như thực vật, chúng sử dụng porphyrin để thu năng lượng của mặt trời.

Trong số các ROS, OH là gốc gây hại mạnh nhất có thể phản ứng với tất cả các đại phân tử sinh học (lipid, protein, axit nucleic và cacbohydrat). Nó cực kỳ phản ứng và có thể dẫn đến hình thành các liên kết chéo DNAprotein, đứt gãy sợi đơn và sợi kép, phá hủy cơ sở, peroxy hóa lipid và phân mảnh protein.

Vi khuẩn dễ bị oxy hóa hơn so với mô người do ít chất chống oxy hóa hơn và hiệu quả thấp hơn các cơ chế sửa chữa.

Nghiên cứu được công bố vào năm 2018 đã chỉ ra rằng các tế bào trong không khí nhạy cảm với ánh sáng 405 nm gấp 3-4 lần. Kết quả cho thấy quá trình khử hoạt tính khí thành công, với mức giảm 99,1% đạt được trong 30 phút tiếp xúc với bức xạ 22 mW/cm²

Ưu điểm của khử trùng bằng ánh sáng bước sóng 405nm

Trong khi các tác nhân gây bệnh đã được chứng minh là có khả năng kháng thuốc kháng sinh, nghiên cứu không cho thấy bất kỳ hiện tượng kháng nào tương tự với ánh sáng 405nm.

Ánh sáng bước sóng 405nm có thể vẫn hiệu quả và do đó sẽ hoạt động trên bất kỳ mầm bệnh đưa vào sau thời gian điều trị. Bất kỳ bề mặt hoặc không gian nào, ánh sáng vẫn tiếp tục chiếu sáng để được điều trị.

 

 

Ánh sáng 405nm có thể được pha trộn thành ánh sáng trắng và cung cấp mức độ khử trùng thấp trong khi khu vực có người. Nó sau đó có thể tự động chuyển sang chế độ chỉ 405 nm khi phòng không có người ở, cung cấp mức cao hơn khử trùng. Đèn LED 405nm có thể được kết hợp trong một loạt các thiết bị cho phép các khu vực lớn hơn cũng như đặc biệt hoặc các khu vực biệt lập được điều trị.

Luminano 405 tự hào là thiết bị tiên phong trên thế giới sử dụng ánh sáng có bước sóng 405nm để diệt khuẩn và khử trùng bề mặt cũng như không khí.

Tham khảo:  so sánh Luminano 405 so với các công nghệ khác