La disinfezione con la luce UVC, UVA può raggiungere il 99% di Kill Rate per batteri e virus (incl. COVID-19)

La disinfezione o sterilizzazione efficace ed economica di superfici, acqua e oggetti può avere un effetto significativo e positivo sulla salute generale della nostra società. L'impatto delle pandemie può essere notevolmente ridotto, così come una grande diminuzione delle malattie in generale, anche da agenti patogeni resistenti ai farmaci o infezioni acquisite in ospedale (HAI).

La disinfezione o sterilizzazione con luce ultravioletta (UV) può essere il modo per raggiungere tali obiettivi. Tuttavia, le sfide dell'uso della luce UV esistono ancora e i modi per superarle sono presentati in questo articolo.

L'utilizzo della luce ultravioletta (UV) per disinfettare o sterilizzare¹ è stato effettivamente abbracciato da anni da alcuni ospedali, utilizzando grandi macchine di livello industriale per uccidere i microrganismi (incluso COVID-19) nelle stanze d'ospedale o su mobili, oggetti, vestiti o strumenti. Tuttavia, tali macchine sono la perfetta dimostrazione delle sfide dell'uso della luce UV. Sono proibitivamente costosi per uso privato o aziendale, dato che una piattaforma mobile con lampade UV può costare più di 60.000 USD². La loro radiazione UV profonda è anche pericolosa per le persone e deve essere usata solo in stanze vuote.

Con gli attuali progressi nella tecnologia di illuminazione UV LED entrambi i problemi possono essere superati.

Le versioni più piccole delle lampade di disinfezione UV possono essere costruite a costi accessibili, quindi sono accessibili ai consumatori e alle aziende che cercano di pulire praticamente tutto, dagli uffici, agli ascensori e ai salotti, ai telefoni, ai computer e persino ai sedili dei bagni.

Diverse lunghezze d'onda UV con un controllo preciso dell'intensità e del modello di radiazione possono rendere la disinfezione sicura da usare in presenza di persone.

Come la luce UV uccide virus e batteri

I batteri sono organismi unicellulari che si possono trovare naturalmente in tutto il nostro corpo e nel nostro ambiente. I virus sono più piccoli dei batteri e si attaccano a un'altra cellula vivente e usano il materiale genetico di quella cellula per riprodursi.

La maggior parte dei virus causano malattie, come il COVID-19, l'influenza, il comune raffreddore, l'AIDS, la varicella e molto altro. I batteri pericolosi ben noti sono la Salmonella, lo Staphylococcus Aureus (MRSA) o l'E.coli.

Mentre batteri e virus sono chiaramente diversi, entrambi hanno un attributo molto comune, hanno materiale genetico (DNA).

Le scottature, da cui dobbiamo proteggerci quando siamo al sole, avvengono perché la luce UV danneggia il DNA. Questo è esattamente il modo in cui la luce UV può uccidere tutti i virus e batteri, danneggiando il loro DNA³.

Una molecola di DNA è fatta di due filamenti legati insieme da quattro basi, adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Queste basi sono come un alfabeto, e la loro sequenza forma le istruzioni per la riproduzione delle cellule.

La luce UV può far sì che le basi di timina si fondano insieme, stravolgendo la sequenza del DNA ed essenzialmente gettando una chiave inglese nel meccanismo di replicazione. Poiché la sequenza del DNA non è più corretta, non può più replicarsi correttamente. La luce UV annienta virus e batteri distruggendo la loro capacità di riprodursi.

Funzionerà sul coronavirus?

Mentre il COVID-19 è un nuovo virus, la differenza principale rispetto agli altri è che le persone non hanno ancora l'immunità ad esso. Esposto alla luce UV il COVID-19 morirà come qualsiasi altro virus. Gli studi sulla SARS⁴ e sulla MERS hanno dimostrato che la luce UV uccide i virus, quindi è quasi certo che farà lo stesso con il COVID-19.

Types of UV radiation

UV is defined as electromagnetic radiation with a wavelength between 100 and 405 nm. Within this interval there are three subintervals that are very important to take into consideration: UVA, UVB and UVC.

According to CIE 1984, CIE 1987:

• UVA light has a wavelength from 315 to 400 nm
• UVB wavelength is from 280 to 315 nm
• UVC wavelength is from 100 to 280 nm

Il tempo necessario agli UV per uccidere batteri o virus dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione. La radiazione UVC richiederà il tempo più breve, pochi secondi, mentre gli UVA con la stessa irradiazione disinfetteranno in minuti o ore.

Purtroppo esiste una relazione diretta tra la rapidità del processo di sterilizzazione o disinfezione e il pericolo per la salute umana. Secondo gli standard internazionali di sicurezza, come la direttiva UE-2006-25-CE, la radiazione UV è la più pericolosa, con un'esposizione massima (a seconda della lunghezza d'onda e dell'energia) di pochi secondi.

La disinfezione con UVC è attualmente la più utilizzata, anche nei costosi robot. Per questo motivo la diffusione delle lampade UVC è limitata, essendo limitata a un uso strettamente controllato e professionale.

Lampade UVC germicida spiegato

Le lampade UV che uccidono virus e batteri sono chiamate lampade UV germicida.

Oggi sul mercato i tipi più comuni di Lampade UV germicida sono lampade Hg con radiazione UVC.

I tubi fluorescenti sono disponibili anche con luce UV, sono indicati come "luci nere", ma hanno altre applicazioni come la medicina legale, luce decorativa o "bug zapper", a seconda del picco di lunghezza d'onda. Alcuni modelli di lampade Hg hanno lo stesso formato dei tubi fluorescenti T8, il che può portare a confusione sul tipo di lampada.

La maggior parte delle lampade Hg sono lampade a vapori di mercurio (Hg) a bassa e media pressione ed emettono radiazioni UVC con un picco a 254 nm. Possono raggiungere alte efficienze di conversione, fino al 40%, dalla potenza elettrica in ingresso alla radiazione UV in uscita. Tuttavia, queste lampade sono limitate nella loro densità di potenza (massimo UV w/m²) e il loro alloggiamento è fatto di silice fusa (quarzo), un must per la necessaria trasmissione UV e la resistenza alle alte temperature di funzionamento.

Poiché la radiazione UVC è assorbita e dannosa per molti materiali, tra cui la plastica, queste lampade sono sempre utilizzate senza alcuna custodia di protezione, rendendole suscettibili di rotture che possono portare alla contaminazione da mercurio.

La radiazione UV del nostro sole è anche bloccata dall'atmosfera, quindi nessun organismo vivente, comprese le persone, ha protezione da essa. È pericolosa per i virus come per gli esseri umani, quindi le lampade con radiazioni UVC devono essere utilizzate con grande attenzione. Piccole dosi possono danneggiare la pelle o gli occhi.

Tutte le lampade Hg hanno anche un ampio spettro, con picchi da 185 nm a 546 nm che le rende ancora più pericolose per le persone, il che limita ancora di più l'applicazione medica. La loro radiazione viene emessa in tutte le direzioni e non può essere facilmente focalizzata con un riflettore.

Diodi emettitori di luce UVC sono costruiti per avere spettri di emissione stretti, come 265nm, 280nm (vedi sopra), 365nm o 385 nm. Molti nuovi approcci alla disinfezione con la luce sono possibili.

Il corpo principale dei UV-LED consiste nei composti semiconduttori GaN, InN e AlN e nei loro cristalli misti. Quando la corrente elettrica a bassa tensione passa attraverso sequenze di strati appositamente drogati di questi semiconduttori, viene parzialmente convertita direttamente in radiazione UV.

Con tale design, i LED UV sono compatti e resistenti agli urti. Non hanno calore nel loro fascio UV e molto poco nel complesso, quindi possono essere costruiti array ad alta densità. Poiché un LED ha un angolo di visione standard di soli 120 gradi, molta più radiazione UV può essere diretta su una superficie.

Queste importanti differenze rispetto alle lampade germicide Hg permettono di progettare i LED UVC in dispositivi di disinfezione che sono efficaci, sicuri, facili da usare e convenienti.

L'efficacia della sterilizzazione o della disinfezione con la luce UVC dipende dall esposizione, tempo, lunghezza d'onda e irradianza⁶.

• Exposure or fluence (sometimes called dose) is measured in mJ/cm² (where 1 mJ/cm² = 10 J/m².)
• Exposure time is measured in seconds (s), minutes (m) or hours (h)
• Irradiance is the flux of radiant energy per unit area, in other words how much of the UV radiation power (measured in W = 1000 “miliwatts” mW = 1.000.000,00 “microwatts” μW ) reaches the surface. Irradiance is measured in mW/cm² or W/m² (1 mW/cm² = 10 W/m²) and is dependent on the radiant power, distance and dispersion of the radiation emitted by the lamp source.

Studi che mostrano l'efficacia della luce UVC nella disinfezione o sterilizzazione presentano nei loro risultati l'inattivazione di virus o batteri per una data Esposizione in una quantità di tempo, per una data lunghezza d'onda UV.

L'Esposizione (fluenza o dose UV in mJ/cm²) si ottiene moltiplicando l'Irradianza (tasso di fluenza in mW/cm²") per il tempo di esposizione in secondi. Ad esempio, per un UV con un'irradiazione di 3 W/m² l'esposizione per un'ora è di 10800 J/m².

Azione germicida dell'UVC 200-280 nm per una rapida disinfezione e uso professionale

Esistono molti studi ^1,3,4,5 sull'efficacia dell'impiego di lampade UVC per la disinfezione o la sterilizzazione, sia con lampade Hg che con LED. Per esempio, i risultati di uno studio di questo tipo si trovano qui sotto:

Come spiegato, la dose dipende dall'irraggiamento e dal tempo.

Esempio: per una dose di 100 mJ/cm² in un periodo di 5 secondi è necessario un 100 / 5 = 20 mW/cm² irradianza. Se l'irradiazione è maggiore, la dose richiesta di 100 mJ/cm² viene raggiunta in meno tempo: a 200 mW/cm² il tempo è solo mezzo secondo, mentre per 4 mW/cm² è 25 secondi.

Dall'analisi di una compilazione di 431 studi una fluenza di 20 mj/cm² può raggiungere il 90% di disinfezione per la maggior parte dei virus, batteri e altro, come rilevato nell'articolo a questo link.

La ricerca mostra chiaramente che le lampade UVC in un ambiente ospedaliero potrebbero disinfettare rapidamente le superfici, anche in pochi secondi.

Con la recente epidemia di COVID-19 le lampade UVC sono state utilizzate in molti ospedali. In Cina, l'ultima linea guida sulla diagnosi e il trattamento del nuovo coronavirus rilasciata dalla Commissione Nazionale della Sanità raccomanda un irraggiamento di 1,5 watt per metro cubo per eliminare efficacemente il virus. Una lampada UVC con questa intensità può disinfettare gli oggetti entro un metro per almeno mezz'ora.

Gli studi sono la scienza dietro l'uso delle lampade UV per la sterilizzazione o la disinfezione. Sono la ragione per cui le lampade UVC sono usate nel modo in cui sono, con emissioni potenti e brevi in stanze d'ospedale vuote.

Similmente, la ricerca presentata in questo articolo porterà avanti la  disinfezione con LED UVA.

Azione germicida degli UVA 365-380 nm per una diffusa disinfezione a prezzi accessibili

Con lo sviluppo dei primi LED UVA negli anni 2000, hanno iniziato a comparire studi sull'efficienza dei 365 nm nella disinfezione e sterilizzazione. Essi sono la radice del concetto di disinfezione continua con una sintesi dei risultati per diversi di questi studi presentati qui di seguito.

1. Il primo è stato uno studio del 2007 dal Giappone, che ha trovato che ci sono effetti germicidi completi per E. coli e Vibrio parahaemolyticus con l'esposizione ad un UV-LED 365nm per un tempo di 30 minuti e 10 minuti, rispettivamente. La conclusione è arrivata da esperimenti fatti con 8 LED UVA Nichia NCCU033(T) UV con una potenza radiante di soli 100mW ciascuno.

2. Lo studio è stato seguito dalla ricerca⁸ sulla sterilizzazione dell'acqua, con gli stessi 8 LEDs Nichia UVA LEDs NCCU033(T) di 100 mW. Tutti i batteri, Vibrio parahaemo-lyticus, Staphylococcus aureus, Salmonella enteritidis, trovati in acqua sono stati debellati al 100% in meno di 60 minuti.

3. Le prove sono aumentate con uno studio⁹ del 2010. Utilizzando un Nichia NCSU033A(T) 365nm UV-LED con 250mW da una distanza di 2 cm i ricercatori hanno concluso che il 90% di C. albicans ed E.coli è effettivamente inattivato in meno di 5 minuti. In 60 minuti nessuna traccia di questi batteri è stata trovata (>99% tasso di uccisione).

4. La sterilizzazione superficiale (>99,9% kill rate) in meno di 30 minuti è stata confermata in un altro studio del 2010¹⁰ con 4 x Nichia NCSU033A(T) 365nm UVA LEDs con una potenza radiante di 250mW ciascuno (1000mW). Dopo soli 5 minuti, il 90% dei microrganismi (Candida albicans ed Escherichia coli) sono spariti.

5. In uno studio molto interessante 11 del 2012, una combinazione di lunghezze d'onda di un LED UVA da 365 nm, 10 mW e un LED UVC da 280 nm, 1,69 mW, entrambi della Seoul Semiconductor hanno disinfettato con successo 500 ml di acqua di scarico in meno di 60 minuti. Lo studio è stato condotto su batteri mesofili e enterococchi fecali.

Questi studi e altri dimostrano che le radiazioni UVA possono anche uccidere il 99% di tutti i batteri o virus (incluso COVID-19) con la condizione di esposizione o fluenza più lunga rispetto alla radiazione UVC.

Tutti gli studi di cui sopra dal 2007-2012 sono stati condotti con LED UVA che irradiano la superficie del test o il liquido da brevi distanze a causa della limitata potenza UV dei LED disponibili al momento della ricerca.

Nel 2021 la potenza dei LED UVA è aumentata esponenzialmente e l'applicazione pratica dei risultati è ora possibile:

• NCSU033C LED di Nichia ha una potenza radiante di 750mW a 365nm per 6.8x6.8mm di dimensione
• Nichia NVSU233B ha 1450mW
• Nichia NVSU333B ha 4900 mW.

Con le loro piccole dimensioni, i LED UVA possono essere collocati in modulo lineare, come la PowerBar NVSU233B con più di 12000 mW di potenza radiante UV per soli 28 cm di lunghezza.  A tale livello di potenza di radiazione con spettro stretto, combinato con la precisione della tecnologia ottica e facile da controllare tramite limitazione di corrente la nuova applicazione di disinfezione continua è pratica e può diventare diffusa.

Anche i LED UV hanno visto progressi, con una potenza radiante tipica a 50-100 mW, da LED come Nichia NCSU334A (55 mW tipico a 350mA). Tuttavia, hanno ancora una potenza radiante troppo bassa per la disinfezione delle stanze o anche delle superfici di lavoro. Possibili applicazioni per i LED UVC sono i dispositivi UV spotlight per la disinfezione a breve distanza o in apparecchi in combinazione con i LED UVA.

Disinfezione continua con LED UVA da 365nm

L'idea della disinfezione continua deriva dal fatto scientifico che le radiazioni a livello sicuro per le persone possono ancora uccidere virus e batteri.

Secondo lo standard IEC 62471:2006, "Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems" che fornisce soglie di sicurezza per i raggi UV vicini (UV-A; 315-400 nm) e lontani (attinici; 200-400 nm), l'esposizione ai raggi UV vicini, compresi i 365 nm, sulla pelle o sugli occhi è sicura per un periodo fino a 8 ore se l'irraggiamento è limitato a 10 W/m2. Per gli UV lontani, il limite di irraggiamento attinico ponderato sicuro è solo 0,001 W/m2, sempre per 8 ore.

La disinfezione continua con 3 W/m² di irraggiamento da 365nm UVA LED si è dimostrata efficace, sicura e facile da implementare in uno studio del 2019¹² pubblicato sulla rivista accademica statunitense Lighting Research & Technology. La ricerca ha rilevato che l'esposizione a 365nm UVA di soli 3W/m² di radiazione UVA all'altezza del luogo di lavoro per 8 ore al giorno è sicura per gli esseri umani, ma ucciderà gli agenti patogeni.

I LED UVA sono stati installati in apparecchi a soffitto, nelle stanze dei pazienti del Memorial Beacon Children's Hospital di South Bend, Indiana, USA, e hanno funzionato per 8 ore al giorno con un'irraggiamento di 3W/ m² all'altezza del posto di lavoro. La luce UVA era diretta verso le aree del lavello e dei contatori, dove esiste il più alto rischio di infezione.

In queste aree è stata testata l'efficacia della disinfezione continua. I risultati mostrano una riduzione fino al 98% degli agenti patogeni come lo Staphylococcus aureus e l'Escherichia coli.

Uno studio di follow-up in un'edizione 2020 dell'American Journal of Infection Control¹³ ha rilevato risultati simili di riduzione da 3W/ m² di irraggiamento sulle presenze di agenti patogeni come lo Staphylococcus aureus meticillino-resistente (MRSA), Candia auris, il batteriofago virus avvolto Phi X174(ATCC 13706-B1) e il batteriofago virus non avvolto MS-2(ATCC 15597-B1).

Tali studi creano vaste possibilità di utilizzo dei LED UV per la disinfezione o la sterilizzazione. La disinfezione continua con meno di 10W/m2 con apparecchi LED UVC da 365nm, la disinfezione più veloce con quantità più elevate ma controllate di LED UVC o UVA, o una combinazione di entrambi sono solo alcune delle possibilità. Si dovrebbero inoltre effettuare ulteriori ricerche sugli effetti sugli agenti patogeni affinché questo metodo diventi una pratica medica standard, raccomandata e raccomandata.

Disinfezione continua con LED viola quasi UVA 405nm

Il progresso tecnologico della tecnologia LED nell'ultimo decennio è in realtà superiore per il bianco e i colori dello spettro visibile, compreso il colore viola quasi UVA di 405nm. Con il mercato dei LED con luce visibile molto più grande, i loro prezzi sono notevolmente più bassi rispetto ai LED UVA o UVC.

Anche gli apparecchi a disinfezione continua con LED viola da 405nm sono efficaci, facili da implementare e sono stati studiati prima. Uno dei primi studi, come descritto in dettaglio nell'American Journal of Infection Control¹⁴ , si è svolto tra l'ottobre 2015 e l'ottobre 2017 presso il Maury Regional Health Center, un ospedale regionale con 255 posti letto a Columbia, Tennessee, USA.
Un sistema di illuminazione a soffitto di 2 ft x 4 ft con LED UV viola da 405nm è stato installato in due sale operatorie (OR), con un livello di irraggiamento di 5-6 W/m² (da 0,498 mW/cm² a 0,558 mW/cm²) a livello del posto di lavoro¹⁵.

Lo studio si è concentrato sulla misurazione delle infezioni nelle due sale operatorie tra il periodo precedente, quando la pulizia manuale è stata utilizzata fino al periodo attuale, con disinfezione aumentata con il sistema a luce violetta a 405 nm.

Mentre la luce viola è molto più sicura dei raggi UVA, è la luce visibile che influisce sul colore rosso dell'impianto di illuminazione, quindi i LED viola funzionano solo quando i locali non sono in uso.

Alla fine dello studio, è stata scoperta una riduzione statisticamente significativa, con solo 3 infezioni rispetto alle 12 infezioni previste che risultavano da una previsione basata sul periodo precedente. La conclusione è stata che sono state evitate 9 potenziali infezioni. I risultati erano così promettenti che i sistemi di illuminazione con LED viola per la disinfezione continua sono già installati nelle sale operatorie di oltre 20 ospedali negli USA¹⁶.

Riferimenti (inglese):

1. Far-UVC light: A new tool to control the spread of airborne-mediated microbial diseases: https://www.nature.com/articles/s41598-018-21058-w
2. News article Coronavirus: Robots use light beams to zap hospital viruses https://www.bbc.com/news/business-51914722
3. Predicted Inactivation of Viruses of Relevance to Biodefense by Solar Radiation https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14631830
4. Stability of SARS coronavirus in human specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1280232/
5. Inactivation of Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) in plasma products using a riboflavin-based and ultraviolet light-based photochemical treatment. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27805261
6. UV Faq: http://www.iuva.org/UV-FAQs
7. Sterilization Using 365 nm UV-LED https://www.semanticscholar.org/paper/Sterilization-Using-365-nm-UV-LED-Yagi-Mori/ee8484bf684b2077358508df00e9a42289f9f09f
8. New water disinfection system using UVA light-emitting diodes https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/j.1365-2672.2007.03464.x
9. Development of a new water sterilization device with a 365 nm UV-LED https://www.researchgate.net/publication/5867444_Development_of_a_new_water_sterilization_device_with_a_365_nm_UV-LED
10. Enhanced germicidal effects of pulsed UV-LED irradiation on biofilm https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/j.1365-2672.2010.04850.x
11. Effect of coupled UV-A and UV-C LEDs on both microbiological and chemical pollution of urban wastewaters https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02069416/file/CHE%20HAL%202%20OK.pdf
12. An assessment of a hybrid lighting system that employs ultraviolet-A for mitigating healthcare-associated infections in a newborn intensive care unit https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1477153520904107
13. American Journal of Infection Control Efficacy of an ultraviolet-A lighting system for continuous decontamination of health care−associated pathogens on surfaces https://www.ajicjournal.org/article/S0196-6553(19)30746-1/pdf
14. Influence of a visible-light continuous environmental disinfection system on microbial contamination and surgical site infections in an orthopedic operating room https://www.ajicjournal.org/article/S0196-6553(18)31146-5/pdf
15. Shining a light on continuous disinfection: https://indigo-clean.com/assets/pdfs/Shining-a-Light-on-Continuous-Disinfection_CRTM_June-2018.pdf
16. Website of manufacturer of violet light continuous disinfection system https://indigo-clean.com/who-is-using-it.php

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