深{0}}紫外線 222nm 固体-レーザーの実験 3 - ブログ

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左軸は 457nm レーザーの平均パワーを mW (200 ～ 700) で表し、右軸はパルス幅を ns (40 ～ 120) で表し、横軸は注入ポンプパワーを W (30 ～ 42) で表します。

1 つの曲線は f=15 kHz での平均パワーに対応し、約 650mW から約 350mW まで減少します。もう 1 つの曲線はパルス幅に対応し、約 50ns から約 110ns まで増加します。

左側はスポットダイアグラム、右側はビーム品質ダイアグラムです。

ビーム品質図では、横軸は伝播軸に沿った位置を mm (0 ～ 200) 単位で示し、縦軸はスポット直径を mm (0 ～ 4) 単位で示します。「x 水平」と「y 垂直」というラベルが付けられた 2 つの曲線があり、My²=1.32 と Mx²=1.15. があります。曲線は最初に減少し、次に増加します。最小値は約 100 mm、スポット直径は約 0.5 mm です。

前述の 457nm パルスレーザーの実験から、ポンプスポット半径が約 200μm、L1、L2 が約 83mm、31mm、繰り返し周波数が 10kHz の場合に、最高のピークパワーを持つ 457nm パルスレーザー出力が得られます。この 457nm パルスレーザーは、BBO 結晶による周波数 2 倍化を通じて 222nm パルスレーザーを生成するための光源として使用されます。 222nmの連続出力を実現するための集光ミラーM3とBBO結晶の配置位置については、457nmのパルスレーザ出力と457nmのビーム品質が異なるため、集光ミラーM3とBBO結晶の配置位置を適切に調整する必要がある。これにより、457nm パルスレーザーが集束ミラー M3 を通過した後、そのレイリー長が BBO 結晶の長さと一致し、周波数 2 倍化効率が向上します。最終的に、最大平均パワー 35mW、パルス幅 36ns (検出器へのレーザーの直接入射によって測定) の 222nm パルスレーザー出力が達成されます。 UVC 222 nm LED や 222nm UVC ランプなどの市販オプションは幅広い用途に利用できますが、このソリッドステートシステムは正確なパルス出力を提供します。図 5.18 に紫外レーザーのスペクトルを示します。 222nmパルスレーザーの平均出力パワーは457nmパルスレーザーの注入パワーの増加とともに増加し、その変化関係を図5.19に示します。図 5.20 は、最高の平均出力パワーでの 222nm パルスレーザーのレーザースポット図です。

横軸は波長 (nm) (200 ～ 260)、縦軸は強度 (0 ～ 15000) です。ピークは222nm付近です。

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横軸は 457nm レーザーの注入パワー (mW (200 ～ 600)) で、縦軸は 222nm レーザーの平均パワー (mW (0 ～ 40)) です。曲線は約 5mW から約 35mW まで直線的に上昇します。

スポットは、正方形の輪郭を持つリング形状をしています。

222nmパルスレーザーの最大平均出力パワーが35mWの場合、レーザー出力パワーの安定性を測定します。図 5.21 に示すように、2 時間以内のレーザー出力安定性は 2% 以内です。

横軸は分単位の時間 (0 ～ 120)、縦軸は mW (0 ～ 50) 単位の 222nm レーザーの平均パワーです。カーブは基本的に安定しており、35mW 付近で変動しています。

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1903年、ニールス・フィンセンは紫外線が細菌を殺すことができることを発見し、ノーベル賞を受賞した。次の世紀にわたって、紫外線は物品、病棟、その他の公共の場所の消毒における消毒方法として広く使用されてきました。新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックが続く中、世界中の国々は空気中のウイルスを不活化する新しい方法を緊急に必要としています。光力学的滅菌および消毒には、光化学作用と光熱作用という 2 つの主な方法があります。

(1) 光化学作用細菌の遺伝情報である核酸（DNA/RNA）は、紫外線が照射されると多量に吸収されます。これにより、図 5.22 に示すように、体内でジアザベンゼンとジアザベンゼンの異性体が形成されます。この物質は細菌の代謝機能を妨害し、細菌が死ぬまで繁殖するのを防ぎます。この光化学作用は、従来の紫外線の主な消毒メカニズムです。しかし、カビや胞子微生物の場合、紫外線は緻密な細胞壁構造を透過することが難しいため、DNA は紫外線を吸収できず、これらの微生物の消毒効率は比較的低くなります。

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これは、紫外線照射下で二本鎖 DNA がチミン二量体を形成するプロセスを示しています。{0}

(2) 光熱作用パルス光の照射により細胞の表面温度が急激に上昇し、細菌の細胞壁が破壊され、細胞液が蒸発して細胞構造が完全に損傷され、死に至る可能性があります。光熱作用は、物質による光エネルギーの吸収によって引き起こされる温度上昇です。微生物に至近距離から強いパルス光が照射されると、微生物は短時間に多量の光エネルギーを吸収し、表面温度が急激に上昇し、表面構造が完全に破壊されて死滅します。光熱作用は全体のプロセスが非常に短いため、被照射物の内部の温度上昇が無く、基本的に栄養素に影響を与えません。光熱消毒メカニズムによれば、強力なパルス光はすべての微生物を効果的に殺すことができます。パルス紫外線は光化学作用と光熱作用を組み合わせて滅菌と消毒を行うため、理論上の消毒効率は単一の方法よりも高くなります。従来の滅菌用の紫外線光源は水銀灯です。しかし、水銀ランプが発する紫外線のピーク波長は 254nm で、人間の細胞や組織に有害であり、皮膚がん [4] や重度の場合は白内障を引き起こす可能性があります。過去 10 年間の研究により、200-230nm 帯の紫外線は、人間の細胞に害を与えることなく、細菌、空気中のインフルエンザウイルス、SARS{15}}CoV-2 などの病原体を不活化できることが示されています。国際的には、200-230nm 帯域の深紫外線は「遠-紫外線」と呼ばれ、多くの場合、遠紫外線 222nm システムを介して実装されます。 2022 年の北京冬季オリンピックでは、遠紫外線が「光ワクチン」と呼ばれ、殺菌と消毒に広く使用されました。{43}} 222 nm の UV ライトの販売をお探しの場合は、コンパクトな形状で同様の遠紫外線 222 nm の利点を提供する、uvc 222 nm LED モジュールまたは 222 nm uvc ランプ器具などのオプションがあります。滅菌用の一般的な 254nm 紫外線と比較すると、遠紫外線が人間の細胞に無害であるという生物物理学的原理は、タンパク質がこの帯域に吸収ピークを持っているためです。この実験では、図 5.23 に示すように、分光光度計を使用してタンパク質の吸収スペクトルを測定します。図 5.23 から、タンパク質は典型的な 254nm 帯域では光の吸収が非常に低いが、200-230nm 帯域では比較的高い吸収を示すことがわかります。遠紫外線は、人間の細胞よりもはるかに小さい微生物（細菌やウイルスの典型的な直径は 1μm と 0.1μm）[11]を通過できますが、典型的な人間の細胞の直径は 10 ～ 25μm の範囲です。遠紫外線はヒトの細胞質内のタンパク質に強く吸収され、ヒトの細胞核に到達する前に急激に減衰します[6]。たとえば、人間の皮膚の最外層は角質層で、死んだ無核ケラチノサイトで構成されています。角質層の主な機能は、その下の皮下組織を保護することです。図 5.24 に示すように、照射された遠紫外線の大部分は皮膚角質層の細胞質内のタンパク質に吸収され、皮膚角質層を透過してその下の重要な基底細胞またはメラノサイトに到達することができません。人間の目にとって、紫外線に敏感な組織は水晶体です。しかし、水晶体は角膜の奥にありますので、角膜の厚さは約500μmあります。したがって、遠紫外光の角膜から水晶体までの透過率は基本的にゼロになります。

横軸は波長 (nm) (200 ～ 300)、縦軸は吸収値 (0 ～ 3.0) です。曲線上には (222, 1.41)、(230, 1.25)、および (254, 0.168) の 3 つの点があります。吸収値は波長が長くなるにつれて減少します。

左側は皮膚の構造を示しており、遠紫外線が角質層で吸収されます。{0}右側は拡大した病原体を示しており、遠紫外線が透過して細菌やウイルスに作用します。-

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細菌の準備大腸菌は自然界に広く存在し、人間の公衆衛生における重要な病原体であり、腸内細菌科の中で最も薬剤耐性のある種の 1 つであり、紫外線消毒や環境衛生の研究でよく使用されます。{0}バチルスは食中毒の原因として人間と密接に関係しており、その胞子の耐熱性と耐酸性により、低温殺菌や通常の衛生手順では除去することができません。したがって、この実験で使用される細菌株は大腸菌とセレウス菌です。大腸菌およびバチルスは、それぞれ教育省熱帯島生態学重点研究室、海南師範大学から提供された大腸菌[Escherichia coli CMCC (B) 44102]、および海南師範大学環境微生物生態学研究所から提供されたBacillus thuringiensis亜種kurstaki HD-1である。大腸菌とバチルスは、35 度、5% CO2 のインキュベーターに置かれた栄養寒天培地で 24 時間培養されます。栄養寒天培地は Guangdong Huankai Microbial Technology Co., Ltd. によって提供され、その成分にはペプトン、牛肉エキス粉末、塩化ナトリウム、寒天が含まれており、最終 pH は 7.3 です。培養した細菌はスライドを作製して観察します。大腸菌を例に、スライドの作製手順を図 5.25 に、観察結果を図 5.26 に示します。

スライドの採取: スライドをアルコール溶液に保存し、取り出して熱風乾燥機で乾燥させます。

滅菌水の滴下: 非常に清潔な作業台の下で、細菌を希釈するためにスライド上に滅菌水を 1 滴（大きすぎないように）落とします。{0}}

サンプリング: 滅菌済みつまようじの平らな端を使用して、コロニーから細菌を静かに浸します。つまようじは再利用できません。

かき混ぜる: 細菌を時計回りにかき混ぜて、細菌が水滴中に完全かつ均一に分散されるようにします。

ベーキング: 処理したスライドを乾燥させて、スライド上にバクテリアを固定します。

染色: Coomassie Brilliant Blue 試薬 (有毒、手袋で操作) をスライド上に滴下し、その滴が細菌のプラークをちょうど覆うようにし、15 秒以上放置します。

すすぐ: 細菌のプラークが洗い流されないように、直接すすがないように注意しながら、ゆっくりとした水流で余分なクーマシーブリリアントブルー試薬を洗い流します。

観察：スライドを顕微鏡ステージに置き、細菌プラークに油を一滴滴下し、油浸レンズで観察します。

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「スライド撮影・乾燥」「滅菌水滴下」「サンプリング」「撹拌」「ベーキング」「染色」「リンス」「観察」の8ステップの画像処理が含まれます。

多数の桿菌が示されています。{0}

細菌の不活化の効果照射源は、この研究で開発された 222nm 全固体-パルス遠紫外レーザーで、スペクトル線幅は 0.1nm 未満です。実験作業全体はクリーンルームで行われます。実験器具は高圧滅菌器を使用して滅菌され、環境からの細菌汚染を避けるために、実験前に作業台に紫外線が1時間照射されます。{7}細菌懸濁液を入れた後、キュベットは密封され、懸濁液が外気と直接接触するのを避けます。自然死によって引き起こされる実験エラーを避けるために、実験の間中、細菌は栄養液の中にいます。特定の濃度の大腸菌およびバチルス懸濁液のサンプルを 1 ml 採取し、短波紫外線帯域で透過率の高いキュベットに入れます。-。レーザーをオンにし、レーザー出力とキュベットの配置位置を調整することにより、キュベット上の 222nm レーザーの放射照度は 0.1mW/cm2 になります。 0.1mW/cm² 222nm レーザーを使用して、大腸菌およびバチルス懸濁液サンプルを異なる照射時間で照射します。図 5.27 (a) は、大腸菌懸濁液を垂直に通過する 222nm レーザーを示しています。対照サンプルと照射サンプルをさらに 24 時間培養し、非照射細菌と照射細菌の分布を図 5.27 (b) および (c) に示します。栄養寒天平板計数法を使用して、対照群および放射線照射後の大腸菌の細菌数を測定します。実験データの精度を高めるために、各サンプルは同じ照射線量で 3 回繰り返し、平均値が取られます。

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(a) 照射下の大腸菌懸濁液。

(b) 照射 0 秒、10 秒、および 20 秒後の大腸菌の分布。プレート上のコロニー数は照射時間が増加するにつれて減少します。

テスト結果を表 5.1 に示します。 222nm レーザーを大腸菌懸濁液に 10 秒間 (1mJ/cm2) 照射すると、不活化率は 90.7% になります。 15秒間(1.5mJ/cm2)、不活化率は96.9%です。 20秒間（2mJ/cm2）では、不活化率は100%にも達します。 222nm レーザーをバチルス懸濁液に 30 秒間 (3mJ/cm2) 照射すると、不活化率は 88.4% になります。 45 秒間 (4.5mJ/cm2)、不活化率は 98.6% と高くなります。 60 秒 (6mJ/cm2) では、不活化率は 100% にも達します。この実験研究は、2mJ/cm2と6mJ/cm2の線量での遠-紫外222nmパルスレーザーの照射により、それぞれ大腸菌と桿菌を効果的に不活化できることを示しています。この実験や他の文献報告からわかるように、紫外光によるバチルス属菌の失活には、大腸菌に比べて照射線量が多く必要である。その理由は、紫外線による細菌やウイルスの不活化に必要な照射線量は、主に微生物の大きさ、細胞膜（壁）の厚さ、核酸の構造（一本鎖か二本鎖）などの要因に関係しているためです。一般に、微生物のサイズが大きく、細胞膜が厚いほど、より多くの照射線量が必要となります。二本鎖構造を持つ微生物は一本鎖構造を持つ微生物よりも強い修復能力を持っているため、より多くの照射線量も必要となります。-バチルス属と大腸菌はどちらも-二本鎖構造を持っていますが、バチルス属の大きさと細胞壁の厚さはそれぞれ(1.0~1.2)nm×(3.0~5.0)nmと20~80nmであるのに対し、大腸菌は(0.5~0.8)nm×(1.0~3.0)nmと11nmしかありません。そのため、バチルス属菌を不活化するために必要な紫外線照射量は大腸菌に比べて多くなります。