Ultraschnelle Inaktivierung von SARS | Hebei Laser Marking Co., Ltd

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18640 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Durch die Desinfektion werden pathogene Mikroorganismen beseitigt und eine biologisch sichere Umgebung für den Menschen gewährleistet. Die schnelle Ausbreitung von COVID-19 stellt herkömmliche Desinfektionsmethoden in Bezug auf die Reduzierung schädlicher Nebenwirkungen und die Durchführung schnellerer Prozesse vor Herausforderungen. Das Versprühen großflächiger chemischer Desinfektionsmittel ist schädlich für Mensch und Umwelt, während die Desinfektion mit UV-Lampen und Leuchtdioden (LED) aufgrund der geringen Bestrahlungsstärke und der stark divergierenden Strahlcharakteristik immer noch eine lange Einwirkzeit erfordert. Da ein Laser über große Entfernungen eine hohe Bestrahlungsstärke aufrechterhält, haben wir die Wirksamkeit von Lasern als neue Desinfektionsmethode untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeit zur ultraschnellen Inaktivierung des SARS-CoV-2-Virus mit einem 266-nm-Laser. Diese Arbeit bestätigt, dass UV-Laser gute Kandidaten für die Desinfektion sind.

Das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 ist für eine weltweit verbreitete Pandemie einer schweren Atemwegserkrankung verantwortlich. Bis zum 5. März 2022 gab es über 440 Millionen bestätigte COVID-19-Fälle und mehr als 5,9 Millionen gemeldete Todesfälle1. Obwohl Impfstoffe und Medikamente weit verbreitet und erfolgreich gegen COVID-19 entwickelt wurden, breitet sich die Pandemie immer noch wie ein Lauffeuer aus. Die Menschen haben erkannt, dass bei einer pandemischen Krankheit wie COVID-19 die Unterbrechung der Übertragungskette immer noch die wirksamste Lösung2 ist.

Der Hauptübertragungsweg von SARS-CoV-2 erfolgt über Aerosole3 oder durch Kontakt4. Es wurde berichtet, dass SARS-CoV-2-Partikel bis zu 3 Stunden in Aerosolen nachweisbar sind5. Daher ist die Übertragung von Aerosolen aus nächster Nähe zwischen Menschen und dem Luftaustausch-Aerosol des Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystems (HLK) zwischen Räumen gefährlich im Hinblick auf die Ausbreitung des Virus6,7,8,9,10. Einige Forschungsgruppen und Institutionen glauben, dass die Aerosolübertragung als Hauptweg für die COVID-19-Pandemie anerkannt wird, was in Forschungsstudien3 und Erklärungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO)11 gezeigt wurde.

Herkömmliche chemische Methoden sind in solchen Aerosolszenarien nicht anwendbar, da die Chemikalien in der Luft entweder giftig oder entflammbar sind. Medizinischer Alkohol eignet sich beispielsweise gut zur Desinfektion, aber massives Versprühen von Alkohol kann zu Bränden und Explosionen führen. Als weiteres Beispiel eignen sich Chemikalien wie Wasserstoffperoxid, Ozon und Bleichmittel auf Chlorbasis ebenfalls gut zur Desinfektion, sind jedoch giftig für den menschlichen Körper und sollten nicht zum massiven Versprühen in der Nähe von Menschen verwendet werden. Daher wird das Versprühen von Chemikalien zur Desinfektion der Luft in der Nähe von Menschen unter keinen Umständen empfohlen12.

Insbesondere für HVAC-Systeme sind keine bekannten Methoden schnell genug, um Aerosole bei Luftströmungsbedingungen mit hoher Geschwindigkeit zu desinfizieren. Am Beispiel einer zentralen Klimaanlage beträgt die Luftströmungsgeschwindigkeit typischerweise 20–30 m/s13. Um den Luftstrom zwischen Räumen in einer zentralen Klimaanlage zu desinfizieren, sollte die Desinfektion daher in < 1 s für einen 20 m langen Luftkanal, < 0,1 s für einen 2 m langen Luftkanal oder < 0,01 s für einen 0,2 m langen Luftkanal abgeschlossen sein m langer Luftkanal. Daher ist eine sichere (ohne giftige oder brennbare Chemikalien) und schnelle (schnell genug, um strömende Luft zu desinfizieren) Desinfektionsmethode erforderlich.

Strahlungsbasierte Inaktivierungsmethoden sind im Vergleich zu toxischen oder brennbaren Chemikalien sicher und eignen sich früheren Studien zufolge besser zur Inaktivierung von SARS-CoV-2 und verwandten Coronaviren. Unter allen strahlungsbasierten Inaktivierungsmethoden ist die ultraviolette keimtötende Bestrahlung (UVGI) die am umfassendsten getestete und am weitesten verbreitete Methode zur Inaktivierung von SARS-CoV-214. UV-Leuchtdioden (LEDs) und UV-Lampen sind die am häufigsten verwendeten Kandidaten für UV-Lichtquellen15. Allerdings haben beide einige Nachteile. Die LEDs haben eine sehr geringe Energieeffizienz; Daher erzeugen sie normalerweise viel Wärme und haben eine recht kurze praktische Lebensdauer. UV-LEDs und -Lampen können nach unserem besten Wissen nach verschiedenen Veröffentlichungen erst nach mindestens wenigen Sekunden eine Vireninaktivierung von > 99 % erreichen2,16,17,18,19. Dies liegt daran, dass das Licht von regulären inkohärenten Lichtquellen wie LEDs und Lampen beim Abstrahlen sehr divergent ist, was zu einer sehr geringen optischen Bestrahlungsstärke führt. Licht von kohärenten Lichtquellen wie Lasern kann sich ohne Divergenz ausbreiten, was zu einer höheren optischen Bestrahlungsstärke als bei herkömmlichen inkohärenten Lichtquellen führt. Dies deutet darauf hin, dass ein UV-Laser mit einer Wellenlänge um 260–270 nm ein guter Kandidat für eine sichere und schnelle Virendesinfektion sein kann. In diesem Manuskript führen wir ein SARS-CoV-2-Inaktivierungsexperiment mit hausgemachten 2-W-266-nm-Lasern durch, dessen Ergebnisse die ultraschnelle Leistung einer hochwirksamen SARS-CoV-2-Inaktivierung mit 266-nm-Lasern bestätigen.

Die Desinfektionsleistung folgt einem exponentiellen Abfallgesetz für die Single-Pass-Inaktivierungseffizienz20:

Dabei ist η die Inaktivierungseffizienz, k die UV-Geschwindigkeitskonstante (cm2/mJ), abhängig von der Virusart und der Wellenlänge, und D die UV-Expositionsdosis (mJ/cm2). Daher ist die Desinfektionsrate umso höher, je höher die UV-Bestrahlungsdosis ist. Die UV-Bestrahlungsdosis D ist das Produkt aus der optischen UV-Bestrahlungsstärke I (mW/cm2) und der Belichtungszeit t (s):

wobei die optische UV-Bestrahlungsstärke die optische Leistung pro Flächeneinheit ist. Somit ist die optische Bestrahlungsstärke proportional zur optischen Leistung dividiert durch die optische Strahlfläche. Dies bedeutet, dass die Bestrahlungsstärke drastisch ansteigen kann, wenn die Fläche des optischen Strahls bei gleichbleibender optischer Leistung stärker auf einen kleineren Bereich konzentriert wird, was unsere Aufmerksamkeit auf Laser lenkt.

Abbildung 1 zeigt die typische Bestrahlungsstärke in Bezug auf die Ausbreitungsentfernung für Laser, LEDs und Lampen. Beachten Sie, dass die schwarze strichpunktierte horizontale Linie in Abb. 1 den kritischen Bestrahlungswert von 16,9 mW/cm2 für die kritische effektive Dosis21 darstellt (in der Literatur gibt es mehrere solcher Werte und der Wert von 16,9 mJ/cm2 wird als Beispiel ausgewählt). Eine Einwirkungszeit von 1 s für die vollständige Inaktivierung von SARS-CoV-2.

Bestrahlungsstärke in Bezug auf die Ausbreitungsentfernung für (1) Laser bei einer Leistung von 2 W mit Strahltaille r = 1 mm und 5 mm, (2) LEDs bei einer Leistung von 200 W mit Spitzenwinkel θhalf = 45° und 60° und (3) Lampen mit einer Leistung von 200 W und einer Länge von L = 40 cm und 80 cm. Die schwarze strichpunktierte horizontale Linie entspricht der kritischen Dosis von 16,9 mJ/cm2 für die Inaktivierung von SARS-CoV-2 bei einer Expositionszeit von 1 s21.

Im Gegensatz zu LEDs und Lampen liefern Laser kohärentes Licht, das sich mit einer Gaußschen Wellenfront in radialer Richtung und einem Gaußschen Profil in axialer Richtung ausbreitet. Beispielsweise entsprechen für einen 266-nm-Laser mit hoher Strahlqualität Strahltaillenradien von 1 mm und 5 mm einer Rayleigh-Reichweite von etwa 10 m bzw. 250 m, und die Bestrahlungsstärke und Ausbreitung solcher Laserstrahlen sind in Abb. dargestellt. 1. Die Rayleigh-Reichweite ist ein Maß für die Entfernung, innerhalb derer ein Laser-Gauß-Strahl nahezu denselben Strahlradius beibehält. Daher kann sich ein Laserstrahl mit einem Taillenradius von 5 mm ohne Strahlaufweitung über mehrere hundert Meter ausbreiten, was sich stark von den im Alltag häufig verwendeten Lichtquellen wie LED-Lichtquellen und Lampen unterscheidet.

Im Gegensatz zur Laserausbreitung dehnt sich inkohärentes Licht, beispielsweise von LEDs und Lampen, während der Ausbreitung ständig aus, sodass die Bestrahlungsstärke umgekehrt proportional zum Quadrat der Ausbreitungsentfernung ist. Beispielsweise strahlen LED-Lichtquellen üblicherweise Licht in einer Kegelform aus, die üblicherweise durch den Kegelspitzenwinkel charakterisiert wird, und die typischen Werte sind θhalf = 45° und 60°. Normalerweise kann ein LED-Chip 2 mW bis 10 mW emittieren, sodass eine 200-W-LED-Lichtquelle aus vielen einzelnen LED-Chips besteht. Da wir die Bestrahlungsstärke berücksichtigen, während sich das Licht von der LED-Quelle weg ausbreitet, kann das LED-Array vereinfacht als eine Punktquelle mit gleichmäßiger Verteilung und einem konstanten Kegelspitzenwinkel dargestellt werden. Die Bestrahlungsstärke und Ausbreitung einer 200-W-LED-Lichtquelle mit θhalf = 45° und 60° sind in Abb. 1 dargestellt. Sehr intuitiv strahlt die Lampe Licht in alle Richtungen ab, was sich als Strahlung fast über einen Raumwinkel von 4π darstellen lässt. Um jedoch eine genauere Darstellung der Lampenbestrahlungsstärke entlang der Ausbreitungsrichtung zu erhalten, wenden wir das Keitz-Modell auf eine lange zylindrische Lampenbirne mit 200 W Leistung und einer Länge L = 40 cm und 80 cm22 an. Die Berechnungsergebnisse sind auch in Abb. 1 dargestellt.

Betrachtet man die schwarze quadratische gestrichelte Linie in Abb. 1 genau, die den 266-nm-Laserstrahl mit einem Taillenstrahlradius von 5 mm darstellt, so ist die Bestrahlungsstärke dieses Laserstrahls mehr als 100-mal höher als 16,9 mW/cm2 bei einem Ausbreitungsbereich von mehr als 200 M. Daher kann in diesem Ausbreitungsbereich von 200 m eine Belichtungszeit von weniger als 0,01 s die kritische effektive Dosis von 16,9 mJ/cm2 erreichen. Dies deutet darauf hin, dass mit 266-nm-Lasern eine ultraschnelle Inaktivierung von SARS-CoV-2 über einen langen Zeitraum erreicht werden kann.

SARS-CoV-2/Wuhan/WIV04/2019 (SARS-CoV-2 WIV04) und SARS-CoV-2/630–1 (SARS-CoV-2 Delta) wurden in unsere Experimente einbezogen, um die Wirksamkeit der Laserinaktivierung zu überprüfen. Das Sindbis-Virus (SINV) mit einer ähnlichen Molekülstruktur (ebenfalls ein umhülltes RNA-Virus), aber einer anderen Wirtszelle wurde verwendet, um zu bestätigen, dass die Umgebung die Empfindlichkeit des Virus gegenüber Laserbestrahlung beeinflussen kann. Das Pseudorabiesvirus (PRV) mit DNA als genetischem Material wurde zum Vergleich mit RNA-Viren herangezogen, da der Unterschied zwischen den Mechanismen zwischen DNA und RNA, die durch UV-Strahlung geschädigt werden, d RNA, es ist die Bildung von UU-Dimeren. Humanes Enterovirus 71 (EV71) und porcines Parvovirus (PPV) mit unbehüllter RNA/DNA wurden verwendet, um jegliche Wechselwirkungen zwischen der Virushülle und UV-Photonen zu testen, die die Virusempfindlichkeit beeinflussen könnten.

Zu den in den Experimenten verwendeten Zelllinien gehörten Vero E6-, BHK-, PK15-, ST- und RD-Zellen vom National Virus Resource Center des Wuhan Institute of Virology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, die in minimalem essentiellen Medium (MEM, Gibco™, Kat.-Nr.: 42360032), ergänzt mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS) (Gibco, 10099–141) und jeweils 100 U/ml Penicillin und Streptomycin (Gibco, 15140–122), bei 37 °C in einem 5 % CO2-Inkubator. Die in unseren Experimenten verwendeten Viren und Zellen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

SARS-CoV-2 WIV04 und SARS-CoV-2 delta wurden in Vero E6-Zellen vermehrt. Vero E6-Zellen wurden über Nacht in einer T-75-Zellkulturflasche ausgesät, und die Viren wurden mit einer Infektionsmultiplizität (MOI) = 0,1 in die Kultur eingeimpft, als die Zellen zu 80 % konfluent waren. Der infizierte Zellkulturkolben wurde zur Virusadsorption 1 Stunde lang in einen Inkubator mit 37 °C gestellt und durch das frische Medium aus MEM + 2 % FBS ersetzt. Überstände infizierter Zellen wurden zwei Tage später in einem 15-ml-Zentrifugenröhrchen gesammelt. Zellfragmente wurden nach 10-minütiger Zentrifugation bei 3000 U/min bei 4 °C verworfen und Viren gewonnen. Die erhaltenen Viren wurden abgetrennt und zur späteren Verwendung in einem Kühlschrank bei –80 °C eingefroren23.

Darüber hinaus wurde SINV in BHK-Zellen mit 0,01 MOI vermehrt, EV71 wurde in RD-Zellen mit 0,01 MOI vermehrt, PRV wurde in PK15-Zellen mit 0,1 MOI vermehrt und PPV wurde in ST-Zellen mit 0,1 MOI vermehrt und sie wurden nach 24 Stunden geerntet , 24 Stunden, 48 Stunden bzw. 72 Stunden. Die von ihnen suspendierten Medien waren immer noch MEM + 2 % FBS. Sie wurden auf die gleiche Weise wie SARS-CoV-2 geerntet. Alle Experimente mit SARS-CoV-2-Experimenten wurden in einem Labor der Biosicherheit 3 (P3) durchgeführt, und SINV-, PRV-, EV71- und PPV-Experimente wurden in einem Labor der Biosicherheit 2 (P2) durchgeführt. Alle Viren wurden vom National Virus Resource Center des Wuhan Institute of Virology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bezogen.

Vero E6-, BHK-, RD-, ST- und PK15-Zellen wurden über Nacht in Platten mit 6 Vertiefungen ausgesät. Die Zellbeimpfungsdichte betrug 104 pro Vertiefung. Es wurde ein Stamm der Viren entnommen, der im Kühlschrank bei −80 °C gelagert wurde. Nachdem das Virus aufgetaut war, wurde MEM + 2 % FBS verwendet, um eine zehnfache Gradientenverdünnung durchzuführen, mit insgesamt 9 Verdünnungen von 10–1 bis 10–9, und für jede Verdünnung wurden 6–8 Wiederholungen durchgeführt. Drei Tage nach der Inokulation wurde der zytopathische Effekt (CPE) bewertet und die Reed-Muench-Formel zur Berechnung der 50 %-igen Gewebekultur-Infektionsdosis (TCID50)24 verwendet. Der Titer des Virusinokulums begann bei ~ 6 Lg TCID50/0,1 ml25. Die Untergrenze des Titers lag bei 1 µg TCID50/0,1 ml (vollständig inaktiviert).

Es wurde ein selbstgebauter gepulster Laser mit einer Pulsbreite von 10 ps, einer Wiederholrate von 200 kHz und einer einstellbaren Leistungsabgabe verwendet. Der Durchmesser des Strahls beträgt ~ 5,16 mm an der Facette des Laserkopfes und die Strahldivergenz beträgt ~ 18 mrad. Die getestete Wellenlänge betrug 266 nm, was nahe am RNA-Absorptionsmaximum bei etwa 260 nm liegt15. Die Spektren des Lasers sind in Abb. 2 dargestellt, aufgenommen mit HR4000CG-UV-NIR (Ocean Optics).

Spektren des Lasers.

Ein Tropfen von 0,1 ml Virusinokulum wurde in eine definierte Vertiefung einer Platte mit 6 Vertiefungen gegeben. Anschließend wurde der Laserkopf ca. 10 cm über der virushaltigen Vertiefung positioniert. Die Punktgröße des Lasers betrug 0,785 cm2 oder 0,601 cm2 (wodurch die Oberfläche des Virus-Inokulum-Tröpfchens in der Vertiefung vollständig abgedeckt wurde). Nach der Exposition für die vorgesehene Zeit (gesteuert durch einen Laserverschluss, GCI-7102 M Daheng Optics Ltd.) wurde jedes Virusinokulum einer Virustitration unterzogen. Die Anzahl der in unseren Experimenten durchgeführten Wiederholungen beträgt drei.

Die UV-Geschwindigkeitskonstante k wird aus η = 1−e−kD angepasst, wobei die Inaktivierungseffizienz η der Prozentsatz der Titerabnahme und D die UV-Expositionsdosis ist. Die k-Werte werden anhand der ersten 2 Punkte für SARS-CoV-2 WIV04 und der ersten 3 Punkte für die anderen Viren entwickelt. Dies liegt daran, dass der Titer für die dritte Dosis von klein nach groß bei SARS-CoV-2 WIV04 die Untergrenze erreicht (1 Lg TCID50/0,1 ml), während dies bei den anderen Viren bei der 4. Dosis auftritt. Sobald k erhalten ist, kann die für die angegebene Inaktivierungseffizienz erforderliche Dosis, z. B. 90 %, 99 %, 99,9 % und 99,99 %, auch unter Verwendung von η = 1 − e − kD berechnet werden. Die für die angegebene Inaktivierungseffizienz erforderliche Zeit wird mit D = I∙t berechnet.

Die Absorptionen und Reflexionen der MEM-Medien und der 6-Well-Platte sind als Ergänzungsmaterial 1 enthalten. Der Prozentsatz der in MEM-Medien absorbierten Energie beträgt in unserer experimentellen Analyse 39,69 %. Die absorbierte Laserdosis Dabsorbed könnte wie folgt berechnet werden: Dabsorbed = 39,69 % verstrahlt, wobei verstrahlt die bestrahlte Laserdosis ist. Die UV-Ratenkonstante kabsorbed kann leicht berechnet werden als kabsorbed = kirradiated/39,69 %. Der Einfachheit halber haben wir auf die Umrechnung verzichtet und in der folgenden Analyse nur Dirradiated und Kirradiated als D und k verwendet.

Um die Wirksamkeit zu überprüfen und die speziesabhängige UV-Ratenkonstante zu berechnen, wurde die Inaktivierung der Viren mit einem 266-nm-Laser bei einer Reihe von Expositionszeiten getestet, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Rohdaten und die Berechnung der Inaktivierungsexperimente wurden als Ergänzung aufgenommen Material 2. Zunächst wird in Abb. 3a,b über die Inaktivierung des SARS-CoV-2 WIV04- und SARS-CoV-2-Deltavirus berichtet. Der gepulste 266-nm-Laser konnte nach 1 s eine Inaktivierung von ~ 99 % (entsprechend einer Abnahme von ~ 2 Lg TCID50/0,1 ml) und nach 5 s eine vollständige Inaktivierung (bis zu 1 Lg TCID50/0,1 ml) erreichen. Dies ist unser erster Schritt, um die Gültigkeit des Laseransatzes zu bestätigen. Zweitens wurde SINV verwendet, um die Wirksamkeit für Nicht-SARS-CoV-2-Viren zu überprüfen, wie in Abb. 3c dargestellt. SINV ist ein ca. 70 nm großes, einzelsträngiges, umhülltes RNA-Virus mit einem Genom von 11,7 kb, was mit SARS-CoV-2 (100–150 nm großes, einzelsträngiges, umhülltes RNA-Virus, 27–32 kb Genom) vergleichbar ist. Der gepulste 266-nm-Laser konnte nach 1 s eine Inaktivierung von ~ 99 % und nach 10 s eine vollständige Inaktivierung erreichen. Schließlich wurde der Virustyp in den Verifizierungsexperimenten auf DNA-umhüllt (PRV), RNA-umhüllt (EV71) und DNA-unumhüllt (PPV) erweitert. Die Ergebnisse zeigten, dass für alle vier dieser Viren nach 1 s Bestrahlung eine Inaktivierung von etwa 99 % und nach 10 s eine vollständige Inaktivierung erreicht wurde, wie in Abb. 3d – f dargestellt. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass alle sechs getesteten Viren sehr anfällig für gepulste 266-nm-UV-Laserbestrahlung sind.

Titer des Virus-Inokulums im Verhältnis zur Bestrahlungsdosis. Die Virus-Inokulumproben wurden mit einem 266-nm-Laser in einer Reihe von Belichtungszeiten bestrahlt und anschließend wurde eine Titeranalyse durch Virustitration durchgeführt. (a) SARS-CoV-2 WIV04-Virus, (b) SARS-CoV-2-Deltavirus, (c) SINV, (d) PRV, (e) EV71 und (f) PPV.

Um die Anwendbarkeit dieser Methode in der Praxis zu implizieren, wurden die UV-Ratenkonstanten, Dosen und Belichtungszeiten zum Erreichen verschiedener Reduktionsgrade berechnet, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die UV-Ratenkonstante ist der Kernparameter bei der Gestaltung von Desinfektionssystemen. Die mikrobielle Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht wird anhand der UV-Geschwindigkeitskonstante k bewertet, die die Inaktivierungseffizienz mit der UV-Dosis korreliert. Jede Art von Virus entspricht einem bestimmten k. Hohe Werte der Geschwindigkeitskonstante bedeuten, dass eine geringere Dosis für eine bestimmte Inaktivierungseffizienz erforderlich ist und umgekehrt. Die zur Erzielung unterschiedlicher Reduktionsgrade erforderlichen Dosen waren vergleichbar mit denen, die in verschiedenen Veröffentlichungen unter Verwendung von UV-Lampen und LEDs erhalten wurden16,21,26,27,28. Dies weist auf die Anfälligkeit von SARS-CoV-2 und anderen Viren gegenüber dem gepulsten 266-nm-Laser hin. Ein gepulster 266-nm-Laser mit hoher Bestrahlungsstärke (normalerweise 2 bis 3 Größenordnungen höher als die Bestrahlungsstärke von UV-Lampen und LEDs) könnte eine vielversprechende Strategie für die Hochgeschwindigkeitsdesinfektion sein.

Durch eine einfaktorielle ANOVA mit Tukeys Nachtest der k-Werte haben wir festgestellt, dass es einen statistisch signifikanten Unterschied (P < 0,0001) zwischen den sechs Virusarten gibt. Insbesondere sind die k-Werte von SARS-CoV-2 WIV04 (Adj. P < 0,0001 für alle Vergleiche) und SARS-CoV-2 Delta (Adj. P < 0,00153 für alle Vergleiche) deutlich höher als die in SINV, PRV, EV71 bzw. PPV. Insbesondere der SARS-CoV-2 WIV04 wies deutlich höhere k-Werte auf als der SARS-CoV-2 Delta (Adj. P < 0,0001). Es wurde gezeigt, dass SARS-CoV-2 unter den sechs Virusarten eine bessere Inaktivierungsempfindlichkeit durch 266-nm-Laser aufwies, während SARS-CoV-2 WIV04 am besten abschnitt. Es gab keine signifikanten Unterschiede (Adj. P > 0,06846 für alle Vergleiche) bei den k-Werten zwischen der SINV-, PRV-, EV71- und PPV-Gruppe, was auf eine nahe 266-nm-Laserinaktivierungsempfindlichkeit zwischen ihnen hinweist. Bei der einfaktoriellen ANOVA gab es keinen signifikanten Unterschied (P = 0,13951) zwischen DNA- und RNA-Virus. Auch bei der einfaktoriellen ANOVA gab es keinen signifikanten Unterschied (P = 0,16562) zwischen umhülltem und nicht umhülltem Virus.

Erstens haben wir basierend auf Berechnungen und einem Vergleich zwischen Lasern, LEDs und Lampen vorgeschlagen, dass ein 266-nm-Laser ein guter Kandidat für eine sichere und schnelle Virendesinfektion sein kann. Als nächstes haben wir durch Experimente die ultraschnelle Leistung und hohe Wirksamkeit der gepulsten 266-nm-Laserinaktivierung des SARS-CoV-2-Virus gezeigt. Der gepulste 266-nm-Laser konnte bei einer Belichtungszeit von 1 s eine Inaktivierung von ~ 99 % für SARS-CoV-2 WIV04 und SARS-CoV-2-Deltavirus erreichen. SINV (mit RNA umhüllt), PRV (mit DNA umhüllt), EV71 (mit RNA nicht umhüllt) und PPV (mit DNA nicht umhüllt) sind ebenfalls sehr anfällig für gepulste 266-nm-UV-Laserbestrahlung, was auf eine universelle Wirkung der UV-Laser-Desinfektion hinweist. Die ultraschnelle Inaktivierung von SARS-CoV-2 und anderen Viren ist auf die hohe Bestrahlungsstärke des Lasers im Vergleich zu Lampen und LEDs zurückzuführen. Abschließend wurden die UV-Ratenkonstanten, Dosen und Belichtungszeiten zur Erzielung verschiedener Reduktionsgrade berechnet und können als Kernparameter bei der Gestaltung zukünftiger Desinfektionssysteme oder anderen Anwendungen verwendet werden. Diese Arbeit weist auf eine vielversprechende Aussicht hin, dass die 266-nm-Laserinaktivierung schnell genug ist, um strömende Luft in einem einzigen Durchgang zu desinfizieren. Weitere Verifizierungsexperimente wie Aerosoldesinfektion und Kammertests sollten durchgeführt werden. Die Impulsdauer und die Wiederholungsrate können die Inaktivierungseffizienz beeinflussen und einen Unterschied im Inaktivierungsmechanismus bewirken, der in Zukunft untersucht werden sollte.

Um Laser als praktische ultraschnelle Desinfektionsmethode weiterzuentwickeln und sie auf reale HVAC-Systeme anzuwenden, bleibt die kleine Fläche eines Laserstrahls (was zu kleinen Desinfektionsbereichen oder -volumina führt) eine der Hauptbeschränkungen (das andere Hauptproblem sind die Kosten). . Die Lösung sollte in der Aufweitung und Formung des Laserstrahls liegen. Der Preis dafür ist die starke Abnahme der Bestrahlungsstärke (umgekehrt proportional zum Quadrat des Spotradius). Um den Rückgang der Bestrahlungsstärke auszugleichen, sollte die Leistung des Lasers erhöht werden (was das Kostenproblem weiter verschärfen wird). Daher ist die Erzeugung einer laseraktiven Zone, die dem vorgesehenen Desinfektionsvolumen und der vorgesehenen Desinfektionsdosis entspricht, zu angemessenen Kosten der Schlüssel zum Erfolg bei der Entwicklung eines Lasers als praktische Desinfektionsmethode. Die notwendigen Maßnahmen sind eine optimale Gestaltung der Strahlformung zur Erzielung einer großen aktiven Fläche, ein minimaler Leistungsverlust bei der Auswahl optischer Komponenten und eine Reduzierung der Laserkosten pro Watt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten. Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China [Grant No. 81927805] unterstützt; das Wissenschafts- und Technologieplanungsprojekt der Provinz Guangdong [Grant No. 2018B090944001]; und das Guangdong-Großprojekt für Grundlagenforschung und angewandte Grundlagenforschung [Grant No. 2019B030302003]. Wir möchten allen Teammitgliedern des National Virus Resource Center danken.

Das State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei, China

Kexiong Sun, Han Wu, Xinyu Shao und Xiuquan Ma

GZ Photonics Technology Co., Ltd., Dongguan, Guangdong, China

Gang Niu

Staatliches Schlüssellabor für Virologie und Nationales Virusressourcenzentrum, Wuhan-Institut für Virologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Wuhan, Hubei, China

Yanfang Zhang, Juan Yang & Danna Zhang

Optics Valley Laboratory, Wuhan, Hubei, China

Xiuquan Ma

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KS und GN haben den Laser entwickelt. YZJY und DZ führten die Experimente durch. HW organisierte das Projekt und analysierte die Ergebnisse. XS hat das Team gegründet. XM entwickelte die ursprüngliche Idee.

Korrespondenz mit Han Wu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, K., Niu, G., Zhang, Y. et al. Ultraschnelle Inaktivierung von SARS-CoV-2 mit 266-nm-Lasern. Sci Rep 12, 18640 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23423-2

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Eingegangen: 28. Mai 2022

Angenommen: 31. Oktober 2022

Veröffentlicht: 04. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23423-2

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