Dezinfekce povrchů pomocí UV-C záření a pandemie covid-19

V souvislosti s aktuální situací ohledně onemocnění způsobeného koronavirem covid-19 probíhá celá řada diskusí, jak sterilizovat ochranné prostředky a prostory v domácích podmínkách, jaký vliv má na virus teplota, roční období atd. [1]. Nejdříve je dobré připomenout několik důležitých zásad sterilizace ochranných pomůcek. Vždy platí, že s těmito prostředky (roušky, štíty, pláště, rukavice) se manipuluje tak, jako by byly kontaminovány. Jednorázové prostředky nepoužívejte opakovaně!!!

Dnes se v domácnostech nejčastěji používají ochranné roušky – ústenky, které si lidé vyrábějí svépomocí. Tyto roušky jsou primárně určeny k záchytu kapének aerosolu obsahujícího viry a bakterie. Šíří-li se vir v kapénkách, může silně hydrofilní textilie zajistit přímé usazení kapének s virem na jejím povrchu a také zachycení kapének na stěnách křivolakých pórů textilie při průchodu vzduchu vdechováním. Ze všech potenciálně vhodných textilních materiálů nejlépe vycházejí tkaniny z bavlny, které mají tyto výhody:
a) jsou dostupné jak v domácnostech, tak v obchodech,
b) jsou silně hydrofilní – dokáží zachytit kapénky,
c) jsou snadno dezinfikovatelné.

Pozor, nejvhodnější je neupravená bavlna. Ačkoliv se dnes objevují různé módní trendy a pestrobarevné roušky, je pravda, že bílá textilie se snadno udržuje a lze na ní jednoduše indikovat případné znečištění. Zda je bavlněná textilie dostatečně hydrofilní, se pozná snadno pomocí kapkového testu. Na zvolenou textilii se kápne kapka kapátkem, lžičkou apod. Jestliže se kapka okamžitě rozpije, je vše v pořádku. Zůstává-li na povrchu více než 10 s, textilie je upravená a pro použití v rouškách není příliš vhodná. Obecně platí, že čím hustší textilie je, tím vyšší filtrační účinnost bude mít. Rouška by měla být dvouvrstvá, kdy druhou vrstvu může tvořit kapsička na filtr z textilie s nanovlákny (https://www.rouskystulkou.org/navod-na-siti). Vzhledem k tomu, že pro většinu lidí nejsou textilie s nanovlákny dostupné, lze tento filtr alternativně nahradit např. papírovým kapesníkem vloženým do kapsičky roušky, který se po použití vyhodí, nebo tkaninou napuštěnou koncentrovaným roztokem soli (https://www.novinky.cz/ koronavirus/clanek/jak-si-doma-vyrobit-antiviroticky-filtr-do-rousky-zakladem-je-sul-40319155). Nezapomeňte provést zkoušku, aby bylo možné přes takovouto roušku dýchat.

Uvedené roušky je nejlepší sterilizovat následujícím způsobem:
1. Roušku ponořte do vroucí vody na dobu 5 min.
2. Roušku usušte.
3. Roušku vyžehlete žehličkou s teplotou nastavenou na „bavlna“ a propařte, jestliže to žehlička umožňuje. Je nutné žehlit tak, aby se rouška dokonale prohřála, tedy žehlit z obou stran, delší dobu (přibližně 2 min).

Nelze-li roušku vyprat a vyžehlit, je vhodné ji navlhčit dezinfekčním roztokem na bázi alkoholu a sterilizovat po dobu 1 h v nepropustném (igelitovém) sáčku či ve sklenici s uzávěrem.

Výrobky z materiálů, které nelze vyvařit ani na ně nelze použít dezinfekční roztok, je možné dezinfikovat pomocí UV záření [2]. Zde platí, že k tomu jsou vhodné germicidní zářiče, které se s výhodou používají na operačních sálech apod. Jestliže se člověk pohybuje v prostorech, kde lze výskyt virů předpokládat, např. v situaci, kdy jeden z členů rodiny je nakažený a zbývající rodinní příslušníci jsou v karanténě, lze takto dezinfikovat prostory jako koupelny a toalety. V technické zprávě CIE 155:2003 Ultraviolet Air Disinfection [3] jsou diskutovány podmínky, za jakých je možné příslušné germicidní zářiče použít, včetně nutné doby expozice a bezpečnostních rizik. S výhodou lze sterilizaci UV zářením využít k dekontaminaci vody, vzduchu a povrchů [4]. Rovněž v případech, kdy je nutné použít přímé působení na bakterie a viry. UV záření se obvykle dělí do čtyř kategorií: UV-A záření na rozmezí vlnových délek 315 až 400 nm, UV-B záření na rozmezí 280 až 315 nm, UV-C záření na rozmezí 200 až 280 nm a V-UV (UV záření ve vakuu), které spadá do oblasti vlnových délek menších než 200 nm. UV-A záření tvoří přibližně 99 % UV záření dopadajícího na zemský povrch, způsobuje tmavnutí kůže při opalování. Oproti tomu UV-B záření je z velké části pohlcováno ozonem ve stratosféře a podílí se na tvorbě vitamínu D3 v lidské pokožce. Jestliže je dávka UV-B záření příliš velká, kůže se spálí, což se projeví jejím zarudnutím. Při nadměrném opalování se UV-B ve zvýšené míře podílí na výskytu maligního melanomu kůže. UV-C díky absorpci v zemské atmosféře na zemský povrch nedopadá. V běžném životě se lze s UV-C zářením setkat při svařování elektrickým obloukem nebo u světelných zdrojů, které v této oblasti vyzařují (germicidní zářivky, rtuťové výbojky s baňkami z křemenného skla apod.).

Baktericidní účinek UV záření spočívá v jeho absorpci nukleovými kyselinami mikroorganismů, čímž dojde k jejich narušení a následně usmrcení. Obecně platí, že DNA (deoxyribonukleová kyselina) absorbuje UV-C a UV-B záření, kdežto UV-A pouze omezeně [5]. UV-C totiž působí jako katalyzátor v reakci dvou sousedních thyminů ve dvoušroubovici DNA za vzniku tzv. dimerů thyminu. Úsek DNA, který obsahuje takovýto dimer, nemůže být úspěšně replikován a příslušný ozářený organismus hyne s výjimkou těch, které mají opravné enzymy schopné příslušné dimery z DNA „vystřinout“. Kromě přímého účinku na nukleové kyseliny působí UV záření také tvorbou toxických peroxidů a ozonu.

Obr. 1. Strukturní vzorce uracilu (vlevo) a thyminu (vpravo)

Virus covid-19, SARS-CoV-2 patří do skupiny RNA virů, kde se vyskytuje v RNA (ribonukleová kyselina) jako nukleová báze uracil, který je evolučně starší složkou nukleových kyselin (má o jednu metylovou skupinu méně než thymin) – obr. 1.

Z kvantové fyziky je známo, že atom nebo molekula mohou přijímat a nebo vysílat záření jenom při přechodu z jednoho diskrétního energetického stavu do druhého. Absorpcí energie se molekula dostává do tzv. excitovaného stavu. Tento excitovaný stav může vést až k rozštěpení chemické vazby. Jednoduché kovalentní vazby jsou v molekule tvořeny σ-elektrony, které lze excitovat jen poměrně značnými energiemi. Snáze se excitují volné elektronové páry a vazby s π-elektrony (vícenásobné, aromatické vazby). Porovnáním absorpčních spekter obou nukleových bází, tedy jak thyminu, tak uracilu, je možné v grafu na obr. 2 vidět bathochromní posuv*) absorpčního maxima u thyminu, způsobený zmíněnou metylovou skupinou. Nicméně je zřejmé, že obě báze vykazují v UV-C oblasti vysokou absorpci, která má za následek jednak vznik dimerů, jednak díky excitaci elektronových párů narušení vazeb s párovanou aminokyselinou v RNA nebo DNA řetězci.

Obr. 2. Srovnání absorpčních spekter thyminu a uracilu

Ze spektrálních průběhů absorpce obou nukleových bází je zřejmé, že maximální účinnost UV-C záření je blízká vlnové délce 265 nm. Na základě studií působení UV záření na řadu mikroorganismů (E. coli apod.) byly stanoveny dvě uznávané křivky germicidní spektrální účinnosti podle DIN [6] a IESNA [7]. Tyto křivky se používají k výpočtu nutných dávek ozáření H0 pro dostatečnou eliminaci příslušných mikroorganismů. V případě dostatečně velké dávky UVGI záření (UV záření normalizované germicidní spektrální účinnosti) jsou mikroorganismy zničeny.

Při nedostatečném ozáření, z jakéhokoliv důvodu, dokážou bakterie poškozenou strukturu DNA v krátkém časovém úseku opravit. Většina mikroorganismů produkuje enzymy, které dokážou opravit poškození způsobené UV zářením. Je proto nutné volit takovou dávku ozáření, aby byl mikroorganismus dostatečně inaktivován. Během působení UV záření se množství přežívajících mikroorganismů snižuje exponenciálně, přičemž pro poměr přeživších mikroorganismů vzhledem k celkovému počtu mikroorganismů na počátku expozice platí tento vztah:

N₀ je celkový počet exponovaných mikroorganismů,
N_s počet přeživších mikroorganismů,
H₀ dávka ozáření (J·m^–2),
K inaktivační konstanta (m2·J^–1).

Inaktivační konstanta K je mírou citlivosti mikroorganismu k působení UVGI záření. Dávka ozáření H₀ (J·m^–2 = W·s·m^–2) představuje na jedné straně časový integrál ozářenosti Ee:

Z rovnice (2) vyplývá, že dávka ozáření H₀ je přímo úměrná ozářenosti E_e a době expozice t, tedy že platí zjednodušený vztah:

Naproti tomu je dávka ozáření H₀ vztažena k poměru přeživších vzhledem k celkovému počtu ozářených mikroorganismů ve smyslu rovnice (1):

Zde je nutné zdůraznit, že smrtná (letální) dávka LD, se kterou se při sterilizací UV zářením nejčastěji pracuje, platí pro případ, kdy přežívá 10 % mikroorganismů, tedy:

Pro zjištění dávky nutné k eliminaci 99 % mikroorganismů je třeba LD₉₀ násobit dvěma, při eliminaci 99,9 % mikroorganismů třemi atd. Přičemž obecně užívaným nejzazším násobkem je hodnota 6 [8], tedy eliminace 99,999 9 % mikroorganismů. Na straně druhé se lze setkat s hodnotou LD₆₃ (I₃₇), pro kterou z rovnice (4) platí, že inaktivační konstanta K je reciprokou hodnotou dávky ozáření H₀. Pro germicidní dávku ozáření H_0,g pak platí, že:

kde s_g je poměrná spektrální citlivost mikroorganismu, popř. germicidní akční spektrum.

Obr. 3. Schéma působení germicidního UV záření na koronaviry

Světelných zdrojů vyzařujících v oblasti UV-C záření je na trhu spousta: vedle nízkotlakých rtuťových výbojek to mohou být výbojky obsahující krypton, xenon atd. V poslední době k těmto zdrojům přibyly i UV-C LED světelné zdroje, které mají mnoho výhod. Jejich emisní maxima se obecně pohybují mezi 260 a 280 nm, přičemž z grafu na obr. 3 je zřejmé, že vzhledem ke křivkám germicidní účinnosti – akční spektra DIN nebo IESNA, je výhodnější použití zdrojů 260 nm, i když byly rovněž testovány kombinace obou čipů.

Sterilizace UV-C zářením je použitelná v případech, kdy nedochází ke stínění ošetřovaného povrchu žádnou překážkou pro toto záření neprostupnou. V praxi se proto rozšiřují mobilní sterilizační zdroje jako Surfacide apod., které umožňují flexibilní rozmístění a maximální eliminaci zástinů.

Obr. 4. Křivky germicidní spektrální účinnosti podle DIN a IESNA, včetně spektrálních průběhů germicidní zářivky a dvou typických UV-C LED zdrojů

Vedle toho se s nástupem pandemie covid-19 objevily především v online obchodech různé přenosné sterilizační zdroje k dezinfekci mobilních telefonů, klávesnic apod. Zde je nutné zdůraznit, že použití takovýchto světelných zdrojů je poněkud problematické z hlediska bezpečnosti. Dokument CIE 187:2010 Technical report: UV-C Photocarcinogenesis risks from germicidal lamps [9] uvádí, že je nutné chránit nejen lidskou pokožku před účinky UV-C záření, neboť má silně karcinogenní účinky. V případě ručních UV-C zářičů je proto nutné brát v úvahu reziduální odrazy od ozařovaného povrchu, přičemž člověk toto záření svým zrakem nevnímá. Další otázkou spojenou s dezinfekcí pomocí ručních zářičů je otázka dávky ozáření H_0,g potřebné pro dostatečnou eliminaci koronaviru covid-19 (SARS-CoV-2). Vzhledem k relativně omezeným informacím, které jsou v době psaní tohoto článku dostupné, je většina doporučení vztahována ke znalostem chování blízkého koronaviru SARS-CoV-1 [10] až [15]. Na základě měření, které provedl Darnel a další [12], bylo stanoveno, že inaktivační konstanta K pro koronavirus SARS- -CoV-1 má hodnotu 0,009 55 m2 ·J^–1. 

Znamená to, že pro LD₉₀ je nutná dávka ozáření H_0,g = 241 J·m^–2. Avšak v některých doporučeních je možné se setkat s dávkou až 10 000 J·m^–2 [16].

Obr. 5. Ukázka rozmístění germicidních zářičů Surfacide v nemocničním pokoji

Malá poznámka na závěr: Germicidní zářiče nejsou v rodinách obvykle k dispozici a v různých diskusních fórech na internetu se vede debata, zda je možné využít domácí solária. Při pohledu na spektrální složení záření germicidních zářičů, jde ve většině případů o spektrum s maximem vyzařování přibližně 254 nm (253,7), což dokumentuje fialová křivka v grafu na obr. 6 změřená u ručního UV zářiče firmy p-lab. Domácí solária obsahující nízkotlaké výbojky – zářivky, jako např. Solárium Philips HB 311, emitují primárně v UV-A oblasti záření, jak lze vidět v grafu na obr. 6 (čerchovaná červená čára). Běžná solária tak nejsou pro dezinfekci vhodná, resp. jsou neúčinná.

Obr. 6. Spektrální složení záření vybraných ultrafialových zářičů ve vzdálenosti 1 m od světelného zdroje

V některých domácnostech jsou stále k dispozici tzv. horská slunce, která v bývalém Československu vyráběla firma Chirana pod označením UVIR (obr. 7). Tyto výrobky obsahují dva sloupky keramických infračervených zářičů a uprostřed je rtuťová výbojka RVK 125 W firmy TESLA Holešovice. I když se tato horská slunce používala hlavně pro opalování, ze současného hlediska to rozhodně nelze doporučit. Spektrální složení záření této rtuťové výbojky ukazuje, že světelný zdroj vyzařuje nejen ve viditelné části, ale rovněž v UV-A, UV-B a UV-C oblasti spektra. To lze dnes paradoxně využít pro již zmíněnou sterilizaci UV zářením. Což při vzdálenosti 1 m od horského slunce UVIR firmy Chirana znamená dobu expozice přibližně 40 min. Tato doba by měla garantovat dostatečnou sterilizaci prostoru toalety či koupelny. POZOR, je nutné chránit zrak vhodnými brýlemi, minimálně těmi, které byly k přístroji dodány, stejně jako nechráněnou pokožku. Sterilizace UV zářením se provádí bez přítomnosti osob, zvířat a vegetace!!!

 
Obr. 7. Fotografie horského slunce UVIR firmy Chirana (vlevo)
Obr. 8. Polotělové solárium Philips HB 311, příkon 140 W, šest zářivek Philips CLEO compact 20W TL44D25 09N; toto solárium již dnes není na trhu, testovaný výrobek byl málo využívaný, stáří asi deset let

Obr. 9. Tento světelný zdroj firma p-lab a.s. označuje jako „UV lampa ruční pro pozorování v UV světle“, je osazena dvěma zdroji: 254 nm a 365 nm; tento výrobek je prodáván alespoň v rámci laboratorního příslušenství a vyzařuje víceméně směrově, takže uživatel je maximálně ohrožen reziduálními odrazy, výrobek je starý asi dva roky a je stále dostupný

Pamatujte: UV-C záření atmosférou téměř neproniká, je karcinogenní a zahubí i viry. Jak již bylo uvedeno, germicidní typy zářičů se používají k dezinfekci laboratoří, operačních sálů apod. K opalování dnes nelze zmíněné horské slunce doporučit vůbec. Naopak, z uvedených důvodů je nutné je považovat za škodlivé a nebezpečné! Při používání k dezinfekci je nutné být maximálně obezřetný. Viry obecně přežívají na suchém povrchu jen po omezenou dobu. Sterilizaci UV-C zářením v domácích podmínkách je možné používat pouze v nejnutnějších případech, kdy nelze zvolit jiné postupy dezinfekce!!!

*) bathochromní posuv – posuv absorpčního maxima látky k větším vlnovým délkám

prof. Ing. Michal Vik, Ph.D., doc. Ing. Martina Viková, Ph.D.
Laboratoř měření barevnosti a vzhledu, katedra materiálového inženýrství, Technická univerzita v Liberci

Literatura:
[1] YAO, Ye, Jinhua PAN, Zhixi LIU, Xia MENG, Weidong WANG, Haidong KAN & Weibing WANG. No Association of COVID-19 transmission with temperature or UV radiation in Chinese cities. European Respiratory Journal. Erj; 13993003.00517- -2020v1. DOI: 10.1183/13993003.00517- -2020. ISSN 0903-1936. Dostupné také z: http://erj.ersjournals.com/lookup/ doi/10.1183/13993003.00517-2020
[2] REED, N. G. The history of ultraviolet germicidal irradiation for air disinfection. Public health reports. 2010, 125(1), 15–27.
[3] CIE 155:2003. Ultraviolet air disinfection.
[4] LINNES, J. C., S. N. RUDNICK, G. M. HUNT, J. J. MCDEVITT & E. A. NARDELL. Eggcrate UV: a whole ceiling upper-room ultraviolet germicidal irradiation system for air disinfection in occupied rooms. Indoor Air. 2014, 24(2), 116–124.
[5] KIEFER, J. Effects of Ultraviolet Radiation on DNA. In: OBE, G. and VIJAYALAXMI (Eds.). Chromozomal Alternations, Methods, Results and Importance in Human Health. Springer, 2007.
[6] DIN 5031-10:2018-03. Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik – Teil 10: Photobiologisch wirksame Strahlung, Größen, Kurzzeichen und Wirkungsspektren.
[7] IESNA Lighting Handbook. 10^th Edition. DILAURA, D. L., K. W. HOUSER, R. G. MISTRICK, G. R. STEFFY (eds.). IES, 2011.
[8] LINDBLAD, Marie, Eva TANO, Claes LINDAHL & Fredrik HUSS. Ultraviolet- -C decontamination of a hospital room: Amount of UV light needed. Burns. 2019. DOI: 10.1016/j.burns.2019.10.004. ISSN 03054179. Dostupné také z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/ S0305417919300920
[9] CIE 187:2010. Technical report: UV-C Photocarcinogenesis risks from germicidal lamps.
[10]ZHOU, P., X. L. YANG, X. G. WANG, B. HU, L. ZHANG, W. ZHANG et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020, 579(7798), 270–273.
[11]LINNES, J. C., S. N. RUDNICK, G. M. HUNT, J. J. MCDEVITT & E. A. NARDELL, E. A. Eggcrate UV: a whole ceiling upper-room ultraviolet germicidal irradiation system for air disinfection in occupied rooms. Indoor Air. 2014, 24(2), 116–124.
[12] DARNELL, M. E. R., K. SUBBARAO, S. M. FEINSTONE & D. R. TAYLOR. Inactivation of the coronavirus that induces severe acute respiratory syndrome, SARS-CoV. Journal of Virological Methods. 2004, 121(1), 85–91.
[13] KARIWA, H., N. FUJII, N. & I. TAKASHIMA. Inactivation of SARS coronavirus by means of povidone-iodine, physical conditions and chemical reagents. Dermatology. 2006, 212 Suppl 1, 119–123.
[14] DIETZ, L., P. F. HORVE, D. A. COIL, M. FRETZ, J. A. EISEN & K. VAN DEN WYMELENBERG. 2019 Novel Coronavirus (COVID-19) Pandemic: Built Environment Considerations To Reduce Transmission. mSystems. 2020, 5(2).
[15] DEXTER, Franklin, Michelle C. PARRA, Jeremiah R. BROWN & Randy W. LOFTUS. Perioperative COVID-19 Defense. 2020. DOI: 10.1213/ /ANE.0000000000004829. ISSN 0003-2999. Dostupné také z: http://journals.lww. com/10.1213/ANE.0000000000004829
[16]PAN, Y., D. Zhang, P. YANG, L. L. POON & Q. WANG. Viral load of SARS-CoV-2 in clinical samples. The Lancet Infectious Diseases. 2020, 20(4), 411–412.