Mikropları ultraviyole ışınla nasıl yok ederiz?

UVD Robots firması tarafından üretilen robot ultraviyole (UV) ışınları kullanarak hastane odalarını dezenfekte ediyor [2].

Yazı 25 Mayıs 2020’de gözden geçirilip, güncellenmiştir. 

Bu yazıda ultraviyole (UV) ışınlarına dayalı dezenfeksiyon yöntemini basitçe tanıtacağız. Yazıda ultraviyole dezenfeksiyon işleminin ne olduğunu, çalışma mekanizmasını ve UV dezenfeksiyon için uygun ışık kaynaklarının özelliklerini tanıtacak, sonrasında da güneş ışığının bu amaçla kullanılabilirliğini sorgulayacağız. Yazının son bölümündeyse yeni ortaya çıkan COVID-19’a yol açan SARS-CoV-2 virüsünün değişik UV kaynaklar ve güneş ışığıyla ne ölçüde yok edilebileceğini de birlikte tahmin etmeye çalışacağız.

2019’un son aylarında Wuhan’da ortaya çıkan COVID-19 virüsü sadece 3-4 ay içinde dünya geneline yayılarak pandemi halini aldı ve hepimizin günlük hayatını hiç beklemediğimiz şekilde etkilemeye başladı. Bu süreçte virüsün yayılımını yavaşlatmak için uygulanan fiziksel (veya sosyal) izolasyon dışında temizlik ve hijyenin de virüslerden korunmadaki önemi tekrar hatırlandı.

Dış kabuğu ikili bir yağ katmanından oluşan COVID-19 virüsünün savunmasını kırabilecek en kolay yollardan biri yağ parçalama özelliği olan sabunla temizleme işlemi. Bunun yanında çoğu alkol bazlı olan kimyasal dezenfektanlar da benzer şekilde virüsleri etkisizleştirmek için yaygın biçimde kullanılıyor. Bu nedenle uzmanlar elimizi sıklıkla sabunla yıkamayı, bunun mümkün olmadığı durumlarda da uygun dezenfektanlarla ellerimizi temizlemeyi tavsiye ediyorlar.

Peki yolcu otobüsleri, ambulanslar ya da hastane odaları gibi büyük alanlardaki mikroplardan nasıl kurtulabiliriz? Tabii yine kimyasal dezenfektanlar bu amaçla kullanılabilir, ancak dezenfeksiyon uygulayan çalışanlara hastalığın bulaşması, gözden kaçan noktalar dolasıyla tam bir temizliğin sağlanamaması gibi riskler söz konusu.  Ayrıca içme suları, meyve ve sebzeler gibi tüketim malzemelerinin, ya da kapalı alanlarda dolaşan havanın dezenfeksiyonunu nasıl sağlayabiliriz? Kimyasal temizleme yöntemlerinin yukarıda bahsedilen kısıtlarından dolayı, aslında 1877’den beri bilinen ve 1906’dan beri uygulanan UV ışıkla dezenfeksiyon/sterilizasyon yöntemi bu günlerde tekrardan toplumuzun dikkatini çekmeye başladı [1].

Konuya geçmeden önce dezenfeksiyonun ortamda bulunan mikro-organizmaların sayısını hastalık oluşturmayacak düzeye kadar azaltmak, sterilizasyonun ise ortamdaki tüm mikro-organizmaları yok etmek anlamına geldiğini belirtelim.

Ultraviyole ışınlar mikropları nasıl öldürür?

Bu soruyu cevaplayabilmek için  morötesi veya ultraviyole ışınların ne olduğuna kısaca bakalım. UV ışınlar elektromanyetik spektrumda dalgaboyu 10-400 nm aralığında olan ışınlar (1 nm – nanometre = 10-9 m yani metrenin milyarda biri). İnsan gözü kabaca 400-800 nm dalgaboyu aralığını görebildiği için, 400 nm sınırının altındaki bölgede kalan UV ışınları insan gözü tarafından algılanamazlar. UV ışınları dalgaboyuna göre UVA (315-400 nm), UVB (280-315 nm), UVC (100-280 nm), MUV (200-300 nm) ve VUV (10-200 nm) olarak çeşitli alt bölgelere  ayrılırlar. UV bölgenin biraz daha altında dalgaboyu 0,1-10 nm aralığını kapsayan X-ışınlarıysa Röntgen ışınları olarak da bilinir ve bu bölgedeki fotonlar (fotonlar ışınımın enerji paketleridir) tıbbi görüntüleme alanında sıklıkla kullanılır.

Görünür bölgedeki ışınlara kıyasla dalgaboyu daha kısa olan UV ışınlarının frekansları ve foton enerjileri görünür bölgeye göre daha yüksektir. Bu nedenle UV ışınları (özellikle enerjisi 10 eV üzerinde olan dalgaboyu 125 nm altındaki UV ışınları) hidrojen ve oksijen atomlarını iyonize edebilecek enerjiye sahiptirler ve insan sağlığına zarar verebilirler. Maruz kalınan doza göre insan vücudunda güneş yanığı ve deri kanseri gibi rahatsızlıklara yol açabilirler. Diğer taraftan düşük dozda UVB ışın alımı insanların ihtiyacı olan D vitamini üretilmesi için gereklidir. Dış yüzeyi kabaca 5800 K sıcaklığında olan güneşin de kara cisim ışınımı yoluyla yaydığı ışınımın yaklaşık %10 kadarı UV bölgededir. Neyse ki atmosferimizin stratosfer tabakasında bulunan ozon (O3) katmanı UVC bölgedeki ışınların tamamını, UVB bölgesindeki ışınların da çoğunu soğurarak bu zararlı ışınların büyük bir kısmının dünya yüzeyine ulaşmasını önler. Farklı bir açıdan yaklaşırsak, bu ışınlar atmosfer tarafından soğurulduğu için, evrimsel süreçte canlıların bu ışınlardan yararlanacak ya da olası zararlarından korunacak şekilde evrilmediği sonucuna varabiliriz [3]. Meteorolojik verilerle birlikte yayınlanan UV-indeksi, bir bölgeye ulaşan güneş ışınlarının içereceği UV ışın miktarını belirtir. Güneş ışığına uzun süre maruz kalacak kişiler bu nedenle güneş kremi gibi koruyucularla kendilerini bu olumsuz etkiden korumaya çalışırlar.

Peki UV ışınlarını, hastalık yapabilecek mikropları (virüsleri, bakterileri, mantarları, planktonları, vb.) elimine etmede nasıl kullanabiliriz?

Şekil 1: Mikropların UV bölgededeki foto deaktivasyon (mikropları etkisiz hale getirme) verimi spektrumu [4]. Foto deaktivasyon için kullanılabilecek LED (light emitting diode), ve civa-buharlı lambaların iki farklı civa gaz basıncında spektrumu (LP: düşük basınç, MP: orta basınç) da gösterilmiştir.
Tam bir hücre yapısına sahip olmayan virüsler, sabun ve alkol ile parçalanabilen yağlar dışında,  protein tabaka ve viral genetik materyali taşıyan RNA (ribonükleik asit) veya DNA (deoksiribo nükleik asit) bileşenlerinden oluşur. SARS-CoV-2 dahil bilinen çoğu virüste viral genomunu RNA taşırken, bazı türlerde bu işi DNA yapar. Yine bakterilerin nükleoitleri de RNA ve DNA genetik malzemelerini içerirler.

Yapıları birbirine çok benzeyen RNA ve DNA nükleik asitlerinin ikisinin de UV bölgede 265 nm civarında geniş ve güçlü soğurma bantları vardır (Şekil 1). Bu bölge etrafındaki UV ışınla uyarıldıklarında, RNA/DNA moleküllerinin kimyasında oluşan değişikliklerle virüsün kendini çoğaltma özelliği bloke olur ve virüsün bulaşma özelliği yok edilebilir [5-7]. En yüksek etki  veya verim 265 nm civarında alınmaktadır, ancak mikropları etkisiz hale getirebilen dalgaboyu çeşitliliği oldukça geniş olduğundan (yarı yükseklikteki tam genişlik: ~50 nm), bu bölgede ışıma spektrumuna sahip farklı ışık kaynakları UV dezenfeksiyon işleminde kullanılabilir [5].

100-240 nm aralığındaki ışık kaynakları atmosferdeki oksijen moleküllerini zehirli bir gaz olan ozon moleküllerine çevirebildiği için, ışık kaynağının 240 nm üzerinde seçilmesi önemlidir.

    • Bu durum dikkate alındığında düşük basınçta (~10-5 bar) çalıştırılan civa buharlı lambaların 253,7 nm’deki ışınımlarının foto dezenfeksiyon uygulamalarında kullanımı ön plana çıkmıştır (Şekil 1, Hg (LP)).
    • Daha geniş bir spektrumda fotonlar üreten orta (~1-5 bar) ve yüksek başınçlı civa lambaları da sıklıkla UV dezenfeksiyon uygulamalarında kullanılıyor (Şekil 1, Hg (MP)).
    • Orta/yüksek başınçlı civa lambaları, birim uzunluk başına çok daha fazla UV ışınım üretebilir. Daha kısa ömür, çalışırken daha yüksek yüzey sıcaklığı ve 240 nm altında da spektruma sahip olduklarından daha fazla zehirli ozon gazı üretimine yol açmaları dezavantajları olarak sıralanabilir.
      Civa bazlı lambalara indiyum eklenerek (amalgam lamba) ışıma verimlerinin artırılması  standart olarak uygulanan bir yöntemdir.
    • Alternatif olarak, 222 nm’de ışıyan KrCl ve 282 nm’de ısıyan XeBr excimer kaynakları kullanılabilecek diğer UV lambaları arasında yer alıyor. Yalnız bu lambaların yüksek maliyetleri ve düşük UV oluşturma verimleri yaygın kullanımlarını sınırlıyor.
    • Son zamanlarda, UV LED’ler, kompakt olmaları, zehirli civa gazı içermemeleri, ve dalgaboylarının deaktivasyon (mikropların etkisiz hale getirilmesi) verimini optimize etmek için ayarlanabilmesi gibi avantajlar sebebiyle çok daha az güç verseler de ön plana çıkmaya başladı. Tek bir LED’den az bir güç (~10-20 mW) elde edilse de, LED dizinleri kullanılarak yüksek güçlere ulaşma potansiyeli de var.

Genelde hangi ışık kaynağının kullanılacağı, uygulamanın istediklerine göre optimize edilmesi gereken bir tasarım parametresi olarak karşımıza çıkıyor.

Foto deaktivasyon (mikropların ışık ile etkisiz hale getirilmesi) süreci için hangi optik güce sahip UV kaynağının seçileceği, UV ışık kaynağının ya da  kaynaklarının ne kadar mesafeden ve ne kadar süre boyunca uygulanması gerektiği UV dezenfeksiyon verimini belirliyor. Dezenfeksiyon süreci boyunca yüzeydeki/örnekteki mikrop sayısı zamanla üssel olarak (katlanarak) azalıyor. Dezenfeksiyon başarısını ölçmede genel olarak işlemden sonra, başlangıçtaki mikropların ne kadarının elimine edildiği incelenir. Bunun için genelde sonuçlar logaritmik olarak karşılaştırılır. Örneğin log-1 indirgeme, işlem sonucu örnekteki mikropların %90’nın elimine edildiğini, sadece %10’nun canlı kaldığını belirtir. Benzer şekilde log-2, log-3, ve log-4 indigeme de sırasıyla  %99; %99,9; ve %99,99 oranında dezenfeksiyon oranlarını gösterir. (10 kat azalıyorsa 10=101’in logaritması 1, 100 kat azalıyorsa 102’nin logaritması 2, 1000 kat azalıyorsa 103’ün logaritması 3.)

Işık kaynağının gücü ve örneğe uzaklığı yardımıyla örnek üzerindeki UV ışık akısı hesaplanır (~örneğe ulaşan toplam UV optik güç/yüzey alanı) ve genelde W/m2 birimi ile ifade edilir. Işık akısını uygulama süresiyle çarparak, örneğin aldığı toplam UV dozunu (birim alan başına uygulanan UV enerji miktarını) J/m2 biriminde hesaplayabiliriz. Bakteri veya virüs kaplı bir yüzeyde belirli bir log indirme faktörünü elde etmek için gerekli UV doz miktarını belirlenmesi önemli bir araştırma konusudur.

SARS-CoV-2’yi etkisiz hale getirmek

Güncel öneminden dolayı burada örnek olarak COVID-19’e neden olan SARS-CoV-2 virüsünün UV deaktivasyonu konusundan bahsetmek istiyoruz. Bildiğimiz kadarıyla henüz SARS-CoV-2 hakkında ölçülmüş bir log indirgeme faktörü literatürde yayınlanmadı [8]. Bunun yanında, farklı korona virüs türleri için daha önce yapılmış ölçümlerde log-1 indirgeme doz miktarının 7 J/m2 ile 240 J/m2 arasında değiştiği ve ortalama olarak 67 J/m2 doz değerinde log-1 indirgeme elde edildiği gösterilmiştir [8].

SARS-CoV-2 virüsü için bu ortalama değerin doğru olduğunu kabul edilirse, örneğin 0,1 W/m2 lik bir ışık akışı sağlayan 260 nm dalgaboyundaki bir UV LED dizini kullanarak, 670 saniye (~11 dakika) içinde 67 J/m2 doza ulaşılarak log-1 indirgenme değeri elde edilebilecektir. Daha güçlü civa bazlı lambalar kullanılması durumunda 10 W/m2’lik bir ışık akısıyla bu süre 10 saniyenin altına düşürülebilir. Burada kullanılacak UV sistem yapısı, uygulama alanının gereksinimlerine göre (dezenfeksiyon alanı, yapının büyüklüğü, vb.) optimize edilmelidir.

Şekil 2: Güneş ışınlarının UV bölgede kalan optik spektrumu: Atmosfer öncesi ve deniz seviyesindeki spektrum gösterilmiştir. Kabaca 290-320 nm aralığındaki spektral bölge az da olsa mikrop foto deaktivasyonu için etkilidir (etkileşim bölgesi) [9, 10].

Güneşin etkisi

Daha önce de belirttiğimiz gibi atmosfer, güneşten dünyaya ulaşan UVC ışınlarının tamamını, UVB ışınlarının da büyük bir kısmını soğuruyor (Şekil 2). Yine de güneş ışınlarının yeryüzüne ulaşabilen 290-320 nm aralığında kalan sınırlı bölümü mikrop deaktivasyonu için kullanışlı durumda [10].

Bu bölgedeki güneş ışını miktarı  mevsime (güneş ışınlarının düşüş açısına), bölgenin yüksekliğine, günün saatine ve hatta ozon katmanındaki anlık değişime göre farklılık gösterir. Güneş ışınlarının yaklaşık %5’ini UV bölgede olduğu ve UV ışınların kabaca %5’inin de UVC bölgede olduğu varsayılarak kaba bir hesap yapacak olursak, dünya yüzeyine düşen güneş akısının %0,25’lik kısmının foto deaktivasyon için az da olsa etkin olan spektral bölgede olduğunu tahmin edebiliriz. Bu da 1 kW/m2’lik standart güneş akısının yaklaşık 2,5 W/m2‘lık kısmının bu kullanışlı spektral bölgede kaldığını gösterir.

Diğer bir kısıtımız Şekil 2’den görebileceğimiz gibi, 290-320 nm aralığında foto deaktivasyon verimi oldukça düşük olması durumu. Buradaki deaktivasyon verimi 265 nm’ye  göre oldukça  kısıtlı ve bu da doğal olarak log-1 indirgenme için gereken efektif doz miktarını yükseltiyor.

Foto deaktivasyon verimini ve güneş akısının dalgaboyuyla değişimini birlikte dikkate aldığımızda güneş ışınları için efektif dezenfeksiyon spektrumunu hesaplayabiliriz [10]. Her iki etkinin ortak sonucu olarak, güneş spektrumunda foto deaktivasyonun en etkili olduğu dalgaboyu 300 nm civarındadır (Şekil 2’te gösterilen etkileşim bölgesi). Elde edilen efektif spektral indirgeme verisini kullanarak güneş ışınları ile SARS-CoV-2 virüsünü log-1 oranında indirgemenin yaklaşık 1 saat kadar zaman alacağını hesaplayabiliriz. 

Yukarıda hesapladığımız değer tüm yıl için ortalama bir tahmin ve mevsimsel etkilerden dolayı, yaz aylarında artan ortalama güneş akısı, sıcaklık ve nemin virüsün değisik yüzeylerdeki ömrünü çok daha kısaltması ve bulaş özelliğini azaltması beklenir. Daha önce de belirttiğimiz gibi, bildiğimiz kadarıyla SARS-CoV-2 virüsü hakkında henüz kesin biçimde ölçülmüş bir UV indirgenme faktörü belirlenmemiş [8, 11] ve önümüzdeki dönemde yapılacak çalışmalar bu konuda bize daha detaylı bilgiler verecek.

Son olarak,  kullanılan çoğu pencere camının UVB bölgedeki ışınları kestiğini ve burada tahmin edilen güneşin foto deaktivasyon etkisinin direkt güneş ışığı alan dış alanlar için geçerli olduğunu belirtmek gerekiyor.

Ümit Demirbaş
Antalya Bilim Üniversitesi, Lazer Teknoloji Laboratuvarı
Center for Free-Electron Laser Science, Hamburg, Almanya

Notlar/Kaynaklar: 

[1] A. Downes, and T. P. Blunt, “The influence of light upon the development of bacteria,” Nature 20, 218 (1877).
[2] E. Ackerman, “Autonomous Robots Are Helping Kill Coronavirus in Hospitals,” IEEE Spectrum (2020).
[3] N. G. Jablonski, and G. Chaplin, “Human skin pigmentation as an adaptation to UV radiation,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107, 8962-8968 (2010).
[4] Ultraviolet germicidal irradiation, https://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet_germicidal_irradiation
[5] T. Oppenländer, Photochemical Purification of Water and Air: Advanced Oxidation Processes (John Wiley & Sons, 2003).
[6] P. Schubert, L. Johnson, D. C. Marks, and D. V. Devine, “Ultraviolet-Based Pathogen inactivation Systems: Untangling the Molecular Targets Activated in Platelets,” Frontiers in Medicine 5 (2018).
[7] W. Kowalski, Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook (Springer-Verlag 2009).
[8] W. J. Kowalski, T. J. Walsh, and V. Petraitis, “2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility,” 10.13140/RG.2.2.22803.22566. (2020).
[9] Solar Irradiance https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance
[10] C. D. Lytle, and J. L. Sagripanti, “Predicted inactivation of viruses of relevance to biodefense by solar radiation,” Journal of Virology 79, 14244-14252 (2005).
[11] International Ultraviolet Association http://www.iuva.org/COVID-19

Önceki İçerikCOVID-19 “hasta” takibi ve özgürlükler
Sonraki İçerikİstanbul’da veba ve karantina
Avatar photo

Ümit Demirbaş lisans derecelerini fizik ve elektrik-elektronik mühendisliği dallarından (2004, Koç
Üniversitesi), yüksek lisans derecesini malzeme bilimleri dalından (2006, Koç Üniversitesi) ve
doktora derecesini de elektrik mühendisliği dalından aldı (2010, MIT).

Ümit Demirbaş halen Antalya Bilim Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünde doçent ve DESY Ultrahızlı Optik ve X-Işınları gurubunda kıdemli araştırmacı olarak görev yapmaktadır.

2012 yılında kurduğu Lazer Teknoloji Laboratuvarı’nda çalışmalarına devam eden Dr. Demirbaş’ın uluslararası dergilerde lazerler ve uygulamaları üzerine yayınlanmış 50’nin üzerinde makalesi vardır.