Cheng Y, Chen H, Sánchez Basurto LA, Protasenko VV, Bharadwaj S, Islam M, Moraru CI.
Sci Rep. 2020 Feb 25;10(1):3411.
doi: 10.1038/s41598-020-60459-8. PMID: 32099043; PMCID: PMC7042228.
材料表面に病原体が残留すると、歯科医院や病院での感染症や、食品加工施設や外食環境での食品接触面から食品への病原体や腐敗微生物の移行など、深刻な結果を引き起こすことが多い。微生物によって汚染された表面を波長100～280 nmの紫外線（ultraviolet: UV）に曝露することは、効果的な消毒方法として確立されており、化学的な消毒方法の代替として、または化学的な消毒方法と併用して使用されることが多い。現在、最も一般的に使用されている紫外線源は水銀ランプである。しかし、2013年に署名された「水銀に関する水俣条約」によると、水銀が人の健康や環境に与える悪影響を軽減・排除するため、2020年以降は一般照明用の水銀含有ランプの製造・取引が禁止されることになっている。この協定により、水銀ランプの代替品の開発に向けた取り組みが加速した。
紫外域で発光する発光ダイオード（UV LED）は、有毒な水銀を使用しておらず、デバイスの小型化と柔軟な設計、ゼロウォームアップ時間、高耐久性、特定の波長で単色発光、波長の多様性、パルス状の照明の可能性、低温（例えば冷凍）で比較的高い活性を維持する能力など、水銀ランプに比べていくつかの利点をもつ。また、紫外LEDは赤外放射の形での発熱が少ないことでも知られており、長時間の発熱を防ぎつつ、高いUVフルエンスが要求される用途にも対応できるようになってきている。近年、200～300nmの範囲での紫外LEDの光取り出し効率の向上が進み、外部量子効率が20％を超え、低圧紫外ランプの30～40％の効率範囲に近づいてきている。
これはまた、細菌の不活化のために水銀ランプをUV LEDで代用することへの関心の高まりをもたらした。200〜300nmの波長範囲で発光する深紫外LED（deep UV LED: DUV LED）の成功したアプリケーションは、最近、ヘルスケア産業（内視鏡、呼吸回路、呼吸器の消毒など）、農業（灌漑や給水の消毒など）、包装工場（空気消毒など）、食品サービス（食品接触面の消毒など）、および家庭（携帯電話の表面や飲料水の消毒など）で浮上している。
殺菌技術としてDUV LEDを使用することの1つの制限は、UV光の浸透深度が短いことであり、これは固体または液体媒体の表面よりも深くに存在する細菌を不活性化する効果を損なう。この欠点を軽減するために、DUVを介して液体消毒に関する以前の仕事は、ターゲットの微生物へのDUVのアクセスを容易にするために、攪拌または乱流を採用した。その浸透深さが限られているにもかかわらず、DUV処理は、乾燥した状態でも、液滴や薄い液体膜の存在下でも、表面の消毒に適している。どちらのシナリオも、環境アプリケーション、食品産業、ヘルスケア産業ではどこにでもあるが、このような条件下での細菌のDUV LED不活化の有効性に関する知識は限られている。
考慮しなければならないもう一つの重要な側面は、治療の全体的な有効性を減少させる、DUV LED治療後の細菌の再活性化である。DUV LEDでの殺菌効果の現在の知識のギャップに対処するために、本研究では280 nm DUV LEDで処理した細菌の殺菌効果とその後の回復について評価した。ここでは、280nmでピーク発光波長を持つカスタムメイドのDUV LED治療パネルを使用した。なぜなら、波長280 nmは、一般的に消毒に使用されるUV波長（例えば254 nm）よりも高い電気効率を持っており、それが動作中に過度の発熱なしで、同じエネルギー消費量で高い殺菌効率を有することが示されたからである。病原細菌Escherichia coli O157:H7とListeria monocytogenesの代わりとして、E. coli ATCC 25922とListeria innocuaを使用した。
栄養豊富な表面、薄い液体膜（thin liquid film: TLF）、ステンレス鋼の表面（stainless steel surface: SS）など、環境、臨床、食品加工環境で一般的に遭遇する表面シナリオを用意した。DUV LED 照射は、0.6 mm 以上の厚さの TLF を除き、ほとんどのシナリオで両菌株とも 10 分以内に 5log の低減を達成した。TLFおよび乾燥SS上での不活化速度はワイブルモデル（0.96 ≤ R2 ≤ 0.99）に従っていたが、湿ったSS上での少量のDUVによる不活化を過大評価していた。共焦点顕微鏡観察により、液滴の液-空気界面に細菌が密な外層を形成し、液滴内の細胞をDUVから保護していることが明らかになった。この結果、濡れたSSの不活化は、少量のDUVでは予想よりも低く、ワイブルモデルからの乖離が見られた。
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