EE05853B1 - Meetod ja seade läbipaistvate objektide pealispinna desinfitseerimiseks UV-kiirguse abil - Google Patents

Abstract

Leiutis käsitleb meetodit ja seadet mikroorganismide arvu vähendamiseks pindadel, mis puutuvad nahaga sageli kokku, näiteks ukselingid, nööbid, piirded jms, tingimusel, et need elemendid võivad olla valmistatud UV-kiirgusele läbi paistvast materjalist. Desinfitseerimine toimub välise emitteri UV-C-kiirgusega, mis tungib ühelt küljelt selliste elementide sisse ja väljub desinfitseeritavate pindade kaudu. See juhtub selle tagajärjel, et valgus hajub kokkupuutel mahulise laserläbilöögi meetodi tagajärjel moodustunud mikro-ebaühtluste struktuuriga (meetodi teine nimi on 3D-lasergraveerimine). Desinfitseerimise efektiivsuse suurendamiseks võib elementide välispinnale asetada katte, millel on katalüütilise fotodissotsiatsiooni omadus. Kehtivate UV-kiirguse ohutusnõuete täitmiseks võivad seadmed olla varustatud liikumisandurite, kallutusandurite ja muude anduritega, mis töötavad mikroprotsessori juhtimise all ega lase UV-kiirgust sisse lülitada, kui inimene on lähedal.

Description

 Meetod ja seade läbipaistvate objektide pealispinna desinfitseerimiseks UV-kiirguse abil

Tehnikavaldkond

Leiutis kuulub inimeste eluliste vajaduste rahuldamise valdkonda ning täpsemalt on leiutis ette nähtud läbipaistvate objektide pealispinna desinfitseerimiseks UV-kiirguse abil.

Tehnika tase

Ukselingid, nupud, lülitid, käsipuud, eriti sellistes avalikes kohtades nagu koolid, ülikoolid, haiglad, klubid, on ühed kõige saastunumad objektid (esemed), kuna nendega puutuvad kokku sadade ja tuhandete inimeste käed (vt. Casini, B., Tuvo, B., Cristina, M.L., Spagnolo, A. M., Totaro, M., Baggiani, A. and Privitera, G. P. (2019). Evaluation of an Ultraviolet C (UVC) Light-Emitting Device for Disinfection of High Touch Surfaces in Hospital Critical Areas. Int. J. Environ. Res. Public Health. 16(19), 3572). On teada UV-C-kiirguse omadus hävitada teadaolevalt suurem osa patogeensetest seentest, bakteritest ja viirustest, mis toimub nende valkude massilise molekulaarstruktuuri kahjustamise teel. See põhjustab aktiivsuse katkemist ja blokeerib nende mikroorganismide paljunemise (vt. W. J. Kowalski, in Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook, Springer, 2009, lk. 17-50.). Suurimal määral suudab mikroorganisme desinfitseerida kiirgus lainepikkustel 250-280 nm, mis langeb nukleoproteiinide neeldumisriba maksimumini ja millel on bakteritsiidne toime (vt. Ashrae, “ Ultraviolet Air and Surface Treatment,” 2020). Esialgu kasutati desinfitseerimiseks UV-C-kiirguse allikatena elavhõbedalampe, mis kiirgasid lainepikkusel 254 nm, ja hiljem dioodikiirgajaid lainepikkustega 265-280 nm (vt. W.J. KOWALSKI, PE, WILLIAM P. BAHNFLETH, PhD, “ UVGI Design basics for air and surface disinfection” , 2000; vt. Sara E. Beck, Hodon Ryu, Laura Boczek, Jennifer L. Cashdollar, “ Evaluating UV-C LED disinfection performance and investigating potential dual-wavelength synergy”, 2016 ).

Eespool nimetatud ruumiliste objektide puhul, mida tuleb desinfitseerida igast küljest kiiritades, on UV-kiirgaja optimaalne asukoht selle objekti sees, mis on valmistatud materjalist, mis on desinfitseerimise lainepikkusele läbipaistev. See meetod patenteeriti 1964. aastal (vt. MILLAR RUTHERFORD Y, "Sanitary door knob and the like", 1964 (US3314746A )).

Desinfitseerimisastme peamine määrav omadus on kiirgusdoos ehk pinnaühiku kaudu edastatud UV-kiirguse integreeritud energia, mida tavaliselt väljendatakse millidžaulides

ruutsentimeetri kohta (mJ/cm2). Selliste annuste tabelid on esitatud rahvusvahelise ultraviolettkiirguse assotsiatsiooni (IUVA) veebilehel (vt. IUVA, ” UV Dose Required to Achieve Incremental Log Inactivation of Bacteria, Protozoa, Viruses and Algae “ ).

Teada on seadmeid, mille puhul kasutatava lainepikkuse jaoks läbipaistvatele aluspindadele asetatud esemeid valgustab aluspinna sees levivast kiirgusest tulenev hajuv laine (vt. KUO CHIH-WEI [TW]; LIANG WEI-YUN [TW]; SHR REN-CHIN [TW]; WU TENG-CHUN [TWj, "Sterilizing device and manufacturing method for sterilizing device", 2010 (US20180154029A1)). Sel juhul jääb kiirgusvõimsuse tihedus ja seega kiirgusallikast erineval kaugusel asuvate objektide poolt saadud doos praktiliselt konstantseks, kuna sisemise täieliku peegelduse efekti tõttu ei välju kiirgus substraadist. Hääbuva laine kiirguse võimsustihedus on aga pöördvõrdeline valgust juhtiva kihi paksusega ja on seetõttu ruumiliste elementide puhul väike. Samuti on objekti pinnale asetatud õhukestesse valgust juhtivatesse materjalikihtidesse välisest UV-valgusallikast kiirgust keeruline sisse viia. Lisaks sellele, kui desinfitseeritav pind on tugevalt saastunud, toob see kaasa kiirguse võimsustiheduse kiire vähenemise saastumispaiga taga asuvates tsoonides mööda valguse levikut.

Desinfitseeritud objekti välispinnale langeva kiirguse intensiivsuse suurendamiseks on pakutud eri meetodeid. Näiteks tehti ettepanek kasutada mitut emiteerivat elementi (vt. DMITRIEV ALEKSANDR SERGEEVICH [RU]; ZHUKOV ANDREJ ALEKSANDROVICH [RU], "Surface disinfection device", 2020 (RU2738856C1)), mis asetsevad objekti sees risti selle desinfitseeritava pinnaga, nii et iga emitteri kiirgus valgustab selle pinna eraldi osa. Selline meetod nõuab aga keeruka kujuga objekti loomist ja üksikute kiirgurite asendamine nende tööhäirete korral on võimatu.

On tuntud meetod läbipaistvate objektide pealispinna desinfitseerimiseks UV-kiirguse abil, kus välispinna kiiritamiseks ühe allikaga hajutatakse läbipaistvat elementi läbiv kiirgus mehaanilise meetodi abil kunstlikult moodustatud optiliste ebaühtlustega, kas selle elemendi välisel või sisemisel pinnal (kirjeldatud meetod on kasutusel seadmes (vt. GARGASH ABDUL JABBAR [AE]; SOKOLOV YURIY BORISOVICH [RU], "Antibacterial door knob", 2021 (EP3660245A4))).

Kirjeldatud meetod võimaldab küll kaasata läbipaistva elemendi pealispinna desinfitseerimise, kuid meetodi puudusteks on järgmised asjaolud:

esiteks, kunstlikult välisel pinnal moodustatud optiliste ebaühtluste juhul muudab aga selliste ruumiliste ebaühtluste esinemine pindade puhastamise (pesemise) keeruliseks; teiseks, peab element (käepide) sisepinnal ebaühtluste saamiseks olema õõnsa silindri kujuga. See suurendab tootmiskulusid ja vähendab elemendi vastupidavust. Lisaks jätab see disain seadme keskmes külgedega paralleelselt kulgeva kiirguse osa kasutamata.

On teada meetod mikro-ebaühtluste moodustamiseks läbipaistvate objektide sees mahulise laserläbilöögi meetodi abil impulsslaseri fokuseeritud kiirega (vt. Giulia no C. R.— Appi. Phys. Lett., 1964, v. 5, lk. 137,12; Cullom G.H.,Waynant R.W.— AppI.Opt.,1964,v.3, lk.989). Seda meetodit kasutatakse praktikas laialdaselt objektide märgistamiseks või läbipaistvate objektide sisse kahe- või kolmemõõtmelise (vt. Bathsheba Sculpture “ Etching glass” ; "Laser-induced damage creates interior images", OE Reports, Number 191, November 1999) kunstilise pildi loomiseks. Need saadakse iga järgneva laserimpulsi fookuspunkti nihutamisega objektis uude ruumilisse asendisse. Kõik need punktid, mis tekivad laserläbi löögi tagajärjel ja kujutavad endast mattpunkti valgusega, sealhulgas ultraviolettvalgusega valgustamisel, on laia ruumilise nurga all leviva hajutatud kiirguse allikad.

Sisemiste mikro-ebaühtlustega elemendist eralduvat hajutatud kiirgust saab kasutada ka pinnakatte fotokatalüütiliseks puhastamiseks, mis töötab UV-A lainepikkuse kiiritamisel. Selleks tuleb tööelementide välispinnale kanda katalüütilise fotodissotsiatsiooni omadustega materjal, näiteks TiO2 nanokomposiit. Erinevalt punktis (vt. ARTS-HORN1X EEFJE JANET [NL]; BALKENENDE ABRAHAM RUDOLF [NL]; RONDA CORNELIS REINDER [NL], "Photocatalytic purification of media", 2013 (WO2013061284A1)) välja pakutud skeemist annab see meetod objekti kuju valimisel vabaduse ning ka suurema võimsustiheduse. UV-A-emitter peab olema paigutatud nii, et see kiiritab osa, millel on fotokatalüütiline kate, et anda täiendav viirusevastane isepuhastuv efekt.

Tehnika tasemest on tuntud seade “ Antibakteriaalne ukselink” (vt. GARGASH ABDUL JABBAR [AE]; SOKOLOV YURIY BORISOVICH [RU], "Antibacterial door knob", 2021 (EP3660245A4)), mis kujutab endast UV-kiirguse abil desinfitseeritava ukselinki, kus on kasutusel eelnevalt mainitud meetod.

Kirjeldatud seadme puudused langevad kokku juba tuntud meetodi kohta märgitud puudustega.

Leiutise eesmärk ja olemus

Leiutise eesmärgiks on läbipaistvatest materjalidest valmistatud objektide pealispinna desinfitseerimine UV-C-kiirguse abil.

Kui asetada välispinna desinfitseerimist vajava läbipaistvast materjalist valmistatud objekti sisse mikro-ebaühtlused ja valgustada neid UV-C-dioodist tuleva UV-C-kiirgusega, siis hajutatud kiirgus levib objekti desinfitseerides igas suunas, ka pinna suunas. Luues desinfitseeritud eseme eri kohtades piisavas koguses selliseid mikro-ebühtlusi, on võimalik saavutada kogu selle välispinna ühtlane ja tõhus kiiritamine ehk desinfitseerimine. Sel juhul ei ole vaja täita sisemise peegeldumise tingimust elemendi külgmisel pinnal, kuna kiirte suuna muutus toimub elemendi mahu sees ja seetõttu võib sellel elemendil olla muu kuju kui silinder.

Ultraviolettkiirgus UV-C-vahemikus suurtes annustes on inimesele ohtlik, seetõttu on ebasoovitav, et inimene oleks seadme desinfitseerimise ajal lähedal. UV-kiirguse kehtivate ohutusnõuete täitmiseks võivad seadmed olla varustatud liikumisandurite, kallutusandurite ja muude anduritega, mis töötavad mikroprotsessori juhtimise all ega lase UV-kiirgust sisse lülitada, kui inimene on lähedal.

Täiendava viirusevastase isepuhastuva efekti andmiseks kaetakse desinfitseeritava läbipaistva objetkti pealispind katalüütilise fotodissotsiatsiooni omadustega materjaliga, näiteks TiO2 nanokomposiitiga. Fotokatalüütiline kate kombinatsioonis mikro-ebaühtlustega ja UV-A-vahemiku ning UV-C vahemiku kiirgusega, mis tuleb desinfitseeritava elemendi seest poolt, annavad kordades efektiivsema pinnapealse desinfitseerimise.

Jooniste lühikirjeldus

Leiutist illustreeritakse joonistega, kus:

joonisel FIG 1 on kujutatud leiutisekohase meetodi teostamise skeem;

joonisel FIG 2 on kujutatud nähtavas piirkonnas kiirgavate valgusallikate paigaldamiskohad; joonisel FIG 3 on kujutatud leiutisekohase läbipaistva elemendi desinfitseerimise põhimõtteline skeem. Skeemil on nooltega on näidatud, kust-kuhu liiguvad andmed anduritelt.

Meetodi teostamise näide

UV-C-kiirgusele läbipaistvast materjalist valmistatud element 1, mille sees mahulise laserläbilöögi meetodil rakendatakse mikro-ebaühtluste struktuuri 102 ja mis on varustatud LED-i või muu emitteriga UV-C-vahemikus 101, mis suunab oma kiirguse läbi poleeritud otsa 103 elemendi 1 sisse. Elementi sisenev kiirgus 104 hajub mikro-ebaühtlustesse 105 ja väljub läbi külgpinna 106, surudes maha langenud mikroorganismide elutegevuse 107. Osa elemendi teise otsa jõudvast kiirgusest kas läbib seda, peegeldub otsast tagasi või neeldub kaitsekattesse 108.

Element 1 on varustatud lisaks UV-C-vahemiku emitterile 101 veel UV-A-vahemiku emitteritega 108 ja 108, mille kiirgus hajub mikro-ebaühtlustesse 102 ja mida kasutatakse objekti pealispinna fotokatalüütiliseks puhastamiseks. Fotokatalüütilise puhastamise tagamiseks, kaetakse desinfitseeritava läbipaistva objetkti pealispind titaandioksiidiga.

Leiutise teostamise näide

Konstruktsioon pinna optiliseks desinfitseerimiseks, mis sisaldab elementi 1, mis on varustatud UV-C-vahemiku emitteriga 102 ja mis võib teatud ajaperioodiks programmeeritud mikroprotsessori 203 käsu korral valgustama hakata. Kallutusandur 2 ja liikumisandur 201 annavad mikroprotsessorile 203 teavet konstruktsiooni oleku ja emitteri sisselülitamise kohta ohutuseeskirjade seisukohast.

Leiutist saab teostada ukselingina, mille käepidet desinfitseeritakse leiutiskohase meetodi abil ning desinfitseerimine toimub järgmiselt.

Kõigepealt vajutab inimene ukselingi alla, kallutusandur 2 tunneb käepideme allavajutamise ära ning annab mikroprotsessorile 202 signaali, et ukselinki on kasutatud. Kümne sekundi pärast, kui liikumisandur 201 ei tuvasta liikumist, läheb UV-C-vahemiku emitter 101 tööle ning kiiritab käepidet 1 viisteist sekundit. Juhul kui liikumisandur 201 tuvastab liikumise, lülitub UV-C-vahemiku emitter 101 välja, et vältida inimese naha ja UV-C-kiirguse omavahelist kontakti.

Skeemil olevate tähiste loend

1 - läbipaistev element, mille pealispinda desinfitseeritakse

101 - UV-C-vahemiku emitter (200 - 280 nm);

102 - mikro-ebaühtluste struktuur;

103 - poleeritud ots;

104 - sisenev kiirgus;

105 - kiirguse hajumine;

106 - külgpind;

107 - mikroorganismide elutegevuse maha surumine;

108 - peegeldusvõimega kaitsekate;

109 - eri erivärvi emitterid (400 - 780 nm);

2 - kallutusandur;

201 - liikumisandur;

202 - mikroprotsessor;

Claims (4)

1. 1. Meetod läbipaistvate objektide pealispinna desinfitseerimiseks UV-kiirguse abil, mille nahaga kokkupuutumiseks mõeldud seadme osa valmistatakse UV lainepikkuse jaoks läbipaistvast materjalist, erineb selle poolest, et objekti sees rakendatakse laserläbilöögi meetodil mikro-ebaühtluste struktuuri, hajutades võrdselt ülekantud UV-C-vahemiku kiirgust, et desinfitseerida välispinda kohtades, mis võivad inimese nahaga kokku puutuda.
2. 2. Seade nõudluspunktile 1 kohaste läbipaistvate objektide pealispinna desinfitseerimise meetodi teostamiseks, mis kujutab optilist-elektromehaani1ist konstruktsiooni, sisaldab mikroprotsessorit, liikumisandurit, läbipaistvat objekti, UV-C-dioodi, mis asetseb desinfitseeritava objekti ühes otsas, erineb selle poolest, et nahaga kokkupuutumiseks mõeldud osa sees on rakendatud mikro-ebaühtluste struktuuri; kasutatud liikumisandurit turvalisuse tagamiseks; kasutatud mikroprotsessorit UV-C vahemiku emitteri tööaja seadistamiseks.
3. 3. Seade vastavalt nõudluspunktile 2, erineb selle poolest, et läbipaistva objekti pealispinna desinfitseerimise efektiivsuse suurendamiseks on mikro-ebaühtlused jaotatud nii, et nende paiknemistihedus ruumalaühiku kohta suureneks kaugusega kiirguse objekti sisenemiskohast, et kompenseerida kiirguse võimsustiheduse vähenemine hajutava keskkonna läbimise ajal.
4. 4. Seade vastavalt nõudluspunktile 3, erineb selle poolest, et vähemalt osa desinfitseeritava objekti pinnast sisaldab fotokatalüütilist kattekihti ning UV-A emitter on paigutatud desinfitseeritava läbipaistva objekti ühte otsa, et see kiiritaks seest poolt objekti osa, millel on fotokatalüütiline kate, et anda täiendav viirusevastane isepuhastuv efekt.