Abstrakt:
Die Ausbreitung von Infektionskrankheiten in Krankenhäusern wird durch Kreuzkontaminationen durch kleine medizinische Geräte wie Mobiltelefone, Blutdruckmessgeräte und Blutzuckermessgeräte deutlich verschärft. Aktuelle Desinfektionsgeräte weisen jedoch erhebliche Einschränkungen auf: Sie lassen sich nicht nur nur schwer an medizinische Geräte unterschiedlicher Größe anpassen, sondern sind auch nicht in der Lage, empfindliche elektronische Geräte Hochtemperatur-Desinfektionsprozessen zu unterziehen. Diese Situation behindert die wirksame Umsetzung von Maßnahmen zur Infektionsprävention und -kontrolle in Krankenhäusern erheblich. Diese Studie befasst sich mit den oben genannten Herausforderungen, indem sie einen Oberflächendesinfektionsschrank für kleine medizinische Geräte entwickelt, der UV-C-LED-Technologie als Kernkomponente nutzt. Durch Simulationsmodellierung und praktische Tests wurde die Desinfektionswirksamkeit dieser Technologie auf Geräten wie Mobiltelefonen, PDAs und Blutdruckmessgeräten bewertet. Habe vom Laborpersonal drei Mobiltelefone, ein Tablet, zwei Gerätefernbedienungen und einen Verpackungskarton eingesammelt, also insgesamt sieben kleine Gegenstände unterschiedlicher Materialien und Spezifikationen. Die Koloniezahlen vor und nach der Verwendung des Geräts wurden erfasst und getestet, wobei jeder Test mehr als dreimal wiederholt wurde. Die Ergebnisse deuten auf eine deutliche Reduzierung der Bakterienkolonien auf den Probenoberflächen vor und nach der Desinfektion hin, mit einer durchschnittlichen Sterilisationsrate von 99,4 %. Das Wachstum natürlicher Bakterien in den Kulturschalen betrug weniger als 1 KBE/cm² und erfüllte damit die Anforderung einer Reduzierung der natürlichen Bakterienzahl um mehr als 1,00 Log gemäß GB27952-2020 „Allgemeine Anforderungen an Desinfektionsmittel auf Oberflächen gemeinsamer Gegenstände“. Darüber hinaus bestätigten Tests, dass das Gerät kein Ozon erzeugt und kein Risiko einer UV-Leckage im Labor innerhalb des Fabrikgeländes darstellt, sodass eine kontinuierliche Verwendung in Räumen mit anwesenden Personen möglich ist.
Schlüsselwörter: UV-C-LED, Oberflächen-Desinfektionsschränke, Desinfektion
1. Einführung
Die UV-Light-Emitting-Diode (LED) hat als neue UV-Quelle erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen, die herkömmliche, von Quecksilber gasgefüllte Lampen in Wasserdesinfektionsanwendungen ersetzen kann [1]. Das UV-Spektrum ist basierend auf Wellenlänge und Energie in drei Regionen unterteilt: UV-A-Region (315-400 nm), UV-B-Region (280-315 nm) und UV-C-Region (100-280 nm). Das UVC -Licht weist keimtierende Effekte auf und wird häufig für Wasser-, Oberflächen- und Luftdesinfektion verwendet. Bei der UV-C-LED zerstört das emittierte UVC-Licht im Bereich von 270 bis 280 nm die molekulare Struktur von DNA oder RNA in mikrobiellen Zellen, indem sie Dimere von Pyrimidinen (insbesondere Thymin/Uracil) bildet, was zum Tod von Anbau- und/oder regenerativen Zellen führt, wodurch die Sterilisation erfolgt [2,3]. Jüngste Studien haben auch die Wirksamkeit von ultraviolettem Licht bei der Desinfektion gezeigt. Beispielsweise reduziert UV-C-LED effektiv E.Coli, S.Aureus und C.albicans um 5 log10-Einheiten und erreicht eine Reduktion von 3 log10-Einheiten für Bacillus cereus-Sporen [4].
Die Entwicklung von Desinfektionsgeräten unter Verwendung von UVC-Licht (Ultraviolet-C) als Technologie für die Oberflächendesinfektion in Kontaktumgebungen war für viele Studiengruppen ein Schwerpunkt der Forschung [5,6]. Desinfektionsschränke werden in Krankenhäusern häufig verwendet, um die Oberflächen häufig berührter elektronischer Geräte wie Tablets, Mobiltelefone und Handheld -Computer zu sterilisieren. Diese Geräte können schädliche Krankheitserreger tragen, und anfällige Patienten könnten durch direkten Kontakt mit diesen kontaminierten kleinen medizinischen Diagnosegeräten infiziert werden [7,8]. Traditionell haben diese Schränke auf Quecksilber-basierte UV-Lampen als primäre Desinfektionsquelle angewiesen. Während Quecksilberlampen wirksam sind, stellen Quecksilberlampen aufgrund der giftigen Natur des Quecksilbers mehrere Herausforderungen, einschließlich hoher Energieverbrauch, langwärmende Vorheizzeiten, kurze Lebensdauer und Umweltprobleme. Darüber hinaus begrenzt ihr sperriges Design die Integration in kompakte und tragbare Sterilisationssysteme. Im Gegensatz dazu bietet UV-C-LED eine vielversprechende Alternative, die sofortige Funktionen, Energieeffizienz, längere betriebliche Lebensdauer und eine merkurfreie, umweltfreundliche Lösung bietet. Ihre kompakte Größe ermöglicht eine stärkere Flexibilität bei der Konstruktion und ermöglicht eine effizientere und gleichmäßigere UV-C-Lichtverteilung in Sterilisationsschränken [9]. Die UV-C-LED-Technologie bietet im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Reagenzien eine nicht kontakte Desinfektionsmethode für kleine medizinische Geräte, damit sie für schwer zu erreichen und keine Rückstände hinterlassen. Es befasst sich mit den Einschränkungen der Hochtemperaturfeuchter-Wärmesterilisation, die nicht für elektronische Produkte anwendbar ist, wodurch eine Lücke in modernen medizinischen Sterilisationsmethoden geschaltet wird. Diese Technologie dient als wertvolle Ergänzung und Verbesserung der bestehenden Praktiken und bietet neue Lösungen zur Verbesserung der Hygienestandards von Medizinprodukten.
Da die Fortschritte in der UV-C-LED-Technologie die Leistung und die Kosteneffizienz weiter verbessern, können diese Geräte die Sterilisationsprotokolle im Krankenhaus revolutionieren und die Desinfektionseffizienz verbessern und gleichzeitig Sicherheits- und Nachhaltigkeitsprobleme bewältigen.
2. Materialien und Methoden
2.1 Materialien
Abbildung 1 zeigt den Desinfektionsschrank von Massphoton mit Abmessungen von 430 × 365 × 630 mm (Länge × Breite × Höhe). Das Schrank ist auf allen Seiten mit reflektierendem Film ausgekleidet, was das Reflexionsvermögen von ultraviolettem Licht (UV) effektiv verbessert und die Desinfektionseffizienz verbessert. Innerhalb des Schranks befinden sich vier Regale, in denen verschiedene kleine medizinische Geräte, Smartphones, PDAs, iPads und andere Geräte verschiedener Größen und Materialien untergebracht sind. Das Desinfektionsschrank bietet drei Desinfektionszeiteinstellungen mit einem standardmäßigen Einzeldesinfektionszyklus von 10 Minuten. Jede Drücke der Desinfektionstaste fügt 10 Minuten und maximal 30 Minuten hinzu. Der Schrank ist mit einem Infrarotsensor des menschlichen Körpers ausgestattet, der beim Öffnen der Tür automatisch die UV-C-LED-Chips ausschaltet, wodurch die UV-Exposition und die Sicherheit der Benutzer sichergestellt werden.
Abbildung 1: Oberflächen-Desinfektionskabinett der ersten Generation. (a) Äußeres der ersten Generation; (b) Verteilung der LED -Streifen; (c) UV -Bestrahlungsstärkeverteilung.
2.2 Methoden
2.2.1. Probenahme
(1) Bringen Sie Etiketten an den im Labor gesammelten Versuchsgegenständen an (z. B. iPads, Mobiltelefone usw.).
(2) Tauchen Sie vor der Desinfektion ein steriles Wattestäbchen in ein Reagenzglas mit 5,0 ml PBS. Tupfen Sie den vorgesehenen Bereich ab (dreimal horizontal und vertikal hin- und herbewegen) und legen Sie dann den Tupfer unter aseptischen Techniken in das Original-PBS-Röhrchen ein. (Wenn die Oberfläche weniger als 50 cm² beträgt, beproben Sie die gesamte Oberfläche; wenn die Oberfläche größer als 50 cm² ist, beproben Sie 50 cm²).
(3) Mischen Sie die Probe 20 Sekunden lang mit einem Vortex-Mischer oder schütteln Sie sie 80 Mal kräftig. Nach entsprechender Verdünnung 200 μl auf ein Kulturmedium pipettieren und 48 Stunden lang bei 36 °C ± 1 °C inkubieren, um die lebensfähigen Bakterienkolonien zu zählen.
2.2.2. Berechnung der gesamten Bakterienkoloniezahl auf Objektflächen (siehe Formel unten):
Gesamtzahl der Bakterienkolonien (KBE/c㎡) = durchschnittliche Anzahl der Kolonien pro Platte × Verdünnungsfaktor ÷ Probenahmefläche (c㎡)
3. Ergebnisse und Diskussionen
3.1 Sterilisationsrate
In dieser Studie präsentieren wir, wie in Abbildung 2 gezeigt, das Design und die optische Simulation eines auf UV-C-LED-basierten Desinfektionsschranks, der auf die Verwendung von Krankenhäusern zugeschnitten ist, um mehrere Handheld-Geräte wie Tabletten zu sterilisieren. Das Kabinett verwendet eine Reihe von UV-C-LEDs, die bei 275 nm ausgehen und strategisch an den oberen und unteren Ecken platziert werden, um die Bestrahlungsstärkeverteilung zu optimieren. Das Innenraum ist mit einem hohen Reflexivitätsmaterial (Reflexionsvermögen> 90%) ausgekleidet, um die Lichtstreuung zu verbessern und Absorptionsverluste zu minimieren. Optische Simulationen, die mithilfe von Strahlenverfolgungsoftware durchgeführt wurden, modellierten die Beleuchtung von 16 Oberflächen über acht Tablets, die im Schrank positioniert sind. Die Ergebnisse zeigen eine gleichmäßige Abdeckung, wobei alle Oberflächen eine UV -Intensität von mehr als 40 µW/cm² erhalten - gut über dem Schwellenwert, der zur Beseitigung von Bakterien wie Staphylococcus aureus erforderlich ist (typischerweise 10–20 µW/cm² für eine 4 -log -Reduktion). Die Kombination aus präziser LED-Platzierung und reflektierender Innenräume sorgt für eine wirksame Desinfektion und bietet eine kompakte, energieeffiziente Lösung für die Infektionskontrolle in klinischen Umgebungen.
Abbildung 2. Optische Simulation von Oberflächendesinfektionsschränken. (a) 3D-Ansicht; (b) Seitenansicht und (c) UV-Leistungsdichteverteilung.
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Ultraviolett (UV)-Leckagemessung. Das Gerät wurde in ein Labor gestellt und nach 5-minütigem Betrieb wurde mit einem UV-Bestrahlungsstärkemessgerät die UV-Intensität in einem Abstand von 30 cm um das Gerät gemessen. Die Messung wurde dreimal wiederholt und der erhaltene Durchschnittswert betrug 0,000 μW/cm². Diese Daten zeigen deutlich, dass der Flächendesinfektionsschrank kein Risiko einer UV-Leckage birgt.
Tabelle 3. UV-Leckagemessung.
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Ozonleckagemessung. Das Gerät wurde in ein Labor gestellt und nach dem Einschalten wurde mit einem Ozontester die Ozonkonzentration in der Luft gemessen. Es ist wichtig zu beachten, dass das Probenahmerohr des Ozonmessgeräts für eine genaue Probenahme in einer Höhe von 1,5 Metern über dem Boden positioniert werden sollte. Die Messungen wurden alle fünf Minuten durchgeführt und die durchschnittliche Ozonkonzentration über einen kontinuierlichen Zeitraum von einer Stunde betrug 0,000 mg/cm³. Dies weist darauf hin, dass das Gerät kein Ozon produziert.
In diesem Experiment wurden insgesamt sieben Elemente verwendet, darunter drei Mobiltelefone, zwei Fernbedienungen, eine Verpackungsbox und ein Tablet. Jedes Element wurde basierend auf seinen Vorder- und Rückflächen in zwei Gruppen unterteilt. Jede Oberfläche wurde weiter in obere und untere Hälften geteilt. Die obere Hälfte jeder Oberfläche wurde als Kontrollgruppenprobe abgetastet, während die untere Hälfte nach dem Desinfektionsprozess als experimentelle Gruppenprobe abgetastet wurde.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, wurde nach 36-48-stündiger Inkubation in einem Inkubator mit konstanter Temperatur bei 36 ± 1 °C das mikrobielle Wachstum vor und nach der Desinfektion beobachtet. Abbildung 3(a) stellt das mikrobielle Wachstum auf der Objektoberfläche vor der Desinfektion dar und zeigt sichtbare natürliche Bakterienkolonien im Nähragar. Abbildung 3(b) stellt das mikrobielle Wachstum nach der Desinfektion dar, wobei im Nähragar fast keine natürlichen Bakterienkolonien beobachtet werden. Durch den Vergleich von Abbildung 3(a) und (b) wird deutlich, dass der Oberflächendesinfektionsschrank die Objektoberflächen effektiv sterilisiert.
Abbildung 5: Vergleich von Bakterienkolonien in Petrischalen: vor und nach der Desinfektion.
Abbildung 4 zeigt einen Vergleich der Koloniezahlen und Sterilisationsraten vor und nach der Desinfektion. Die Häufigkeit und Dauer der Verwendung verschiedener Gegenstände variiert je nach Funktion und wir können die Nutzungsdauer anhand der Anzahl der von der Oberfläche der Gegenstände eingefangenen Mikroorganismen grob abschätzen. Vor dem Einsatz des Flächendesinfektionsschrankes lag der Keimgehalt auf den Objektoberflächen bei bis zu 121 KBE/cm². Nach der Sterilisation wurde er effektiv auf 0 KBE/cm² reduziert, mit einer maximalen Sterilisationsrate von bis zu 99,99 %. Durch den Vergleich der KBE unbehandelter und behandelter Proben erreichten wir eine durchschnittliche Sterilisationsrate von 99,4 %. Das natürliche Bakterienwachstum in Kulturplatten betrug weniger als 1 KBE/cm² und erfüllte damit die in GB 27952-2020 „Allgemeine Anforderungen an Desinfektionsmittel auf häufig genutzten Objektoberflächen“ festgelegte Anforderung an eine Reduktion natürlicher Bakterien um ≥1,00 log.
Abbildung 4: Ergebnisse der Wirksamkeit von Oberflächendesinfektionsschränken. (a) Statistiken zur Desinfektionswirksamkeit von Flächendesinfektionsschränken; (b) Desinfektionsrate pro Oberfläche.
4. Schlussfolgerung
Studien haben gezeigt, dass die Hände von Mitarbeitern im Gesundheitswesen ein bedeutender Vektor für die Übertragung von Krankenpathogenen im Krankenhaus sind. Die strenge Einhaltung von Handhygiene kann im Krankenhaus erworbene Infektionen um 20% bis 30% effektiv reduzieren [10]. Mobiltelefone, PDAs und Tablets als häufige berührte Gegenstände in der täglichen Arbeit von Arbeitnehmern des Gesundheitswesens stellen ein Risiko von Krankenhäusern durch Kontakt mit kontaminierten Geräten dar. Das Oberflächen-Desinfektionsschrank des Masshpotons verwendet UV-C-LED-Lampen, die 270-280nm Ultraviolett-Licht auswirken, um kleine Gegenstände zu desinfizieren. Die im Kabinett platzierten Gegenstände werden direkt und durch reflektierendes Film dem UV-C-Licht ausgesetzt, wodurch Desinfektion erreicht wird, ohne dass ein direkter Kontakt mit den Oberflächen erforderlich ist, um die Herausforderung der Desinfektion schwer zu erreichen, auf Objektoberflächen zu desinfizieren und gleichzeitig Bedenken hinsichtlich chemischer Rückstände zu beseitigen. Im Vergleich zu herkömmlichen Sterilisationsschränken der Quecksilberlampe verfügt der Desinfektionsschrank des Masshpotons mit einer kürzeren Vorheizzeit und trägt zu einem umweltfreundlicheren System bei. Desinfektionsschränke mit UV-C-LED-Technologie bieten nicht nur Umweltvorteile, sondern bieten auch kompakte Größe, intelligente Merkmale, keine Ozonemissionen und keine ultravioletten Lichtlecks. Diese Schränke können die Bakterienzahlen auf Artikelflächen auf 0 cfu/cm2 schnell reduzieren. Diese innovative Lösung bietet chemischen Wirkstoffen für Kontaktflächen in Krankenhäusern und anderen öffentlichen Räumen eine wirksame Ergänzungsmethode.
Referenzen
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Der Einsatz von Festkörper-UVC-LED-Wasserdesinfektionssystemen erfordert eine genaue Bewertung der Reaktorhydrodynamik, der Zielwellenlängen und der Quellwasserqualitätsvariablen wie der UV-Durchlässigkeit (UVT). Im Gegensatz zu zerbrechlichen, kontinuierlich brennenden Quecksilberlampen bieten Deep-UV-LEDs eine platzsparende Stellfläche und ein sofortiges Ein-/Ausschalten, das der realen Strömungsdynamik entspricht. Durch die Kopplung von Konstantstromtreibern mit robusten Wärmemanagement-Arrays können Anlagentechniker präzise keimtötende Dosen abgeben, um chlorresistente Krankheitserreger zu neutralisieren. Dieser technische Überblick bietet die Dimensionierungskriterien, Umsetzungsstrategien und Wege zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, die zur Gewährleistung einer nachhaltigen, chemikalienfreien Biosicherheit erforderlich sind.
Die Integration der Festkörper-UVC-LED-Technologie in moderne Desinfektionsgeräte erfordert eine gründliche Analyse der Halbleitermechanik, der optischen Leistungsabgabe und des Wärmemanagements. AlGaN-basierte Dioden arbeiten im kritischen keimtötenden Bereich von 200–280 nm und zielen auf die absolute Spitzenabsorptionskurve von Pathogen-DNA und -RNA ab, um eine chemikalienfreie Reinigung zu ermöglichen. Durch die Abkehr von herkömmlichen Quecksilberdampflampen werden giftige Schwermetalle eliminiert, sofortige Einschaltzyklen eingeführt und Flexibilität bei der kompakten Bauweise geboten. Durch die Verwaltung der Sperrschichttemperaturen und die Implementierung robuster Treibersteuerungen können Ingenieure erfolgreich hocheffiziente UVC-LED-Systeme für eine zuverlässige Wasser-, Luft- und Oberflächenbehandlung einsetzen.
Die Wahl zwischen Festkörper-UVC-LED-Technologie und herkömmlichen Quecksilberdampf-UV-Lampen erfordert einen tiefen Einblick in die Betriebseffizienz, Lebensdauer und Sicherheitskonformität. Während herkömmliche UV-Lampen eine breite Spektrumabdeckung bieten, die für große kommunale Einsätze geeignet ist, liefern UVC-LEDs schmalbandige, einstellbare Wellenlängen (265–280 nm), die die keimtötende Wirksamkeit maximieren. Darüber hinaus verfügen Solid-State-Arrays über Instant-On-Funktionen, eliminieren das Risiko von giftigem Quecksilber und verringern den Wartungsaufwand. Diese technische Bewertung hilft Facility Managern und Ingenieuren, Implementierungsrisiken sicher zu mindern, die Wärmeableitung zu optimieren und erfolgreich auf eine nachhaltige, ozonfreie Ultraviolett-Infrastruktur umzusteigen.
Die Auswahl eines UVC-LED-Wasserdesinfektionssystems erfordert ein klares Verständnis der Durchflussraten, UV-Dosismetriken und Wasserqualitätsvoraussetzungen, um eine vollständige Inaktivierung von Krankheitserregern sicherzustellen. Die Festkörper-UVC-Technologie bietet eine bedarfsgerechte, quecksilberfreie Alternative zu herkömmlichen Lampen und liefert gezielt keimtötende Wellenlängen ohne chemische Nebenprodukte. Der Erfolg des Systems hängt jedoch stark von der richtigen Vorfiltration zur Bekämpfung von Verschattungen durch Trübung und Mineralablagerungen ab. Durch die Anpassung der Systemkapazität an den Spitzendurchflussbedarf können Einrichtungen in verschiedenen Betriebsumgebungen erfolgreich zuverlässige, energieeffiziente Wasseraufbereitungslösungen einsetzen.
