في الآونة الأخيرة، قام فريق البحث المكون من لي دابينج وسون شياو جوان من معهد تشانغتشون للبصريات والميكانيكا الدقيقة والفيزياء بالأكاديمية الصينية للعلوم، وفريق بحث شو كي من مختبر الدولة الرئيسي لعلم الفيروسات بجامعة ووهان، بإجراء هندسة الإجهاد وإعداد الأجهزة و إعداد جهاز لمصابيح LED فوق البنفسجية العميقة المستندة إلى AlGaN على ركائز قالب AlN/الياقوت ذات الضغط القوي، بالإضافة إلى البحث عن كفاءة التعقيم لفيروسات RNA التنفسية البشرية. تم تحضير مصابيح LED فوق البنفسجية العميقة القائمة على AlGaN بأطوال موجية مختلفة تبلغ 256 نانومتر و265 نانومتر و278 نانومتر، والتي كان لها تأثير تعقيم ممتاز على فيروسات الحمض النووي الريبي التنفسية البشرية.
خلفية:
تتسبب فيروسات الحمض النووي الريبي (RNA) التنفسية البشرية، مثل SARS-CoV-2 والأنفلونزا A (IAV)، في حدوث معدلات مراضة ووفيات كبيرة وخسائر اقتصادية وأمراض وبائية في جميع أنحاء العالم. ولذلك، هناك حاجة إلى تطوير طرق تطهير سطحية وبيئية أكثر كفاءة وواسعة النطاق للحد من خطر انتقال فيروس الحمض النووي الريبي التنفسي البشري.
يعد الضوء فوق البنفسجي العميق وسيلة فعالة لتعطيل الفيروسات عن طريق تعطيل جينوماتها. تُستخدم مصابيح الزئبق بشكل شائع لتطهير الفيروسات، ولكن لها مساوئ السمية والهشاشة والضخامة وقصر العمر وتوليد الأوزون. بموجب اتفاقية ميناماتا، يُحظر إنتاج واستيراد وتصدير المنتجات المحتوية على الزئبق اعتبارًا من عام 2020. وهناك حاجة ملحة لمنتج تعقيم صديق للبيئة وفعال. يمكن ضبط مصابيح AlGaN للأشعة فوق البنفسجية العميقة من 365 نانومتر إلى 210 نانومتر وهي بديل لتعقيم مصابيح الزئبق نظرًا لعدم تلوثها وصغر حجمها وتوفيرها للطاقة، كما هو موضح في الشكل 1.
أظهرت الدراسات أن مصابيح LED العميقة المستندة إلى AlGaN يمكنها تعطيل نشاط البكتيريا بشكل فعال مثل الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية والمبيضات البيضاء، والبكتيريا المختلفة لها حساسيات مختلفة لأطوال موجية مختلفة. الطول الموجي أقل من 260 نانومتر له تأثير تثبيط جيد على البكتيريا. ومع ذلك، فإن البحث حول تأثير التعقيم لمصابيح LED المعتمدة على AlGaN على SAR-CoV-2 وIAV يركز عادةً على 265~365 نانومتر، ويحتوي على وضع مصدر ضوء متكامل وتركيز منخفض للفيروس. يجب تقدير تعطيل نشاط SARS-CoV-2 وIAV بواسطة مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية العميقة ذات الطول الموجي الأقصر والمعتمدة على AlGaN بشكل أكثر دقة.
عادةً ما تكون مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية العميقة المستندة إلى AlGaN ذات محورين متغايرين على قوالب AlN/الياقوت. على مدى العقدين الماضيين، تم الحصول على قوالب AlN/ياقوت عالية الجودة من خلال مجموعة متنوعة من الأساليب، من بينها طريقة التلدين بدرجة حرارة عالية ربما تكون أكثر التطبيقات الصناعية الواعدة بسبب بساطتها وكفاءتها واستقرارها. ومع ذلك، فإن قوالب AlN/الياقوت الملدنة بالحرارة العالية عادةً ما تظهر ضغوطًا ضغطية قوية، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على جودة AlGaN العلوي.
من ناحية، يمكن أن يحفز ضغط الضغط القوي نمط نمو SK، مما يؤدي إلى بنية جزيرة ثلاثية الأبعاد تنتج خلعًا عالي الكثافة للخيط وأسطحًا خشنة. من ناحية أخرى، يمكن أن يسبب ضغط الضغط القوي تأثير الجر، مما يؤدي إلى تكوين غير متجانس وانخفاض كفاءة المنشطات. بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن تؤدي ضغوط الضغط القوية إلى تدهور الجهاز أثناء عملية التصنيع. لذلك، فإن استرخاء إجهاد الضغط القوي ضروري للأجهزة الفوقي على قالب AlN/ياقوت الضغط القوي.
ويبرز البحوث:
ردًا على المشكلات المذكورة أعلاه، قام فريق البحث المكون من لي دابينج وسون شياو جوان من معهد تشانغتشون للبصريات والميكانيكا الدقيقة والفيزياء، بالأكاديمية الصينية للعلوم، وفريق بحث شو كي من مختبر الدولة الرئيسي لعلم الفيروسات بجامعة ووهان، بإجراء الإجهادات. الهندسة وإعداد الأجهزة وإعداد الأجهزة لمصابيح LED فوق البنفسجية العميقة القائمة على AlGaN على ركائز قالب AlN/الياقوت ذات الضغط القوي، بالإضافة إلى البحث عن كفاءة الأجهزة في تعقيم فيروسات الحمض النووي الريبي التنفسية البشرية.
لقد وجد أنه من خلال إدخال بنية شبكية فائقة بين ركيزة AlN / الياقوت ذات الضغط القوي والطبقة الفوقي AlGaN، يمكن تخفيف ضغط الضغط القوي للركيزة على الطبقة الفوقي بشكل فعال، كما يتم تقليل كثافة خلع الطبقة الفوقي AlGaN تم تقليله بأكثر من ترتيب من حيث الحجم مقارنة بالطريقة الفوقي المباشرة، والسطح به تسطيح على المستوى الذري، مما يمكن أن يحسن بشكل كبير جودة واجهة LED الفوقي.
بناءً على هذه الطريقة، قام فريق البحث بتصنيع مصابيح LED فوق البنفسجية العميقة القائمة على AlGaN بأطوال موجية مختلفة تبلغ 256 نانومتر، و265 نانومتر، و278 نانومتر، بما يتوافق مع القوى الضوئية البالغة 6.8 ميجاوات، و9.6 ميجاوات، و12.5 ميجاوات عند 100 مللي أمبير.
وفي الوقت نفسه، قام فريق البحث بدراسة التأثير التعقيمي لأطوال موجية مختلفة على فيروسات الحمض النووي الريبي التنفسية البشرية SARS-CoV-2 وIAV وفيروس نظير الأنفلونزا البشري (HPIV) بنفس كثافة الطاقة الضوئية (0. 8 ميغاواط/سم2). أظهرت النتائج أن جميع مصابيح LED ذات الطول الموجي تعقم 100% من SARS-CoV-2 وIAV خلال 60 ثانية بتركيز فيروس يبلغ 3.8×105 PFU/mL. من بينها، يمكن لمصابيح LED ذات 256 نانومتر تعقيم 100% من SARS-CoV-2 وIAV في 10 ثوانٍ، مما يُظهر كفاءة تعقيم أعلى من مصابيح LED ذات الطول الموجي الطويل.
بالإضافة إلى ذلك، عند التركيزات العالية للفيروسات والأسطح المختلفة الملحقة بالفيروسات، أظهرت مصابيح LED ذات 256 نانومتر أيضًا تأثيرات تعقيم ممتازة. ستساعد هذه النتائج مصابيح LED العميقة للأشعة فوق البنفسجية على تطهير الفيروسات بطريقة أكثر سهولة وصديقة للبيئة وواسعة النطاق وفعالة.
الشكل 1: الطول الموجي العامل وهيكل LED للأشعة فوق البنفسجية العميقة المستندة إلى AlGaN وتطبيقه في مجال التعقيم
يعتمد العمل على موضوع "التعطيل السريع لفيروسات الحمض النووي الريبي التنفسية البشرية عن طريق التشعيع فوق البنفسجي العميق من الثنائيات الباعثة للضوء على قالب AlN/Sapphire الملدن بدرجة حرارة عالية" تم نشر هذا العنوان في Opto-Electronic Advances، العدد 9، 2023 .
