I You We

ความรู้พื้นฐานเรื่อง You We

หัวข้อนี้ตั้งใจจะเขียนถึง ผลของ UV ต่อ materials (เพราะผลต่อ living tissue และ Germs นั้นทราบกันอยู่แล้ว)

ในช่วงแรกคือ การทบทวนข้อสรุปจากความรู้พื้นฐานด้านบน

1. UV ที่มีผลต่อ Germs จะอยู่ในช่วงที่เป็น UV-C และ UV-B

2, UV-B และ UV-A ถูก absorb ไปแล้วด้วย Ozone ที่อยู่ในชั้น Stratosphere (สูงจากระดับ sea level ประมาณ 15 km และหนา 35 km (คือ อยู่ในชั้น 15-50 km จากพื้นโลก)

Karman line คือ เส้นสมมติที่แบ่งบรรยากาศของโลกกับอวกาศ ตั้งชื่อตาม Theodore von Karman ถ้าเกินกว่าเส้นสมมตินี้ อากาศจะเบาบางมากจนเครื่องบินไม่สามารถยกด้วยแรงลมใต้ปีกตามหลักอากาศพลศาสตร์ของ Bernoulli’s principle ได้ จากการคำนวณของ Theodore von Karman จะอยู่ที่ระดับ 83.6 km จากพื้นโลก

จึงเป็นที่มาของตัวเลขกลมๆ ว่า สูงจากพื้นโลก 100 km คือ จุดเริ่มต้นขอบเขตของอวกาศ (บอกไว้ก่อนว่า ขอบเขตของชั้นบรรยากาศโลกอาจมากกว่านี้มาก แล้วแต่การตีความ)

3. UVGI (UV Germicidal Irradiation) จะเข้าทำลายที่ DNA จึงมีผลต่อ Germs ที่เป็น bacteria และ virus ชนิด DNA virus ที่ wave length = 265 nm โดยทำให้เกิดการเชื่อมต่อของเบส T-T เรียก Pyrimidine dimer (ปกติ A-T)

UVGI จะเข้าทำลาย RNA virus ได้ดีที่สุดที่ wave length = 260 nm คือ เกิด Pyrimidine dimer ที่ U-U (ปกติ A-U)

(ที่ต้องพูดถึงความแตกต่างตรงนี้เพราะ SAR-CoV-2 เป็น SS-RNA virus)

4. หลอด UVGI มี 3 ชนิด คือ LED, Low pressure lamp, High pressure lamp

ลองมาดูเครื่องที่มีขายในตลาดบ้านเรา อันนี้พอดีเข้าไปที่ Xiaomi shop ครับ

UVC box ตัวนี้เป็น LED ไม่บอก wave length (น่าจะไม่ cover 260 nm) เน้นทำลาย DNA

ส่วน Box ตัวนี้ใช้ LED ระบุ wave length 260-280 nm ซึ่ง cover ทั้ง 260 และ 265 nm จึงทำลายได้ดีทั้ง DNA และ RNA virus

5. วิธีการคิด ว่าจะใช้ Germicide ได้ effective หรือไม่?

-เราต้องรู้ชนิดพื้นผิวของวัตถุที่จะใช้ UVGI

-กำลังของเครื่อง UVGI ที่เรามี (watt)

-ระยะห่างของหลอด UVGI กับพื้นผิววัตถุ

เพื่อจะคิดออกมาได้ว่า ต้องใช้เวลาน้อยที่สุดเท่าใด จึงจะทำลายเชื้อนั้นได้ทั้งหมด

ตัวอย่างการคำนวณ สูตร Euvc แผ่นนี้ “ผิด” นะครับ

อันนี้คือ แก้ไขครับ

จากตัวอย่าง จะแทนค่าได้ตามนี้

(มุม α แทนด้วย rad นะครับ ไม่ใช้ degree)

E = [1.7 ( (2×0.615) + sin (2×0.615) )] / [2×0.2121×0.15x π∧2]

= 3.693233 / 0.62800

= 5.8809 W/mˆ2

ปัญหาของการคำนวณเรื่องนี้มีเพียงเรื่องเดียว คือ การหา Huvc ที่ยังไม่มีตัวเลขที่แน่นอนของ Dose ที่จำเพาะต่อ SAR-CoV-2

ถ้าทราบค่า Dose ของ Huvc เราจะนำมาหารด้วย Euvc (ที่ได้จากการคำนวณ) ก็จะได้ค่า t exp ที่ต้องใช้นั่นเองครับ (watt = J/s)

t exp = Huvc / Euvc = (J/mˆ2) / (W/mˆ2) = J / (J/s) = s (หน่วยเป็น วินาที)

ข้อมูลที่มียังเป็นของ Corona virus species อื่นๆ เท่านั้น (หมายถึงถ้าจะเอาให้เป๊ะเลยนะ ซึ่งจริงๆ เราใช้การ estimate จากสายพันธ์ที่ต้องใช้ dose สูงสุดก่อนได้)

6. เครื่อง UVGI ที่มีใช้กับคลินิกทันตกรรม ได้ทั้งแบบ Chamber, Movable unit และแบบ Wall mount

ต่อไปจะเข้าเรื่องที่ผมต้องการจะเขียนนะครับ คือ เรื่องผลของ UV ต่อการเสื่อมของวัสดุต่างๆ

ขอเริ่มที่รูปหากินรูปเดิมที่ผมใช้บ่อยมาก

ถ้าเราแบ่งประเภทของวัสดุในโลกจะได้เป็น 3 ชนิด คือ โลหะ, Polymers และ Ceramics

แต่ในชีวิตจริง สิ่งของและเครื่องมือที่เราใช้ทั้งในชีวิตประจำวันทั่วไป และเครื่องมือเฉพาะทางตามวิชาชีพ จะหาแบบ pure ยากครับ เพราะส่วนใหญ่จะเป็นแบบที่วงกลมทั้ง 3 วง intersect กันอยู่ กลุ่มนี้ถ้าจะนับเป็นชนิดที่ 4 มันก็คือ material Composites นั่นเอง

ถ้าเราเข้าใจสิ่งที่ UVGI ทำกับ สาย DNA ก็ apply เอา action นี้มาใช้กับวัสดุแต่ละประเภทได้เลยครับ

หลักการทำนาย พฤติกรรมของ UV ที่มีต่อวัสดุต่างๆ คือ ความสามารถในการ absorb UV

แล้วถ้าลงลึกไป การ absorb นั้นอยู่ตรงไหน?

ให้นึกถึงขบวนการการเกิด X-ray ครับ นั่นคือ จะใช้หลักการ Photoelectric effect นั่นเอง

เริ่มด้วยมีการใส่พลังงานเข้าไป (กรณีที่เราสนใจคือ UVGI แต่ในกรณีของ X-ray คือความต่างศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า) กระทบ electron ที่มี orbit ในชั้น (shell) ต่างๆ เมื่อ electron ได้รับพลังงานจะวิ่งหลุดออกจาก orbit เดิมไปสู่ orbit อื่นที่ shell สูงขึ้น 1st shell –> 2nd shell –>… (ถ้ามันอยู่ในชั้นนอกสุด (valence electron) ก็จะหลุดออกจาก atom ของธาตุนั้น แล้ววิ่งได้อย่างอิสระ)

เราเรียกพลังงานที่ใส่เข้าไปว่า photon (แสง หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเป็น Dual property คือ แสดงคุณลักษณะได้ทั้ง wave และ particle แล้วแต่การสังเกต กรณีที่เราสนใจคือ UVGI เป็น photon (particle) ที่ใส่เข้าไปใน atom หรือที่เราเรียกว่า มัน absorb UVGI นั่นเอง)

สังเกตว่า ผมจะใช้คำว่า UVGI แทนที่จะเขียนว่า UV เฉยๆ เพราะต้องการเน้นว่า

เรากำลังพิจารณา UVGI ซึ่งมี wave length น้อยกว่า UV ปกติ(ในธรรมชาติ เพราะ Ozone layer ในชั้น Stratosphere จะ absorb แสงที่มีความยาวคลื่น < 300 nm ออกไปทั้งหมด UV ในธรรมชาติที่อยู่ในแสงแดด จึงมี wave length > 300 nm เรียบร้อยแล้ว)

จาก E = hν = hc/λ

ยิ่ง wave length น้อย พลังงาน (E) ยิ่งสูงมาก

UVGI จึงถือว่าเป็น photon ที่มีพลังงานสูง ในกลุ่ม UV ด้วยกัน

ทีนี้เราลองมาดูผลกระทบของ UVGI ในวัสดุแต่และตัวกัน (ซึ่งก็คือการพิจารณา bond ของวัสดุนั้นๆ นั่นเอง)

1. Ceramics

เป็นสารประกอบของโลหะกับอโลหะ ยึดกันด้วยพันธะ ionic เป็นส่วนใหญ่ (บางกรณีอาจมี covalent bond หรือ metallic bond)

ionic bond มี high strength มาก เรียกว่า electron ในชั้น valence แทบไม่มีการขยับออกไปไหนได้เลย เพราะถูก lock ด้วยการให้และรับ electron ระหว่างธาตุโลหะกับอโลหะ เป็น lattice ที่แน่นหนา (ion + ของโลหะถูกล้อมด้วย ion – ของอโลหะ และ ion – ของอโลหะถูกล้อมรอบด้วย ion + ของโลหะ) ดังนั้นจึงถือว่า เครื่องใช้ที่เป็น Ceramics inert ต่อ UV มาก

2.โลหะ

metallic bond คือ ชั้น electron นอกสุดของแต่ละ atom จะถูกใช้ร่วมกัน แต่ต่างจาก ionic bond คือ electron ในชั้น valence จะถูกทุก atom ใช้ร่วมกันทั้งหมด เรียกว่า valence electron จะเป็น free electron ที่วิ่งไปทั่วระหว่างแต่ละ atom (ไม่ถูก lock ด้วย ion + แบบ ionic bond) เกิดเป็น electron cloud ปกคลุมก้อน metal (+ ion) atom จึงเกิดแรงดึงดูดหนาแน่นทั่วทั้งชั้นโลหะ

ถ้าโลหะที่เรียบมากๆ เราจะพบว่า มันสะท้อนแสงได้เหมือนกระจกเงา นั้นคือ photon จาก visible light ทำอะไร electron cloud ของโลหะไม่ได้เลย (แถมยังสะท้อนออกไปได้อีกต่างหาก) และถึงแม้จะเป็น UVGI ก็ยังไม่มี E มากพอที่ electron cloud จะเกิดการเปลี่ยน location ได้

ยกเว้น ในบางสถานการณ์ ที่โลหะนั้นๆ เกิด metal oxide coat ที่ผิวและ expose ต่อ UVGI เป็นระยะเวลานานพอ

มี paper ที่อธิบายเรื่องนี้

(จะอธิบายโดยสรุป)

คือ แม้ UVGI จะไม่มีผลต่อ electron cloud ของชิ้นโลหะ แต่ถ้าเกิด metal oxide ขึ้นที่ surface ของโลหะ metal oxide จะเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าในตัวมันได้ โดยใช้หลักการคิดเหมือนการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ครับ

การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ คือหลักการที่เรานำมาใช้กับการผลิตไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์

การนำไฟฟ้า (เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า) จะเกิดขึ้นเมื่อมี photon มาตกกระทบ

มันมี term ที่ใช้อธิบายเรื่องนี้คือ คำว่า คู่อิเล็กตรอน-หลุม (Electron-hole pair)

เมื่อ photon ตกกระทบสารกึ่งตัวนำ (ไม่นำไฟฟ้าเมื่ออยู่เฉยๆ แต่จะนำเมื่อได้รับพลังงานจาก photon) electron ในชั้น valence จะหลุดออกมานอก atom แล้วเกิด หลุม (hole) ของ electron ที่หลุดออกมา

จากนั้น electron ที่หลุดจาก valence จะเข้าไปแทนที่หลุมของ atom ที่อยู่ติดกัน เป็นทอดๆ จนเกิด electron ที่ไหลในทิศทางเดียวกัน (ตามชั้นการเรียงตัวของ atom ที่เราสร้างไว้) นั่นคือ เกิดกระแสไฟฟ้า (ไหลในทิศตรงข้ามกับการวิ่งเข้าหา hole ของ electron)

และแน่นอนว่า electron จะหลุดและกระโดดเข้าไปสู่ hole ที่เป็นคู่ของมันได้ จะต้องได้รับพลังงานมากพอ คือ มากพอที่จะผลักให้ electron ที่อยู่ในชั้น valence orbit (หรือเราเรียกว่า electron ที่อยู่ในแถบพลังงาน valence band) ให้ขึ้นไปอยู่ในแถบพลังงานนำไฟฟ้า (conduction band)

ช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน valence band ขึ้นไปสู่ conduction band นี้เรียก energy band

ส่วนระดับพลังงานเฟอร์มิ คือ ระดับพลังงานที่จะพบ electron ที่มีปริมาณพลังงาน 50% ของปริมาณ electron ทั้งหมด ที่สภาวะสมดุลระดับ fermi จะอยู่ตรงกึ่งกลางระหว่าง valence band กับ conduction band เป๊ะ

ระดับ fermi ถือเป็นเส้นแสดงระดับพลังงานสมมติที่เปลี่ยนแปลงได้ตามสภาพของสารกึ่งตัวนำ แล้วแต่สมดุลระหว่าง electron กับ hole ที่เกิดขึ้น (ระดับ fermi ตั้งชื่อตาม Enrico Fermi: Fermi คือมนุษย์คนแรกที่ทำให้เกิด Chain reaction ของเตาปฏิกรณ์กองแกร์ไฟต์ ได้สำเร็จภายใต้สภาวะที่บังคับได้ (อยู่ใต้การควบคุมของมนุษย์)ในวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ.2485 ความสำคัญของ event นี้คือ เป็นจุดเริ่มต้นของการสร้าง Atomic bomb และเตาปฏิกรณ์ปรมาณูในเวลาต่อมา)

จุดขาวคือ hole แทนทีด้วย h+ (คือ หลุมว่างที่ขาด electron)

จุดดำคือ electron ที่วิ่งขึ้นไปจนถึงแถบ conduction band

(ยังไม่ต้องไปสนใจตรง p=type กับ n-type นะครับ)

กลับมาที่ผลของ UVGI ต่อโลหะ

เราพบว่า photon จาก UVGI ทำให้ oxide layer ประพฤติตัวเหมือน Semiconductor ได้ 2 ลักษณะครับ

แบบแรก UVGI ทำให้เกิด hole ในชั้นนอกสุดของ Oxide layer ที่สัมผัสกับน้ำ เกิดการกัดกร่อนผิวโลหะแบบ generalize

แบบที่ 2 คือ การกัดกร่อนโลหะแบบเป็นหลุมครับ (Pitting corrosion) เพราะ hole เกิดที่ชั้นในสุดของ Oxide layer (คือที่ผิวด้านที่สัมผัส metal)

ข้อสังเกตระหว่าง 2 รูปข้างบน จะเห็นว่า ระดับพลังงาน fermi เมื่อเทียบกับ VB (valence band) และ CB (conduction band) นั้นต่างกัน คือในรูปแรก ที่เกิด generalize corrosion (กัดกร่อนแบบทั่วไปทั้งพื้นผิว) จะพบ electron ที่ระดับพลังงาน fermi ที่สูงกว่าแบบ Pitting corrosion (ในช่วง Egap ที่เท่ากัน)

การกัดกร่อนแบบ Pit ผลที่เกิดจะแสดงตามรูปนี้

(อย่าลืมว่า การศีกษานี้คือ การผ่านแสง UV เข้าไปในโลหะที่แข่ในน้ำ เป็นระยะเวลานานๆ นะครับ ถ้าเป็นโลหะที่ expose อากาศเฉยๆ ผลอาจไม่เป็นตามนี้) เพียงแต่เป็นข้อคิดที่ UVGI อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนของเครื่องมือที่เป็นโลหะได้ ในระยะยาวครับ

3.Polymers

ตัวนี้บอกเลยว่า มีปัญหากับ UVGI มากที่สุด เพราะโครงสร้างสายยาวของ Polymer ก็เหมือนที่พบใน DNA นั่นเอง

covalent bond ที่ Polymer ใช้ คือการแชร์ valence electron ร่วมกัน ตามจำนวนที่เติมให้เต็ม 8 ในชั้น orbit นั่นคือ electron ที่ใช้ด้วยกันจะ localize ในชั้น valence เท่านั้น ไม่เคลื่อนไปบริเวณอื่น (Polymers จึงเป็นตัวนำที่แย่ และเป็นฉนวนที่ดีมาก)

เพราะ bond strength ของ covalent weak กว่า ionic และ metallic bond ดังนั้น UVGI จึงเข้าไป attack ได้ดีมาก โดยเฉพาะ C=C bond

โดยตัวมันเองที่ C=C จะมี Egap ที่กว้างมากในการทำลาย double bond คือจะ absorb ที่ wave leght = 170 nm (คือตกอยู่ในช่วง UV-C) แต่เนื่องจากวัสดุต่างๆ จะมีโมเลกุลที่ไม่ใช่ pure Alkene แต่จะมี bond อื่นๆมา conjugate (มี bond ร่วม) ด้วย C=C จึงถูก share ด้วยพันธะอื่นๆ ที่ประกอบร่วมกันในโมเลกุลของสารนั้น ทำให้ Egap ที่จะทำลายพันธะ C=C ลดลง จน wave length ที่จะถูก absorb ขยับสูงขึ้นเรื่อยๆ ทำให้ UVGI ยิ่งมีผลมากขึ้นไปอีก ( คือจาก 170 nm ขยับขึ้นไปจนใกล้ๆ 300 nm)

หรือบางครั้งมีพันธะที่มา conjugate กับ C=C จนถึงขนาด wave leght ที่ทำได้ได้ขยับสูงจนถึง visible light เข้า attack ได้เลย เช่น กรณีของ β-Carotene แสงที่ 470 nm สามารถทำลาย C=C ใน β-Carotene ได้

การใช้ Polymers ในงานที่ต้อง expose ต่อ UVGI จึงควรได้รับการพิจารณาในการเลือกวัสดุที่มีพื้นผิวที่ใช้ต่อต้านการ degradation ได้

Polymers ชนิดที่ต้าน UVGI คือ Fluoropolymers พวก polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorinated ethylene-propylene (FEP) และ polyvinylidene fluoride (PVDF)

ชื่อทางการค้าของ Fluoropolymers ที่เราคุ้นเคยกันดี คือ Teflon

ตรงนี้เป็นสรุปตอนท้ายแล้ว

คือ นอกจากการมอง UV เป็น UVGI ยังอยากให้เห็นอีกด้านนึงของเหรียญที่ UVGI สามารถ degradation วัสดุต่างๆ ได้ด้วยครับ

การใช้ UVGI ในคลินิกทันตกรรม แบบที่ perfect ที่สุดในความเห็นของผม คือ การใช้ในลักษณะนี้ครับ

แบบ Upper-room wall mount คือ ใช้เป็น Air purify อย่างเดียว (แบบไม่ต้อง expose พื้นผิวของ Dental unit และ Water lines ซึ่งเราใช้ disinfectant ทำงานได้ด้วยวิธี spray and wipe คือ การพ่น disinfectant แล้วทิ้งระยะสัมผัสให้นานพอตาม คู่มือการใช้งาน แล้วเช็ดออก หรือ wipe-discard-wipe คือ การเช็ดครั้งแรก แล้วเช็ดซ้ำอีกครั้ง) เพื่อไม่ทำให้เกิดการเสื่อมของเครื่องมือที่มีส่วนประกอบของ Polymers ในระยะยาว

แต่ถ้าใช้ในแบบ movable unit จะไม่ค่อยเหมาะกับคลินิกทันตกรรม เพราะปัญหาที่ยังเหลือคือ aerosols ที่ไม่ตกลงมาตามแรงโน้มถ่วง แต่ move ไปตาม airflow เท่านั้นครับ

Ref:

1. http://www.nimt.or.th/main/?p=31767

2. https://mobile.twitter.com/he_space/status/948476032167837696

3. http://www.thaiphysoc.org/article/84/

4. https://www.physics-and-radio-electronics.com/blog/photoelectric-effect/

5. https://www4.uwsp.edu/physastr/kmenning/Phys101/Lect35.html

6. https://www.researchgate.net/profile/T_Burleigh/publication/250394584_Photo-Corrosion_of_Different_Metals_during_Long-Term_Exposure_to_Ultraviolet_Light/links/5457f7520cf2bccc49111a4c/Photo-Corrosion-of-Different-Metals-during-Long-Term-Exposure-to-Ultraviolet-Light.pdf

7. https://ienergyguru.com/2015/06/สารกึ่งตัวนำ/

8. https://www.masterorganicchemistry.com/2016/09/26/uv-vis-spectroscopy-absorbance-of-carbonyls/

9. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Beta-Carotene

10. https://ptfe778851360.wordpress.com/structure-properties/

11. https://www.worldofmolecules.com/materials/teflon.htm

12. https://uvsolutionsmag.com/articles/2019/uv-degradation-effects-in-materials-an-elementary-overview/

• Uncategorized