ИНДИВИДУАЛЬНАЯ МНОГОРАЗОВАЯ ЗАЩИТНАЯ МАСКА С УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ОБЛУЧАТЕЛЕМ ВОЗДУХА
INDIVIDUAL REUSABLE PROTECTIVE MASK WITH UV AIR EXPOSURE

Изобретение относится к области биомедицинских клеточных технологий, в частности к созданию устройства индивидуальной активной фильтрующей маски с бактерицидной обработкой вдыхаемого и выдыхаемого человеком воздуха, содержащего во взвешенном состоянии вирусы и бактерии.
Известна индивидуальная фильтрующая маска с бактерицидной обработкой воздуха (см. патент на изобретение RU2729629, МПК A41D 13/11, опубл.11.08.2020), содержащая корпус со средствами крепления на голове носителя маски, модуль бактерицидной обработки воздуха, снабженный источником ультрафиолетового излучения (УФ), расположенным внутри модуля бактерицидной обработки воздуха и соединенным с блоком электропитания, при этом источник ультрафиолетового излучения выполнен в виде газоразрядной лампы. Корпус маски выполнен в форме, закрывающей рот, нос и глаза человека, из прозрачного материала. Модуль бактерицидной обработки воздуха установлен сверху и не ограничивает обзор, при этом маска снабжена аккумуляторами, клапанами, срабатывающими при вдыхании и расположенными с внутренней стороны маски, клапаном, при выдыхании пропускающим наружу обработанный воздух, при этом модуль бактерицидной обработки воздуха включает газоразрядную ультрафиолетовую бактерицидную лампу в светоотражающей трубке, преобразователь питания лампы, систему непрерывного энергопитания с возможностью смены аккумулятора, устройство управления, сигнализирующее устройство о заканчивающемся заряде, электрическую схему включения, внешнюю телеметрию. В модуле бактерицидной обработки воздуха может быть установлена как одна, так и две газоразрядных ультрафиолетовых бактерицидных лампы с длиной волны 253,7 нанометра (УФС). Модуль бактерицидной обработки может быть съемным и/или несъемным.
-4
Наиболее существенным недостатком данного устройства является использования ультрафиолетовых газоразрядных ламп, излучающих одновременно не одну, а целый ряд спектральных линии излучения видимого (5 интенсивных линий) и спектральные ультрафиолетовые линии УФА, УФВ и УФС диапазона, включающие линии излучения при облучении воздуха генерирующие активные молекулы озона, вдыхаемые из маски и повреждающие дыхательные биоткани (бронхи и легкие) человека. Со стороны техники электробезопасности данное устройство не может быть разрешено к эксплуатации индивидуальными людьми, так как использует напряжение более 1000 вольт без заземления, а токи при газовом разряде в трубке достигают десятков миллиампер, которые могут вызывать электро-поражение сердечной мышцы. Кроме того, существенным недостатком является очень маленький КПД. Уровень преобразования постоянного тока, протекающего в газоразрядной плазме ртутной лампы в электромагнитное излучение ультрафиолетового диапазона для таких типов разряда не превышает одной сотой процента (10).
Известна защитная медицинская маска (см. патент на полезную модель RU173502, МПК A41D 13/11, опубл. 29.08.2017). Маска содержит корпус со средствами крепления на лице носителя маски, и бактерицидную камеру в передней лицевой части корпуса. Бактерицидная камера снабжена входным фильтром и источником ультрафиолетового (УФ) излучения, расположенным внутри камеры и соединенным с блоком электропитания. Источник УФ излучения выполнен в виде малогабаритной амальгамной газоразрядной лампы. Внутренняя поверхность бактерицидной камеры выполнена из материала, отражающего УФ излучение. Внутри камеры установлена перегородка из материала, прозрачного для УФ излучения. На выходе бактерицидной камеры установлен воздушный фильтр, выполненный из материала, поглощающего УФ излучение.
Однако данное решение имеет те же недостатки с точки зрения ультрафиолетового спектра излучения и соответственно нежелательной генерации озона, но амальгамная лампа может излучать при напряжении 30 В, что допустимо с точки зрения электробезопасности для индивидуального использования человеком.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство, описанное в патенте на изобретение RU2729292, МПК A62B 7/00, опубл. 05.08.2020. Устройство инактивации болезнетворных микроорганизмов в потоке воздуха выполнено в виде проточной камеры, имеющей внутренний объем и по меньшей мере одну стенку, ограничивающую такой внутренний объем. Во внутреннем объеме камеры расположен светодиод  ультрафиолетового спектра излучения. Вся внутренняя поверхность, по меньшей мере, одной указанной стенки покрыта или выполнена из материала, отражающего ультрафиолетовое излучение  с образованием многопроходной оптической системы. В по меньшей мере одной указанной стенке выполнено по меньшей мере две сквозные щели или отверстия, одно из которых по существу является входным, второе - выходным из условия прохождения потока воздуха через внутренний объем камеры.
Основной технической проблемой данного устройства является возможность фотоповреждения узкополосным ультрафиолетовым излучением светодиода только белковых мембран бактерий, но не ДНК и РНК вирусов и бактерий, вследствие соответствующего выбора спектрального диапазона излучения (275 нм) заявляемых ультрафиолетовых светодиодов.
Технический результат заключается в одновременном ультрафиолетовом повреждении как мембранных белков вирусов и бактерий, так и фотоповреждении молекулярных механизмов репликации и функционирования ДНК и РНК вирусов и бактерий при облучении вдыхаемого и выдыхаемого потока воздуха резонансным ультрафиолетовым излучением двух светодиодов, пространственно расположенных в двух эксцентриситетах эллиптического цилиндра, представляющего собой съемный корпус (картридж) на тканевой защитной маске.
2
Технический результат достигается тем, что в индивидуальной многоразовой защитной маске с ультрафиолетовым облучателем воздуха для защиты органов дыхания человека от вирусов и бактерий, включающая встроенный в тканевую маску корпус с бактерицидным облучателем воздуха, содержащий внутри корпуса два источника ультрафиолетового излучения виде ультрафиолетовых полупроводниковых светодиодов, подключенных к внешнему источнику согласно решению, корпус представляет собой цилиндрический эллипсоид вращения высотой h, не менее двух максимальных размеров  светодиодов, корпус выполнен алюминиевой фольги с зеркально-отражающей внутренней поверхностью, корпус снабжен крышкой из этого же материала, имеющей верхнюю часть в форме эллипса с боковую часть, соединенную с корпусом в нескольких местах,  обеспечивая воздушный зазор вдоль всего периметра корпуса, при этом светодиоды пространственно расположены в двух фокусах эллипсоида и разнесены по высоте на h/3, излучающие поверхности светодиодов направлены в противоположные стороны при эксцентриситете эллипса ε в диапазоне 0.2 > ε > 0.5 или навстречу друг другу в диапазоне 0.8> ε > 0.5, при этом максимум спектра излучения одного светодиода соответствует длине волны 260 нм ± 10 нм, а второго светодиода - 280 нм ± 10 нм, а плотность мощности излучения каждого светодиода не менее 1 мВт/см.
В корпус маски встроен разъем для подключения светодиодов к внешнему источнику электрического питания, например, компактной аккумуляторной батарее сотового телефона, соединенной через коннектор с разъемом и выключателем на внешней крышке корпуса.
Корпус маски выполнен съемным, и герметично закреплен с тканевой маской герметичной пластиковой (силиконовой) молнией вдоль внешней поверхности цилиндрического эллипсоида.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена индивидуальная многоразовая защитная маска с ультрафиолетовым облучателем воздуха для защиты органов дыхания человека от вирусов и бактерий, где позициями обозначены:
- корпус;
- крышка;
- молния;
- светодиод;
- светодиод;
- разъем;
- металлизированные полоски;
- тканевая маска.
Маска состоит из металлического корпуса в виде цилиндрического эллипсоида 1, выполненного из алюминиевой фольги толщиной в диапазоне 100-400 микрон, обеспечивающей жесткость формы.
Корпус с одной стороны снабжен металлической крышкой 2, верхняя часть которой имеет форму эллипса, а боковая часть выполнена в виде перпендикулярно расположенной металлической полоски. Крышка соединена, по крайней мере, в трех местах с корпусом 1. При этом размеры эллипса крышки превышают размеры корпуса на 1-2 мм, обеспечивая необходимый приток воздуха при вдохе или выдохе.
С другой стороны корпус 1 соединен герметически со сменной тканевой медицинской маской 8 пластиковой молнией 3. Внутри корпуса установлены два ультрафиолетовых полупроводниковых светодиода 4 и 5 с длинами волн излучения 260 нм ± 10 нм  и 280 нм ± 10 нм соответственно. Светодиоды пространственно  расположены в двух фокусах цилиндрического эллипсоида на высоте 1/3⋅h от высоты эллиптического цилиндра. На крышке установлен электрический низковольтный разъем и электрический выключатель 6, предназначенный для питания двух светодиодов от аккумуляторного переносного источника электропитания от сотового телефона. Электрическая «земляная» цепь для питания светодиодов соединяется через металлизированные полоски 7 с корпусом и разъемом 6.
Устройство работает следующим образом: при включении источника питания (на чертеже не показан) от аккумулятора сотового телефона через разъем 6 напряжение питания поступает на положительные электроды светодиодов 4 и 5, отрицательные электроды которых соединены с металлизированными полосками 7, которые подключены к разъему 6. При прохождении через диоды тока в прямом направлении порядка 100-500 мА через каждый диод происходит генерация ультрафиолетового излучения из p-n перехода каждого диода и формируется два оптических пучка с определенной расходимостью, достигающей порядка 90-120 градусов. Непрерывная ультрафиолетовая интенсивность излучения диодов с длинами волн 260 нм ± 10 нм и 280 нм ± 10 нм пропорциональна току инжекции протекающему через диод, при этом соответствующий узкополосный спектр излучения светодиодов совпадает с максимумом поглощения молекул РНК и ДНК вирусов и бактерий, тогда как максимум спектра другого светодиода совпадает с максимумом поглощения молекул белков вирусов и бактерий на поверхности их биомембран, что вызывает их фотохимическое повреждение. Сильно расходящееся пространственные ультрафиолетовые пучки светодиодов, выходящие из двух фокусов цилиндрического эллипсоида корпуса, но расположенных на разных высотах при зеркальном отражении от стенок эллиптического цилиндра, испытывают многократное отражение и покрывают весь объем, при этом максимальная плотность достигается в области фокусов, но вследствие того что оптические пучки, выходящие из светодиодов в сечении представляют эллипсоиды с разной расходимостью отличающейся в разы, то эффект пространственной неравномерности незначительный и практически все молекулы вдыхаемого воздуха подвергаются соизмеримой плотностью ультрафиолетового облучения.
2
16
6
4
3
2
5
2
2
2
При уровне мощности оптического ультрафиолетового излучения 1 мВт/ см за время вдоха пациента (порядка секунды) через активный фильтр маски выделяется порядка 10 фотонов, вызывающих необратимое фотобиологическое повреждение, так как на каждую бактерию приходится 10 фотонов, а на каждый вирус порядка 10 фотонов, при этом каждый поглощенный фотон, вызывает необратимое повреждение молекул в ДНК и мембранных белках бактерий и вирусов. В фотобиологии установлено, что при времени кварцевания порядка 15минут (10с), ультрафиолетом дезинфицируется площадь порядка 10 м=10 см). В нашем случае площадь составляет 10 см, при  типичном уровне ультрафиолетового излучения ртутной лампы 1 мВт/ см.
2
2
2
Экспериментально установлено, что эффективность жесткого бактерицидного ультрафиолета на вирусные аэрозоли, рассматривая вирусы с различными типами нуклеиновых кислот при различной относительной влажности в процессе воздействия ультрафиолета для воздушно-капельных вирусов доза ультрафиолета для 90% инактивации составила: 339 - 423 мкВт×с /см для одноцепочной РНК, 444 - 494 мкВт×с/ см для одноцепочной ДНК, 662 - 863 мкВт×с/см для двухцепочной РНК и 910 - 1196 мкВт×с/см2 для двухцепочной ДНК (см. статью «Inactivation of Virus-Containing Aerosols by Ultraviolet Germicidal Irradiation», Aerosol Science and Technology December 2005, DOI: 10.1080/02786820500428575), и Владимиров В.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: Дрофа. 2006. 119-146 с.).
Одним из существенных достоинств предлагаемого устройства на основе ультрафиолетовых светодиодов является их спектральный выбор использующий  генерацию достаточно узкополосных ультрафиолетовых излучателей с шириной спектра излучения совпадающей с шириной спектра поглощения молекулами ДНК и РНК, а также мембранными белками вирусов и бактерий. Кроме того, при селективном УФС облучении не генерируется озон и активные формы кислорода. Коэффициент преобразования электрической энергии в электромагнитное резонансное ультрафиолетовое излучение составляет порядка 10 процентов, что на два порядка больше чем в газоразрядных ртутных источников ультрафиолетового излучения. Существенным преимуществом данного устройства является возможность многоразового использования съемного корпуса за счет пластиковой молнии в тканевой маске. Кроме того сменный УФ корпус имеет малые размеры и вес. В настоящее время минимальная цена необходимых УФС диодов составляет 5$, что должно определять массовое использование таких активных многоразовых масок.