概括
背景
SteriPEN® 是一款利用紫外线 (UV) 辐射对水进行消毒的手持式设备。制造商声称减少了至少 99.9% 的细菌、病毒和原生动物。本研究旨在验证该设备的总体有效性。此外，还检查了瓶子几何形状和水运动的影响，并解决了有关 UV-C 辐射的用户安全问题。
方法
该装置应用于含有已知数量微生物（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和嗜热脂肪地芽孢杆菌孢子）的水中，并检查其存活率。旅行者常用的三种不同类型的瓶子作为测试容器。所有测试均在照射期间搅拌或不搅拌水的情况下进行。此外，对装置的光进行了光谱分析。
结果
如果正确使用，SteriPEN® 可平均减少 99.99% 以上的细菌和 99.57% 的孢子。然而，不搅拌水的试验结果仅产生了 94.98% 的细菌减少率。该设备的最大辐射强度为 254 nm，这是灭活细菌最有效的波长。 UV-C 部分被普通瓶子材料完全过滤掉。然而，当应用于较大的容器时，部分 UV-C 射线会从水面射出。
结果
如果正确使用，SteriPEN® 可平均减少 99.99% 以上的细菌和 99.57% 的孢子。然而，不搅拌水的试验结果仅产生了 94.98% 的细菌减少率。该设备的最大辐射强度为 254 nm，这是灭活细菌最有效的波长。 UV-C 部分被普通瓶子材料完全过滤掉。然而，当应用于较大的容器时，部分 UV-C 射线会从水面射出。
结论
如果按照说明使用，该设备可以令人满意地灭活细菌。然而，它存在与健康相关的用户错误使用的危险。因此，旅行医疗咨询中应纳入错误使用风险的教育。此外，还有一些方面需要进一步独立研究
一、简介
前往卫生条件较差的国家之前，饮用水卫生是旅行医疗咨询的主要话题之一。为了预防旅行者腹泻和其他由水传播病原体传播的疾病，建议旅行者选择适当的方法来亲自处理当地的水。成熟的饮用水消毒技术包括化学方法（例如氯、碘）和物理方法（例如煮沸、过滤）。
个人水处理设备市场上最近开发的产品是 SteriPEN®。它是一种手持式电池供电设备，通过紫外线 (UV) 辐射对水进行消毒，由其制造商 Hydro-Photon Inc. 自 1999 年起开始销售（图 1）。虽然在最初几年，SteriPEN® 并未得到广泛普及，但如今，它在清洁饮用水有限的地区的旅行者中越来越受欢迎。 2011 年在尼泊尔珠穆朗玛峰地区进行的一项基于问卷调查的研究表明，SteriPEN® 与陶瓷过滤器和碘滴剂/片剂一样常用，每种方法约占 7% 的参与者（相比之下，氯约占 33%， 24% 煮沸，17% 购买，5% 无/其他）
紫外线消毒的原理并不新鲜。自 20 世纪中叶以来，它一直用于公共供水的处理 。此外，确实存在使用部分太阳光紫外线部分对 PET 瓶中储存的水进行消毒的方法，方法是将它们放在反射表面上几个小时（“SODIS”）
SteriPEN® 是第一个商用的个人用途紫外线应用。与传统的化学和物理饮用水消毒方法相比，SteriPEN® 有一些吸引人的优点，但也有一些缺点（表 1）。
表 1.SteriPEN® 的优点和缺点。
优点
•比陶瓷过滤器轻（156 克 vs. 425 克）
•没有引起刺激性气味或味道的化学副产品
•比化学处理耗时更少（化学处理的停留时间为 30 分钟至 2 小时，而紫外线照射则为 90 秒）
•比煮沸更少的时间/材料消耗 → 使用后立即冷却饮用水
缺点
•灯泡易损坏→需要备份方法
•电池寿命有限（四节 AA 锂电池可循环 100 次）→ 长途旅行需要额外的电池组
•不能去除毒素或重金属（所有非过滤方法都是如此）
•不节约用水（所有非化学方法共有）→ 可能再次污染
•水需要清澈，因为任何浑浊都会削弱紫外线辐射 → 可能需要对水进行预过滤
SteriPEN® 已由制造商签约的美国和加拿大多个实验室进行了测试，结果符合美国环境保护局的要求。这些研究大多使用 MS-2 大肠杆菌噬菌体，这是一种非常抗紫外线的病毒，可以感染大肠杆菌并在其中复制，作为多种水传播人类病原体的替代品。在一升清水上正确应用 SteriPEN® 后，大肠杆菌噬菌体减少了 99.6806% 和 99.9641% 。这被认为相当于减少至少 99.9999% 的细菌和 99.99% 的病毒 。此外，SteriPEN® 的功效已针对克雷伯氏菌、隐孢子虫、1 型脊髓灰质炎病毒和轮状病毒 SA-11 进行了评估，分别取得了良好的结果 。上述研究发表在 SteriPEN® 的网站上 。
然而，由独立的同行评审期刊发表的论文很少。目前，PubMed（2015 年 10 月）中没有关于术语“Steripen”的搜索结果。这使得我们有理由进行本研究，旨在验证该设备的总体有效性。此外，SteriPEN® 灯泡的辐射几何形状表明，它在窄瓶口的细长瓶子中的效果可能不如在较短的广口容器中的效果（图 2）。因此，研究了瓶子形状的影响和辐照期间水运动的重要性。最后，对设备发出的辐射进行光谱分析
1.1.紫外线消毒的工作原理
紫外线是波长略低于可见光光谱 (400–780 nm) 的电磁辐射。它分为三组：波长为315-400 nm的UV-A、280-315 nm的UV-B和100-280 nm的UV-C（图3）。波长越小，辐射的能量就越大。除了可见光谱之外，太阳还发出紫外线。然而，与 UV-A 和 UV-B 射线相反，UV-C 部分几乎完全被大气吸收 [14]。这就是为什么微生物没有机会发展出适当的抵抗 UV-C 的机制。因此，对破坏这些生物体最有效的紫外线辐射部分是 UV-C，其对细菌的灭活峰值位于 254 nm 。
紫外线辐射对微生物造成的损害直接发生在 DNA 上。 DNA 分子的紫外线照射导致胸腺嘧啶碱基形成二聚体 [15], [16]。因此，在复制过程中负责解旋和复制 DNA 的酶不再发挥作用。这使得微生物无法繁殖并引起感染。因此，紫外线具有抑菌作用，但主要不是杀菌作用[15]。经过 SteriPEN® 处理的水已消毒，但并未无菌。
只要给予足够的剂量，所有水传播的肠道病原体都可以被紫外线灭活[6]。不同的微生物对紫外线辐射表现出不同的敏感性。已发表的关于灭活不同物种所需的确切剂量的数据差异很大——尤其取决于细菌菌株和紫外线源。一般来说，细菌孢子（例如枯草芽孢杆菌）和病毒（例如腺病毒、脊髓灰质炎病毒或甲型肝炎病毒）具有相对较高的抵抗力，而大多数细菌在明显较低的紫外线剂量下会被灭活[6]、[17]、[18 ]。在细菌领域，沙门氏菌、弯曲杆菌和霍乱弧菌等革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌（例如葡萄球菌和肠球菌）更容易受到破坏性辐射的影响[5]，[19]。人们发现，像隐孢子虫和贾第鞭毛虫这样的原生动物包囊对紫外线的抵抗能力甚至比细菌还要弱。
2. 材料与方法
市场上有许多不同的 SteriPEN® 型号，在尺寸、能源或允许将窄口瓶倒置的橡胶塞等方面有所不同（图 4）。本研究是使用 SteriPEN® Classic 模型进行的。作为能源，它需要四节 AA 锂电池，可持续对一升水进行约 100 次消毒
2.1. SteriPEN® 的操作
SteriPEN® 提供两种不同的定时功能，一种用于处理 1 L 水（90 秒，默认设置），另一种用于处理 0.5 L 水（48 秒）。为了用户的安全，SteriPEN® 配备了水传感器，仅当灯泡浸入水中时才会打开。为了表明其功能正常，灯泡不仅发出紫外线，还发出可见光。在照射过程中，指示用户通过使用 SteriPEN® 搅拌或摇动瓶子来搅动水。时间周期完成后，SteriPEN® 将自动关闭
2.2.测试生物体
选择三种不同的微生物作为测试微生物：
•大肠杆菌（ATCC 25922）：革兰氏阴性杆状细菌，含有粪便污染的水中的常见成分。
•金黄色葡萄球菌 (ATCC 25923)：革兰氏阳性球菌，由于细胞壁较厚，比大肠杆菌更耐环境 。
•嗜热脂肪地芽孢杆菌孢子（ATCC 7953，孢子悬浮液）：形成孢子的革兰氏阳性杆状细菌，极耐热，可作为热灭菌过程的测试细菌，不会对人类致病。
测试细菌在血琼脂（PSASB）上培养。本研究中使用的细菌谱仅限于细菌和细菌孢子，因为病毒和原生动物需要更复杂的测试设置和不同的实验室条件。选择上述三种类型的微生物来代表三种不同的抗紫外线水平（参见第 1.1 章）。
2.3.测试瓶
为了创造一个尽可能接近户外条件的环境，选择了徒步旅行者中最广泛使用的三种瓶子作为测试容器：Nalgene®广口塑料瓶、SIGGTM铝瓶和一次性矿泉水PET瓶（图5).每个瓶子的容量均为一升。
2.4.测试培养基和细菌悬浮液的连续稀释
选择普通矿泉水 (Volvic®) 作为测试介质。它含有天然矿物质和盐成分，因此代表了真实的情况。
为了检查 SteriPEN® 对不同浓度微生物的影响，制备了系列稀释液。通过在分光光度计中测定细菌溶液的光密度来获得标准化的细菌浓度。然后以 1:10 的比例稀释储备液，得到四种不同的测试浓度（稀释水平 100-10−3，即稀释水平 100 = 储备溶液，稀释水平 10−3 = 1:1000 稀释的储备溶液）。
将测试瓶装满矿泉水，并按1:500的比例分别加入测试溶液，即向0.998L水补充2ml菌液。随后，彻底摇动瓶子以使细菌均匀分布。
2.5.测试程序
装满瓶子后立即取 100 µl 样品作为初始值。使用 SteriPEN® 进行 90 秒的紫外线照射后，又采集了三个样本：1) 紫外线灯泡所在水面的正下方（“顶部”），2) 从瓶子底部（“底部”）， 3)用无菌塑料棒将水充分搅拌（“混合”）。然后将样品在含有血琼脂的培养皿上划线。孵育后，将活细菌计数为菌落形成单位（CFU）。
有关 SteriPEN® 总体有效性的测试是使用 Nalgene® 瓶进行的。根据用户指南的说明使用 SteriPEN®。
为了测试正确使用的重要性以及 SteriPEN® 辐射几何形状的影响，所有测试均在搅拌和不搅拌水的情况下进行（图 6）。水的运动是通过SteriPEN®本身搅拌（Nalgene®广口瓶）或利用橡胶塞的功能将瓶子倒置并摇摆（SIGGTM，PET瓶）来实现的。
一些使用窄口瓶的用户仅用 SteriPEN® 搅拌瓶颈内，而瓶子本身静止不动。为了测试这种搅动水的方式是否足够，进行了另一项模拟这种情况的试验。
所有关于瓶子类型和水运动影响的测试都是使用大肠杆菌作为测试微生物进行的。
2.6。光谱分析
为了确定 SteriPEN® 的强度分布，使用光谱仪模块 Ocean Optics Jaz（型号 Jaz-EL200-XR1）进行光谱分析。由于传感装置不适合水下使用，因此测量时无需将 SteriPEN® 浸入水中。
为了证明 SteriPEN® 制造商声称的用户安全性，再次记录了分别用一次性 PET 瓶和普通水杯覆盖灯泡的光谱。当应用于较大的容器时，SteriPEN® 的光不会遮挡用户的眼睛，除了空气和水之间的界面（将部分辐射反射回容器中）之外。为了测试水面是否有 UV-C 辐射，将该装置应用于不锈钢制成的常规烹饪锅（直径：16 厘米，高度：8 厘米）中。在三个不同角度（与水面成25°、45°和90°）处检测穿过水面的辐射光谱。
3. 结果
3.1.紫外线照射的有效性取决于细菌浓度和种类
表 2 显示了 SteriPEN® 总体有效性的测试结果。活细菌的减少量以初始浓度的百分比表示。此外，计算减少因子（对数减少）以说明细菌浓度变化的幅度。
直到稀释水平 10^-1（即之前的细菌浓度约为 3 × 10^3CFU/ml），大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的计数有效地降至检测限以下。最高细菌浓度（即 100 ≙ 初始浓度约为 3 × 10^4 CFU/ml）的处理导致少量剩余的增殖细菌。孢子的减少效率稍低。
3.2.瓶子类型的影响和水运动的重要性
这一系列测试是在所有三种瓶子类型中使用大肠杆菌进行的。作为示例，稀释水平 10^-1的结果如表 3 所示。测试的其他浓度的结果与表 2 中的结果相对应。
表 3. 大肠杆菌结果，稀释度 10^1。在所有三种瓶子类型中，SteriPEN® 的错误（“水平静”）和正确（“水搅动”）应用。减少百分比是根据“混合”值计算的
同样，只有最高细菌浓度（100）在照射后才显示出少量的增殖细菌。取所有瓶子和所有浓度的平均值，如果正确使用，SteriPEN® 的减少量可达到 99.99% 以上 (log 4.64)。
与此相反，在照射过程中不搅拌水的细菌平均减少率仅为 94.98%（所有试验的平均值）。在灯泡所在的水面正下方，照射后没有检测到增殖的细菌。然而，底部的计数仍然非常高。令人惊讶的是，在一次性瓶子的情况下，混合水后的增殖细菌数量比混合前底部样品中的增殖细菌数量更高。
对金黄色葡萄球菌也进行了相同的研究设计（此处未显示）。结果（包括PET瓶的现象）与大肠杆菌的结果相当。
最后，研究了在窄口瓶颈部 (SIGGTM) 内使用 SteriPEN® 进行搅拌的有效性。在此过程中，瓶子本身保持静止。平均而言，这种搅拌水的方法仅能减少 88.93% 的细菌。
3.3. SteriPEN® 辐射谱和用户安全
光谱分析表明，SteriPEN® 辐射的最大强度位于 253 至 255 nm 之间的 UV-C 光谱内，峰值位于 254 nm（图 7）。紧接着，在 UV-A 和 UV-B 范围（大约 297、313 和 365 nm）以及可见光光谱（大约 405、436、546 和 578 nm）中还有几个强度较低的峰
当用 PET 瓶或水杯覆盖 SteriPEN® 的灯泡时，UV-B 和 -C 范围内的峰值消失。只有可见光以及一小部分 UV-A 部分可以穿过该材料。通过在检测单元前面放置一副普通眼镜可以重现这种效果。在这种情况下，UV-B 和-C 射线也被完全过滤掉。
当在烹饪锅中应用 SteriPEN® 时，可以证明，除了可见光谱的减弱光线之外，还有一部分 UV-B 和 -C 部分从水面射出。随着与表面的角度减小，该辐射的相对强度增加。
4。讨论
平均而言，如果正确使用，SteriPEN® 可以减少 99.99% 以上的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。只有在细菌测试溶液的最高浓度（对应于光学透明的天然水中可以找到的最大病原体浓度[26]）时，才会有任何存活的病原体残留。即使在这里，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌也减少了 99.97% 以上。此外，嗜热脂肪芽孢杆菌的大多数孢子也被灭活，但活细菌的减少不如其他两种细菌有效。这可以用孢子的极端耐辐射性来解释[18]。 SteriPEN® 达到孢子极限的事实不太可能具有任何实际意义，因为通常孢子不是与饮用水卫生相关的主要病原体 [27]。然而，有些类型的病毒的紫外线抵抗力与细菌孢子相当（例如腺病毒和轮状病毒的某些菌株[18]）。因此，似乎有必要对该设备对抗此类病毒的有效性进行进一步的独立研究。
然而，如果不搅拌水，SteriPEN® 就无法实现令人满意的消毒效果（平均：94.98%）。这一结果的发生与瓶子类型无关，因此表明消毒效果不仅仅取决于灯泡到瓶子底部的距离。细长 PET 瓶底部的结果甚至略好于短广口 Nalgene® 瓶的结果。这种现象可能是由于瓶子内的特定反射模式导致辐射强度分布不均匀。尝试通过在窄口瓶的颈部内搅拌来搅动水不足以保证安全的饮用水。
在不搅拌水的情况下在 PET 瓶中进行的测试结果提出了进一步的问题。照射后，与混合前的瓶底相比，混合水后存在的活细菌往往更多。这可能表明瓶子内有一个区域，可以保护微生物免受破坏性辐射的影响。这种现象的原因和相关性尚待评估。
SteriPEN® 光的光谱分析在 254 nm 处产生最大辐射强度。这恰好对应于灭活细菌 DNA 的最有效波长 [15]。此外，事实证明，常见的瓶子材料（例如 PET 和玻璃）可过滤掉光谱中的整个 UV-B 和 -C 部分，而 UV-A 部分则大幅减弱。因此可以得出结论，在照射过程中透过塑料或玻璃瓶壁观看 SteriPEN® 灯泡不会对眼睛造成危险。
当在烹饪锅等较大容器中使用时，一小部分 UV-B 和 -C 辐射会从水面逸出。这种辐射的强度取决于视角。然而，所应用的测量技术只能产生有关不同波长的相对强度的信息。因此，根据这些数据不可能得出关于对用户的潜在威胁的结论。为此，建议进行进一步研究，确定出射辐射的绝对强度。
5. 结论
如果按照用户指南正确使用，SteriPEN® 可以替代旅行者传统的饮用水消毒方法。然而，该设备存在与健康相关的用户错误的危险。由于使用 SteriPEN® 的旅行者数量不断增加，建议将潜在风险教育纳入旅行医疗咨询中。在此背景下，应解决以下几个方面的问题：
• 照射过程中必须搅拌水。在窄口瓶中，仅使用 SteriPEN® 进行搅拌运动是不够的。因此，不带橡胶塞的 SteriPEN® 型号不适合此类瓶子。
• 使用 SteriPEN® 时，瓶盖或瓶颈中存在的液滴不会被消毒，因此是潜在的再污染源。制造商建议用干净的毛巾擦干任何此类水残留。或者，可以用一些新辐照过的水冲洗颈部和盖子。然而，此程序只能减少再污染的程度，但不能消除风险。因此，建议饮用前不要将水储存较长时间。
• 据制造商称，SteriPEN® 只有在水清澈的情况下才能产生适当的消毒效果。因此，在使用该装置之前需要对浑浊的水进行过滤。
• 透过塑料或玻璃瓶壁观察 SteriPEN® 的光可以被认为是无危险的。然而，目前尚不清楚在较大容器（例如烹饪锅）中使用 SteriPEN® 时，水面发出的 UV-C 辐射是否会对使用者和旁观者造成健康风险。在该问题得到澄清之前，应建议用户不要通过水面直视 SteriPEN® 发出的光，或使用眼镜保护眼睛。
关于 SteriPEN® 有效性的其他方面并未在本文中讨论，到目前为止仅由制造商进行过测试。例如，该装置在容量超过 1 L 的水袋和容器中的应用、浊度的影响或对抗病毒和原生动物等其他类型微生物的有效性。建议通过进一步的独立研究来解决此类问题。
虽然本文讨论的是饮用水卫生，但预防旅行者腹泻的其他方法当然也同样重要。有例如关于使用酒精类洗手液的初步报告显示，它至少对预防胃肠道感染有部分功效[28]。包括使用 SteriPEN® 或洗手凝胶消毒剂在内的此类新预防方法很有前景，并且有可能在旅行者中越来越受欢迎。应在预防旅行者腹泻的背景下进一步评估它们
致谢
微生物测试在亚琛工业大学医学微生物学系进行。我们特别感谢 Regina Holland 的热心帮助。此外，我们还要感谢 Harald Bardenhagen 为我们提供了他的专业知识和设备，以便在他的项目“Astronomie-Werkstatt Sterne ohne Grenzen”（德国科隆）的实验室中进行光谱分析。