紫外線（ultraviolet，UV）可以用于物體的表面消毒，要針對性地消滅新冠病毒SARS-CoV-2，使用哪種波長最好？多少輻射才足夠？

要回答這些問題，需要科學家做到兩點：首先，他們需要將病毒與環(huán)境中的其它物質(zhì)完全分離；其次，每次實驗需要用單一波長的紫外線照射病毒，測試時每個實驗組的波長差異要盡可能小。

近期，美國國家標準與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）與美國國土安全部科學技術(shù)局實驗室國家生物防御分析與對策中心（National Biodefense Analysis and Countermeasures Center，NBACC）合作克服了上述兩個困難，針對幾種不同的紫外線和可見光波長對SARS-CoV-2的影響進行了可能是目前最徹底的測試。

在發(fā)表在《應(yīng)用光學》（Applied Optics）上的一篇論文中，研究人員描述了他們的新系統(tǒng)，在安全實驗室中該系統(tǒng)可將單一波長的光投射到新冠病毒樣本上。該實驗室的生物安全級別為3（Biosafety Level 3，BSL-3），用于研究吸入時可能致命的微生物。迄今為止，他們測試的紫外線和可見光波長比其他針對新冠病毒的同類研究都多。該項目建立在NIST團隊與另一位合作者在滅活水中微生物的早期工作的基礎(chǔ)上。

超人接近氪石會喪失超能力，那新冠毒株SARS-CoV-2的克星又是什么呢？研究結(jié)果表明，它和其他病毒一樣，面對紫外線并無特殊抗性：波長在222-280 nm屬于UVC范圍內(nèi)光線的消毒效果最理想。

研究人員表示，病毒的周圍環(huán)境可以對病毒起到保護作用。利用鹽、蛋白質(zhì)和其他在實際人類唾液中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，研究人員混合出一種模擬唾液。將病毒懸浮在模擬唾液中能模擬如打噴嚏和咳嗽等真實場景，使研究結(jié)果比以往的研究更具實際參考價值。在這項研究中，將病毒置于純水中比置于模擬唾液中所需的消毒紫外線劑量更小。

“我認為這項研究的一大貢獻是，我們能夠證明，我們在大多數(shù)研究中看到的那種理想化結(jié)果并不總能適用于現(xiàn)實場景?！弊髡進ichael Schuit表示，“當病毒周圍有模擬唾液之類的材料時，會降低紫外線消毒方法的效果?！?/p>

這些結(jié)果，有助于紫外線消毒設(shè)備和監(jiān)管機構(gòu)的制造商告知醫(yī)療環(huán)境、飛機甚至液體中的表面應(yīng)該照射多長時間紫外線才能實現(xiàn)SARS-CoV-2病毒的滅活。

“現(xiàn)在，人們大力推動UVC消毒在商業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。從長遠來看，這項研究有望為測量滅活SARS-CoV-2和其他病毒所需的紫外線劑量提供參考?！?研究員Cameron Miller說。

初試鋒芒

不同波長的紫外線以不同方式破壞病原體，部分紫外線會破壞微生物的RNA或DNA，導致它們失去復制能力；其他波長則可以分解蛋白質(zhì)，破壞病毒本身。

距人們發(fā)現(xiàn)紫外線的消毒能力已有一百多年的歷史，但在過去的十年中，紫外線消毒的相關(guān)研究才出現(xiàn)了爆炸式增長。其中一個原因是，傳統(tǒng)的紫外線光源有時含有汞等有毒物質(zhì)，而近年來采用無毒LED燈作為UV光源，已經(jīng)改善了一些問題。

在這項研究中，NIST的合作者與NBACC的生物學家合作，他們的研究為炭疽和埃博拉病毒等病原微生物的防御規(guī)劃提供了信息。

Miller介紹到：“NBACC能夠做的是對病毒進行富集培養(yǎng)，然后集中銷毀。我們試圖獲得一個明確的信息，即需要多少光才能使SARS-CoV-2病毒失活。”

圖示實驗設(shè)計的概述：激光被放置在實驗室外的走廊上，利用光纖將激光穿過門下方的開口，進入裝有SARS-CoV-2樣本的房間 | K.Dill/NIST

在這項研究中，研究小組在不同的懸浮液中對病毒進行了測試。除了使用唾液模擬物外，科學家們還將病毒放入水中，以觀察在沒有保護的“純凈”環(huán)境中會發(fā)生什么。為模擬被感染者可能會打噴嚏或咳嗽的狀態(tài)，他們還測試了鋼表面上的病毒懸浮液滴和干透的印漬。

NIST的工作是引導來自激光器的紫外光照射樣品，尋找殺死90%病毒所需的劑量。該合作實驗?zāi)軌驕y量病毒對16種不同波長的反應(yīng)，考慮到一些藍光已被證明具有消毒特性，研究人員也將更長的波長包括在內(nèi)。實驗的波長范圍從UVC的極低端222 nm，一直到可見波長范圍的中間部分，即488 nm。

將簡單做到不簡單

在安全實驗室中，要將激光照射到樣品上并非易事。研究人員進入BSL-3實驗室時須穿著防護服和帶呼吸器的面具，離開實驗室則需要洗澡，然后再換回便服。團隊昂貴的激光等設(shè)備也必須經(jīng)過相當嚴格的消毒程序。

“這是一個單向門?！?Miller介紹，“從那個實驗室出來的任何東西都必須焚燒、高壓滅菌，或者用過氧化氫蒸汽進行化學消毒。因此，我們不希望把120000美元的激光設(shè)備放進去?！?/p>

作為替代方案，NIST研究人員設(shè)計了一個系統(tǒng)，其中激光器和一些光學元件位于實驗室外的走廊上。四米長的光纜穿過實驗室門下的密封口傳輸實驗光，實驗室維持負壓使空氣只從走廊單向流入，能防止任何東西逃逸。

系統(tǒng)照片。左：包含激光到光纖耦合系統(tǒng)的盒子內(nèi)部特寫。中：BSL-3 門外走廊上的激光系統(tǒng)。右：BSL-3 內(nèi)部實驗裝置的特寫，包括存放 SARS-CoV-2 樣本的房間 | NIST

激光器一次產(chǎn)生一個波長，并且是完全可調(diào)的，因此研究人員可以設(shè)置他們想要的任何波長。由于光會根據(jù)其波長以不同的角度折射，他們必須設(shè)計一個棱鏡系統(tǒng)來改變光入射光纖的角度，從而使光路正確。研究人員試圖用最少的活動部件使調(diào)試過程盡可能簡單。

“NIST團隊設(shè)計的設(shè)備，使我們能夠快速測試極大范圍且非常精確可控的波長?！盨chuit 說，“如果在沒有該系統(tǒng)的情況下測試相同數(shù)量的波長，我們將不得不使用一堆不同類型的設(shè)備，每個設(shè)備產(chǎn)生的波長范圍不同，需要的配置不同，并且會摻雜很多額外的變量。”

研究人員盡量避免使用反射鏡和透鏡操縱光線，因為每一個部件都會導致紫外線強度有所損失。

對于必須進入實驗室，以將光纖中的光投射到病毒樣本上的材料，該團隊嘗試使用平價的替代品。物理學家Steve Grantham和Thomas Larason是NIST團隊的核心成員，Steve Grantham透露：“我們3D 打印了很多東西，沒有什么東西真的很貴，如果我們不再使用它，也沒什么大不了的。”

因為人們不能隨意進出，激光區(qū)和實驗室內(nèi)部之間的通信也很困難，所以他們采用有線對講系統(tǒng)來溝通。

Miller表示，盡管他們只有幾個月的時間來組裝實驗系統(tǒng)，但它運行得非常好?！坝袔讉€方面我們可能可以改進，但我認為提升可能微乎其微?！?Miller說。

在未來，生物學家可能想在高安全性實驗室進行其他病毒和微生物的研究，NIST 團隊計劃將該系統(tǒng)提供給他們使用。

“當下一種病毒或他們感興趣的任何病原體出現(xiàn)時，我們所要做的就是將激光系統(tǒng)向上滾動，將光纖拉到那里，然后他們會將其連接到他們的光線發(fā)射系統(tǒng)上。” Miller說，“所以現(xiàn)在我們已經(jīng)準備好迎接下一次實驗了?！?/p>