一文详解紫外线技术应用技术

━━━━ 走进医疗设备公司PrescientX位于加拿大安大略省剑桥市的办公室，你可能不会怀疑自己进入了北美一个最卫生的地方。 在这个位于多伦多区的普通办公室区域里，你可以在接待处的紫外线消毒架上消毒钥匙、手机和其他便携设备。在凉爽的季节，你呼吸的空气会被紫外线消毒的加热装置和办公室通风管道里的紫外线装置清除掉霉菌和细菌。室内紫外线灯具指向天花板对空气灭菌消毒，而其他紫外线灯只有在无人的情况下才会开启，清除在桌子、键盘以及浴室和工作场所的频繁接触物体表面上的病原体。

PrescientX的创始人兼首席执行官巴里•亨特（Barry Hunt）表示，这间办公室代表了一种未来可能性——如果未来像新冠肺炎这样的疫情变得更加常见，紫外线杀菌灯是我们战胜它们的一种最有力的武器。

近一个半世纪以来，科学家们一直在研究紫外线有效灭菌。前些年，在2003年非典爆发期间，人们曾用紫外线来消毒剂抗击致命的冠状病毒。新冠病毒开始传播后，紫外线再次作为一种强大武器抗击这场新瘟疫。抗病毒药物和疫苗的重点在于减少和抵抗人体的感染，而正在部署的紫外线系统则专注于在病毒感染人体之前，杀死环境中的病毒。

紫外线杀菌技术正被用来消毒空气、材料表面和N95口罩等个人防护设备。与此同时，这一领域的专家正投入大量时间来向公众宣传这项技术在对抗冠状病毒以及未来疾病的暴发和流行的有效性。位于加州圣克拉里塔的紫外线技术公司UV Resources的副总裁兼联合创始人迪恩•萨普塔（Dean Saputa）说，紫外线杀菌的主要障碍“是对这项技术缺乏……了解”。

首先，专家指出，并不是所有的紫外线都是一样的。紫外线位于电磁光谱中靛蓝和紫罗兰之外的区域。看过防晒霜标签的人都知道，让你晒黑或晒伤的紫外线被称为UV-A（波长介于400到315纳米）和UV-B（波长315到280纳米）。紫外线杀菌技术则主要使用波长更短、能量更强的紫外线，即UV-C，波长介于280到100纳米之间。地球的臭氧层几乎阻止了所有UV-C光射到我们身上。因此，进化了数百万年甚至数十亿年的微生物和病毒（乃至世间万物）从未暴露在这些波长的紫外线下。

1901年，随着汞蒸气灯的发明，情况发生了变化。它产生了一个波长为254纳米的强大的UV-C光，已证明UV-C光照射能毁灭几乎所有遗传物质，包括冠状病毒或人。

许多使用紫外线杀菌防止疾病传播的办法，其关键都在于能找到一种让人们免受紫外线伤害的方法。相关人员已经在这一领域积累了大量专业知识，新技术使在人类空间里使用UV-C变得更容易。

虽然UV-C成功地用于杀灭细菌已经一个多世纪了，但直到最近，研究人员才明白为什么它如此成功。在用4个字母代表的DNA核苷酸中，胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）特别容易受到紫外线的影响。紫外线可以使一个电子松脱，造成两个T分子或两个C分子结合在一起，从而引起一串DNA错误。人类有基因自我修复机制，包括一种叫做p53的分子。这种蛋白质（有时被称为“基因组的守护者”）会巡查DNA链，寻找这种核苷酸损伤。但p53能做的只有这么多。太多的损伤会把它压垮，并能导致癌症。

引起新冠肺炎的病毒SARS-CoV-2缺少这种复杂的自我修复机制，其遗传物质由RNA而非DNA组成。RNA含有尿嘧啶而不是胸腺嘧啶，但UV-C的作用基本相同：遗传损伤累积，消灭病毒。

254纳米范围内的UV-C光的主要问题是它能穿透人的皮肤和眼睛，引发皮肤癌和白内障。因此，UV-C的DNA粉碎效应意味着，任何使用它的消毒设备都必须设计为在室内无人时使用或在无人进入的独立空间使用。

几十年来，研究人员一直试图平衡UV-C的益处和危险。20世纪30年代末到40年代初，美国流行病学家威廉姆•F.威尔斯（William F. Wells）在费城的学校安装了发射UV-C的汞蒸气灯，对抗暴发的麻疹，在这之前，他开创性地研究发现空气中的细菌和病毒会导致传染。灯具设计只照射房间上部的空气，保护学生和工作人员免受射线的照射。他们成功了。拥有空气消毒设备的学校感染率为13.3%，而普通人群的感染率为53.6%。

PrescientX公司的亨特说，如今大多数商业和工业环境中的紫外线杀菌仍然采用汞蒸气灯。这些设备的光谱峰值在254纳米。发射紫外线是电弧的结果，电弧（通常）使氩气发生电离并使液态汞汽化。玻璃可以阻挡辐射，所以这些灯是用石英做的。

由氮化铝合金制成的UV-C发光二极管（LED）比汞灯要新得多，且具有许多潜在的优点：无毒汞，更耐用，启动更快，发射波长多样化（可能有助于杀菌作用）。不过，最重要的是UV-C LED在理论上具有更高的效率。然而，这一潜能尚未实现。韩国首尔半导体公司的技术研究员兼副总裁郑在学（Jae-hak Jeong）告诉本刊，现在的汞灯比市场上的UV-C LED具有更高的电光转换效率（光输出功率与电输入功率之比）。但研究人员预计汞灯的优势不可持续，UV-C LED的改进方式与在照明领域达到主导地位的蓝色LED的方式大致相同。不过，目前，UV-C LED的能量仅能消毒体积不大的空气或附近的物体表面。

亨特说，最近的UV-C光使用经验证实了威尔斯在20世纪30年代的发现：用254纳米的紫外线进行空气消毒“非常有效”。他补充道，直接照射房间顶部的空气比照射暖通空调机组内的空气效率更高。根据美国照明工程学会（IES）的说法，室内顶部空间每立方米17毫瓦254纳米灯辐射量，是控制结核病的循证剂量。然而，有些细菌、病毒和其他微生物对UV-C光抵抗力更强。

UV Resources公司的萨普塔说，在这种剂量下，顶部灯具可在“几秒钟内”摧毁照射范围内的细菌。为了保证人的安全，这些每件价格几千美元的灯具安装在2米以上的地方，并使用非反射挡板引导紫外线能量向上和向外传递。（UV-C在大多数表面上反射效果很差，因此从天花板和其他装置上反射过来的光线几乎没有暴露危险；尽管如此，安装人员必须使用UV-C计量表验证。）还可安装用于各种环境，如病房、候诊室、大堂、楼梯间、急诊室入口和走廊等。

不仅仅空气需要消毒。疫情期间，医院里的紫外线机器人以及飞机和地铁车厢里的紫外线杀菌器，与多项技术相结合，得到了推广，用于在物体表面消毒。

这些系统与紫外线空气灭菌的主要区别在于前者在有人时不能操作，因此它们不能保持区域内持续没有病毒。萨普塔说：“设计工程师必须记住，医院的床上或飞机座位上有人之前，持续消毒必须停止。”

但间歇消毒总比不消毒好。今年之前，位于加州卡尔斯巴德的Cleanbox技术公司一直在开发一款UV-C LED灯箱，用于对虚拟现实和增强现实头戴设备进行消毒。该技术也适用于N95口罩消毒，Cleanbox的首席技术官兼联合创始人戴维•乔治森（David Georgeson）说。

CleanDefense N95消毒灯箱一次可以消毒4个口罩。这个灯箱是便携式的，可由墙壁或电池组供电，可以在救护车和飞机等移动环境中使用，也可以在医疗机构、餐馆和购物中心使用。

这项技术和任何其他类型的紫外线消毒技术都面临一项挑战：“辐射必须真正打击到病毒，打破（RNA），使其失活。”美国纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）照明系统与应用中心主任罗伯特•卡里斯克（Robert Karlicek）说。“如果病毒藏在灰尘后面或被另一种纤维覆盖，要想获得良好的杀灭率，就必须散射大量的紫外线光。”

这个问题可以用所谓的“峡谷壁”（canyon wall）效应来说明。对细菌和病毒来说，一般物体表面的纹理就像我们看到的100米深的峡谷。在对具有亚毫米纹理物体表面进行消毒的试验中，汞灯光以不同的角度照射，UV-C对金黄色葡萄球菌的杀灭率效果会出现高达500倍的差异。

亚利桑那大学公共卫生学助理教授马克•弗霍格斯特雷特（Marc Verhougstraete）说，由于与角度有关，通常需要使用3个紫外线系统来对医院的房间进行消毒。即便如此，仍有未照到的区域。因此，对于这种应用，UV-C表面消毒器应该只是系统的一部分，这个系统包括定期表面消毒、手卫生和空气处理。

多个角度获得足够的剂量是消毒重复使用N95口罩的关键。卡里斯克和他的团队开发了一款N95口罩汞灯消毒器，并在纽约市西奈山医院进行了测试。它使用两组紫外线灯同时照射口罩的正面和背面。PrescientX也开始了N95口罩消毒业务，推出了一款名为Terminator CoV的UV-C灯箱。还有其他系统处于不同的开发和商业化阶段。

PrescientX的首席执行官亨特说，使SARS-CoV-2病毒失活的UV-C精确剂量尚待确定。但是，他补充说，许多同行评审的研究都在对比H5N1和H1N1流感株，以及先前暴发的冠状病毒（包括MERS和SARS）适用的UV-C剂量。专家们认为，同样的能量使引发新冠疫情的冠状病毒失活这个假设是合理的。

这些研究都发现，以每平方厘米1到2焦耳的UV-C能量照射口罩，足以使口罩上99.9%到99.99%的病毒粒子失活。也就是说，消灭冠状病毒不仅仅是一个数字游戏。如果消毒装置在口罩上投下任何阴影，口罩就没有完全消毒。所以这些系统设计有拉伸口罩的紧固件和钩子，减小阴影。

“清除病毒，你需要了解光强度和几何学。”亨特说。

考虑到254纳米UV-C的有害影响，科学家们正在探索更高能量222纳米的远紫外区。已经发现这个波长可以杀死病毒和细菌，而且初步研究表明，它比254纳米区的光子更安全。事实上，即使有人在场，远紫外线也可以安全地消毒整个房间。

222纳米的远紫外光“几乎无法穿透皮肤外层”，位于巴尔的摩附近美国陆军公共卫生中心的“陆军激光和光辐射项目”的已退休主管戴维•斯里尼（David Sliney）说。“它被蛋白质大量吸收。有证据表明，它甚至可能比其他紫外线更能有效地杀灭空气中的病毒。”这种波长似乎对眼睛也安全，因为它穿透的深度不超过覆盖眼睛的泪膜。2019年在日本进行的一项白鼠研究发现，长时间的远紫外线照射不会导致皮肤或眼睛损伤。

目前，远紫外线是由氯化氪准分子灯产生的。（准分子“Excimer”一词由“excited”和“dimer”两个词组合而成，意思是两部分分子的激发态。）在灯的密封石英玻璃室内，氪和氯经放电加热，放电的能量足以瞬间产生一个KrCl准分子，在再次分离之前，它会射出222纳米的光谱线。

但是，这些光源并不只是发出远紫外光。“准分子灯产生222纳米的峰值，但它们还产生（更长）波长的光。”纽约哥伦比亚大学放射研究中心主任戴维•布伦纳（David Brenner）解释道，“这是有害的，因为它没有222纳米的保护特性。它能穿透（皮肤）并破坏DNA。”

滤光片可以消除外部的波长，但布伦纳说，更好的解决办法是远紫外LED灯窄谱轮廓正好在222纳米。这样的LED还不存在。“LED的波长会随时间的推移不断下降。”他说，“一旦下降到250、240、230（纳米）以下，效率会急剧下降，甚至是断崖式的下降。”

在短期内最好的希望是准分子灯。布伦纳预计这种灯将在今年年底或2021年初上市。

尽管有很多种紫外线技术——UV-C LED、汞蒸气灯和KrCl准分子灯，但紫外线杀菌在全世界广泛推广并产生重大作用之前，当前的疫情可能会来了又走。因此，专家们已经计划应对下一种危险的病原体，当它出现时，他们希望迎接它的是各种紫外线空气净化器和物体表面消毒器，应用在医院、机场、公共交通系统、办公室、学校、疗养院、商店、餐馆、电梯等。紫外线技术的普及将使病毒更难暴发和传播，可以防止一种致命的传染病发展成全球大流行的瘟疫。

作者：Mark Anderson

审核编辑：黄飞