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NIST和DHS的研究合作揭示了哪些波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)對(duì)COVID-19病毒的消毒效果最好。要對(duì)一個(gè)表面進(jìn)行消毒，你可以用紫外線(xiàn)（UV）照射它，它的波長(zhǎng)比人眼能看到的更藍(lán)。但是要專(zhuān)門(mén)滅活SARS-CoV-2（引起COVID-19的病毒），哪種波長(zhǎng)的光最好？以及多少輻射才足夠？SARS-CoV-2，COVID-19

要回答這些問(wèn)題，科學(xué)家必須克服兩個(gè)主要障礙。首先，他們需要將病毒與環(huán)境中的無(wú)關(guān)物質(zhì)完全分離。第二，他們必須一次用單一波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)照射病毒，在測(cè)試之間盡量不改變實(shí)驗(yàn)裝置。

最近的一項(xiàng)研究克服了這兩個(gè)障礙，完成了可能是有史以來(lái)對(duì)幾種不同的紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光波長(zhǎng)如何影響SARS-CoV-2的最徹底測(cè)試。這項(xiàng)研究是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）和美國(guó)國(guó)土安全部（DHS）科學(xué)與技術(shù)局實(shí)驗(yàn)室--國(guó)家生物防御分析與對(duì)策中心（NBACC）之間的一項(xiàng)合作。

在最近發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》雜志上的一篇新論文中，合作者描述了他們?cè)谝粋€(gè)安全的實(shí)驗(yàn)室里將單一波長(zhǎng)的光投射到COVID-19病毒樣品上的新穎系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)室被列為生物安全3級(jí)（BSL-3），旨在研究吸入后有可能致命的微生物。他們的實(shí)驗(yàn)比迄今為止對(duì)引起COVID-19的病毒的任何其他研究測(cè)試了更多波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光。

該裝置的照片。左圖：包含激光到光纖耦合系統(tǒng)的盒子內(nèi)部特寫(xiě)。中間。BSL-3門(mén)外走廊上的激光系統(tǒng)。右圖。BSL-3里面的實(shí)驗(yàn)裝置特寫(xiě)，包括放置SARS-CoV-2樣本的房間。資料來(lái)源：NIST

那么，SARS-CoV-2有特殊弱點(diǎn)嗎？事實(shí)證明，沒(méi)什么特別的。SARS-CoV-2病毒容易受到與其他病毒相同波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)的影響，比如那些導(dǎo)致流感的病毒。最有效的波長(zhǎng)是222和280納米（nm）之間的"UVC"范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。UVC光（全范圍從200到280納米）比導(dǎo)致曬傷的UVB波長(zhǎng)（280到315納米）短。

科學(xué)家們還表明，病毒的周?chē)h(huán)境可以對(duì)病毒產(chǎn)生保護(hù)作用。在實(shí)驗(yàn)中，將病毒放在純水中時(shí)，所需的紫外線(xiàn)劑量比放在模擬唾液中時(shí)要小，后者含有實(shí)際人類(lèi)唾液中的鹽、蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)。將病毒懸浮在模擬唾液中創(chuàng)造了一種類(lèi)似于涉及打噴嚏和咳嗽的真實(shí)世界情景。這一細(xì)節(jié)可能使研究結(jié)果比以前的研究更具有直接信息性。

NBACC的Michael Schuit說(shuō)："我認(rèn)為這項(xiàng)研究的一大貢獻(xiàn)是，我們能夠表明，我們?cè)诖蠖鄶?shù)研究中看到的那種理想化的結(jié)果并不總是能預(yù)測(cè)在有更現(xiàn)實(shí)的情況下會(huì)發(fā)生什么。當(dāng)你有像病毒周?chē)哪M唾液這樣的物質(zhì)時(shí)，這可能會(huì)降低紫外線(xiàn)凈化方法的功效。"

紫外線(xiàn)消毒設(shè)備的制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以利用這些結(jié)果來(lái)幫助了解醫(yī)療機(jī)構(gòu)、交通工具甚至液體的表面應(yīng)該被照射多長(zhǎng)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)SARS-CoV-2病毒的滅活。

"現(xiàn)在有很大的推動(dòng)力讓紫外線(xiàn)消毒進(jìn)入商業(yè)氛圍，"NIST研究員Cameron Miller說(shuō)。"長(zhǎng)期而言，希望這項(xiàng)研究將導(dǎo)致測(cè)量滅活SARS-CoV-2和其他有害病毒所需的紫外線(xiàn)劑量的標(biāo)準(zhǔn)和其他方法。"

這個(gè)項(xiàng)目建立在NIST團(tuán)隊(duì)與另一個(gè)合作者就滅活水中微生物所做的早期工作之上。

根據(jù)不同的波長(zhǎng)，紫外光以不同的方式損害病原體。一些波長(zhǎng)可以破壞微生物的RNA或DNA，使它們失去復(fù)制的能力。其他波長(zhǎng)可以分解蛋白質(zhì)，破壞病毒本身。

盡管人們知道紫外線(xiàn)的消毒能力已經(jīng)有一百多年了，但在過(guò)去的十年里，紫外線(xiàn)消毒研究出現(xiàn)了爆炸性增長(zhǎng)。原因之一是，傳統(tǒng)的紫外線(xiàn)光源有時(shí)含有有毒物質(zhì)，如汞。最近，使用無(wú)毒的LED燈作為紫外線(xiàn)光源已經(jīng)減輕了其中的一些擔(dān)憂(yōu)。

在這項(xiàng)研究中，NIST的合作者與NBACC的生物學(xué)家合作，他們的研究為諸如炭疽和埃博拉病毒等生物威脅的生物防衛(wèi)計(jì)劃提供了參考。

"NBACC能夠做的是培養(yǎng)病毒，濃縮它，并去除其他一切，"米勒說(shuō)。"我們?cè)噲D得到一個(gè)明確的信息，即我們需要多少光來(lái)滅活SARS-CoV-2病毒。"

在這項(xiàng)研究中，該小組在不同的懸浮液中測(cè)試了病毒。除了使用唾液模擬物，科學(xué)家們還把病毒放在水中，看看在一個(gè)"純凈"的環(huán)境中會(huì)發(fā)生什么。他們將病毒懸浮液作為液體和鋼鐵表面的干燥液滴進(jìn)行了測(cè)試，這代表了感染者可能打噴嚏或咳嗽產(chǎn)生的其他物質(zhì)。

NIST的工作是將激光的紫外線(xiàn)照射到樣品上。他們正在尋找殺死90%的病毒所需的劑量。

有了這個(gè)裝置，該合作項(xiàng)目能夠測(cè)量病毒對(duì)16種不同波長(zhǎng)的反應(yīng)，從紫外線(xiàn)的極低端，即222納米，一直到可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍的中間部分，即488納米。研究人員將更長(zhǎng)的波長(zhǎng)包括在內(nèi)，因?yàn)橐恍┧{(lán)光已被證明具有消毒特性。

在一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)室里，將激光照射到樣品上并非易事。在BSL-3實(shí)驗(yàn)室的研究人員穿戴磨砂服和帶呼吸器的頭罩。離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室需要洗一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的澡，然后再換上便服。

昂貴的激光器這樣的設(shè)備也將不得不經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)格的消毒程序。

"這有點(diǎn)像一扇單向的門(mén)，"米勒說(shuō)。"從該實(shí)驗(yàn)室出來(lái)的任何東西都必須經(jīng)過(guò)焚燒、高壓滅菌[熱滅菌]，或用過(guò)氧化氫蒸汽進(jìn)行化學(xué)消毒。因此，把我們價(jià)值12萬(wàn)美元的激光器帶進(jìn)去并不是我們想要使用的選擇。"

相反，NIST的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，將激光器和一些光學(xué)器件放在實(shí)驗(yàn)室外的走廊里。他們通過(guò)一根4米長(zhǎng)的光纜將光輸送到實(shí)驗(yàn)室門(mén)下的密封處。負(fù)壓使空氣從走廊流向?qū)嶒?yàn)室，并防止任何材料漏回實(shí)驗(yàn)室。

研究人員的設(shè)置概覽。激光器被放置在實(shí)驗(yàn)室外的一個(gè)走廊里。一根光纖將激光穿過(guò)門(mén)下的開(kāi)口，進(jìn)入放置SARS-CoV-2樣本的房間。

該激光器一次只產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)，而且是完全可調(diào)的，因此研究人員可以產(chǎn)生他們喜歡的任何波長(zhǎng)。但是，由于光的彎曲角度取決于它的波長(zhǎng)，他們必須創(chuàng)建一個(gè)棱鏡系統(tǒng)，以改變光進(jìn)入光纖的角度，使其正確排列。改變出口角度需要手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)他們創(chuàng)造的一個(gè)旋鈕來(lái)調(diào)整棱鏡的位置。他們?cè)噲D使這一切盡可能簡(jiǎn)單，用最少的移動(dòng)部件。

Schuit說(shuō)："NIST團(tuán)隊(duì)想出的設(shè)備使我們能夠快速測(cè)試非常廣泛的不同波長(zhǎng)，所有這些都是在非常受控和精確的波段。如果我們?cè)跊](méi)有那個(gè)系統(tǒng)的情況下試圖做同樣數(shù)量的波長(zhǎng)，我們將不得不調(diào)試一堆不同類(lèi)型的設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生不同寬度的波段。它們會(huì)需要不同的配置，而且會(huì)有很多額外的變數(shù)。"

操縱光線(xiàn)需要鏡子和透鏡，但研究人員在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能少使用，因?yàn)槊恳粋€(gè)都會(huì)導(dǎo)致紫外線(xiàn)強(qiáng)度的損失。

對(duì)于必須進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室將光纖的光投射到病毒樣本上的材料，該團(tuán)隊(duì)試圖使用廉價(jià)的部件。"我們3D打印了很多東西，"NIST物理學(xué)家Steve Grantham說(shuō)，他和NIST的Thomas Larason是該團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵成員。"所以，沒(méi)有什么是真正昂貴的，如果我們不再使用它，也不是什么大問(wèn)題。"

甚至在激光區(qū)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部之間的交流也很困難，因?yàn)槿藗儾荒茈S意進(jìn)出，所以他們采用了一個(gè)有線(xiàn)對(duì)講系統(tǒng)。

米勒說(shuō)，盡管有這些挑戰(zhàn)，但該系統(tǒng)出乎意料地運(yùn)作良好，特別是考慮到他們只有幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)組裝它。"米勒說(shuō)："有幾個(gè)方面我們可能可以改進(jìn)，但我認(rèn)為我們的收獲將是最小的。

NIST團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將這一系統(tǒng)用于未來(lái)對(duì)高安全性實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)家可能想要進(jìn)行的其他病毒和微生物的研究。

米勒說(shuō)："當(dāng)下一個(gè)病毒出現(xiàn)時(shí)，或者他們感興趣的任何病原體出現(xiàn)時(shí)，我們所要做的就是把激光系統(tǒng)滾到那里，在那里推一條光纖，他們會(huì)把它連接到他們的投影儀系統(tǒng)。所以現(xiàn)在我們已經(jīng)為下一次做好了準(zhǔn)備。"

這項(xiàng)工作部分由國(guó)土安全部科學(xué)技術(shù)局資助。

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