國外科學(xué)家正尋找用于消滅冠狀病毒的最佳紫外線燈

NIST和DHS的研究合作揭示了哪些波長的紫外線對COVID-19病毒的消毒效果最好。要對一個表面進行消毒，你可以用紫外線（UV）照射它，它的波長比人眼能看到的更藍。但是要專門滅活SARS-CoV-2（引起COVID-19的病毒），哪種波長的光最好？以及多少輻射才足夠？

要回答這些問題，科學(xué)家必須克服兩個主要障礙。首先，他們需要將病毒與環(huán)境中的無關(guān)物質(zhì)完全分離。第二，他們必須一次用單一波長的紫外線照射病毒，在測試之間盡量不改變實驗裝置。

最近的一項研究克服了這兩個障礙，完成了可能是有史以來對幾種不同的紫外線和可見光波長如何影響SARS-CoV-2的最徹底測試。這項研究是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）和美國國土安全部（DHS）科學(xué)與技術(shù)局實驗室--國家生物防御分析與對策中心（NBACC）之間的一項合作。

在最近發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》雜志上的一篇新論文中，合作者描述了他們在一個安全的實驗室里將單一波長的光投射到COVID-19病毒樣品上的新穎系統(tǒng)。該實驗室被列為生物安全3級（BSL-3），旨在研究吸入后有可能致命的微生物。他們的實驗比迄今為止對引起COVID-19的病毒的任何其他研究測試了更多波長的紫外線和可見光。

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。中間。BSL-3門外走廊上的激光系統(tǒng)。右圖。BSL-3里面的實驗裝置特寫，包括放置SARS-CoV-2樣本的房間。資料來源：NIST

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

科學(xué)家們還表明，病毒的周圍環(huán)境可以對病毒產(chǎn)生保護作用。在實驗中，將病毒放在純水中時，所需的紫外線劑量比放在模擬唾液中時要小，后者含有實際人類唾液中的鹽、蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)。將病毒懸浮在模擬唾液中創(chuàng)造了一種類似于涉及打噴嚏和咳嗽的真實世界情景。這一細節(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："我認為這項研究的一大貢獻是，我們能夠表明，我們在大多數(shù)研究中看到的那種理想化的結(jié)果并不總是能預(yù)測在有更現(xiàn)實的情況下會發(fā)生什么。當(dāng)你有像病毒周圍的模擬唾液這樣的物質(zhì)時，這可能會降低紫外線凈化方法的功效。"

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

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

這個項目建立在NIST團隊與另一個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，紫外光以不同的方式損害病原體。一些波長可以破壞微生物的RNA或DNA，使它們失去復(fù)制的能力。其他波長可以分解蛋白質(zhì)，破壞病毒本身。

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

在這項研究中，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。"我們試圖得到一個明確的信息，即我們需要多少光來滅活SARS-CoV-2病毒。"

在這項研究中，該小組在不同的懸浮液中測試了病毒。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"純凈"的環(huán)境中會發(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行了測試，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。

有了這個裝置，該合作項目能夠測量病毒對16種不同波長的反應(yīng)，從紫外線的極低端，即222納米，一直到可見波長范圍的中間部分，即488納米。研究人員將更長的波長包括在內(nèi)，因為一些藍光已被證明具有消毒特性。

在一個安全的實驗室里，將激光照射到樣品上并非易事。在BSL-3實驗室的研究人員穿戴磨砂服和帶呼吸器的頭罩。離開實驗室需要洗一個長長的澡，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)歷一個相當(dāng)嚴(yán)格的消毒程序。

"這有點像一扇單向的門，"米勒說。"從該實驗室出來的任何東西都必須經(jīng)過焚燒、高壓滅菌[熱滅菌]，或用過氧化氫蒸汽進行化學(xué)消毒。因此，把我們價值12萬美元的激光器帶進去并不是我們想要使用的選擇。"

相反，NIST的研究人員設(shè)計了一個系統(tǒng)，將激光器和一些光學(xué)器件放在實驗室外的走廊里。他們通過一根4米長的光纜將光輸送到實驗室門下的密封處。負壓使空氣從走廊流向?qū)嶒炇?，并防止任何材料漏回實驗室?/p>

該激光器一次只產(chǎn)生一個波長，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。但是，由于光的彎曲角度取決于它的波長，他們必須創(chuàng)建一個棱鏡系統(tǒng)，以改變光進入光纖的角度，使其正確排列。改變出口角度需要手動轉(zhuǎn)動他們創(chuàng)造的一個旋鈕來調(diào)整棱鏡的位置。他們試圖使這一切盡可能簡單，用最少的移動部件。

Schuit說："NIST團隊想出的設(shè)備使我們能夠快速測試非常廣泛的不同波長，所有這些都是在非常受控和精確的波段。如果我們在沒有那個系統(tǒng)的情況下試圖做同樣數(shù)量的波長，我們將不得不調(diào)試一堆不同類型的設(shè)備，每個設(shè)備都會產(chǎn)生不同寬度的波段。它們會需要不同的配置，而且會有很多額外的變數(shù)。"

操縱光線需要鏡子和透鏡，但研究人員在設(shè)計時盡可能少使用，因為每一個都會導(dǎo)致紫外線強度的損失。

對于必須進入實驗室將光纖的光投射到病毒樣本上的材料，該團隊試圖使用廉價的部件。"我們3D打印了很多東西，"NIST物理學(xué)家Steve Grantham說，他和NIST的Thomas Larason是該團隊的關(guān)鍵成員。"所以，沒有什么是真正昂貴的，如果我們不再使用它，也不是什么大問題。"

甚至在激光區(qū)和實驗室內(nèi)部之間的交流也很困難，因為人們不能隨意進出，所以他們采用了一個有線對講系統(tǒng)。

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

NIST團隊計劃將這一系統(tǒng)用于未來對高安全性實驗室的生物學(xué)家可能想要進行的其他病毒和微生物的研究。

米勒說："當(dāng)下一個病毒出現(xiàn)時，或者他們感興趣的任何病原體出現(xiàn)時，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。"