在這個(gè)位于多倫多區(qū)的普通辦公室區(qū)域里，你可以在接待處的紫外線消毒架上消毒鑰匙、手機(jī)和其他便攜設(shè)備。在涼爽的季節(jié)，你呼吸的空氣會(huì)被紫外線消毒的加熱裝置和辦公室通風(fēng)管道里的紫外線裝置清除掉霉菌和細(xì)菌。室內(nèi)紫外線燈具指向天花板對(duì)空氣滅菌消毒，而其他紫外線燈只有在無人的情況下才會(huì)開啟，清除在桌子、鍵盤以及浴室和工作場所的頻繁接觸物體表面上的病原體。
PrescientX的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官巴里?亨特（Barry Hunt）表示，這間辦公室代表了一種未來可能性——如果未來像新冠肺炎這樣的疫情變得更加常見，紫外線殺菌燈是我們戰(zhàn)勝它們的一種最有力的武器。
近一個(gè)半世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直在研究紫外線有效滅菌。前些年，在2003年非典爆發(fā)期間，人們?cè)米贤饩€來消毒劑抗擊致命的冠狀病毒。新冠病毒開始傳播后，紫外線再次作為一種強(qiáng)大武器抗擊這場新瘟疫?？共《舅幬锖鸵呙绲闹攸c(diǎn)在于減少和抵抗人體的感染，而正在部署的紫外線系統(tǒng)則專注于在病毒感染人體之前，殺死環(huán)境中的病毒。
紫外線殺菌技術(shù)正被用來消毒空氣、材料表面和N95口罩等個(gè)人防護(hù)設(shè)備。與此同時(shí)，這一領(lǐng)域的專家正投入大量時(shí)間來向公眾宣傳這項(xiàng)技術(shù)在對(duì)抗冠狀病毒以及未來疾病的暴發(fā)和流行的有效性。位于加州圣克拉里塔的紫外線技術(shù)公司UV Resources的副總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人迪恩?薩普塔（Dean Saputa）說，紫外線殺菌的主要障礙“是對(duì)這項(xiàng)技術(shù)缺乏……了解”。
首先，專家指出，并不是所有的紫外線都是一樣的。紫外線位于電磁光譜中靛藍(lán)和紫羅蘭之外的區(qū)域?？催^防曬霜標(biāo)簽的人都知道，讓你曬黑或曬傷的紫外線被稱為UV-A（波長介于400到315納米）和UV-B（波長315到280納米）。紫外線殺菌技術(shù)則主要使用波長更短、能量更強(qiáng)的紫外線，即UV-C，波長介于280到100納米之間。地球的臭氧層幾乎阻止了所有UV-C光射到我們身上。因此，進(jìn)化了數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年的微生物和病毒（乃至世間萬物）從未暴露在這些波長的紫外線下。
1901年，隨著汞蒸氣燈的發(fā)明，情況發(fā)生了變化。它產(chǎn)生了一個(gè)波長為254納米的強(qiáng)大的UV-C光，已證明UV-C光照射能毀滅幾乎所有遺傳物質(zhì)，包括冠狀病毒或人。
許多使用紫外線殺菌防止疾病傳播的辦法，其關(guān)鍵都在于能找到一種讓人們免受紫外線傷害的方法。相關(guān)人員已經(jīng)在這一領(lǐng)域積累了大量專業(yè)知識(shí)，新技術(shù)使在人類空間里使用UV-C變得更容易。
雖然UV-C成功地用于殺滅細(xì)菌已經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)了，但直到最近，研究人員才明白為什么它如此成功。在用4個(gè)字母代表的DNA核苷酸中，胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）特別容易受到紫外線的影響。紫外線可以使一個(gè)電子松脫，造成兩個(gè)T分子或兩個(gè)C分子結(jié)合在一起，從而引起一串DNA錯(cuò)誤。人類有基因自我修復(fù)機(jī)制，包括一種叫做p53的分子。這種蛋白質(zhì)（有時(shí)被稱為“基因組的守護(hù)者”）會(huì)巡查DNA鏈，尋找這種核苷酸損傷。但p53能做的只有這么多。太多的損傷會(huì)把它壓垮，并能導(dǎo)致癌癥。
引起新冠肺炎的病毒SARS-CoV-2缺少這種復(fù)雜的自我修復(fù)機(jī)制，其遺傳物質(zhì)由RNA而非DNA組成。RNA含有尿嘧啶而不是胸腺嘧啶，但UV-C的作用基本相同：遺傳損傷累積，消滅病毒。
254納米范圍內(nèi)的UV-C光的主要問題是它能穿透人的皮膚和眼睛，引發(fā)皮膚癌和白內(nèi)障。因此，UV-C的DNA粉碎效應(yīng)意味著，任何使用它的消毒設(shè)備都必須設(shè)計(jì)為在室內(nèi)無人時(shí)使用或在無人進(jìn)入的獨(dú)立空間使用。
幾十年來，研究人員一直試圖平衡UV-C的益處和危險(xiǎn)。20世紀(jì)30年代末到40年代初，美國流行病學(xué)家威廉姆?F.威爾斯（William F. Wells）在費(fèi)城的學(xué)校安裝了發(fā)射UV-C的汞蒸氣燈，對(duì)抗暴發(fā)的麻疹，在這之前，他開創(chuàng)性地研究發(fā)現(xiàn)空氣中的細(xì)菌和病毒會(huì)導(dǎo)致傳染。燈具設(shè)計(jì)只照射房間上部的空氣，保護(hù)學(xué)生和工作人員免受射線的照射。他們成功了。擁有空氣消毒設(shè)備的學(xué)校感染率為13.3%，而普通人群的感染率為53.6%。
PrescientX公司的亨特說，如今大多數(shù)商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中的紫外線殺菌仍然采用汞蒸氣燈。這些設(shè)備的光譜峰值在254納米。發(fā)射紫外線是電弧的結(jié)果，電?。ㄍǔ＃┦箽鍤獍l(fā)生電離并使液態(tài)汞汽化。玻璃可以阻擋輻射，所以這些燈是用石英做的。
由氮化鋁合金制成的UV-C發(fā)光二極管（LED）比汞燈要新得多，且具有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)：無毒汞，更耐用，啟動(dòng)更快，發(fā)射波長多樣化（可能有助于殺菌作用）。不過，最重要的是UV-C LED在理論上具有更高的效率。然而，這一潛能尚未實(shí)現(xiàn)。韓國首爾半導(dǎo)體公司的技術(shù)研究員兼副總裁鄭在學(xué)（Jae-hak Jeong）告訴本刊，現(xiàn)在的汞燈比市場上的UV-C LED具有更高的電光轉(zhuǎn)換效率（光輸出功率與電輸入功率之比）。但研究人員預(yù)計(jì)汞燈的優(yōu)勢不可持續(xù)，UV-C LED的改進(jìn)方式與在照明領(lǐng)域達(dá)到主導(dǎo)地位的藍(lán)色LED的方式大致相同。不過，目前，UV-C LED的能量僅能消毒體積不大的空氣或附近的物體表面。
亨特說，最近的UV-C光使用經(jīng)驗(yàn)證實(shí)了威爾斯在20世紀(jì)30年代的發(fā)現(xiàn)：用254納米的紫外線進(jìn)行空氣消毒“非常有效”。他補(bǔ)充道，直接照射房間頂部的空氣比照射暖通空調(diào)機(jī)組內(nèi)的空氣效率更高。根據(jù)美國照明工程學(xué)會(huì)（IES）的說法，室內(nèi)頂部空間每立方米17毫瓦254納米燈輻射量，是控制結(jié)核病的循證劑量。然而，有些細(xì)菌、病毒和其他微生物對(duì)UV-C光抵抗力更強(qiáng)。
UV Resources公司的薩普塔說，在這種劑量下，頂部燈具可在“幾秒鐘內(nèi)”摧毀照射范圍內(nèi)的細(xì)菌。為了保證人的安全，這些每件價(jià)格幾千美元的燈具安裝在2米以上的地方，并使用非反射擋板引導(dǎo)紫外線能量向上和向外傳遞。（UV-C在大多數(shù)表面上反射效果很差，因此從天花板和其他裝置上反射過來的光線幾乎沒有暴露危險(xiǎn)；盡管如此，安裝人員必須使用UV-C計(jì)量表驗(yàn)證。）還可安裝用于各種環(huán)境，如病房、候診室、大堂、樓梯間、急診室入口和走廊等。
不僅僅空氣需要消毒。疫情期間，醫(yī)院里的紫外線機(jī)器人以及飛機(jī)和地鐵車廂里的紫外線殺菌器，與多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，得到了推廣，用于在物體表面消毒。
這些系統(tǒng)與紫外線空氣滅菌的主要區(qū)別在于前者在有人時(shí)不能操作，因此它們不能保持區(qū)域內(nèi)持續(xù)沒有病毒。薩普塔說：“設(shè)計(jì)工程師必須記住，醫(yī)院的床上或飛機(jī)座位上有人之前，持續(xù)消毒必須停止?！?/span>
但間歇消毒總比不消毒好。今年之前，位于加州卡爾斯巴德的Cleanbox技術(shù)公司一直在開發(fā)一款UV-C LED燈箱，用于對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備進(jìn)行消毒。該技術(shù)也適用于N95口罩消毒，Cleanbox的首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人戴維?喬治森（David Georgeson）說。
CleanDefense N95消毒燈箱一次可以消毒4個(gè)口罩。這個(gè)燈箱是便攜式的，可由墻壁或電池組供電，可以在救護(hù)車和飛機(jī)等移動(dòng)環(huán)境中使用，也可以在醫(yī)療機(jī)構(gòu)、餐館和購物中心使用。
這項(xiàng)技術(shù)和任何其他類型的紫外線消毒技術(shù)都面臨一項(xiàng)挑戰(zhàn)：“輻射必須真正打擊到病毒，打破（RNA），使其失活。”美國紐約州特洛伊市倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）照明系統(tǒng)與應(yīng)用中心主任羅伯特?卡里斯克（Robert Karlicek）說?！叭绻《静卦诨覊m后面或被另一種纖維覆蓋，要想獲得良好的殺滅率，就必須散射大量的紫外線光。”
這個(gè)問題可以用所謂的“峽谷壁”（canyon wall）效應(yīng)來說明。對(duì)細(xì)菌和病毒來說，一般物體表面的紋理就像我們看到的100米深的峽谷。在對(duì)具有亞毫米紋理物體表面進(jìn)行消毒的試驗(yàn)中，汞燈光以不同的角度照射，UV-C對(duì)金黃色葡萄球菌的殺滅率效果會(huì)出現(xiàn)高達(dá)500倍的差異。
亞利桑那大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)助理教授馬克?弗霍格斯特雷特（Marc Verhougstraete）說，由于與角度有關(guān)，通常需要使用3個(gè)紫外線系統(tǒng)來對(duì)醫(yī)院的房間進(jìn)行消毒。即便如此，仍有未照到的區(qū)域。因此，對(duì)于這種應(yīng)用，UV-C表面消毒器應(yīng)該只是系統(tǒng)的一部分，這個(gè)系統(tǒng)包括定期表面消毒、手衛(wèi)生和空氣處理。
多個(gè)角度獲得足夠的劑量是消毒重復(fù)使用N95口罩的關(guān)鍵?？ɡ锼箍撕退膱F(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款N95口罩汞燈消毒器，并在紐約市西奈山醫(yī)院進(jìn)行了測試。它使用兩組紫外線燈同時(shí)照射口罩的正面和背面。PrescientX也開始了N95口罩消毒業(yè)務(wù)，推出了一款名為Terminator CoV的UV-C燈箱。還有其他系統(tǒng)處于不同的開發(fā)和商業(yè)化階段。
PrescientX的首席執(zhí)行官亨特說，使SARS-CoV-2病毒失活的UV-C精確劑量尚待確定。但是，他補(bǔ)充說，許多同行評(píng)審的研究都在對(duì)比H5N1和H1N1流感株，以及先前暴發(fā)的冠狀病毒（包括MERS和SARS）適用的UV-C劑量。專家們認(rèn)為，同樣的能量使引發(fā)新冠疫情的冠狀病毒失活這個(gè)假設(shè)是合理的。
這些研究都發(fā)現(xiàn)，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。也就是說，消滅冠狀病毒不僅僅是一個(gè)數(shù)字游戲。如果消毒裝置在口罩上投下任何陰影，口罩就沒有完全消毒。所以這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)有拉伸口罩的緊固件和鉤子，減小陰影。
“清除病毒，你需要了解光強(qiáng)度和幾何學(xué)。”亨特說。
考慮到254納米UV-C的有害影響，科學(xué)家們正在探索更高能量222納米的遠(yuǎn)紫外區(qū)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)波長可以殺死病毒和細(xì)菌，而且初步研究表明，它比254納米區(qū)的光子更安全。事實(shí)上，即使有人在場，遠(yuǎn)紫外線也可以安全地消毒整個(gè)房間。
222納米的遠(yuǎn)紫外光“幾乎無法穿透皮膚外層”，位于巴爾的摩附近美國陸軍公共衛(wèi)生中心的“陸軍激光和光輻射項(xiàng)目”的已退休主管戴維?斯里尼（David Sliney）說?！八坏鞍踪|(zhì)大量吸收。有證據(jù)表明，它甚至可能比其他紫外線更能有效地殺滅空氣中的病毒?！边@種波長似乎對(duì)眼睛也安全，因?yàn)樗┩傅纳疃炔怀^覆蓋眼睛的淚膜。2019年在日本進(jìn)行的一項(xiàng)白鼠研究發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間的遠(yuǎn)紫外線照射不會(huì)導(dǎo)致皮膚或眼睛損傷。
目前，遠(yuǎn)紫外線是由氯化氪準(zhǔn)分子燈產(chǎn)生的。（準(zhǔn)分子“Excimer”一詞由“excited”和“dimer”兩個(gè)詞組合而成，意思是兩部分分子的激發(fā)態(tài)。）在燈的密封石英玻璃室內(nèi)，氪和氯經(jīng)放電加熱，放電的能量足以瞬間產(chǎn)生一個(gè)KrCl準(zhǔn)分子，在再次分離之前，它會(huì)射出222納米的光譜線。
但是，這些光源并不只是發(fā)出遠(yuǎn)紫外光?！皽?zhǔn)分子燈產(chǎn)生222納米的峰值，但它們還產(chǎn)生（更長）波長的光。”紐約哥倫比亞大學(xué)放射研究中心主任戴維?布倫納（David Brenner）解釋道，“這是有害的，因?yàn)樗鼪]有222納米的保護(hù)特性。它能穿透（皮膚）并破壞DNA?！?/span>
濾光片可以消除外部的波長，但布倫納說，更好的解決辦法是遠(yuǎn)紫外LED燈窄譜輪廓正好在222納米。這樣的LED還不存在?！癓ED的波長會(huì)隨時(shí)間的推移不斷下降?！彼f，“一旦下降到250、240、230（納米）以下，效率會(huì)急劇下降，甚至是斷崖式的下降?！?/span>
在短期內(nèi)最好的希望是準(zhǔn)分子燈。布倫納預(yù)計(jì)這種燈將在今年年底或2021年初上市。
盡管有很多種紫外線技術(shù)——UV-C LED、汞蒸氣燈和KrCl準(zhǔn)分子燈，但紫外線殺菌在全世界廣泛推廣并產(chǎn)生重大作用之前，當(dāng)前的疫情可能會(huì)來了又走。因此，專家們已經(jīng)計(jì)劃應(yīng)對(duì)下一種危險(xiǎn)的病原體，當(dāng)它出現(xiàn)時(shí)，他們希望迎接它的是各種紫外線空氣凈化器和物體表面消毒器，應(yīng)用在醫(yī)院、機(jī)場、公共交通系統(tǒng)、辦公室、學(xué)校、療養(yǎng)院、商店、餐館、電梯等。紫外線技術(shù)的普及將使病毒更難暴發(fā)和傳播，可以防止一種致命的傳染病發(fā)展成全球大流行的瘟疫。
下載文檔
