表面消毒是不是也要来点原力？
紫外线（ultraviolet，UV）可以用于物体的表面消毒，要针对性地消灭新冠病毒SARS-CoV-2，使用哪种波长最好？多少辐射才足够？
要回答这些问题，需要科学家做到两点：首先，他们需要将病毒与环境中的其它物质完全分离；其次，每次实验需要用单一波长的紫外线照射病毒，测试时每个实验组的波长差异要尽可能小。
近期，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）与美国国土安全部科学技术局实验室国家生物防御分析与对策中心（National Biodefense Analysis and Countermeasures Center，NBACC）合作克服了上述两个困难，针对几种不同的紫外线和可见光波长对SARS-CoV-2的影响进行了可能是目前最彻底的测试。
在发表在《应用光学》（Applied Optics）上的一篇论文中，研究人员描述了他们的新系统，在安全实验室中该系统可将单一波长的光投射到新冠病毒样本上。该实验室的生物安全级别为3（Biosafety Level 3，BSL-3），用于研究吸入时可能致命的微生物。迄今为止，他们测试的紫外线和可见光波长比其他针对新冠病毒的同类研究都多。该项目建立在NIST团队与另一位合作者在灭活水中微生物的早期工作的基础上。
论文截图
超人接近氪石会丧失超能力，那新冠毒株SARS-CoV-2的克星又是什么呢？研究结果表明，它和其他病毒一样，面对紫外线并无特殊抗性：波长在222-280 nm属于UVC范围内光线的消毒效果最理想。
研究人员表示，病毒的周围环境可以对病毒起到保护作用。利用盐、蛋白质和其他在实际人类唾液中发现的物质，研究人员混合出一种模拟唾液。将病毒悬浮在模拟唾液中能模拟如打喷嚏和咳嗽等真实场景，使研究结果比以往的研究更具实际参考价值。在这项研究中，将病毒置于纯水中比置于模拟唾液中所需的消毒紫外线剂量更小。
“我认为这项研究的一大贡献是，我们能够证明，我们在大多数研究中看到的那种理想化结果并不总能适用于现实场景。”作者Michael Schuit表示，“当病毒周围有模拟唾液之类的材料时，会降低紫外线消毒方法的效果。”
这些结果，有助于紫外线消毒设备和监管机构的制造商告知医疗环境、飞机甚至液体中的表面应该照射多长时间紫外线才能实现SARS-CoV-2病毒的灭活。
“现在，人们大力推动UVC消毒在商业环境中的应用。从长远来看，这项研究有望为测量灭活SARS-CoV-2和其他病毒所需的紫外线剂量提供参考。” 研究员Cameron Miller说。
初试锋芒
不同波长的紫外线以不同方式破坏病原体，部分紫外线会破坏微生物的RNA或DNA，导致它们失去复制能力；其他波长则可以分解蛋白质，破坏病毒本身。
距人们发现紫外线的消毒能力已有一百多年的历史，但在过去的十年中，紫外线消毒的相关研究才出现了爆炸式增长。其中一个原因是，传统的紫外线光源有时含有汞等有毒物质，而近年来采用无毒LED灯作为UV光源，已经改善了一些问题。
在这项研究中，NIST的合作者与NBACC的生物学家合作，他们的研究为炭疽和埃博拉病毒等病原微生物的防御规划提供了信息。
Miller介绍到：“NBACC能够做的是对病毒进行富集培养，然后集中销毁。我们试图获得一个明确的信息，即需要多少光才能使SARS-CoV-2病毒失活。”
图示实验设计的概述：激光被放置在实验室外的走廊上，利用光纤将激光穿过门下方的开口，进入装有SARS-CoV-2样本的房间 | K.Dill/NIST
在这项研究中，研究小组在不同的悬浮液中对病毒进行了测试。除了使用唾液模拟物外，科学家们还将病毒放入水中，以观察在没有保护的“纯净”环境中会发生什么。为模拟被感染者可能会打喷嚏或咳嗽的状态，他们还测试了钢表面上的病毒悬浮液滴和干透的印渍。
NIST的工作是引导来自激光器的紫外光照射样品，寻找杀死90%病毒所需的剂量。该合作实验能够测量病毒对16种不同波长的反应，考虑到一些蓝光已被证明具有消毒特性，研究人员也将更长的波长包括在内。实验的波长范围从UVC的极低端222 nm，一直到可见波长范围的中间部分，即488 nm。
将简单做到不简单
在安全实验室中，要将激光照射到样品上并非易事。研究人员进入BSL-3实验室时须穿着防护服和带呼吸器的面具，离开实验室则需要洗澡，然后再换回便服。团队昂贵的激光等设备也必须经过相当严格的消毒程序。
“这是一个单向门。” Miller介绍，“从那个实验室出来的任何东西都必须焚烧、高压灭菌，或者用过氧化氢蒸汽进行化学消毒。因此，我们不希望把120000美元的激光设备放进去。”
作为替代方案，NIST研究人员设计了一个系统，其中激光器和一些光学元件位于实验室外的走廊上。四米长的光缆穿过实验室门下的密封口传输实验光，实验室维持负压使空气只从走廊单向流入，能防止任何东西逃逸。
系统照片。左：包含激光到光纤耦合系统的盒子内部特写。中：BSL-3 门外走廊上的激光系统。右：BSL-3 内部实验装置的特写，包括存放 SARS-CoV-2 样本的房间 | NIST
激光器一次产生一个波长，并且是完全可调的，因此研究人员可以设置他们想要的任何波长。由于光会根据其波长以不同的角度折射，他们必须设计一个棱镜系统来改变光入射光纤的角度，从而使光路正确。研究人员试图用最少的活动部件使调试过程尽可能简单。
“NIST团队设计的设备，使我们能够快速测试极大范围且非常精确可控的波长。”Schuit 说，“如果在没有该系统的情况下测试相同数量的波长，我们将不得不使用一堆不同类型的设备，每个设备产生的波长范围不同，需要的配置不同，并且会掺杂很多额外的变量。”
研究人员尽量避免使用反射镜和透镜操纵光线，因为每一个部件都会导致紫外线强度有所损失。
对于必须进入实验室，以将光纤中的光投射到病毒样本上的材料，该团队尝试使用平价的替代品。物理学家Steve Grantham和Thomas Larason是NIST团队的核心成员，Steve Grantham透露：“我们3D 打印了很多东西，没有什么东西真的很贵，如果我们不再使用它，也没什么大不了的。”
因为人们不能随意进出，激光区和实验室内部之间的通信也很困难，所以他们采用有线对讲系统来沟通。
Miller表示，尽管他们只有几个月的时间来组装实验系统，但它运行得非常好。“有几个方面我们可能可以改进，但我认为提升可能微乎其微。” Miller说。
在未来，生物学家可能想在高安全性实验室进行其他病毒和微生物的研究，NIST 团队计划将该系统提供给他们使用。
“当下一种病毒或他们感兴趣的任何病原体出现时，我们所要做的就是将激光系统向上滚动，将光纤拉到那里，然后他们会将其连接到他们的光线发射系统上。” Miller说，“所以现在我们已经准备好迎接下一次实验了。”
参考文献
[1] Thomas Larason, Steven Grantham, Clarence Zarobila, Yuqin Zong, Michael Schuit, Brian Holland, Stewart Wood, Melissa Krause, and C. Cameron Miller, "Traveling tunable laser projector for UV-blue disinfection dose determinations," Appl. Opt. 61, 5559-5566 (2022)
https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?URI=ao-61-19-5559
[2] https://phys.org/news/2022-06-wavelengths-uv-covid-virus-disinfection.html
编译：鳕鱼
编辑：靳小明
排版：尹宁流
题图来源：《星球大战》
论文信息
发布期刊 Applied Optics
发布时间 2022年7月1日
论文标题 Traveling Tunable Laser Projector (TTLP) for UV-Blue Disinfection Dose Determinations
(DOI：https://doi.org/10.1364/AO.460317）
文章领域 工程技术，光学
研究团队
第一作者/通讯作者 Thomas Larason/ Melissa Krause
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