━━━━ 走進醫療設備公司PrescientX位于加拿大安大略省劍橋市的辦公室，你可能不會懷疑自己進入了北美一個最衛生的地方。 在這個位于多倫多區的普通辦公室區域里，你可以在接待處的紫外線消毒架上消毒鑰匙、手機和其他便攜設備。在涼爽的季節，你呼吸的空氣會被紫外線消毒的加熱裝置和辦公室通風管道里的紫外線裝置清除掉霉菌和細菌。室內紫外線燈具指向天花板對空氣滅菌消毒，而其他紫外線燈只有在無人的情況下才會開啟，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的創始人兼首席執行官巴里?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勝它們的一種最有力的武器。

近一個半世紀以來，科學家們一直在研究紫外線有效滅菌。前些年，在2003年非典爆發期間，人們曾用紫外線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大武器抗擊這場新瘟疫。抗病毒藥物和疫苗的重點在于減少和抵抗人體的感染，而正在部署的紫外線系統則專注于在病毒感染人體之前，殺死環境中的病毒。

紫外線殺菌技術正被用來消毒空氣、材料表面和N95口罩等個人防護設備。與此同時，這一領域的專家正投入大量時間來向公眾宣傳這項技術在對抗冠狀病毒以及未來疾病的暴發和流行的有效性。位于加州圣克拉里塔的紫外線技術公司UV Resources的副總裁兼聯合創始人迪恩?薩普塔（Dean Saputa）說，紫外線殺菌的主要障礙“是對這項技術缺乏……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和紫羅蘭之外的區域。看過防曬霜標簽的人都知道，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）。紫外線殺菌技術則主要使用波長更短、能量更強的紫外線，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，進化了數百萬年甚至數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，隨著汞蒸氣燈的發明，情況發生了變化。它產生了一個波長為254納米的強大的UV-C光，已證明UV-C光照射能毀滅幾乎所有遺傳物質，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，其關鍵都在于能找到一種讓人們免受紫外線傷害的方法。相關人員已經在這一領域積累了大量專業知識，新技術使在人類空間里使用UV-C變得更容易。

雖然UV-C成功地用于殺滅細菌已經一個多世紀了，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。紫外線可以使一個電子松脫，造成兩個T分子或兩個C分子結合在一起，從而引起一串DNA錯誤。人類有基因自我修復機制，包括一種叫做p53的分子。這種蛋白質（有時被稱為“基因組的守護者”）會巡查DNA鏈，尋找這種核苷酸損傷。但p53能做的只有這么多。太多的損傷會把它壓垮，并能導致癌癥。

引起新冠肺炎的病毒SARS-CoV-2缺少這種復雜的自我修復機制，其遺傳物質由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納米范圍內的UV-C光的主要問題是它能穿透人的皮膚和眼睛，引發皮膚癌和白內障。因此，UV-C的DNA粉碎效應意味著，任何使用它的消毒設備都必須設計為在室內無人時使用或在無人進入的獨立空間使用。

幾十年來，研究人員一直試圖平衡UV-C的益處和危險。20世紀30年代末到40年代初，美國流行病學家威廉姆?F.威爾斯（William F. Wells）在費城的學校安裝了發射UV-C的汞蒸氣燈，對抗暴發的麻疹，在這之前，他開創性地研究發現空氣中的細菌和病毒會導致傳染。燈具設計只照射房間上部的空氣，保護學生和工作人員免受射線的照射。他們成功了。擁有空氣消毒設備的學校感染率為13.3%，而普通人群的感染率為53.6%。

PrescientX公司的亨特說，如今大多數商業和工業環境中的紫外線殺菌仍然采用汞蒸氣燈。這些設備的光譜峰值在254納米。發射紫外線是電弧的結果，電弧（通常）使氬氣發生電離并使液態汞汽化。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發光二極管（LED）比汞燈要新得多，且具有許多潛在的優點：無毒汞，更耐用，啟動更快，發射波長多樣化（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，這一潛能尚未實現。韓國首爾半導體公司的技術研究員兼副總裁鄭在學（Jae-hak Jeong）告訴本刊，現在的汞燈比市場上的UV-C LED具有更高的電光轉換效率（光輸出功率與電輸入功率之比）。但研究人員預計汞燈的優勢不可持續，UV-C LED的改進方式與在照明領域達到主導地位的藍色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光使用經驗證實了威爾斯在20世紀30年代的發現：用254納米的紫外線進行空氣消毒“非常有效”。他補充道，直接照射房間頂部的空氣比照射暖通空調機組內的空氣效率更高。根據美國照明工程學會（IES）的說法，室內頂部空間每立方米17毫瓦254納米燈輻射量，是控制結核病的循證劑量。然而，有些細菌、病毒和其他微生物對UV-C光抵抗力更強。

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”摧毀照射范圍內的細菌。為了保證人的安全，這些每件價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紫外線能量向上和向外傳遞。（UV-C在大多數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；盡管如此，安裝人員必須使用UV-C計量表驗證。）還可安裝用于各種環境，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，醫院里的紫外線機器人以及飛機和地鐵車廂里的紫外線殺菌器，與多項技術相結合，得到了推廣，用于在物體表面消毒。

這些系統與紫外線空氣滅菌的主要區別在于前者在有人時不能操作，因此它們不能保持區域內持續沒有病毒。薩普塔說：“設計工程師必須記住，醫院的床上或飛機座位上有人之前，持續消毒必須停止。”

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技術公司一直在開發一款UV-C LED燈箱，用于對虛擬現實和增強現實頭戴設備進行消毒。該技術也適用于N95口罩消毒，Cleanbox的首席技術官兼聯合創始人戴維?喬治森（David Georgeson）說。

CleanDefense N95消毒燈箱一次可以消毒4個口罩。這個燈箱是便攜式的，可由墻壁或電池組供電，可以在救護車和飛機等移動環境中使用，也可以在醫療機構、餐館和購物中心使用。

這項技術和任何其他類型的紫外線消毒技術都面臨一項挑戰：“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院（Rensselaer Polytechnic Institute）照明系統與應用中心主任羅伯特?卡里斯克（Robert Karlicek）說。“如果病毒藏在灰塵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。”

這個問題可以用所謂的“峽谷壁”（canyon wall）效應來說明。對細菌和病毒來說，一般物體表面的紋理就像我們看到的100米深的峽谷。在對具有亞毫米紋理物體表面進行消毒的試驗中，汞燈光以不同的角度照射，UV-C對金黃色葡萄球菌的殺滅率效果會出現高達500倍的差異。

亞利桑那大學公共衛生學助理教授馬克?弗霍格斯特雷特（Marc Verhougstraete）說，由于與角度有關，通常需要使用3個紫外線系統來對醫院的房間進行消毒。即便如此，仍有未照到的區域。因此，對于這種應用，UV-C表面消毒器應該只是系統的一部分，這個系統包括定期表面消毒、手衛生和空氣處理。

多個角度獲得足夠的劑量是消毒重復使用N95口罩的關鍵。卡里斯克和他的團隊開發了一款N95口罩汞燈消毒器，并在紐約市西奈山醫院進行了測試。它使用兩組紫外線燈同時照射口罩的正面和背面。PrescientX也開始了N95口罩消毒業務，推出了一款名為Terminator CoV的UV-C燈箱。還有其他系統處于不同的開發和商業化階段。

PrescientX的首席執行官亨特說，使SARS-CoV-2病毒失活的UV-C精確劑量尚待確定。但是，他補充說，許多同行評審的研究都在對比H5N1和H1N1流感株，以及先前暴發的冠狀病毒（包括MERS和SARS）適用的UV-C劑量。專家們認為，同樣的能量使引發新冠疫情的冠狀病毒失活這個假設是合理的。

這些研究都發現，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數字游戲。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。所以這些系統設計有拉伸口罩的緊固件和鉤子，減小陰影。

“清除病毒，你需要了解光強度和幾何學。”亨特說。

考慮到254納米UV-C的有害影響，科學家們正在探索更高能量222納米的遠紫外區。已經發現這個波長可以殺死病毒和細菌，而且初步研究表明，它比254納米區的光子更安全。事實上，即使有人在場，遠紫外線也可以安全地消毒整個房間。

222納米的遠紫外光“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生中心的“陸軍激光和光輻射項目”的已退休主管戴維?斯里尼（David Sliney）說。“它被蛋白質大量吸收。有證據表明，它甚至可能比其他紫外線更能有效地殺滅空氣中的病毒。”這種波長似乎對眼睛也安全，因為它穿透的深度不超過覆蓋眼睛的淚膜。2019年在日本進行的一項白鼠研究發現，長時間的遠紫外線照射不會導致皮膚或眼睛損傷。

目前，遠紫外線是由氯化氪準分子燈產生的。（準分子“Excimer”一詞由“excited”和“dimer”兩個詞組合而成，意思是兩部分分子的激發態。）在燈的密封石英玻璃室內，氪和氯經放電加熱，放電的能量足以瞬間產生一個KrCl準分子，在再次分離之前，它會射出222納米的光譜線。

但是，這些光源并不只是發出遠紫外光。“準分子燈產生222納米的峰值，但它們還產生（更長）波長的光。”紐約哥倫比亞大學放射研究中心主任戴維?布倫納（David Brenner）解釋道，“這是有害的，因為它沒有222納米的保護特性。它能穿透（皮膚）并破壞DNA。”

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紫外LED燈窄譜輪廓正好在222納米。這樣的LED還不存在。“LED的波長會隨時間的推移不斷下降。”他說，“一旦下降到250、240、230（納米）以下，效率會急劇下降，甚至是斷崖式的下降。”

在短期內最好的希望是準分子燈。布倫納預計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——UV-C LED、汞蒸氣燈和KrCl準分子燈，但紫外線殺菌在全世界廣泛推廣并產生重大作用之前，當前的疫情可能會來了又走。因此，專家們已經計劃應對下一種危險的病原體，當它出現時，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，應用在醫院、機場、公共交通系統、辦公室、學校、療養院、商店、餐館、電梯等。紫外線技術的普及將使病毒更難暴發和傳播，可以防止一種致命的傳染病發展成全球大流行的瘟疫。

作者：Mark Anderson

審核編輯：黃飛