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图1 激光系统示意图。左：激光-光纤耦合系统；中：BSL-3大门外走廊上的激光系统；右：BSL-3内部实验装置，包括存放SARS-CoV-2样本的容器。（图片来源：NIST）
解答以上两个问题需要克服两个主要障碍。首先，研究人员需要将病毒完全分离出复杂的外界环境；其次，每次只能用一种单一波长的紫外线照射病毒，并且在两次测试之间微调参数。
近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）和国家生物防御分析与对策中心（NBACC，美国国土安全部科学与技术局所属实验室）合作，共同克服障碍，得到了若干种紫外线和不同可见光波长对COVID-19的影响，完成了可能是有史以来针对新冠病毒的最彻底的实验，以上成果发表在新锐期刊《Applied Optics》上。
论文表明，实验室环境的生物安全等级为Ⅲ级（BSL-3），用于研究具有高度气溶胶扩散危险的微生物。在该实验室中，该团队用单色光辐射COVID-19病毒样本系统，试图最大程度研究COVID-19病毒。
所以SARS-CoV-2型的克星是什么呢？结果表明，没有显著差别：和其它病毒，如流感病毒一样，这种病毒容易收到紫外线影响。而最有效的波长在UVC范围内（即222 - 280 纳米，又称短波灭菌紫外线），波长比UVB范围（280 - 315 纳米）短。
此外，研究人员还表明，病毒周围的环境可以保护病毒不受光线干扰。在这项研究中，设立纯水和含有盐分、蛋白质等物质模拟人类唾液的对照组，结果表明更低强度的紫外线就可以灭活纯水中的病毒。该团队还使病毒悬浮在模拟唾液中，模拟现实世界中打喷嚏和咳嗽的情况，得到更直接的信息，比先前研究结果更具参考性。
NBACC的Michael Schuit说：“我认为这项研究的一大贡献就是，证明理想条件下的实验结果与实际情况有不可忽视的偏差。如果病毒被类似唾液的物质包裹，紫外线的灭活效率就会降低。”
利用以上结果，紫外线消毒设备制造商和监管机构进一步探索在医疗环境、飞机甚至其它液体中，应该辐射病毒多长时间使其灭活。
NIST团队与另一个合作团队先前的合作工作奠定了以上研究的基础。
实验前期
由于波长不同，紫外线不同程度地损害病原体。某些特定的波长可以破坏微生物的RNA或DNA，导致它们失去复制能力，其它波长可以分解结构蛋白，摧毁病毒本身。
尽管紫外线灭活病原体已经被熟知了一个多世纪，然而，过去的十年才是紫外线消毒研究的爆发“元年”，其中一个原因是某些传统的紫外线灯含有汞等有毒物质。新型紫外线光源使用无毒LED灯减轻了研究人员对毒性的担忧。
在这项研究中，NIST团队与NBACC的生物学家合作，其中NBACC的研究负责针对炭疽和埃博拉病毒等生物防御规划的模块。
Miller说：“NBACC能够培育病毒、浓缩病毒，并且将病毒分离出来。接下来，我们试图量化能够灭活SARS-CoV-2病毒的紫外线。”
在这项研究中，该团队在不同的悬浮溶液中测试了病毒。除了使用唾液模拟以及没有包裹病毒物质的纯水环境，他们测试了多种病毒悬浮液在试管以及钢表面上的变化，这代表了一个病毒携带者通过打喷嚏或咳嗽带出来的病毒状态。
NIST的工作是将紫外光直接照射到样本上，以灭活90%病毒的参数为参考。
由于蓝光具有杀菌性，限制波长在UVC范围低端222纳米至可见光波长范围的中段488纳米，并通过以上实验设置，合作团队能够测量病毒对十六个单色紫外光的反应。
图2 激光系统设计图。光源放置在走廊上，方框表示实验室，光纤穿过门下的开口，便于激光进入装有SARS-CoV-2样本的实验室。（图片来源：K. Dill/NIST）
小菜一碟
然而，在一个达到足够生物安全等级的实验室中，紫外光传播并照射病毒样本并不是一件易事。此外，BSL-3实验室的研究人员实验时要求身穿带有呼吸器的手术服以及头罩，离开实验室后需要长时间淋浴，确保无污染，然后换回日常着装。
而昂贵的激光器进出实验室必须要经历一个相当严格的消毒过程。
Miller说：“这是一个单向门。从那个实验室带出来的任何物都必须焚烧、高压消毒，或利用过氧化氢蒸汽进行化学消毒。所以，使用价值12万美元的激光器并不是我们的实验首选。”
与之相反，NIST研究人员设计了一个系统，在这个系统中，激光器和部分光学元件被放置在实验室外的走廊，然后通过一根4米长的光纤电缆将光传输到实验室门后的密封装置中。此外，负压确保空气从走廊流入实验室，而不让实验室中的危险物质露出来（如图2）。
这种激光器一次只能产生一个波长，而且可以完全调谐，因此研究人员可以产生任何他们意向的波长。但是因为光的散射和入射角度与波长有关，在传播路径中需要棱镜系统的介入以改变光进入光纤的角度，以便于它能够正确传播。此外，出口角度需要手动旋转外加按钮调整棱镜位置，该团队希望用最少活动部件达到最佳状态。
“NIST团队提出的设备使我们能够快速测试较宽的波长范围，并且实现精确控制，”Schuit说，“如果没有这个系统，那么处理设备、设备之间不同的分辨率以及配置，会增加很多额外的变量，并且变量可能会耦合。”
然而，操纵光需要的镜子和透镜会损耗紫外线强度，研究人员尽可能较少地使用。
对于那些必须在实验室中传输光并将其辐射到病毒样本上的材料，该团队倾向于使用廉价部件。NIST物理学家Steve Grantham说，“我们利用3D打印技术生产实验室内部件，这大大降低了实验成本，并可以重复生产。”
对于激光区域与实验室的通讯问题，由于他们不能随意进出，所以采用了有线对讲系统。
Miller表示，尽管面临许多挑战，但是最终系统运行结果非常好，尤其是在数月时间内搭建这套光学系统，“我们可能会继续改进其中几个领域，但收益与付出的成本之比并不可观。”
NIST团队计划将这个系统帮助生物学家在高安全等级实验室进行其它病毒和微生物的研究。
Miller说：“当下一个流行病毒或者他们感兴趣的病原体出现时，我们仅仅需要把激光系统卷起来，把光纤放在下面，然后生物学家将它们与显微系统连接。我们时刻在准备着。”
新闻链接：
https://phys.org/news/2022-06-wavelengths-uv-covid-virus-disinfection.html
