你可能想不到,紫外线其实也有温柔的一面……

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  来源:中科院物理所

  前几天小编在摸鱼时偶然刷到了这样一条热搜:

  在感叹祖国日益强大的同时,小编也不免疑惑:光还能制成疫苗?这是什么高端的黑科技?

  都说好奇心害死猫是人类进步的源泉,今天小编就本着物理人寻根问底的精神,来给大家好好解读一下这款所谓的“黑科技”。

  Part.1   人体安全消毒仪

  热搜中所述的“光疫苗”,其实是一款能发出222 nm特定波长紫外线的消毒仪。据报道它能针对病毒细菌等微生物,尤其是新型冠状病毒,实现99.99%的杀菌效果。

 人体安全消毒仪

  看到这里小编不禁吐槽:不就是紫外线消毒仪嘛,和疫苗混为一谈真的好吗?

  疫苗(以灭活疫苗为例)是将病原微生物灭活后保留全微生物体注射进入人体,促使人体产生针对该病原体的抗体,是一种获得性免疫

  而紫外线消毒是体外细菌病毒消杀,和疫苗的原理完全不一样好伐。

  不过对比我们日常使用的紫外线消毒产品,这款消毒仪还是有其先进之处的。

  平常我们用来消毒的紫外线灯,发出的紫外线波长约为253.7 nm,而且消毒过程中需要人远离光源才行。

  而这款消毒仪发出的222 nm紫外线,可以做到开启后人无需离开‍‍‍‍‍,实现了“人机共存,实时消毒”。

  为什么这款消毒仪能具备这样的特异功能?这还得从紫外线本身开始说起……

  Part.2 “紫外线”本线

  紫外线(Ultraviolet,简称UV)大家都不陌生,它是波长在10 – 400 nm之间的电磁波,太阳光中就含有部分紫外线。

电磁波谱 | 图源:wikipedia  电磁波谱 | 图源:wikipedia

  生活中我们常把紫外线分为UVA、UVB和UVC三类。

  UVA为波长介于320 – 400 nm的紫外线,太阳光中的UVA可穿透大气层,甚至到达皮肤的真皮层,造成晒黑,所以朋友们平时出门一定要做好防晒……

  UVB为波长介于280 – 320 nm的紫外线,可到达皮肤表层,引发晒伤。太阳光中的大部分UVB会被臭氧层吸收,故只有很少的一部分UVB能到达地球表面。

  UVC为波长介于100 – 280 nm的紫外线,此范围的紫外线能量较高,具有一定的危险性,所幸臭氧层可以帮助我们完全阻隔UVC。可见臭氧层的重要性……

紫外线渗透到皮肤的各个层次 | 图源:参考资料[2] 紫外线渗透到皮肤的各个层次 | 图源:参考资料[2]

  除了此外,我们还将波长介于10 – 200 nm的紫外线称为“真空紫外线”,由于其会被空气中的氧强烈地吸收。所以这种紫外线只有在无氧状态下才能使用,应用于一些特殊的工艺上。

  Part.3  日常の紫外线消毒

  日常生活中我们使用的紫外线灯大多是普通直管热阴极低压汞灯,通电后可以产生足够强度的波长为253.7 nm的紫外线,在进行了一定时长的辐照后,就能达到99 – 99.9%的消杀效果。

  那紫外线是如何起到消杀作用的呢?为什么偏偏要用253.7 nm的紫外线呢?

  科学家通过大量实验发现,细菌病毒体内的DNA / RNA会吸收部分UVC波段的紫外线。从下图中不难看出,在260 nm附近吸收最为强烈。

DNA / RNA对紫外线的吸收 | 图源:参考资料[3]  DNA / RNA对紫外线的吸收 | 图源:参考资料[3]

  大量吸收紫外线的DNA / RNA,其螺旋结构就会被破坏,从而使机体的新陈代谢机能出现障碍,同时会丧失遗传能力。当辐照强度和时间都充足时,细菌病毒就会失活

DNA结构因紫外线辐照而被破坏

  因此,只要光源满足:

  能发出波长在260 nm附近的紫外线

  光强足够强

  所用材料成本低,制造方便

  就可以很方便地应用于日常生活杀菌消毒。

  综合比较之后,低压汞灯担起了这个重任,因为其能发射强度较大的波长为253.7 nm(满足在260 nm附近)的紫外线,同时汞的使用成本低,且低压汞灯的制造相对简单

 低压汞灯发射光谱,253.7nm为一个较强的特征峰

  这里顺便解释一下为什么紫外线是不可见光,但我们却能看到紫外线灯发出的光。

  正如上面这张光谱图所示,低压汞灯在通电后,紫外波段见光波段中的蓝光紫光都会被激发,所以其在发出紫外线的同时,也会同时发出一些波长的蓝光和紫光,于是就形成了下面的图景。

  需要注意的是,253.7 nm的紫外线能量较高,而且可透进皮肤,如果人体长时间暴露于紫外线灯下,皮肤、眼睛都会受到伤害,轻则电光性眼炎、皮肤灼伤,重则白内障、皮肤癌。所以紫外线灯开启时,人一定要到紫外线灯照不到的地方等待。

  Part.4  222 nm呢

  人与开启的紫外线灯不可兼得,这可能是紫外线消毒法一个比较大的缺憾。

  那有没有办法弥补这个缺憾呢?哎,今天的主角终于要登场了。

  文章开头处我们说到,222 nm的紫外线能够起到杀菌消毒作用而基本不对人体产生伤害。这是怎么做到的呢?

  222 nm紫外线让细菌病毒失活的原理和253.7 nm是一样的,只不过换了个波段而已。

  在前面讲DNA / RNA对紫外线的吸收时,我们可以从吸收光谱中看到,除了260 nm附近的区域,在220 nm附近,也有一个吸收度上升的趋势。

  虽然没有260 nm那里那么高,但如果给予足够的光强和辐照时长,按道理也是能起到消杀效果的。

  科学家通过对比实验,测试了253.7 nm和222 nm紫外线消杀能力。

两种紫外线的消杀能力对比 | 图源:参考资料[5]  两种紫外线的消杀能力对比 | 图源:参考资料[5]

  可以发现两种紫外线的消杀能力几乎不相上下,在低强度时222 nm甚至超越 253.7 nm。

  那222 nm是怎么做到对人体基本无害的呢?明明波长更短能量更高了呀?

  这就不能单从能量的角度去考虑了,还要考虑波长变短后紫外线穿透能力的变化。

  从前面UVA、UVB、UVC的介绍里我们可以看出,当紫外线的波长变短时,其穿透能力也在减弱

  所以222 nm的紫外线相比254 nm的紫外线在皮肤中的穿透深度浅了许多,对人体的伤害自然就小了。

  科学家们通过对比实验,让一部分雄性无毛小鼠暴露于222 nm的紫外线中,一部分暴露于253.7 nm的紫外线中,一部分不暴露,保证紫外线光强辐照时间一致,在暴露结束48小时后观察其皮肤发生的变化。

三组小鼠经历辐照后皮肤的变化 |

  可以发现经历222 nm紫外线辐照几乎与无辐照没区别,而253.7 nm的辐照让皮肤受损严重

  那222 nm的紫外线是如何产生的呢?这里选用氯化氪(KrCl)作为光源,同时为了过滤其余波长的光,单独发出222 nm这一个波长,还会搭配使用滤波片

 

  未使用和使用滤波片的氯化氪光谱 | 图源:参考资料[5]

 

  Part.5   能实现民用吗?

  既然这个222 nm的消毒仪如此强大,那在如今疫情防控常态化的大背景下,能否能实现民用呢?

  据报道,除了此次东京奥运会,某些地区的一些医院也已经安排上了,而且反响强烈。

  因为222 nm的紫外线可用于有人的场景,对于人员密度高人流量大的场所,以及医院(尤其发热门诊)这样的高风险场所具有特别的优势

  不过由于光只能沿直线传播,所以在光照不到的地方,消杀效果会比较有限,这也是紫外线消毒法的一个短板。

  目前研究人员正在积极研发尽可能克服短板、并且能应用于更多场景下民用消毒仪。相信未来的某一天,升级版的消毒仪会走进寻常百姓家,为抗疫做出更大的贡献!

  参考文献:

  [1] 紫外线 – 维基百科

  [2] Pérez-Sánchez A, Barrajón-Catalán E, Herranz-López M, et al。 Nutraceuticals for skin care: A comprehensive review of human clinical studies[J]。 Nutrients, 2018, 10(4): 403。

  [3] Kiyoshi Yoshino,姜伟。紫外线杀菌的原理和最新应用[J]。中国照明电器,2005(04):28-31。

  [4] Meulemans C C E。 The basic principles of UV–disinfection of water[J]。 1987。 

  [5] Buonanno M, Ponnaiya B, Welch D, et al。 Germicidal efficacy and mammalian skin safety of 222-nm UV light[J]。 Radiation research, 2017, 187(4): 493-501。

  [6] 什么“秘密武器”保障中国奥运代表团零感染?距离民用还有多远?


新闻来源:新浪