NIST科学家正寻找用于消灭冠状病毒的最佳紫外线灯

要回答这些问题，科学家必须克服两个主要障碍。首先，他们需要将病毒与环境中的无关物质完全分离。第二，他们必须一次用单一波长的紫外线照射病毒，在测试之间尽量不改变实验装置。

最近的一项研究克服了这两个障碍，完成了可能是有史以来对几种不同的紫外线和可见光波长如何影响SARS-CoV-2的最彻底测试。这项研究是美国国家标准与技术研究所（NIST）和美国国土安全部（DHS）科学与技术局实验室--国家生物防御分析与对策中心（NBACC）之间的一项合作。

在最近发表在《应用光学》杂志上的一篇新论文中，合作者描述了他们在一个安全的实验室里将单一波长的光投射到COVID-19病毒样品上的新颖系统。该实验室被列为生物安全3级（BSL-3），旨在研究吸入后有可能致命的微生物。他们的实验比迄今为止对引起COVID-19的病毒的任何其他研究测试了更多波长的紫外线和可见光。

该装置的照片。左图：包含激光到光纤耦合系统的盒子内部特写。中间。BSL-3门外走廊上的激光系统。右图。BSL-3里面的实验装置特写，包括放置SARS-CoV-2样本的房间。资料来源：NIST

那么，SARS-CoV-2有特殊弱点吗？事实证明，没什么特别的。SARS-CoV-2病毒容易受到与其他病毒相同波长的紫外线的影响，比如那些导致流感的病毒。最有效的波长是222和280纳米（nm）之间的"UVC"范围内的波长。UVC光（全范围从200到280纳米）比导致晒伤的UVB波长（280到315纳米）短。

科学家们还表明，病毒的周围环境可以对病毒产生保护作用。在实验中，将病毒放在纯水中时，所需的紫外线剂量比放在模拟唾液中时要小，后者含有实际人类唾液中的盐、蛋白质和其他物质。将病毒悬浮在模拟唾液中创造了一种类似于涉及打喷嚏和咳嗽的真实世界情景。这一细节可能使研究结果比以前的研究更具有直接信息性。

NBACC的Michael Schuit说："我认为这项研究的一大贡献是，我们能够表明，我们在大多数研究中看到的那种理想化的结果并不总是能预测在有更现实的情况下会发生什么。当你有像病毒周围的模拟唾液这样的物质时，这可能会降低紫外线净化方法的功效。"

紫外线消毒设备的制造商和监管机构可以利用这些结果来帮助了解医疗机构、交通工具甚至液体的表面应该被照射多长时间以实现SARS-CoV-2病毒的灭活。

"现在有很大的推动力让紫外线消毒进入商业氛围，"NIST研究员Cameron Miller说。"长期而言，希望这项研究将导致测量灭活SARS-CoV-2和其他有害病毒所需的紫外线剂量的标准和其他方法。"

这个项目建立在NIST团队与另一个合作者就灭活水中微生物所做的早期工作之上。

根据不同的波长，紫外光以不同的方式损害病原体。一些波长可以破坏微生物的RNA或DNA，使它们失去复制的能力。其他波长可以分解蛋白质，破坏病毒本身。

尽管人们知道紫外线的消毒能力已经有一百多年了，但在过去的十年里，紫外线消毒研究出现了爆炸性增长。原因之一是，传统的紫外线光源有时含有有毒物质，如汞。最近，使用无毒的LED灯作为紫外线光源已经减轻了其中的一些担忧。

在这项研究中，NIST的合作者与NBACC的生物学家合作，他们的研究为诸如炭疽和埃博拉病毒等生物威胁的生物防卫计划提供了参考。

"NBACC能够做的是培养病毒，浓缩它，并去除其他一切，"米勒说。"我们试图得到一个明确的信息，即我们需要多少光来灭活SARS-CoV-2病毒。"

在这项研究中，该小组在不同的悬浮液中测试了病毒。除了使用唾液模拟物，科学家们还把病毒放在水中，看看在一个"纯净"的环境中会发生什么。他们将病毒悬浮液作为液体和钢铁表面的干燥液滴进行了测试，这代表了感染者可能打喷嚏或咳嗽产生的其他物质。

NIST的工作是将激光的紫外线照射到样品上。他们正在寻找杀死90%的病毒所需的剂量。

有了这个装置，该合作项目能够测量病毒对16种不同波长的反应，从紫外线的极低端，即222纳米，一直到可见波长范围的中间部分，即488纳米。研究人员将更长的波长包括在内，因为一些蓝光已被证明具有消毒特性。

在一个安全的实验室里，将激光照射到样品上并非易事。在BSL-3实验室的研究人员穿戴磨砂服和带呼吸器的头罩。离开实验室需要洗一个长长的澡，然后再换上便服。

昂贵的激光器这样的设备也将不得不经历一个相当严格的消毒程序。

"这有点像一扇单向的门，"米勒说。"从该实验室出来的任何东西都必须经过焚烧、高压灭菌[热灭菌]，或用过氧化氢蒸汽进行化学消毒。因此，把我们价值12万美元的激光器带进去并不是我们想要使用的选择。"

相反，NIST的研究人员设计了一个系统，将激光器和一些光学器件放在实验室外的走廊里。他们通过一根4米长的光缆将光输送到实验室门下的密封处。负压使空气从走廊流向实验室，并防止任何材料漏回实验室。

研究人员的设置概览。激光器被放置在实验室外的一个走廊里。一根光纤将激光穿过门下的开口，进入放置SARS-CoV-2样本的房间。

该激光器一次只产生一个波长，而且是完全可调的，因此研究人员可以产生他们喜欢的任何波长。但是，由于光的弯曲角度取决于它的波长，他们必须创建一个棱镜系统，以改变光进入光纤的角度，使其正确排列。改变出口角度需要手动转动他们创造的一个旋钮来调整棱镜的位置。他们试图使这一切尽可能简单，用最少的移动部件。

Schuit说："NIST团队想出的设备使我们能够快速测试非常广泛的不同波长，所有这些都是在非常受控和精确的波段。如果我们在没有那个系统的情况下试图做同样数量的波长，我们将不得不调试一堆不同类型的设备，每个设备都会产生不同宽度的波段。它们会需要不同的配置，而且会有很多额外的变数。"

操纵光线需要镜子和透镜，但研究人员在设计时尽可能少使用，因为每一个都会导致紫外线强度的损失。

对于必须进入实验室将光纤的光投射到病毒样本上的材料，该团队试图使用廉价的部件。"我们3D打印了很多东西，"NIST物理学家Steve Grantham说，他和NIST的Thomas Larason是该团队的关键成员。"所以，没有什么是真正昂贵的，如果我们不再使用它，也不是什么大问题。"

甚至在激光区和实验室内部之间的交流也很困难，因为人们不能随意进出，所以他们采用了一个有线对讲系统。

米勒说，尽管有这些挑战，但该系统出乎意料地运作良好，特别是考虑到他们只有几个月的时间来组装它。"米勒说："有几个方面我们可能可以改进，但我认为我们的收获将是最小的。

NIST团队计划将这一系统用于未来对高安全性实验室的生物学家可能想要进行的其他病毒和微生物的研究。

米勒说："当下一个病毒出现时，或者他们感兴趣的任何病原体出现时，我们所要做的就是把激光系统滚到那里，在那里推一条光纤，他们会把它连接到他们的投影仪系统。所以现在我们已经为下一次做好了准备。"

这项工作部分由国土安全部科学技术局资助。