灭杀新冠病毒的远紫外线：从理论到应用

              杨学祥，杨冬红（吉林大学）

      我们在2020年3月1日提出新型冠状病毒疾病的反季节疗法（全光疗法）。

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      新型冠状病毒在最适宜地方和时间出现，在防范最薄弱的地方聚集爆发，在有利条件消失后自行消失。其最大特征是病毒在空气中的浓度变化：浓度小时人体免疫可阻止感染；超过临界点将有少数弱体质人群被感染；高浓度将形成大规模流行，浓度降低将出现拐点，最后直至自动消失（见相关数据）。

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      相对于流感流行，冠状病毒的爆发和结束具有更强的季节性特征。但是，治疗冠状病毒依然没有特效药。因此，根据冠状病毒自然兴衰的规律，在医院病房模拟夏季的环境，让医院内夏季提前到来，应该是当代科学可以达到的最有效方法。

      夏季的最大特征是高温和强紫外线。

      紫外线对人体也有伤害，有研究表明，远紫外线的某些波段可以不伤害人体。      

       我们在2020年1月30日指出，医院和社区的关键区别在于其密闭性，没有室外空气的流通和太阳紫外线的进入，室内的病毒得不到有效的杀灭和清除。如果医院采取远紫外线杀毒，就一定会有利于病人的治疗和医生的防护。目前处于太阳黑子谷值时期，太阳辐射强度低，有利于病毒繁殖和传播，紫外线杀毒应该是有效防治手段。

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      远紫外线不会伤害人体并且能够杀死空气中的病毒

      紫外线指的是电磁波谱中波长从 10nm～400nm 辐射的总称，不能引起人们的视觉。

      1801 年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线可以用来灭菌，过多的紫外线进入体内会对人体造成皮肤癌。

      远紫外线又称C波或杀菌紫外线。波长200-280nm的紫外辐射，主要用于消毒灭菌。其中以253-257nm波长紫外线杀菌效果最好。

　   数十年来，人们已经知道，广谱性紫外线通过破坏将DNA保持在一起的分子键来杀死病毒和细菌。不幸的是，它也会导致人类患上皮肤癌和白内障。然而，现在科学家们已经发现，一种窄谱紫外线 - 也被称为远紫外线 - 可以在不伤害人类的情况下根除空气中的病毒。

　　在David J. Brenner教授的带领下，哥伦比亚大学的研究人员此前已经证实，远紫外线可以在不伤害人体皮肤的情况下杀死MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)细菌。MRSA通常引起手术伤口感染。

      科学家们发现，远紫外线有效地消灭了病毒，与传统的广谱紫外线杀菌灯一样有效。不同于这样的光线，远紫外线对人体不会造成危害。

      Brenner教授表示：“远紫外光的范围非常有限，不能穿透人体皮肤的外层死皮细胞或眼睛的泪液层，因此不会对人类健康造成危害。但是因为病毒和细菌比人体细胞小得多，远紫外光可以达到他们的DNA并杀死它们。”

　　研究团队希望这种产品可以最终用于阻止空气中病毒在医院、医生办公室、学校、机场和飞机等公共场所的传播。作为一个额外的好处，与接种疫苗不同，远紫外线应该能够有效抵抗即使是新出现的病毒株。

      研究人员最近在《科学报告》杂志上发表了一篇关于这项研究的论文。

http://www.ufo-1.cn/article/201802/4200.html

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      新型冠状病毒疫情防治需要医院消毒系统换代更新

       我们在2020年2月4日指出， 将紫外线消毒升级到远紫外线杀毒，可以保持病房24小时无菌，对治疗新型冠状病毒和控制疫情有至关重要的意义。

       人类至今未找到治疗新型冠状病毒的特效药物，因此，超声波疗法，紫外线疗法，远紫外线疗法是改变病毒生存环境，从根源消灭病源的有希望的尝试。

       相关部门要关注远紫外线灯的研制和应用。

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      显然，将紫外线消毒升级到远紫外线杀毒，可以在衣食住行全方位杀灭病毒，营造最佳防疫环境，阻断病毒繁殖和传播无死角，让病毒无处藏身。

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远紫外线杀灭新冠病毒的精彩应用

你可能想不到，紫外线其实也有温柔的一面……

2021年08月25日 10:10 新浪科技综合

　　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

　　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]

　　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]

　　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，紫外波段和可见光波段中的蓝光、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]

　　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就浅了许多，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，保证紫外线光强和辐照时间一致，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的民用消毒仪。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？

https://finance.sina.com.cn/tech/2021-08-25/doc-ikqcfncc4871265.shtml?cre=tianyi&mod=pchp&loc=18&r=0&rfunc=79&tj=cxvertical_pc_hp&tr=12

远紫外线杀灭新冠病毒的理论设计

能实现99.99%杀菌的先进紫外线消毒设备：秘密武器“光疫苗”

                             杨学祥，杨冬红（吉林大学）

       在东京奥运会上，中国奥运代表团不仅收获了骄人战绩，而且777人无一新冠病例，全部安全回家，实现了代表团出征前立下的“零感染”目标。

      其实，在常规的口罩、消毒设备、疫苗等防疫措施以外，中国代表团背后还有一项名为“光疫苗”的黑科技。8月4日，日本朝日新闻、日本经济新闻等媒体集中报道了中国代表队使用的“盘外招”：一种针对病毒细菌等微生物、尤其是针对新型冠状病毒，能实现99.99%杀菌的先进紫外线消毒设备，在有人的环境中也能有效消杀，是这一设备的一大优点。

      这正是222纳米“光疫苗”——一项由哥伦比亚大学、复旦大学、上海市重大传染病和生物安全研究院与星际光（上海）实业有限公司共同研发的对抗新冠的“黑科技”。

      德尔塔新型冠状病毒来势汹汹，具有很强的传染性。“光疫苗”的出现，就是通过创造一个病毒无法传播的环境，来保护人类。

      它的原理其实很简单：“‘光疫苗’能够发出222纳米波长辐照能量，被新冠病毒高度吸收后其核糖核酸（RNA）螺旋结构链接被破坏，导致其失去复制能力从而达到消杀效果。”事实上，所有病毒、细菌、真菌类的微生物，都可以通过特定波长光谱照射进行消杀。

      我们在2020年3月1日提出新型冠状病毒疾病的反季节疗法（全光疗法）。

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      新型冠状病毒在最适宜地方和时间出现，在防范最薄弱的地方聚集爆发，在有利条件消失后自行消失。其最大特征是病毒在空气中的浓度变化：浓度小时人体免疫可阻止感染；超过临界点将有少数弱体质人群被感染；高浓度将形成大规模流行，浓度降低将出现拐点，最后直至自动消失（见相关数据）。

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      相对于流感流行，冠状病毒的爆发和结束具有更强的季节性特征。但是，治疗冠状病毒依然没有特效药和疫苗。因此，根据冠状病毒自然兴衰的规律，在医院病房模拟夏季的环境，让医院内夏季提前到来，应该是当代科学可以达到的最有效方法。

      夏季的最大特征是高温和强紫外线。

      方法之一为增强紫外线消毒，营造不利于病毒生存的环境。我们建议用太阳灯和紫外线消毒灯交替连续杀毒，保证医护和患者的环境安全。

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      方法之二，提高室温，采用红外线和远红外线治疗。

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      紫外线对人体也有伤害，有研究表明，远紫外线的某些波段可以不伤害人体。      

       我们在2020年1月30日指出，医院和社区的关键区别在于其密闭性，没有室外空气的流通和太阳紫外线的进入，室内的病毒得不到有效的杀灭和清除。如果医院采取远紫外线杀毒，就一定会有利于病人的治疗和医生的防护。目前处于太阳黑子谷值时期，太阳辐射强度低，有利于病毒繁殖和传播，紫外线杀毒应该是有效防治手段。

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      衣食住行是人类生存所必须，缺一不可。保证每一个环节不给病毒留下可乘之机，既需要科技的发展，也需要人类的智慧。

      远紫外线不会伤害人体并且能够杀死空气中的病毒

      紫外线指的是电磁波谱中波长从 10nm～400nm 辐射的总称，不能引起人们的视觉。

      1801 年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光，因而发现了紫外线的存在。紫外线可以用来灭菌，过多的紫外线进入体内会对人体造成皮肤癌。

      远紫外线又称C波或杀菌紫外线。波长200-280nm的紫外辐射，主要用于消毒灭菌。其中以253-257nm波长紫外线杀菌效果最好。

　   数十年来，人们已经知道，广谱性紫外线通过破坏将DNA保持在一起的分子键来杀死病毒和细菌。不幸的是，它也会导致人类患上皮肤癌和白内障。然而，现在科学家们已经发现，一种窄谱紫外线 - 也被称为远紫外线 - 可以在不伤害人类的情况下根除空气中的病毒。

　　在David J. Brenner教授的带领下，哥伦比亚大学的研究人员此前已经证实，远紫外线可以在不伤害人体皮肤的情况下杀死MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)细菌。MRSA通常引起手术伤口感染。

      科学家们发现，远紫外线有效地消灭了病毒，与传统的广谱紫外线杀菌灯一样有效。不同于这样的光线，远紫外线对人体不会造成危害。

      Brenner教授表示：“远紫外光的范围非常有限，不能穿透人体皮肤的外层死皮细胞或眼睛的泪液层，因此不会对人类健康造成危害。但是因为病毒和细菌比人体细胞小得多，远紫外光可以达到他们的DNA并杀死它们。”

　　研究团队希望这种产品可以最终用于阻止空气中病毒在医院、医生办公室、学校、机场和飞机等公共场所的传播。作为一个额外的好处，与接种疫苗不同，远紫外线应该能够有效抵抗即使是新出现的病毒株。

      研究人员最近在《科学报告》杂志上发表了一篇关于这项研究的论文。

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      新型冠状病毒疫情防治需要医院消毒系统换代更新

     我们在2020年2月4日指出， 将紫外线消毒升级到远紫外线杀毒，可以保持病房24小时无菌，对治疗新型冠状病毒和控制疫情有至关重要的意义。

      人类至今未找到治疗新型冠状病毒的特效药物，因此，超声波疗法，紫外线疗法，远紫外线疗法是改变病毒生存环境，从根源消灭病源的有希望的尝试。

      相关部门要关注远紫外线灯的研制和应用。

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      显然，将紫外线消毒升级到远紫外线杀毒，可以在衣食住行全方位杀灭病毒，营造最佳防疫环境，阻断病毒繁殖和传播无死角，让病毒无处藏身。

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