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紫外线灭菌灯
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紫外线杀菌消毒不伤人,竟有这等好事?
   

我们先设想一下这样一个世界,在那里的人们可以随心所欲得去各地旅行。在结识新朋友时,他们可以彼此亲切地握手;而当拜访好友和长辈时,他们也能相互热情地拥抱。他们再也不用费力地去给各种工作台面消毒,或者是在处理完快递包裹后必须要去洗手……

这就是我们所期盼的这次新冠病毒大流行的终结。然而,即使一切都能朝着乐观的方向发展,科学家和政府官员们仍然会对未来抱有一种深深的担忧:那么下一次疫情又将会是如何呢?现在我们为 COVID-19 研发的任何药物和疫苗在应对下一次流行病毒时都将会是无效的,因为下一次流行病很可能是由完全不同科类的病毒所引发。事实上,除非我们可以在应对大规模流行病疫情的方法上有所突破,否则在科学家们找出治愈的方法前,下次疫情仍将导致心理与经济两方面上的严厉封锁。

然而,有一位科学家表示,在下一次疫情发生时,我们可以做出一些不一样的改变。这位科学家名叫查理?艾恩赛德(Charlie Ironside),来自澳大利亚佩斯市的科廷科技大学。他不是一位病毒学家或是流行病学家,而是一位物理学家——他在半导体光电子学方面有着30多年的专业经验。应对疫情,他提出了新的解决方案:使用远紫外线发光二极管(far-UV LEDs)。

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“在较短波段范围内的远紫外光波长对人体而言应当是安全的,对病毒而言却是致命的。其在消毒上的应用将会变得简单、常规且有效。”

为了避免给大家带来误导,在这里我们需要指出,总体来说,紫外线还是非常危险的,人类也不应该去主动接触它。但就在目前,有新的证据表明,较窄的远紫外线在其波长范围内对人类是完全安全的,而对病毒则是致命的。艾恩赛德教授解释说,如果LED发出的光大部分能够集中在这种远紫外线辐射的最佳波段,它们可以被整合进日常照明与消费级的技术产品中,进而控制流行病的传播。艾恩赛德教授将自己的这个提议称为对LED研究人员和整个半导体行业的 “战斗召唤”。但这个提议能实现吗?


紫外线是杀菌消毒的传统武器

紫外光是由波长在200-400纳米的光子所组成。在过去的一个多世纪以来,它一直被人们认为是可以有效杀死细菌和病毒的。因此,它早已经是我们用于对抗COVID-19的武器之一。医院里安装的紫外线探照灯,可以用于对空气和水平表面进行消毒,或放在医用托盘中对医疗器械的消毒。手持紫外线灯则可以用来消毒那些探照灯无法达到的地方。在中国,公交车在夜间都会停在紫外线照明的车库里。在没有安装紫外线设备的地方,工作人员可以通过遥控,将杀菌消毒机器人送进房间,从而对该区域进行消毒。


虽然这些技术十分有效,但也存在着两个主要的缺点。首先,紫外光通常是由荧光灯管发出的,这种荧光灯管体积较大,而且非常易碎,又十分笨重,只有在专业的场合才会被使用。其次,该技术另一个更大的缺点便是这些紫外线辐射会对人体产生负面的影响。 

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对人体不安全:紫外线早已被用于消毒技术——例如用于医院,学校和公共场所的消毒。但目前,当有人类在场时,该消毒过程便无法安全地执行,这极大地限制了紫外灯在病毒流行爆发等情况下的有效应用。


就紫外线而言,我们非常熟悉其前两个波段,即UVA(315-400纳米)和UVB(280-315纳米),因为它们是太阳光的组成部分,可以直接穿透大气层,和人类直接接触。这两个波段的紫外线都会导致皮肤晒伤,其中以UVB更为容易。在极端条件下,甚至还会诱发皮肤癌。然而,我们很少会接触到UVC(200 - 280nm),因为它在穿越大气层时就会被地球的臭氧层所吸收。UVC不仅会造成严重的皮肤晒伤,还会非常有效地破坏DNA,这就使得人类在直接暴露于紫外线的情况下会变得非常危险。
然而,不幸的是,紫外荧光管发光的波长通常就集中在250纳米左右,正好处于UVC波段的中间。因此,UVC杀菌灯在使用时不能有任何人在现场,这便大大限制了其在大规模流行病期间的应用。

2017年,美国哥伦比亚大学的物理学家大卫?布伦纳(David Brenner)领导的科研团队研究发现,并非所有波长的UVC都具有相同的破坏性。布伦纳教授和他的同事们研究发现,在使用氪氯基准分子灯发射出的波长为222 纳米的远紫外线照射小鼠时,小鼠在照射后并没有出现皮肤被损伤的证据。与此同时,他们还发现同样波长的光线却可以有效地杀死超级细菌 MRSA。

一年后,来自日本广崎大学医学院的Kouji Narit教授和其同事们也证实了这一结果。同时,该团队还证实了波长为254纳米的传统杀菌灯确实会引起类似太阳晒伤的皮肤损伤。在同一年,布伦纳教授和他的同事们发现波长为222纳米的光也能有效地摧毁通过空气传播的病毒。甚至还有证据表明,远紫外线对眼睛都是安全的:在去年,日本出云市岛根医科大学的 Sachiko Kaidzu 教授研究发现,暴露在波长为222纳米的电磁辐射下的老鼠,其角膜没有出现任何损伤。

根据布伦纳教授的解释,远紫外线对皮肤不会造成伤害的原因是源于生物材料对光波的吸收范围。由于远UVC光的波长比其他UVC光的波长要短,因此它几乎不可能穿透皮肤最外层的死皮细胞,而死皮细胞通常的厚度在几十微米左右。另一方面,它仍然可以很容易地穿透细菌和病毒,这些细菌和病毒的厚度会通常小于1微米。


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纳米的差异:当波长为254纳米的紫外光照射到小鼠皮肤(上图)后,会出现明显的DNA损伤(箭头标记)。而当小鼠皮肤在222纳米的紫外灯下照射后(下图)并不会显现出这些病变。

远紫外线健康风险待评估,欲与LED设备结合布伦纳教授的研究工作获得了全世界的广泛关注,《时代》、《新闻周刊》、《华尔街日报》和哥伦比亚广播公司等媒体都刊登了相关文章。显而易见,远紫外线光可以从根本上提高我们应对病毒的能力,包括那些目前我们还无法治愈的病毒。如果辐射波长为222纳米的准分子灯可以安装,或者与现有的照明装置相结合,那么它便可以或多或少地在公共场所连续使用,比如学校、火车站、汽车站、机场,以及用于对火车、公共汽车和飞机本身的消毒,不用担心存在任何危及人体的风险。

然而,要想这一切成为可能,我们必须要能够证实波长为222nm的远紫外光对人体是绝对安全的。来自美国康涅狄格州法明顿市的康涅狄格大学健康中心的分子生物学家彼得?塞特洛(Peter Setlow)便是众多心存疑虑的人之一,他非常关心远紫外线对皮肤的长期影响,因为到目前为止所进行的研究要么只是单次照射,要么也仅仅是照射了几个小时的时间。他表示:“现在的问题是,究竟有多少222纳米的紫外线能穿透皮肤中的死皮细胞,到达活细胞和功能细胞?答案似乎肯定是 ‘不多’,但 ‘多’ 本身并不是一个绝对的概念。所以我们还需要进行风险评估,需要在较长时间内对动物进行实验测试,同时还有许多其他方面也有待确定,例如,医院的防护服是否能够抵御这种紫外线。”艾恩赛德教授也同意这一观点,远紫外线辐射对人类的安全性需要在常规使用之前得到全面的验证。但是,即便它的安全性最终能够得以证实(恩赛德教授是这么认为的),那么准分子灯的使用仍然会带来一些问题:它们本身过于笨重,只能适用于静止固定的情况。准分子灯也属于传统技术。

在过去的十多年里,我们已经逐渐看到白炽灯和荧光灯被LED所取代,因为后者更便宜、更高效、更具有可调节性和安全性,同时还更加持久耐用。这便是为什么艾恩赛德教授会认为LED会是远紫外线最方便的来源。他介绍说:“如果我们真的能够生产出一种被证明对人类安全的远紫外LED,那么我认为它将会产生巨大的影响。我们可以设想一下,如果现在每台手机上都能安装这么一种感染控制设备,那将会如何呢?这种设备可以用来消毒各种表面以及我们的手掌。”
原则上,通过调整半导体合金我们可以制造出几乎任何波长的LED。以氮化镓(GaN)为例,它是大多数商业LED的基础,具有约3.4电子伏的带隙,对应于发射360纳米波长的可见紫色光。与此同时,氮化铝(AlN)的带隙约为6.4电子伏,对应于发射UVC最深处的210 纳米的紫外线。因此,氮化铝镓合金(Al-GaN)LED发出的光的波长应该会介于两者之间,其波长大致取决于铝与镓的比例。

基于这种合金的远紫外LED已经在实验室中被证明可行。例如,自2007年以来,日本崎玉县理化学研究所的 Hideki Hirayama 教授和他的同事们一直在研制能够发射波长为222纳米远紫外光的氮化铝镓合金 LED(Electr. Commun. Jpn 10.1002/ecj.11667)。与此同时,在2006年,日本厚木市的NTT基础研究实验室的 Yoshitaka Taniyasu 教授和他的同事们在纯氮化铝的基础上制造出了发射波长为210纳米的远紫外 LED(Nature 441 325)。
然而不幸的是,这些实验室设备的转化效率只有几个百分点,远低于实际使用所需的20%-40%的效率,因此它们都没有能够被商业化。


从实验室到生产线挑战重重

半导体化合物中心(CSC)是一家由半导体晶片制造商IQE和英国卡迪夫大学合资创办的研究机构,罗伯?哈珀(Rob Harper)是该中心氮化镓化合物项目的经理。他解释说,目前,想要可靠地制造高效率远紫外LED管,我们必须解决一个问题,即如何在氮化铝镓合金半导体中掺入少量的其他金属,比如铟,从而使得该半导体成为微正型,即微P型半导体。他介绍说,当有其他元素掺入时,这些元素会倾向于渗入到LED的发光区域,进而抑制光的发射。在通过工业上标准的金属有机化学气相沉积外延技术生长该晶体时,高的铝含量本身就会破坏其晶体结构。

尽管困难重重,哈珀深刻地认识到攻克这些挑战是非常重要的。他说:“当前全球爆发的 COVID-19疫情 令人们痛苦地认识到我们急切需要性价比高,能迅速部署,并且可以大面积杀菌消毒的新方法,比如紫外线辐射。任何潜在的、有可能会实现的、新的适合实用的P型掺杂的技术方法都值得我们去研究。” 然而,哈珀并没有透露CSC是否会将研制远紫外LED纳入未来的研发计划。目前,公开响应艾恩赛德教授号召的研究人员还有托尼•凯利(Tony Kelly),他是艾恩赛德教授的前同事,也是一位 “从商业转回学术” 的研究人员。他目前任职于英国格拉斯哥大学(University of Glasgow),从事应用光电子学领域的研究。《物理世界》也就这个话题联系到了他,在这之后的两天内,他就已经完成了各种潜在资助途径的调研,并且还正在为一个远紫外研究项目寻找合作者。他说到:“查理经常是对的,并且我认为他在这方面上的观点也是正确的。”和哈珀一样,凯利教授同样也能预见目前该项目最大的问题是无法研制出高效率的设备。


尽管目前全世界在新半导体设备的制造工具以及生产线上的投资是非常可观的,往往高达数十亿美元,但凯利教授认为这种规模的投资最终对于氮化铝镓LED来说可能是没有必要,因为目前氮化镓已经是一种非常成熟的商业材料了。相反,这应该是一个如何去改造现有制造工厂的问题。凯利教授说道:“如果我们在一年内能够找到了一个可行的设计方案,我们便可以开始筹集资金来开展实施这个项目。”

与此同时,艾恩赛德教授本人并没有逃避这些挑战。尽管到目前为止,他的大部分研究还都是集中在设计近中红外LED上,但他希望与一个工业上的伙伴一起获得联合资助,以便探索氧化镁锌合金LED在远紫外光波段的潜力。他认为这个项目能否成功将取决于创新的物理学与制造专业知识的结合程度。

当然,目前该项目能否获得成功还不能保证。但单从全世界各国政府愿意花费数十亿美元来维持其经济正常运转来看,寻找这些可以避免未来再次出现混乱的方法既是出于人道主义,同样也具有很高的商业价值。因此,艾恩赛德教授呼吁尽可能多的研究同行都能参与进来。他说:“当我得知布伦纳在远紫外光方面的工作时,我认为这是一个真正值得我们去追寻的想法。我认为全社会都应该意识到这一点。

这次席卷全球的病毒疫情也让人们快速对紫外线杀菌消毒的有了一定的认知,国内外个人以及企业也都在纷纷采购紫外线杀菌消毒产品来抵御病毒,有效杀菌。但是如何进一步突破紫外光的杀菌消毒的广泛应用与攻克紫外光本身缺陷,还需要专家们去努力探索实践的。

 
发布时间:2020-09-03
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