詹妮弗·劳伦·李/NIST
要对表面进行消毒，您可以用一束紫外线 (UV) 照射它，这种光比人眼看到的要蓝。但要专门灭活导致 COVID-19 的病毒 SARS-CoV-2，哪种波长最好？多少辐射才足够？回答这些问题需要科学家克服两个主要障碍。首先，他们需要将病毒与环境中的外来物质完全分离。其次，他们需要一次用单一波长的紫外线照射病毒，而测试之间的实验设置变化很小。美国国家标准与技术研究院 (NIST) 与美国国土安全部科学与技术理事会实验室国家生物防御分析与对策中心 (NBACC) 之间的最近合作克服了这两个障碍并完成了可能是最彻底的曾经对几种不同的紫外线和可见光波长如何影响 SARS-CoV-2 进行过测试。在本周发表在 Applied Optics上的一篇新论文中，合作者描述了他们的新系统，该系统在安全实验室中一次将单一波长的光投射到 COVID-19 病毒样本上。该实验室被归类为生物安全级别 3 (BSL-3)，旨在研究吸入时可能致命的微生物。迄今为止，他们的实验测试的紫外线和可见光波长比任何其他针对导致 COVID-19 的病毒的研究都多。那么，SARS-CoV-2 的氪石是什么？事实证明，没有什么特别的：该病毒与其他病毒（例如引起流感的病毒）一样容易受到相同波长的紫外线的影响。最有效的波长是 222 到 280 纳米 (nm) 之间的“UVC”范围内的波长。UVC 光（从 200 到 280 nm 的全范围）比导致晒伤的 UVB 波长（280 到 315 nm）短。研究人员还表明，病毒的周围环境可以对病毒产生保护作用。在这项研究中，将病毒置于纯水中比置于模拟唾液中所需的紫外线剂量更小，而模拟唾液中含有盐、蛋白质和其他在实际人类唾液中发现的物质。将病毒悬浮在模拟唾液中会产生类似于打喷嚏和咳嗽的真实场景的情况。这可能使研究结果比以前的研究更直接地提供信息。“我认为这项研究的一大贡献是，我们能够证明，我们在大多数研究中看到的那种理想化结果并不总能预测当有更现实的场景在起作用时会发生什么，”Michael Schuit 说NBACC。“当病毒周围有模拟唾液之类的材料时，会降低紫外线净化方法的功效。”紫外线消毒设备和监管机构的制造商可以使用这些结果来帮助告知医疗环境、飞机甚至液体中的表面应该被照射多长时间以实现 SARS-CoV-2 病毒的灭活。NIST 研究员卡梅伦·米勒 (Cameron Miller) 说：“现在，人们大力推动将 UVC 消毒带入商业环境。” “从长远来看，希望这项研究能够制定标准和其他方法来测量灭活 SARS-CoV-2 和其他有害病毒所需的紫外线剂量。”该项目建立在 NIST 团队与另一位合作者 在水中灭活微生物的早期工作的基础上。根据波长的不同，紫外线以不同的方式破坏病原体。某些波长会破坏微生物的 RNA 或 DNA，导致它们失去复制能力。其他波长可以分解蛋白质，破坏病毒本身。尽管人们已经知道紫外线的消毒能力已有一百多年的历史，但在过去的十年中，紫外线消毒的研究却出现了爆炸式增长。原因之一是传统的紫外线光源有时含有汞等有毒物质。最近，使用无毒 LED 灯作为 UV 光源已经减轻了其中一些问题。在这项研究中，NIST 的合作者与 NBACC 的生物学家合作，他们的研究为炭疽和埃博拉病毒等生物威胁的生物防御规划提供了信息。米勒说：“NBACC 能够做的是培养病毒，集中它，然后清除其他所有东西。” “我们试图获得一个明确的信息，即我们需要多少光才能使 SARS-CoV-2 病毒失活。”在这项研究中，研究小组在不同的悬浮液中测试了病毒。除了使用唾液模拟物外，科学家们还将病毒放入水中，以观察在“纯净”环境中发生了什么，没有可以保护它的成分。他们测试了他们的病毒悬浮液作为液体和钢表面上的干液滴，这代表了被感染者可能会打喷嚏或咳嗽的东西。NIST 的工作是将来自激光器的紫外光引导到样品上。他们正在寻找杀死 90% 病毒所需的剂量。通过这种设置，合作能够测量病毒对 16 种不同波长的反应，这些波长范围从 UVC 的极低端 222 nm，一直到可见波长范围的中间部分，即 488 nm。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。在安全实验室中将激光照射到样品上并非易事。BSL-3 实验室的研究人员穿着带呼吸器的磨砂布和头巾。离开实验室需要洗个澡，然后再换回便服。团队昂贵的激光等设备必须经过相当严格的消毒程序。“这是一种单向门，”米勒说。“从那个实验室出来的任何东西都必须焚烧、高压灭菌[热灭菌]，或者用过氧化氢蒸汽进行化学消毒。因此，我们不想使用价值 120,000 美元的激光器。”相反，NIST 研究人员设计了一个系统，其中激光器和一些光学器件位于实验室外的走廊上。他们将光通过 4 米长的光缆传输，该光缆穿过实验室门下的密封件。负压使空气从走廊流入实验室，并防止任何东西漏出。激光一次产生一个波长，并且是完全可调的，因此研究人员可以产生他们喜欢的任何波长。但是由于光会根据其波长以不同的角度弯曲，因此他们必须创建一个棱镜系统来改变光进入光纤的角度，从而使其正确排列。更改出射角涉及手动转动他们创建的旋钮以调整棱镜的位置。他们试图用最少数量的活动部件使这一切尽可能简单。“NIST 团队提出的设备使我们能够在非常可控和精确的波段内快速测试各种不同的波长，”Schuit 说。“如果我们试图在没有该系统的情况下实现相同数量的波长，我们将不得不同时使用一堆不同类型的设备，每个设备都会产生不同宽度的波段。他们将需要不同的配置，并且混合中会有很多额外的变量。”操纵光线需要镜子和透镜，但研究人员将其设计为尽可能少地使用，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以将光纤中的光投射到 COVID 病毒样本上的材料，该团队尝试使用廉价的部件。“我们 3D 打印了很多东西，”NIST 物理学家 Steve Grantham 说，他是 NIST 的 Thomas Larason 团队的主要成员。“所以，没有什么东西真的很贵，如果我们不再使用它，也没什么大不了的。”甚至激光区和实验室内部之间的通信也很困难，因为人们不能随意进出，所以他们采用了有线对讲系统。米勒说，尽管存在挑战，但该系统运行得非常好，特别是考虑到他们只有几个月的时间来组装它。“有几个方面我们可能可以改进，但我认为我们的收益将是微乎其微的，”米勒说。NIST 团队计划将该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。“当下一种病毒或他们感兴趣的任何病原体出现时，我们所要做的就是将激光系统向上滚动，将光纤推到那里，然后他们会将其连接到他们的投影仪系统，”米勒说. “所以现在我们已经准备好迎接下一次了。”
