詹妮弗·勞倫·李/NIST

要對表面進行消毒，您可以用一束紫外線 (UV) 照射它，這種光比人眼看到的要藍。但要專門滅活導致 COVID-19 的病毒 SARS-CoV-2，哪種波長最好？多少輻射才足夠？回答這些問題需要科學家克服兩個主要障礙。首先，他們需要將病毒與環(huán)境中的外來物質(zhì)完全分離。其次，他們需要一次用單一波長的紫外線照射病毒，而測試之間的實驗設(shè)置變化很小。美國國家標準與技術(shù)研究院 (NIST) 與美國國土安全部科學與技術(shù)理事會實驗室國家生物防御分析與對策中心 (NBACC) 之間的最近合作克服了這兩個障礙并完成了可能是最徹底的曾經(jīng)對幾種不同的紫外線和可見光波長如何影響 SARS-CoV-2 進行過測試。在本周發(fā)表在 Applied Optics上的一篇新論文中，合作者描述了他們的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)在安全實驗室中一次將單一波長的光投射到 COVID-19 病毒樣本上。該實驗室被歸類為生物安全級別 3 (BSL-3)，旨在研究吸入時可能致命的微生物。迄今為止，他們的實驗測試的紫外線和可見光波長比任何其他針對導致 COVID-19 的病毒的研究都多。那么，SARS-CoV-2 的氪石是什么？事實證明，沒有什么特別的：該病毒與其他病毒（例如引起流感的病毒）一樣容易受到相同波長的紫外線的影響。最有效的波長是 222 到 280 納米 (nm) 之間的“UVC”范圍內(nèi)的波長。UVC 光（從 200 到 280 nm 的全范圍）比導致曬傷的 UVB 波長（280 到 315 nm）短。研究人員還表明，病毒的周圍環(huán)境可以對病毒產(chǎn)生保護作用。在這項研究中，將病毒置于純水中比置于模擬唾液中所需的紫外線劑量更小，而模擬唾液中含有鹽、蛋白質(zhì)和其他在實際人類唾液中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)。將病毒懸浮在模擬唾液中會產(chǎn)生類似于打噴嚏和咳嗽的真實場景的情況。這可能使研究結(jié)果比以前的研究更直接地提供信息。“我認為這項研究的一大貢獻是，我們能夠證明，我們在大多數(shù)研究中看到的那種理想化結(jié)果并不總能預測當有更現(xiàn)實的場景在起作用時會發(fā)生什么，”Michael Schuit 說NBACC。“當病毒周圍有模擬唾液之類的材料時，會降低紫外線凈化方法的功效?！?/span>紫外線消毒設(shè)備和監(jiān)管機構(gòu)的制造商可以使用這些結(jié)果來幫助告知醫(yī)療環(huán)境、飛機甚至液體中的表面應該被照射多長時間以實現(xiàn) SARS-CoV-2 病毒的滅活。NIST 研究員卡梅倫·米勒 (Cameron Miller) 說：“現(xiàn)在，人們大力推動將 UVC 消毒帶入商業(yè)環(huán)境。” “從長遠來看，希望這項研究能夠制定標準和其他方法來測量滅活 SARS-CoV-2 和其他有害病毒所需的紫外線劑量?！?/span>該項目建立在 NIST 團隊與另一位合作者 在水中滅活微生物的早期工作的基礎(chǔ)上。根據(jù)波長的不同，紫外線以不同的方式破壞病原體。某些波長會破壞微生物的 RNA 或 DNA，導致它們失去復制能力。其他波長可以分解蛋白質(zhì)，破壞病毒本身。盡管人們已經(jīng)知道紫外線的消毒能力已有一百多年的歷史，但在過去的十年中，紫外線消毒的研究卻出現(xiàn)了爆炸式增長。原因之一是傳統(tǒng)的紫外線光源有時含有汞等有毒物質(zhì)。最近，使用無毒 LED 燈作為 UV 光源已經(jīng)減輕了其中一些問題。在這項研究中，NIST 的合作者與 NBACC 的生物學家合作，他們的研究為炭疽和埃博拉病毒等生物威脅的生物防御規(guī)劃提供了信息。米勒說：“NBACC 能夠做的是培養(yǎng)病毒，集中它，然后清除其他所有東西?！?nbsp;“我們試圖獲得一個明確的信息，即我們需要多少光才能使 SARS-CoV-2 病毒失活。”在這項研究中，研究小組在不同的懸浮液中測試了病毒。除了使用唾液模擬物外，科學家們還將病毒放入水中，以觀察在“純凈”環(huán)境中發(fā)生了什么，沒有可以保護它的成分。他們測試了他們的病毒懸浮液作為液體和鋼表面上的干液滴，這代表了被感染者可能會打噴嚏或咳嗽的東西。NIST 的工作是將來自激光器的紫外光引導到樣品上。他們正在尋找殺死 90% 病毒所需的劑量。通過這種設(shè)置，合作能夠測量病毒對 16 種不同波長的反應，這些波長范圍從 UVC 的極低端 222 nm，一直到可見波長范圍的中間部分，即 488 nm。研究人員將更長的波長包括在內(nèi)，因為一些藍光已被證明具有消毒特性。在安全實驗室中將激光照射到樣品上并非易事。BSL-3 實驗室的研究人員穿著帶呼吸器的磨砂布和頭巾。離開實驗室需要洗個澡，然后再換回便服。團隊昂貴的激光等設(shè)備必須經(jīng)過相當嚴格的消毒程序。“這是一種單向門，”米勒說。“從那個實驗室出來的任何東西都必須焚燒、高壓滅菌[熱滅菌]，或者用過氧化氫蒸汽進行化學消毒。因此，我們不想使用價值 120,000 美元的激光器。”相反，NIST 研究人員設(shè)計了一個系統(tǒng)，其中激光器和一些光學器件位于實驗室外的走廊上。他們將光通過 4 米長的光纜傳輸，該光纜穿過實驗室門下的密封件。負壓使空氣從走廊流入實驗室，并防止任何東西漏出。激光一次產(chǎn)生一個波長，并且是完全可調(diào)的，因此研究人員可以產(chǎn)生他們喜歡的任何波長。但是由于光會根據(jù)其波長以不同的角度彎曲，因此他們必須創(chuàng)建一個棱鏡系統(tǒng)來改變光進入光纖的角度，從而使其正確排列。更改出射角涉及手動轉(zhuǎn)動他們創(chuàng)建的旋鈕以調(diào)整棱鏡的位置。他們試圖用最少數(shù)量的活動部件使這一切盡可能簡單。“NIST 團隊提出的設(shè)備使我們能夠在非?？煽睾途_的波段內(nèi)快速測試各種不同的波長，”Schuit 說。“如果我們試圖在沒有該系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)相同數(shù)量的波長，我們將不得不同時使用一堆不同類型的設(shè)備，每個設(shè)備都會產(chǎn)生不同寬度的波段。他們將需要不同的配置，并且混合中會有很多額外的變量?！?/span>操縱光線需要鏡子和透鏡，但研究人員將其設(shè)計為盡可能少地使用，因為每一個都會導致紫外線強度的損失。對于必須進入實驗室以將光纖中的光投射到 COVID 病毒樣本上的材料，該團隊嘗試使用廉價的部件。“我們 3D 打印了很多東西，”NIST 物理學家 Steve Grantham 說，他是 NIST 的 Thomas Larason 團隊的主要成員。“所以，沒有什么東西真的很貴，如果我們不再使用它，也沒什么大不了的?！?/span>甚至激光區(qū)和實驗室內(nèi)部之間的通信也很困難，因為人們不能隨意進出，所以他們采用了有線對講系統(tǒng)。米勒說，盡管存在挑戰(zhàn)，但該系統(tǒng)運行得非常好，特別是考慮到他們只有幾個月的時間來組裝它。“有幾個方面我們可能可以改進，但我認為我們的收益將是微乎其微的，”米勒說。NIST 團隊計劃將該系統(tǒng)用于未來對高安全性實驗室的生物學家可能想要進行的其他病毒和微生物的研究。“當下一種病毒或他們感興趣的任何病原體出現(xiàn)時，我們所要做的就是將激光系統(tǒng)向上滾動，將光纖推到那里，然后他們會將其連接到他們的投影儀系統(tǒng)，”米勒說. “所以現(xiàn)在我們已經(jīng)準備好迎接下一次了?！?/span>