詹妮弗·勞倫·李/NIST

要對表面進(jìn)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(lán)。但要專門滅活導(dǎo)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(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)置變化很小。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 與美國國土安全部科學(xué)與技術(shù)理事會實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室中一次將單一波長的光投射到 COVID-19 病毒樣本上。該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試的紫外線和可見光波長比任何其他針對導(dǎo)致 COVID-19 的病毒的研究都多。那么，SARS-CoV-2 的氪石是什么？事實(shí)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(dǎo)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(hù)作用。在這項(xiàng)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(shí)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(shí)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(rèn)為這項(xiàng)研究的一大貢獻(xiàn)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(yù)測當(dāng)有更現(xiàn)實(shí)的場景在起作用時會發(fā)生什么，”Michael Schuit 說NBACC。“當(dāng)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(jī)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(jī)甚至液體中的表面應(yīng)該被照射多長時間以實(shí)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?！?nbsp;“從長遠(yuǎn)來看，希望這項(xiàng)研究能夠制定標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目建立在 NIST 團(tuán)隊(duì)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(dǎo)致它們失去復(fù)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(xiàng)研究中，NIST 的合作者與 NBACC 的生物學(xué)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?！?/span>在這項(xiàng)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(xué)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(hù)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(dǎo)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(yīng)，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?yàn)橐恍┧{(lán)光已被證明具有消毒特性。在安全實(shí)驗(yàn)室中將激光照射到樣品上并非易事。BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的研究人員穿著帶呼吸器的磨砂布和頭巾。離開實(shí)驗(yàn)室需要洗個澡，然后再換回便服。團(tuán)隊(duì)昂貴的激光等設(shè)備必須經(jīng)過相當(dāng)嚴(yán)格的消毒程序。“這是一種單向門，”米勒說。“從那個實(shí)驗(yàn)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(jìn)行化學(xué)消毒。因此，我們不想使用價值 120,000 美元的激光器?！?/span>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(xué)器件位于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室門下的密封件。負(fù)壓使空氣從走廊流入實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(shí)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?yàn)槊恳粋€都會導(dǎo)致紫外線強(qiáng)度的損失。對于必須進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室以將光纖中的光投射到 COVID 病毒樣本上的材料，該團(tuán)隊(duì)嘗試使用廉價的部件。“我們 3D 打印了很多東西，”NIST 物理學(xué)家 Steve Grantham 說，他是 NIST 的 Thomas Larason 團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)部之間的通信也很困難，因?yàn)槿藗儾荒茈S意進(jìn)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(yùn)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(jìn)，但我認(rèn)為我們的收益將是微乎其微的，”米勒說。NIST 團(tuán)隊(duì)計劃將該系統(tǒng)用于未來對高安全性實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)家可能想要進(jìn)行的其他病毒和微生物的研究。“當(dāng)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(zhǔn)備好迎接下一次了?！?/span>