圖1。現(xiàn)有工藝：現(xiàn)有工藝生產(chǎn)的紫外線熒光燈笨重、效率低下。

LED燈管作為其替代者，不僅在價(jià)格上更加低廉，而且具有更高的可調(diào)節(jié)性和持久性，另外，LED燈還具有許多其他的優(yōu)點(diǎn)。(圖源:iStock / proxyminder)

編者按

紫外線是殺菌消毒的常規(guī)武器，并在此次對抗新冠疫情中廣泛應(yīng)用。其背后的原理是，波長短、能量高的紫外線能夠通過照射破壞微生物的遺傳物質(zhì)，從而瓦解病原。然而，傳統(tǒng)紫外線熒光管不僅笨重易碎，而且其高頻輻射將灼傷人類皮膚并可能引發(fā)癌變，因此使用上有諸多不便。

本文探討了一種新的紫外線消殺技術(shù)的可能——遠(yuǎn)紫外光LED設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)有研究，紫外光中波長較短的遠(yuǎn)紫外光對病毒致命，但對宏觀動物的傷害非常有限。若遠(yuǎn)紫外光能與生活中常用LED發(fā)光設(shè)備結(jié)合，則將為今后抗擊疫情提供新助力。

不過，目前該項(xiàng)目仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。遠(yuǎn)紫外光的安全性需進(jìn)一步驗(yàn)證，短期或少劑量照射并不能證明其安全性，無角質(zhì)層保護(hù)的外露黏膜（如口腔黏膜）暴露于遠(yuǎn)紫外光的健康風(fēng)險(xiǎn)尚不確定。另外，在工業(yè)上如何實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定、成本可負(fù)擔(dān)的LED紫外光設(shè)備仍面臨重重挑戰(zhàn)，可行的設(shè)計(jì)方案、資金支持與工業(yè)上的合作伙伴最對項(xiàng)目的未來開展至關(guān)重要。

撰文 | 喬恩·卡特賴特（Jon Cartwright）

翻譯 | 谷大春

校譯 | 謝 鈞

責(zé)編 | 戴 威

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我們先設(shè)想一下這樣一個(gè)世界，在那里的人們可以隨心所欲得去各地旅行。在結(jié)識新朋友時(shí)，他們可以彼此親切地握手；而當(dāng)拜訪好友和長輩時(shí)，他們也能相互熱情地?fù)肀АＫ麄冊僖膊挥觅M(fèi)力地去給各種工作臺面消毒，或者是在處理完快遞包裹后必須要去洗手……

這就是我們所期盼的這次新冠病毒大流行的終結(jié)。即使在某些細(xì)節(jié)上可能會有所出入，但上文中所刻畫出來的愿景也是完全有可能實(shí)現(xiàn)的。然而，即使一切都能朝著樂觀的方向發(fā)展，科學(xué)家和政府官員們?nèi)匀粫ξ磥肀в幸环N深深的擔(dān)憂：那么下一次疫情又將會是如何呢？現(xiàn)在我們?yōu)?COVID-19 研發(fā)的任何藥物和疫苗在應(yīng)對下一次流行病毒時(shí)都將會是無效的，因?yàn)橄乱淮瘟餍胁『芸赡苁怯赏耆煌祁惖牟《舅l(fā)。事實(shí)上，除非我們可以在應(yīng)對大規(guī)模流行病疫情的方法上有所突破，否則在科學(xué)家們找出治愈的方法前，下次疫情仍將導(dǎo)致心理與經(jīng)濟(jì)兩方面上的嚴(yán)厲封鎖。

然而，有一位科學(xué)家表示，在下一次疫情發(fā)生時(shí)，我們可以做出一些不一樣的改變。這位科學(xué)家名叫查理·艾恩賽德（Charlie Ironside)，來自澳大利亞佩斯市的科廷科技大學(xué)。他不是一位病毒學(xué)家或是流行病學(xué)家，而是一位物理學(xué)家——他在半導(dǎo)體光電子學(xué)方面有著30多年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)對疫情，他提出了新的解決方案：使用遠(yuǎn)紫外線發(fā)光二極管（far-UV LEDs）。

“在較短波段范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紫外光波長對人體而言應(yīng)當(dāng)是安全的，對病毒而言卻是致命的。其在消毒上的應(yīng)用將會變得簡單、常規(guī)且有效?！?/p>

為了避免給大家?guī)碚`導(dǎo)，在這里我們需要指出，總體來說，紫外線還是非常危險(xiǎn)的，人類也不應(yīng)該去主動接觸它。但就在目前，有新的證據(jù)表明，較窄的遠(yuǎn)紫外線在其波長范圍內(nèi)對人類是完全安全的，而對病毒則是致命的。艾恩賽德教授解釋說，如果LED發(fā)出的光大部分能夠集中在這種遠(yuǎn)紫外線輻射的最佳波段，它們可以被整合進(jìn)日常照明與消費(fèi)級的技術(shù)產(chǎn)品中，進(jìn)而控制流行病的傳播。艾恩賽德教授將自己的這個(gè)提議稱為對LED研究人員和整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的 “戰(zhàn)斗召喚”。但這個(gè)提議能實(shí)現(xiàn)嗎？

紫外線是殺菌消毒的傳統(tǒng)武器

紫外光是由波長在200-400納米的光子所組成。在過去的一個(gè)多世紀(jì)以來，它一直被人們認(rèn)為是可以有效殺死細(xì)菌和病毒的。因此，它早已經(jīng)是我們用于對抗COVID-19的武器之一。醫(yī)院里安裝的紫外線探照燈，可以用于對空氣和水平表面進(jìn)行消毒，或放在醫(yī)用托盤中對醫(yī)療器械的消毒。手持紫外線燈則可以用來消毒那些探照燈無法達(dá)到的地方。在中國，公交車在夜間都會停在紫外線照明的車庫里。在沒有安裝紫外線設(shè)備的地方，工作人員可以通過遙控，將攜帶有紫外線燈的機(jī)器人小車送進(jìn)房間，從而對該區(qū)域進(jìn)行消毒。

雖然這些技術(shù)十分有效，但也存在著兩個(gè)主要的缺點(diǎn)。首先，紫外光通常是由熒光燈管發(fā)出的，這種熒光燈管體積較大，而且非常易碎，又十分笨重，只有在專業(yè)的場合才會被使用。其次，該技術(shù)另一個(gè)更大的缺點(diǎn)便是這些紫外線輻射會對人體產(chǎn)生負(fù)面的影響。

圖2. 對人體不安全：紫外線早已被用于消毒技術(shù)——例如用于醫(yī)院(左)和公共交通工具(右)的消毒。但目前，當(dāng)有人類在場時(shí)，該消毒過程便無法安全地執(zhí)行，這極大地限制了紫外燈在病毒流行爆發(fā)等情況下的有效應(yīng)用。(圖源: Shutterstock/Nor Gal; Sputnik/Science Photo Library)

就紫外線而言，我們非常熟悉其前兩個(gè)波段，即UVA（315-400納米）和UVB（280-315納米），因?yàn)樗鼈兪翘柟獾慕M成部分，可以直接穿透大氣層，和人類直接接觸。這兩個(gè)波段的紫外線都會導(dǎo)致皮膚曬傷，其中以UVB更為容易。在極端條件下，甚至還會誘發(fā)皮膚癌。然而，我們很少會接觸到UVC（200 - 280nm），因?yàn)樗诖┰酱髿鈱訒r(shí)就會被地球的臭氧層所吸收。UVC不僅會造成嚴(yán)重的皮膚曬傷，還會非常有效地破壞DNA，這就使得人類在直接暴露于紫外線的情況下會變得非常危險(xiǎn)。

然而，不幸的是，紫外熒光管發(fā)光的波長通常就集中在250納米左右，正好處于UVC波段的中間。因此，UVC殺菌燈在使用時(shí)不能有任何人在現(xiàn)場，這便大大限制了其在大規(guī)模流行病期間的應(yīng)用。

2017年，美國哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家大衛(wèi)·布倫納（David Brenner）領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，并非所有波長的UVC都具有相同的破壞性。布倫納教授和他的同事們研究發(fā)現(xiàn)，在使用氪氯基準(zhǔn)分子燈發(fā)射出的波長為222 納米的遠(yuǎn)紫外線照射小鼠時(shí)，小鼠在照射后并沒有出現(xiàn)皮膚被損傷的證據(jù)。與此同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)同樣波長的光線卻可以有效地殺死超級細(xì)菌 MRSA（Radiat. Res. 187 493）。

一年后，來自日本廣崎大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Kouji Narit教授和其同事們也證實(shí)了這一結(jié)果。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還證實(shí)了波長為254納米的傳統(tǒng)殺菌燈確實(shí)會引起類似太陽曬傷的皮膚損傷（PLOS One 13 e0201259）。在同一年，布倫納教授和他的同事們發(fā)現(xiàn)波長為222納米的光也能有效地摧毀通過空氣傳播的病毒（Sci. Rep. 8 2752)。甚至還有證據(jù)表明，遠(yuǎn)紫外線對眼睛都是安全的：在去年，日本出云市島根醫(yī)科大學(xué)的 Sachiko Kaidzu 教授研究發(fā)現(xiàn)，暴露在波長為222納米的電磁輻射下的老鼠，其角膜沒有出現(xiàn)任何損傷（Free Radic. Res. 53 611）。

根據(jù)布倫納教授的解釋，遠(yuǎn)紫外線對皮膚不會造成傷害的原因是源于生物材料對光波的吸收范圍。由于遠(yuǎn)UVC光的波長比其他UVC光的波長要短，因此它幾乎不可能穿透皮膚最外層的死皮細(xì)胞，而死皮細(xì)胞通常的厚度在幾十微米左右。另一方面，它仍然可以很容易地穿透細(xì)菌和病毒，這些細(xì)菌和病毒的厚度會通常小于1微米。

圖3 .32納米的差異：當(dāng)波長為254納米的紫外光照射到小鼠皮膚(上圖)后，會出現(xiàn)明顯的DNA損傷(箭頭標(biāo)記)。而當(dāng)小鼠皮膚在222納米的紫外燈下照射后(下圖)并不會顯現(xiàn)出這些病變。（圖源：PLOS One）

遠(yuǎn)紫外線健康風(fēng)險(xiǎn)待評估，欲與LED設(shè)備結(jié)合

布倫納教授的研究工作獲得了全世界的廣泛關(guān)注，《時(shí)代》、《新聞周刊》、《華爾街日報(bào)》和哥倫比亞廣播公司等媒體都刊登了相關(guān)文章。顯而易見，遠(yuǎn)紫外線光可以從根本上提高我們應(yīng)對病毒的能力，包括那些目前我們還無法治愈的病毒。如果輻射波長為222納米的準(zhǔn)分子燈可以安裝，或者與現(xiàn)有的照明裝置相結(jié)合，那么它便可以或多或少地在公共場所連續(xù)使用，比如學(xué)校、火車站、汽車站、機(jī)場，以及用于對火車、公共汽車和飛機(jī)本身的消毒，不用擔(dān)心存在任何危及人體的風(fēng)險(xiǎn)。

然而，要想這一切成為可能，我們必須要能夠證實(shí)波長為222nm的遠(yuǎn)紫外光對人體是絕對安全的。來自美國康涅狄格州法明頓市的康涅狄格大學(xué)健康中心的分子生物學(xué)家彼得·塞特洛（Peter Setlow）便是眾多心存疑慮的人之一，他非常關(guān)心遠(yuǎn)紫外線對皮膚的長期影響，因?yàn)榈侥壳盀橹顾M(jìn)行的研究要么只是單次照射，要么也僅僅是照射了幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。他表示：“現(xiàn)在的問題是，究竟有多少222納米的紫外線能穿透皮膚中的死皮細(xì)胞，到達(dá)活細(xì)胞和功能細(xì)胞?答案似乎肯定是 ‘不多’，但 ‘多’ 本身并不是一個(gè)絕對的概念。所以我們還需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，需要在較長時(shí)間內(nèi)對動物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，同時(shí)還有許多其他方面也有待確定，例如，醫(yī)院的防護(hù)服是否能夠抵御這種紫外線。”

艾恩賽德教授也同意這一觀點(diǎn)，遠(yuǎn)紫外線輻射對人類的安全性需要在常規(guī)使用之前得到全面的驗(yàn)證。但是，即便它的安全性最終能夠得以證實(shí)（恩賽德教授是這么認(rèn)為的），那么準(zhǔn)分子燈的使用仍然會帶來一些問題：它們本身過于笨重，只能適用于靜止固定的情況。準(zhǔn)分子燈也屬于傳統(tǒng)技術(shù)。

在過去的十多年里，我們已經(jīng)逐漸看到白熾燈和熒光燈被LED所取代，因?yàn)楹笳吒阋?、更高效、更具有可調(diào)節(jié)性和安全性（因?yàn)槠潆妷焊停瑫r(shí)還更加持久耐用。這便是為什么艾恩賽德教授會認(rèn)為LED會是遠(yuǎn)紫外線最方便的來源。他介紹說：“如果我們真的能夠生產(chǎn)出一種被證明對人類安全的遠(yuǎn)紫外LED，那么我認(rèn)為它將會產(chǎn)生巨大的影響。我們可以設(shè)想一下，如果現(xiàn)在每臺手機(jī)上都能安裝這么一種感染控制設(shè)備，那將會如何呢？這種設(shè)備可以用來消毒各種表面以及我們的手掌?！?/p>

原則上，通過調(diào)整半導(dǎo)體合金我們可以制造出幾乎任何波長的LED。以氮化鎵（GaN）為例，它是大多數(shù)商業(yè)LED的基礎(chǔ)，具有約3.4電子伏的帶隙，對應(yīng)于發(fā)射360納米波長的可見紫色光。與此同時(shí)，氮化鋁（AlN）的帶隙約為6.4電子伏，對應(yīng)于發(fā)射UVC最深處的210 納米的紫外線。因此，氮化鋁鎵合金（Al-GaN）LED發(fā)出的光的波長應(yīng)該會介于兩者之間，其波長大致取決于鋁與鎵的比例。

基于這種合金的遠(yuǎn)紫外LED已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中被證明可行。例如，自2007年以來，日本崎玉縣理化學(xué)研究所的 Hideki Hirayama 教授和他的同事們一直在研制能夠發(fā)射波長為222納米遠(yuǎn)紫外光的氮化鋁鎵合金 LED（Electr. Commun. Jpn 10.1002）。與此同時(shí)，在2006年，日本厚木市的NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的 Yoshitaka Taniyasu 教授和他的同事們在純氮化鋁的基礎(chǔ)上制造出了發(fā)射波長為210納米的遠(yuǎn)紫外 LED（Nature 441 325）。

然而不幸的是，這些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率只有幾個(gè)百分點(diǎn)，遠(yuǎn)低于實(shí)際使用所需的20%-40%的效率，因此它們都沒有能夠被商業(yè)化。

從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線挑戰(zhàn)重重

半導(dǎo)體化合物中心（CSC）是一家由半導(dǎo)體晶片制造商IQE和英國卡迪夫大學(xué)合資創(chuàng)辦的研究機(jī)構(gòu)，羅伯·哈珀（Rob Harper）是該中心氮化鎵化合物項(xiàng)目的經(jīng)理。他解釋說,目前，想要可靠地制造高效率遠(yuǎn)紫外LED管，我們必須解決一個(gè)問題，即如何在氮化鋁鎵合金半導(dǎo)體中摻入少量的其他金屬，比如銦，從而使得該半導(dǎo)體成為微正型，即微P型半導(dǎo)體。他介紹說，當(dāng)有其他元素?fù)饺霑r(shí)，這些元素會傾向于滲入到LED的發(fā)光區(qū)域，進(jìn)而抑制光的發(fā)射。在通過工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延技術(shù)生長該晶體時(shí)，高的鋁含量本身就會破壞其晶體結(jié)構(gòu)。

盡管困難重重，哈珀深刻地認(rèn)識到攻克這些挑戰(zhàn)是非常重要的。他說：“當(dāng)前全球爆發(fā)的 COVID-19疫情 令人們痛苦地認(rèn)識到我們急切需要性價(jià)比高，能迅速部署，并且可以大面積殺菌消毒的新方法，比如紫外線輻射。任何潛在的、有可能會實(shí)現(xiàn)的、新的適合實(shí)用的P型摻雜的技術(shù)方法都值得我們?nèi)パ芯?。?/p>

然而，哈珀并沒有透露CSC是否會將研制遠(yuǎn)紫外LED納入未來的研發(fā)計(jì)劃。目前，公開響應(yīng)艾恩賽德教授號召的研究人員還有托尼?凱利（Tony Kelly），他是艾恩賽德教授的前同事，也是一位 “從商業(yè)轉(zhuǎn)回學(xué)術(shù)” 的研究人員。他目前任職于英國格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow），從事應(yīng)用光電子學(xué)領(lǐng)域的研究?！段锢硎澜纭芬簿瓦@個(gè)話題聯(lián)系到了他，在這之后的兩天內(nèi)，他就已經(jīng)完成了各種潛在資助途徑的調(diào)研，并且還正在為一個(gè)遠(yuǎn)紫外研究項(xiàng)目尋找合作者。他說到：“查理經(jīng)常是對的，并且我認(rèn)為他在這方面上的觀點(diǎn)也是正確的。”和哈珀一樣，凱利教授同樣也能預(yù)見目前該項(xiàng)目最大的問題是無法研制出高效率的設(shè)備。

盡管目前全世界在新半導(dǎo)體設(shè)備的制造工具以及生產(chǎn)線上的投資是非?？捎^的，往往高達(dá)數(shù)十億美元，但凱利教授認(rèn)為這種規(guī)模的投資最終對于氮化鋁鎵LED來說可能是沒有必要，因?yàn)槟壳暗壱呀?jīng)是一種非常成熟的商業(yè)材料了。相反，這應(yīng)該是一個(gè)如何去改造現(xiàn)有制造工廠的問題。凱利教授說道：“如果我們在一年內(nèi)能夠找到了一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案，我們便可以開始籌集資金來開展實(shí)施這個(gè)項(xiàng)目?！?/p>

與此同時(shí)，艾恩賽德教授本人并沒有逃避這些挑戰(zhàn)。盡管到目前為止，他的大部分研究還都是集中在設(shè)計(jì)近中紅外LED上，但他希望與一個(gè)工業(yè)上的伙伴一起獲得聯(lián)合資助，以便探索氧化鎂鋅合金LED在遠(yuǎn)紫外光波段的潛力。他認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目能否成功將取決于創(chuàng)新的物理學(xué)與制造專業(yè)知識的結(jié)合程度。

當(dāng)然，目前該項(xiàng)目能否獲得成功還不能保證。但單從全世界各國政府愿意花費(fèi)數(shù)十億美元來維持其經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)來看，尋找這些可以避免未來再次出現(xiàn)混亂的方法既是出于人道主義，同樣也具有很高的商業(yè)價(jià)值。因此，艾恩賽德教授呼吁盡可能多的研究同行都能參與進(jìn)來。他說：“當(dāng)我得知布倫納在遠(yuǎn)紫外光方面的工作時(shí)，我認(rèn)為這是一個(gè)真正值得我們?nèi)プ穼さ南敕āＮ艺J(rèn)為全社會都應(yīng)該意識到這一點(diǎn)?！?

作者簡介

喬恩·卡特賴特（Jon Cartwright）是英國布里斯托的自由撰稿人。

原文鏈接

▲ 本文為Physics World 專欄的第37篇。

版權(quán)聲明

原文標(biāo)題“The potential of far-ultraviolet light for the next pandemic ”，首發(fā)于2020年6月出版的 Physics World，英國物理學(xué)會出版社授權(quán)《知識分子》翻譯。本譯文有刪節(jié)，中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。未經(jīng)授權(quán)的翻譯是侵權(quán)行為，版權(quán)方將保留追究法律責(zé)任的權(quán)利。

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