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前幾天主編摸魚(yú)的時(shí)候偶然上了這樣的熱搜。

圖片|微博

在感嘆祖國(guó)日益強(qiáng)大的同時(shí)，主編也難免懷疑光能制造疫苗。這是什么高端黑科技？

據(jù)說(shuō)好奇心殺死貓是人類(lèi)進(jìn)步的源泉，今天主編本著物理學(xué)家尋根精神，很好地解釋了所謂的“黑科技”。

人體安全消毒儀

熱搜中所述的“光疫苗”，其實(shí)是一款能發(fā)出222 nm特定波長(zhǎng)紫外線(xiàn)的消毒儀。據(jù)報(bào)道它能針對(duì)病毒細(xì)菌等微生物，尤其是新型冠狀病毒，實(shí)現(xiàn)99.99%的殺菌效果。

人體安全消毒儀 | 參考文獻(xiàn) [7]

看到這里小編不禁吐槽：不就是紫外線(xiàn)消毒儀嘛，和疫苗混為一談?wù)娴暮脝幔?/p>

疫苗（以滅活疫苗為例）是將病原微生物滅活后保留全微生物體注射進(jìn)入人體，促使人體產(chǎn)生針對(duì)該病原體的抗體，是一種獲得性免疫。

而紫外線(xiàn)消毒是體外細(xì)菌病毒消殺，和疫苗的原理完全不一樣好伐。

不過(guò)對(duì)比我們?nèi)粘Ｊ褂玫淖贤饩€(xiàn)消毒產(chǎn)品，這款消毒儀還是有其先進(jìn)之處的。

平常我們用來(lái)消毒的紫外線(xiàn)燈，發(fā)出的紫外線(xiàn)波長(zhǎng)約為253.7 nm，而且消毒過(guò)程中需要人遠(yuǎn)離光源才行。

而這款消毒儀發(fā)出的222 nm紫外線(xiàn)，可以做到開(kāi)啟后人無(wú)需離開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了“人機(jī)共存，實(shí)時(shí)消毒”。

為什么這款消毒儀能具備這樣的特異功能？這還得從紫外線(xiàn)本身開(kāi)始說(shuō)起……

“紫外線(xiàn)”本線(xiàn)

紫外線(xiàn)（Ultraviolet，簡(jiǎn)稱(chēng)UV）大家都不陌生，它是波長(zhǎng)在10 - 400 nm之間的電磁波，太陽(yáng)光中就含有部分紫外線(xiàn)。

電磁波譜丨 Wikimedia Commons, Nl74, Inductiveload, NASA, Translated by Tonys / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

生活中我們常把紫外線(xiàn)分為UVA、UVB和UVC三類(lèi)。

UVA為波長(zhǎng)介于320 - 400 nm的紫外線(xiàn)，太陽(yáng)光中的UVA可穿透大氣層，甚至到達(dá)皮膚的真皮層，造成曬黑，所以朋友們平時(shí)出門(mén)一定要做好防曬……

UVB為波長(zhǎng)介于280 - 320 nm的紫外線(xiàn)，可到達(dá)皮膚表層，引發(fā)曬傷。太陽(yáng)光中的大部分UVB會(huì)被臭氧層吸收，故只有很少的一部分UVB能到達(dá)地球表面。

UVC為波長(zhǎng)介于100 - 280 nm的紫外線(xiàn)，此范圍的紫外線(xiàn)能量較高，具有一定的危險(xiǎn)性，所幸臭氧層可以幫助我們完全阻隔UVC?？梢?jiàn)臭氧層的重要性……

紫外線(xiàn)滲透到皮膚的各個(gè)層次 | 參考資料[2]

除了此外，我們還將波長(zhǎng)介于10 - 200 nm的紫外線(xiàn)稱(chēng)為“真空紫外線(xiàn)”，由于其會(huì)被空氣中的氧強(qiáng)烈地吸收。所以這種紫外線(xiàn)只有在無(wú)氧狀態(tài)下才能使用，應(yīng)用于一些特殊的工藝上。

日常の紫外線(xiàn)消毒

日常生活中我們使用的紫外線(xiàn)燈大多是普通直管熱陰極低壓汞燈，通電后可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的波長(zhǎng)為253.7 nm的紫外線(xiàn)，在進(jìn)行了一定時(shí)長(zhǎng)的輻照后，就能達(dá)到99 - 99.9%的消殺效果。

那紫外線(xiàn)是如何起到消殺作用的呢？為什么偏偏要用253.7 nm的紫外線(xiàn)呢？

科學(xué)家通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌病毒體內(nèi)的DNA / RNA會(huì)吸收部分UVC波段的紫外線(xiàn)。從下圖中不難看出，在260 nm附近吸收最為強(qiáng)烈。

DNA / RNA對(duì)紫外線(xiàn)的吸收 | 參考資料[3]

大量吸收紫外線(xiàn)的DNA / RNA，其螺旋結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，從而使機(jī)體的新陳代謝機(jī)能出現(xiàn)障礙，同時(shí)會(huì)喪失遺傳能力。當(dāng)輻照強(qiáng)度和時(shí)間都充足時(shí)，細(xì)菌病毒就會(huì)失活。

DNA結(jié)構(gòu)會(huì)因紫外線(xiàn)輻照而被破壞 | Pixabay

因此，只要光源滿(mǎn)足：

能發(fā)出波長(zhǎng)在260 nm附近的紫外線(xiàn)

光強(qiáng)足夠強(qiáng)

所用材料成本低，制造方便

就可以很方便地應(yīng)用于日常生活殺菌消毒。

綜合比較之后，低壓汞燈擔(dān)起了這個(gè)重任，因?yàn)槠淠馨l(fā)射強(qiáng)度較大的波長(zhǎng)為253.7 nm（滿(mǎn)足在260 nm附近）的紫外線(xiàn)，同時(shí)汞的使用成本低，且低壓汞燈的制造相對(duì)簡(jiǎn)單。

這里順便解釋一下為什么紫外線(xiàn)是不可見(jiàn)光，但我們卻能看到紫外線(xiàn)燈發(fā)出的光。

低壓汞燈在通電后，紫外波段和可見(jiàn)光波段中的藍(lán)光、紫光都會(huì)被激發(fā)，所以其在發(fā)出紫外線(xiàn)的同時(shí)，也會(huì)同時(shí)發(fā)出一些波長(zhǎng)的藍(lán)光和紫光，于是就形成了下面的圖景。

紫外線(xiàn)燈丨 Wikimedia Commons, Coleopter / CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

需要注意的是，253.7 nm的紫外線(xiàn)能量較高，而且可透進(jìn)皮膚，如果人體長(zhǎng)時(shí)間暴露于紫外線(xiàn)燈下，皮膚、眼睛都會(huì)受到傷害，輕則電光性眼炎、皮膚灼傷，重則白內(nèi)障、皮膚癌。所以紫外線(xiàn)燈開(kāi)啟時(shí)，人一定要到紫外線(xiàn)燈照不到的地方等待。

222 nm呢？

人與開(kāi)啟的紫外線(xiàn)燈不可兼得，這可能是紫外線(xiàn)消毒法一個(gè)比較大的缺憾。

那有沒(méi)有辦法彌補(bǔ)這個(gè)缺憾呢？哎，今天的主角終于要登場(chǎng)了。

文章開(kāi)頭處我們說(shuō)到，222 nm的紫外線(xiàn)能夠起到殺菌消毒作用而基本不對(duì)人體產(chǎn)生傷害。這是怎么做到的呢？

222 nm紫外線(xiàn)讓細(xì)菌病毒失活的原理和253.7 nm是一樣的，只不過(guò)換了個(gè)波段而已。

在前面講DNA / RNA對(duì)紫外線(xiàn)的吸收時(shí)，我們可以從吸收光譜中看到，除了260 nm附近的區(qū)域，在220 nm附近，也有一個(gè)吸收度上升的趨勢(shì)。

雖然沒(méi)有260 nm那里那么高，但如果給予足夠的光強(qiáng)和輻照時(shí)長(zhǎng)，按道理也是能起到消殺效果的。

科學(xué)家通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了253.7 nm和222 nm紫外線(xiàn)消殺能力。

兩種紫外線(xiàn)的消殺能力對(duì)比 | 參考資料[5]

可以發(fā)現(xiàn)兩種紫外線(xiàn)的消殺能力幾乎不相上下，在低強(qiáng)度時(shí)222 nm甚至超越 253.7 nm。

那222 nm是怎么做到對(duì)人體基本無(wú)害的呢？明明波長(zhǎng)更短能量更高了呀？

這就不能單從能量的角度去考慮了，還要考慮波長(zhǎng)變短后紫外線(xiàn)穿透能力的變化。

從前面UVA、UVB、UVC的介紹里我們可以看出，當(dāng)紫外線(xiàn)的波長(zhǎng)變短時(shí)，其穿透能力也在減弱。

所以222 nm的紫外線(xiàn)相比254 nm的紫外線(xiàn)在皮膚中的穿透深度就淺了許多，對(duì)人體的傷害自然就小了

科學(xué)家們通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓一部分雄性無(wú)毛小鼠暴露于222 nm的紫外線(xiàn)中，一部分暴露于253.7 nm的紫外線(xiàn)中，一部分不暴露，保證紫外線(xiàn)光強(qiáng)和輻照時(shí)間一致，在暴露結(jié)束48小時(shí)后觀察其皮膚發(fā)生的變化。

三組小鼠經(jīng)歷輻照后皮膚的變化 | 參考資料[5]

可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷222 nm紫外線(xiàn)輻照幾乎與無(wú)輻照沒(méi)區(qū)別，而253.7 nm的輻照讓皮膚受損嚴(yán)重。

那222 nm的紫外線(xiàn)是如何產(chǎn)生的呢？這里選用氯化氪（KrCl）作為光源，同時(shí)為了過(guò)濾其余波長(zhǎng)的光，單獨(dú)發(fā)出222 nm這一個(gè)波長(zhǎng)，還會(huì)搭配使用濾波片。

未使用和使用濾波片的氯化氪光譜 | 參考資料[5]

能實(shí)現(xiàn)民用嗎？

既然這個(gè)222 nm的消毒儀如此強(qiáng)大，那在如今疫情防控常態(tài)化的大背景下，能否能實(shí)現(xiàn)民用呢？

據(jù)報(bào)道，除了此次東京奧運(yùn)會(huì)，某些地區(qū)的一些醫(yī)院也已經(jīng)安排上了，而且反響強(qiáng)烈。

因?yàn)?22 nm的紫外線(xiàn)可用于有人的場(chǎng)景，對(duì)于人員密度高、人流量大的場(chǎng)所，以及醫(yī)院（尤其發(fā)熱門(mén)診）這樣的高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所具有特別的優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)由于光只能沿直線(xiàn)傳播，所以在光照不到的地方，消殺效果會(huì)比較有限，這也是紫外線(xiàn)消毒法的一個(gè)短板。

目前研究人員正在積極研發(fā)盡可能克服短板、并且能應(yīng)用于更多場(chǎng)景下的民用消毒儀。相信未來(lái)的某一天，升級(jí)版的消毒儀會(huì)走進(jìn)尋常百姓家，為抗疫做出更大的貢獻(xiàn)！

是不是沒(méi)有想到一個(gè)小小的消毒儀居然隱藏了如此豐富的知識(shí)？

小編也從中悟出了一個(gè)道理：摸魚(yú)+思考，收獲少不了

參考文獻(xiàn)

[1] 紫外線(xiàn) - 維基百科

[2] Pérez-Sánchez A, Barrajón-Catalán E, Herranz-López M, et al. Nutraceuticals for skin care: A comprehensive review of human clinical studies[J]. Nutrients, 2018, 10(4): 403.

[3] Kiyoshi Yoshino,姜偉.紫外線(xiàn)殺菌的原理和最新應(yīng)用[J].中國(guó)照明電器,2005(04):28-31.

[4] Meulemans C C E. The basic principles of UV–disinfection of water[J]. 1987.

[5] Buonanno M, Ponnaiya B, Welch D, et al. Germicidal efficacy and mammalian skin safety of 222-nm UV light[J]. Radiation research, 2017, 187(4): 493-501.

[6] 什么“秘密武器”保障中國(guó)奧運(yùn)代表團(tuán)零感染？距離民用還有多遠(yuǎn)？

[7]

作者：Eric

編輯：Eric

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)中科院物理所

來(lái)源: 中科院物理所