NIST和DHS的研究合作揭示了哪些波長的紫外線對COVID-19病毒的消毒效果最好。要對一個表面進行消毒，你可以用紫外線（UV）照射它，它的波長比人眼能看到的更藍。但是要專門滅活SARS-CoV-2（引起COVID-19的病毒），哪種波長的光最好？以及多少輻射才足夠？
要回答這些問題，科學家必須克服兩個主要障礙。首先，他們需要將病毒與環境中的無關物質完全分離。第二，他們必須一次用單一波長的紫外線照射病毒，在測試之間盡量不改變實驗裝置。
最近的一項研究克服了這兩個障礙，完成了可能是有史以來對幾種不同的紫外線和可見光波長如何影響SARS-CoV-2的最徹底測試。這項研究是美國國家標準與技術研究所（NIST）和美國國土安全部（DHS）科學與技術局實驗室–國家生物防禦分析與對策中心（NBACC）之間的一項合作。
在最近發表在《應用光學》雜誌上的一篇新論文中，合作者描述了他們在一個安全的實驗室里將單一波長的光投射到COVID-19病毒樣品上的新穎系統。該實驗室被列為生物安全3級（BSL-3），旨在研究吸入後有可能致命的微生物。他們的實驗比迄今為止對引起COVID-19的病毒的任何其他研究測試了更多波長的紫外線和可見光。
該裝置的照片。左圖：包含激光到光纖耦合系統的盒子內部特寫。中間。BSL-3門外走廊上的激光系統。右圖。BSL-3裡面的實驗裝置特寫，包括放置SARS-CoV-2樣本的房間。資料來源：NIST
那麼，SARS-CoV-2有特殊弱點嗎？事實證明，沒什麼特別的。SARS-CoV-2病毒容易受到與其他病毒相同波長的紫外線的影響，比如那些導致流感的病毒。最有效的波長是222和280納米（nm）之間的”UVC”範圍內的波長。UVC光（全範圍從200到280納米）比導致晒傷的UVB波長（280到315納米）短。
科學家們還表明，病毒的周圍環境可以對病毒產生保護作用。在實驗中，將病毒放在純水中時，所需的紫外線劑量比放在模擬唾液中時要小，後者含有實際人類唾液中的鹽、蛋白質和其他物質。將病毒懸浮在模擬唾液中創造了一種類似於涉及打噴嚏和咳嗽的真實世界情景。這一細節可能使研究結果比以前的研究更具有直接信息性。
NBACC的Michael Schuit說：”我認為這項研究的一大貢獻是，我們能夠表明，我們在大多數研究中看到的那種理想化的結果並不總是能預測在有更現實的情況下會發生什麼。當你有像病毒周圍的模擬唾液這樣的物質時，這可能會降低紫外線凈化方法的功效。”
紫外線消毒設備的製造商和監管機構可以利用這些結果來幫助了解醫療機構、交通工具甚至液體的表面應該被照射多長時間以實現SARS-CoV-2病毒的滅活。
“現在有很大的推動力讓紫外線消毒進入商業氛圍，”NIST研究員Cameron Miller說。”長期而言，希望這項研究將導致測量滅活SARS-CoV-2和其他有害病毒所需的紫外線劑量的標準和其他方法。”
這個項目建立在NIST團隊與另一個合作者就滅活水中微生物所做的早期工作之上。
根據不同的波長，紫外光以不同的方式損害病原體。一些波長可以破壞微生物的RNA或DNA，使它們失去複製的能力。其他波長可以分解蛋白質，破壞病毒本身。
儘管人們知道紫外線的消毒能力已經有一百多年了，但在過去的十年裡，紫外線消毒研究出現了爆炸性增長。原因之一是，傳統的紫外線光源有時含有有毒物質，如汞。最近，使用無毒的LED燈作為紫外線光源已經減輕了其中的一些擔憂。
在這項研究中，NIST的合作者與NBACC的生物學家合作，他們的研究為諸如炭疽和埃博拉病毒等生物威脅的生物防衛計劃提供了參考。
“NBACC能夠做的是培養病毒，濃縮它，並去除其他一切，”米勒說。”我們試圖得到一個明確的信息，即我們需要多少光來滅活SARS-CoV-2病毒。”
在這項研究中，該小組在不同的懸浮液中測試了病毒。除了使用唾液模擬物，科學家們還把病毒放在水中，看看在一個”純凈”的環境中會發生什麼。他們將病毒懸浮液作為液體和鋼鐵表面的乾燥液滴進行了測試，這代表了感染者可能打噴嚏或咳嗽產生的其他物質。
NIST的工作是將激光的紫外線照射到樣品上。他們正在尋找殺死90%的病毒所需的劑量。
有了這個裝置，該合作項目能夠測量病毒對16種不同波長的反應，從紫外線的極低端，即222納米，一直到可見波長範圍的中間部分，即488納米。研究人員將更長的波長包括在內，因為一些藍光已被證明具有消毒特性。
在一個安全的實驗室里，將激光照射到樣品上並非易事。在BSL-3實驗室的研究人員穿戴磨砂服和帶呼吸器的頭罩。離開實驗室需要洗一個長長的澡，然後再換上便服。
昂貴的激光器這樣的設備也將不得不經歷一個相當嚴格的消毒程序。
“這有點像一扇單向的門，”米勒說。”從該實驗室出來的任何東西都必須經過焚燒、高壓滅菌[熱滅菌]，或用過氧化氫蒸汽進行化學消毒。因此，把我們價值12萬美元的激光器帶進去並不是我們想要使用的選擇。”
相反，NIST的研究人員設計了一個系統，將激光器和一些光學器件放在實驗室外的走廊里。他們通過一根4米長的光纜將光輸送到實驗室門下的密封處。負壓使空氣從走廊流向實驗室，並防止任何材料漏回實驗室。
研究人員的設置概覽。激光器被放置在實驗室外的一個走廊里。一根光纖將激光穿過門下的開口，進入放置SARS-CoV-2樣本的房間。
該激光器一次只產生一個波長，而且是完全可調的，因此研究人員可以產生他們喜歡的任何波長。但是，由於光的彎曲角度取決於它的波長，他們必須創建一個稜鏡系統，以改變光進入光纖的角度，使其正確排列。改變出口角度需要手動轉動他們創造的一個旋鈕來調整稜鏡的位置。他們試圖使這一切儘可能簡單，用最少的移動部件。
Schuit說：”NIST團隊想出的設備使我們能夠快速測試非常廣泛的不同波長，所有這些都是在非常受控和精確的波段。如果我們在沒有那個系統的情況下試圖做同樣數量的波長，我們將不得不調試一堆不同類型的設備，每個設備都會產生不同寬度的波段。它們會需要不同的配置，而且會有很多額外的變數。”
操縱光線需要鏡子和透鏡，但研究人員在設計時儘可能少使用，因為每一個都會導致紫外線強度的損失。
對於必須進入實驗室將光纖的光投射到病毒樣本上的材料，該團隊試圖使用廉價的部件。”我們3D打印了很多東西，”NIST物理學家Steve Grantham說，他和NIST的Thomas Larason是該團隊的關鍵成員。”所以，沒有什麼是真正昂貴的，如果我們不再使用它，也不是什麼大問題。”
甚至在激光區和實驗室內部之間的交流也很困難，因為人們不能隨意進出，所以他們採用了一個有線對講系統。
米勒說，儘管有這些挑戰，但該系統出乎意料地運作良好，特別是考慮到他們只有幾個月的時間來組裝它。”米勒說：”有幾個方面我們可能可以改進，但我認為我們的收穫將是最小的。
NIST團隊計劃將這一系統用於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。
米勒說：”當下一個病毒出現時，或者他們感興趣的任何病原體出現時，我們所要做的就是把激光系統滾到那裡，在那裡推一條光纖，他們會把它連接到他們的投影儀系統。所以現在我們已經為下一次做好了準備。”
這項工作部分由國土安全部科學技術局資助。