你可能想不到，紫外线其实也有温柔的一面……

　　来源：中科院物理所

　　前几天小编在摸鱼时偶然刷到了这样一条热搜：

　　在感叹祖国日益强大的同时，小编也不免疑惑：光还能制成疫苗？这是什么高端的黑科技？

　　都说好奇心害死猫是人类进步的源泉，今天小编就本着物理人寻根问底的精神，来给大家好好解读一下这款所谓的“黑科技”。

　　Part.1   人体安全消毒仪

　　热搜中所述的“光疫苗”，其实是一款能发出222 nm特定波长紫外线的消毒仪。据报道它能针对病毒细菌等微生物，尤其是新型冠状病毒，实现99.99%的杀菌效果。

　人体安全消毒仪

　　看到这里小编不禁吐槽：不就是紫外线消毒仪嘛，和疫苗混为一谈真的好吗？

　　疫苗（以灭活疫苗为例）是将病原微生物灭活后保留全微生物体注射进入人体，促使人体产生针对该病原体的抗体，是一种获得性免疫。

　　而紫外线消毒是体外细菌病毒消杀，和疫苗的原理完全不一样好伐。

　　不过对比我们日常使用的紫外线消毒产品，这款消毒仪还是有其先进之处的。

　　平常我们用来消毒的紫外线灯，发出的紫外线波长约为253.7 nm，而且消毒过程中需要人远离光源才行。

　　而这款消毒仪发出的222 nm紫外线，可以做到开启后人无需离开‍‍‍‍‍，实现了“人机共存，实时消毒”。

　　为什么这款消毒仪能具备这样的特异功能？这还得从紫外线本身开始说起……

　　Part.2　“紫外线”本线

　　紫外线（Ultraviolet，简称UV）大家都不陌生，它是波长在10 - 400 nm之间的电磁波，太阳光中就含有部分紫外线。

　　电磁波谱 | 图源：wikipedia

　　生活中我们常把紫外线分为UVA、UVB和UVC三类。

　　UVA为波长介于320 - 400 nm的紫外线，太阳光中的UVA可穿透大气层，甚至到达皮肤的真皮层，造成晒黑，所以朋友们平时出门一定要做好防晒……

　　UVB为波长介于280 - 320 nm的紫外线，可到达皮肤表层，引发晒伤。太阳光中的大部分UVB会被臭氧层吸收，故只有很少的一部分UVB能到达地球表面。

　　UVC为波长介于100 - 280 nm的紫外线，此范围的紫外线能量较高，具有一定的危险性，所幸臭氧层可以帮助我们完全阻隔UVC。可见臭氧层的重要性……

　紫外线渗透到皮肤的各个层次 | 图源：参考资料[2]

　　除了此外，我们还将波长介于10 - 200 nm的紫外线称为“真空紫外线”，由于其会被空气中的氧强烈地吸收。所以这种紫外线只有在无氧状态下才能使用，应用于一些特殊的工艺上。

　　Part.3　　日常の紫外线消毒

　　日常生活中我们使用的紫外线灯大多是普通直管热阴极低压汞灯，通电后可以产生足够强度的波长为253.7 nm的紫外线，在进行了一定时长的辐照后，就能达到99 - 99.9%的消杀效果。

　　那紫外线是如何起到消杀作用的呢？为什么偏偏要用253.7 nm的紫外线呢？

　　科学家通过大量实验发现，细菌病毒体内的DNA / RNA会吸收部分UVC波段的紫外线。从下图中不难看出，在260 nm附近吸收最为强烈。

　　DNA / RNA对紫外线的吸收 | 图源：参考资料[3]

　　大量吸收紫外线的DNA / RNA，其螺旋结构就会被破坏，从而使机体的新陈代谢机能出现障碍，同时会丧失遗传能力。当辐照强度和时间都充足时，细菌病毒就会失活。

DNA结构因紫外线辐照而被破坏

　　因此，只要光源满足：

　　能发出波长在260 nm附近的紫外线

　　光强足够强

　　所用材料成本低，制造方便

　　就可以很方便地应用于日常生活杀菌消毒。

　　综合比较之后，低压汞灯担起了这个重任，因为其能发射强度较大的波长为253.7 nm（满足在260 nm附近）的紫外线，同时汞的使用成本低，且低压汞灯的制造相对简单。

　低压汞灯发射光谱，253.7nm为一个较强的特征峰

　　这里顺便解释一下为什么紫外线是不可见光，但我们却能看到紫外线灯发出的光。

　　正如上面这张光谱图所示，低压汞灯在通电后，紫外波段和可见光波段中的蓝光、紫光都会被激发，所以其在发出紫外线的同时，也会同时发出一些波长的蓝光和紫光，于是就形成了下面的图景。

　　需要注意的是，253.7 nm的紫外线能量较高，而且可透进皮肤，如果人体长时间暴露于紫外线灯下，皮肤、眼睛都会受到伤害，轻则电光性眼炎、皮肤灼伤，重则白内障、皮肤癌。所以紫外线灯开启时，人一定要到紫外线灯照不到的地方等待。

　　Part.4　　222 nm呢

　　人与开启的紫外线灯不可兼得，这可能是紫外线消毒法一个比较大的缺憾。

　　那有没有办法弥补这个缺憾呢？哎，今天的主角终于要登场了。

　　文章开头处我们说到，222 nm的紫外线能够起到杀菌消毒作用而基本不对人体产生伤害。这是怎么做到的呢？

　　222 nm紫外线让细菌病毒失活的原理和253.7 nm是一样的，只不过换了个波段而已。

　　在前面讲DNA / RNA对紫外线的吸收时，我们可以从吸收光谱中看到，除了260 nm附近的区域，在220 nm附近，也有一个吸收度上升的趋势。

　　虽然没有260 nm那里那么高，但如果给予足够的光强和辐照时长，按道理也是能起到消杀效果的。

　　科学家通过对比实验，测试了253.7 nm和222 nm紫外线消杀能力。

　　两种紫外线的消杀能力对比 | 图源：参考资料[5]

　　可以发现两种紫外线的消杀能力几乎不相上下，在低强度时222 nm甚至超越 253.7 nm。

　　那222 nm是怎么做到对人体基本无害的呢？明明波长更短能量更高了呀？

　　这就不能单从能量的角度去考虑了，还要考虑波长变短后紫外线穿透能力的变化。

　　从前面UVA、UVB、UVC的介绍里我们可以看出，当紫外线的波长变短时，其穿透能力也在减弱。

　　所以222 nm的紫外线相比254 nm的紫外线在皮肤中的穿透深度就浅了许多，对人体的伤害自然就小了。

　　科学家们通过对比实验，让一部分雄性无毛小鼠暴露于222 nm的紫外线中，一部分暴露于253.7 nm的紫外线中，一部分不暴露，保证紫外线光强和辐照时间一致，在暴露结束48小时后观察其皮肤发生的变化。

三组小鼠经历辐照后皮肤的变化 |

　　可以发现经历222 nm紫外线辐照几乎与无辐照没区别，而253.7 nm的辐照让皮肤受损严重。

　　那222 nm的紫外线是如何产生的呢？这里选用氯化氪（KrCl）作为光源，同时为了过滤其余波长的光，单独发出222 nm这一个波长，还会搭配使用滤波片。

 

　　未使用和使用滤波片的氯化氪光谱 | 图源：参考资料[5]

 

　　Part.5　　 能实现民用吗？

　　既然这个222 nm的消毒仪如此强大，那在如今疫情防控常态化的大背景下，能否能实现民用呢？

　　据报道，除了此次东京奥运会，某些地区的一些医院也已经安排上了，而且反响强烈。

　　因为222 nm的紫外线可用于有人的场景，对于人员密度高、人流量大的场所，以及医院（尤其发热门诊）这样的高风险场所具有特别的优势。

　　不过由于光只能沿直线传播，所以在光照不到的地方，消杀效果会比较有限，这也是紫外线消毒法的一个短板。

　　目前研究人员正在积极研发尽可能克服短板、并且能应用于更多场景下的民用消毒仪。相信未来的某一天，升级版的消毒仪会走进寻常百姓家，为抗疫做出更大的贡献！

　　参考文献：

　　[1] 紫外线 - 维基百科

　　[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，姜伟。紫外线杀菌的原理和最新应用[J]。中国照明电器，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”保障中国奥运代表团零感染？距离民用还有多远？