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前几天主编摸鱼的时候偶然上了这样的热搜。
图片|微博
在感叹祖国日益强大的同时,主编也难免怀疑光能制造疫苗。这是什么高端黑科技?
据说好奇心杀死猫是人类进步的源泉,今天主编本着物理学家寻根精神,很好地解释了所谓的“黑科技”。
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 | 参考文献 [7]
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……
“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 | 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。
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 | 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结构会因紫外线辐照而被破坏 | Pixabay
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。
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。
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。
紫外线灯丨 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。
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 | 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 | 参考资料[5]
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 | 参考资料[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!
是不是没有想到一个小小的消毒仪居然隐藏了如此丰富的知识?
小编也从中悟出了一个道理:摸鱼+思考,收获少不了
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?
[7]
作者:Eric
编辑:Eric
本文经授权转载自公众号中科院物理所
来源: 中科院物理所