这些紫外线设备可以保持室内空气免受病毒侵害

爱德华·纳德尔在波士顿的钢琴酒吧演唱卡巴莱歌曲，这里通常是 airborne 疾病传播的理想场所。但纳德尔和他的听众受到远紫外线 (UV) 灯的保护，免受 COVID-19 大流行的影响，这些灯是他安装的，从天花板上照射下来。

远紫外线是一种新兴的紫外线 (GUV) 杀菌照射形式，这是一种成熟的消毒技术，并且是在对抗 SARS-CoV-2 病毒以及其他可以在封闭空间内通过空气轻松传播的病原体的战斗中日益增长的资源。

室内空气安全始于通风，但通常不能止步于此，纳德尔说，他是一位医生，也是马萨诸塞州波士顿哈佛大学陈曾熙公共卫生学院的空气传播感染研究员。他解释说，更换房间空气的通风系统很少强大到足以完全防止冠状病毒和其他容易感染的疾病。

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积极尝试清洁房间空气的系统，例如使用高效空气微粒 (HEPA) 过滤器的系统，可以更有效地去除有害颗粒。但是它们的安装和操作成本昂贵，通常很吵，并且覆盖范围有限——可能需要多个设备才能覆盖一个房间。“这就是紫外线空气消毒的用武之地，”马里兰大学公共卫生学院环境健康研究员唐纳德·米尔顿在大学公园分校说道。

米尔顿说，使用 GUV 光，“您可以以相对较小的空气流动获得非常高的空气消毒率”。“而使用最新技术，也许您甚至不必担心空气流动，因为现在有更安全使用的波长，您可以在整个房间内使用 GUV。” 米尔顿说，在学校、医院和餐馆等疾病容易传播的拥挤空间中，GUV 可以在不知不觉中运行，“甚至在您知道自己有问题之前”。“这对于控制这些事情真的至关重要。”

瞄准细菌

传统的 GUV 系统使用汞蒸气灯，这种灯通过电流通过汽化的汞产生光，类似于传统的荧光灯泡。灯泡在 UVC 波段发射辐射，波长约为 254 纳米。UVC 辐射被大气层过滤，因此地球上的生命并没有进化到能够承受它。辐射会造成光化学损伤，从而破坏核酸——使致病病毒和细菌失活，尽管不一定杀死它们。

这些灯被广泛用于消毒水、清洁水果和蔬菜，以及消毒手术室等空间中的表面。但是，由于该波长会损害人眼和皮肤，因此这些系统的光线会远离人群。但这并不意味着它不能部署在公共场所。几十年前开发的一种巧妙方法，称为上层房间 GUV，将灯放置在房间的高处，并利用上升气流使病原体在远离人群的地方失活。

宾夕法尼亚州立大学大学公园分校的建筑工程师威廉·班夫莱特说，这项技术效果很好，他专注于室内空气质量。在房间里，空气从人、设备和现有通风口上升，通过灯的辐射区域，然后循环回到有人 ocupied 的空间。

尽管没有普遍接受和强制执行的室内空气质量标准，但目标通常以房间内的空气量每小时更换多少次来表示。例如，美国医院检查室的建议是每小时换气六次。班夫莱特说，这对通风系统来说是一个挑战，通常需要大量能源。然而，上层房间 GUV 系统可以轻松达到相当于通风系统两到三倍的空气交换水平，以达到消毒目的，同时使用的能源远低于通风系统。“除了医院或特殊设施外，几乎不可能实现每小时换气六次，”纳德尔说。“GUV 是唯一一种为您提供如此高水平的等效换气次数的方法，因为您可以一次消毒如此大量的空气。”

在科罗拉多大学博尔德分校的机械工程师和室内空气质量专家雪莱·米勒进行的一项未发表的研究中，该研究在包括办公室、酒店和学校在内的各种建筑物中应用了通风、过滤、紫外线和口罩佩戴的各种组合，“唯一一种通常将风险降至合理可接受水平的技术是紫外线”，米勒说。“对我来说，这表明紫外线是一种非常强大的空气清洁工具，但我们却对其视而不见。”

驾驭较短波长

上层房间 GUV 在学校和医院中得到了广泛采用，这得益于 1930 年代后期和 1940 年代由当时在费城宾夕法尼亚大学的生物学家威廉·威尔斯领导的研究¹ 。威尔斯和他的同事表明，上层房间 GUV 大大减少了费城郊区学校麻疹的传播。尽管上层房间 GUV 仍用于许多肺结核病房，但随着疫苗等更有效的干预措施的出现，它的使用有所下降。

即使上层房间 GUV 的传统 UVC 光有效，但它从根本上受到使其远离人群的要求的限制。只有当空气循环到房间顶部并经过 GUV 光时，空气才会被清洁，这为病原体跳到新的宿主提供了机会。较短的波长可能有助于克服这一限制。

这是因为波长低于 254 nm 的光线几乎不能很好地穿透组织，纽约市哥伦比亚大学放射研究专家物理学家大卫·布伦纳说。波长为 222 nm 的远紫外线无法到达皮肤表面死细胞层或眼睛表面泪膜之外。由于细菌和病毒比这些层小得多，布伦纳和他的同事推断，远紫外线辐射可以破坏病原体，而不会损害皮肤和眼睛。科学家们使用含有氯化氪气体的灯测试了他们的假设，氯化氪气体分子在电激发下主要在 222 nm 范围内释放 UVC 辐射。

哥伦比亚大学团队最初旨在改善手术室的消毒效果，他们意识到远紫外线辐射也可能减少空气传播的病毒传播。在 2018 年的一项研究中，研究人员表明，当空气中的流感病毒飘过低功率远紫外线灯²时，超过 95% 的流感病毒被灭活。布伦纳的研究小组已经表明，3D 人体皮肤模型和 mice 中的细胞基本上不受这种低剂量³的影响，其他研究人员在 rats 中没有发现 222 nm 辐射造成眼睛损伤的证据⁴。

当 COVID-19 爆发时，哥伦比亚大学的科学家们对类似于 SARS-CoV-2 的冠状病毒株进行了类似的实验，再次取得了良好的结果⁵。为了扩大他们的测试规模，研究人员随后与英国的科学家合作，其中包括利兹大学的一个团队，该团队可以使用一个旨在容纳病原体的房间大小的测试室。

房间大小的实验使用了悬浮在空气中的金黄色葡萄球菌细菌。英国邓迪大学医学物理学家、一篇概述该团队研究结果的论文⁶ 的主要作者伊万·伊迪说，这种微生物相对容易分析，并且预计比冠状病毒更能抵抗紫外线辐射。“我们真的不知道最终会得到什么结果，”他说。

结果非常出色。“我们房间内病原体的水平确实迅速降低，”布伦纳说。“我们的等效换气次数真的很大，远超每小时 100 次等效换气次数。”

在安全性方面，布伦纳和同事在 5 月份报告说，他们已将无毛 mice 暴露于辐射下 66 周，而没有检测到任何皮肤癌⁷。他们即将进行的研究将侧重于眼睛的风险，并进一步研究 222 nm 辐射如何损害病原体的机制。

尽管远紫外线消毒的实验室测试前景光明，但关于该技术在医院、学校和餐馆等繁忙的公共室内空间中的转化效果如何，仍存在疑问。“实验室的条件非常无菌清洁，”伊迪说。“我想看到一些真实世界的数据。”

加拿大新斯科舍省正在进行一项真实世界的临床试验，该试验正在检查远紫外线在疗养院中的使用情况，在疗养院中，很难阻止空气传播疾病的传播。这项对照研究将跟踪 200 名居民中 COVID-19 和其他呼吸道病毒感染的发生率，其中一半居民将使用配备远紫外线灯的公共区域。另一半将使用安慰剂灯，外观相同，但没有远紫外线输出。该试验于 2021 年 10 月开始，预计结果将于 2023 年初公布。

与此同时，纳德尔已开始使用南非埃马拉赫莱尼的一个空气传播感染研究机构来研究 COVID-19。该机构最初旨在分析肺结核感染，其中包括一个三床病房，病房的空气被转移到容纳容易感染所研究疾病的动物的暴露室——在本例中为仓鼠。“仓鼠是 COVID 的首选实验动物，”纳德尔说。该机构将通过监测仓鼠的疾病迹象来测试远紫外线辐射与上层房间 GUV 系统的功效。

但公司并没有等待同行评审的研究。远紫外线灯具已经上市，并在世界各地安装——不仅在建筑物中，还在公共汽车和其他感染热点地区。有些设备甚至以家用为目的进行销售，尽管布伦纳警告消费者要谨慎行事——提供错误波长的设备可能会造成损害。

尽管灯具的成本差异很大，但纳德尔表示，由专业人员安装的灯具的零售价大约为 2,000 美元，如果灯具持续运行，预计寿命约为 15 个月。人们希望基于发光二极管 (LED) 的远紫外线灯最终将为目前正在使用的气体放电灯提供更便宜且寿命更长的替代品，但原型 LED 远紫外线灯目前仅限于不切实际的低功率水平，伊迪说。

与此同时，纳德尔说，在他表演的钢琴酒吧里，远紫外线灯提供了相当于每小时 35 次换气的效果，可能使其成为地球上最安全的歌唱场所之一。当他邀请布伦纳和他的同事去酒吧时，他们享受了一个没有口罩的卡巴莱之夜，希望他们能受到照射在他们身上的隐形光的保护。“我当时非常紧张，并在接下来的一周里做了很多很多 COVID 检测，但我没事，”布伦纳说。

本文是自然展望：大流行病防范的一部分，这是一份编辑上独立的增刊，由第三方提供财政支持。 关于此内容。

参考文献

1. Reed, N. G. 公共卫生报告 125, 15–27 (2010).

2. Welch, D. et al. 科学报告 8, 2752 (2018).

3. Buonanno, M. et al. 辐射研究 187, 493–501 (2017).

4. Kaidzu, S. et al. 自由基研究 53, 611–617 (2019).

5. Buonanno, M., Welch, D., Shuryak, I. & Brenner, D. J. 科学报告 10, 10285 (2020).

6. Eadie, E. et al. 科学报告 12, 4373 (2022).

7. Welch, D. et al. 光化学与光生物学。https://doi.org/10.1111/php.13656 (2022).