愛德華·納德爾在波士頓的鋼琴酒吧演唱卡巴萊歌曲，這裡通常是 airborne 疾病傳播的理想場所。但納德爾和他的聽眾受到遠紫外線 (UV) 燈的保護，免受 COVID-19 大流行的影響，這些燈是他安裝的，從天花板上照射下來。
遠紫外線是一種新興的紫外線 (GUV) 殺菌照射形式，這是一種成熟的消毒技術，並且是在對抗 SARS-CoV-2 病毒以及其他可以在封閉空間內透過空氣輕鬆傳播的病原體的戰鬥中日益增長的資源。
室內空氣安全始於通風，但通常不能止步於此，納德爾說，他是一位醫生，也是馬薩諸塞州波士頓哈佛大學陳曾熙公共衛生學院的空氣傳播感染研究員。他解釋說，更換房間空氣的通風系統很少強大到足以完全防止冠狀病毒和其他容易感染的疾病。
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積極嘗試清潔房間空氣的系統，例如使用高效空氣微粒 (HEPA) 過濾器的系統，可以更有效地去除有害顆粒。但是它們的安裝和操作成本昂貴，通常很吵，並且覆蓋範圍有限——可能需要多個裝置才能覆蓋一個房間。“這就是紫外線空氣消毒的用武之地，”馬里蘭大學公共衛生學院環境健康研究員唐納德·米爾頓在大學公園分校說道。
米爾頓說，使用 GUV 光，“您可以以相對較小的空氣流動獲得非常高的空氣消毒率”。“而使用最新技術，也許您甚至不必擔心空氣流動，因為現在有更安全使用的波長，您可以在整個房間內使用 GUV。” 米爾頓說，在學校、醫院和餐館等疾病容易傳播的擁擠空間中，GUV 可以在不知不覺中執行，“甚至在您知道自己有問題之前”。“這對於控制這些事情真的至關重要。”
瞄準細菌
傳統的 GUV 系統使用汞蒸氣燈，這種燈透過電流透過汽化的汞產生光，類似於傳統的熒光燈泡。燈泡在 UVC 波段發射輻射，波長約為 254 奈米。UVC 輻射被大氣層過濾，因此地球上的生命並沒有進化到能夠承受它。輻射會造成光化學損傷，從而破壞核酸——使致病病毒和細菌失活，儘管不一定殺死它們。
這些燈被廣泛用於消毒水、清潔水果和蔬菜，以及消毒手術室等空間中的表面。但是，由於該波長會損害人眼和皮膚，因此這些系統的光線會遠離人群。但這並不意味著它不能部署在公共場所。幾十年前開發的一種巧妙方法，稱為上層房間 GUV，將燈放置在房間的高處，並利用上升氣流使病原體在遠離人群的地方失活。
賓夕法尼亞州立大學大學公園分校的建築工程師威廉·班夫萊特說，這項技術效果很好，他專注於室內空氣質量。在房間裡，空氣從人、裝置和現有通風口上升，透過燈的輻射區域，然後迴圈回到有人 ocupied 的空間。
儘管沒有普遍接受和強制執行的室內空氣質量標準，但目標通常以房間內的空氣量每小時更換多少次來表示。例如，美國醫院檢查室的建議是每小時換氣六次。班夫萊特說，這對通風系統來說是一個挑戰，通常需要大量能源。然而，上層房間 GUV 系統可以輕鬆達到相當於通風系統兩到三倍的空氣交換水平，以達到消毒目的，同時使用的能源遠低於通風系統。“除了醫院或特殊設施外，幾乎不可能實現每小時換氣六次，”納德爾說。“GUV 是唯一一種為您提供如此高水平的等效換氣次數的方法，因為您可以一次消毒如此大量的空氣。”
在科羅拉多大學博爾德分校的機械工程師和室內空氣質量專家雪萊·米勒進行的一項未發表的研究中，該研究在包括辦公室、酒店和學校在內的各種建築物中應用了通風、過濾、紫外線和口罩佩戴的各種組合，“唯一一種通常將風險降至合理可接受水平的技術是紫外線”，米勒說。“對我來說，這表明紫外線是一種非常強大的空氣清潔工具，但我們卻對其視而不見。”
駕馭較短波長
上層房間 GUV 在學校和醫院中得到了廣泛採用，這得益於 1930 年代後期和 1940 年代由當時在費城賓夕法尼亞大學的生物學家威廉·威爾斯領導的研究1 。威爾斯和他的同事表明，上層房間 GUV 大大減少了費城郊區學校麻疹的傳播。儘管上層房間 GUV 仍用於許多肺結核病房，但隨著疫苗等更有效的干預措施的出現，它的使用有所下降。
即使上層房間 GUV 的傳統 UVC 光有效，但它從根本上受到使其遠離人群的要求的限制。只有當空氣迴圈到房間頂部並經過 GUV 光時，空氣才會被清潔，這為病原體跳到新的宿主提供了機會。較短的波長可能有助於克服這一限制。
氪氯準分子燈。圖片來源：Ewan Eadie
這是因為波長低於 254 nm 的光線幾乎不能很好地穿透組織，紐約市哥倫比亞大學放射研究專家物理學家大衛·布倫納說。波長為 222 nm 的遠紫外線無法到達皮膚表面死細胞層或眼睛表面淚膜之外。由於細菌和病毒比這些層小得多，布倫納和他的同事推斷，遠紫外線輻射可以破壞病原體，而不會損害皮膚和眼睛。科學家們使用含有氯化氪氣體的燈測試了他們的假設，氯化氪氣體分子在電激發下主要在 222 nm 範圍內釋放 UVC 輻射。
哥倫比亞大學團隊最初旨在改善手術室的消毒效果，他們意識到遠紫外線輻射也可能減少空氣傳播的病毒傳播。在 2018 年的一項研究中，研究人員表明，當空氣中的流感病毒飄過低功率遠紫外線燈2時，超過 95% 的流感病毒被滅活。布倫納的研究小組已經表明，3D 人體皮膚模型和 mice 中的細胞基本上不受這種低劑量3的影響，其他研究人員在 rats 中沒有發現 222 nm 輻射造成眼睛損傷的證據4。
當 COVID-19 爆發時，哥倫比亞大學的科學家們對類似於 SARS-CoV-2 的冠狀病毒株進行了類似的實驗，再次取得了良好的結果5。為了擴大他們的測試規模，研究人員隨後與英國的科學家合作，其中包括利茲大學的一個團隊，該團隊可以使用一個旨在容納病原體的房間大小的測試室。
房間大小的實驗使用了懸浮在空氣中的金黃色葡萄球菌細菌。英國鄧迪大學醫學物理學家、一篇概述該團隊研究結果的論文6 的主要作者伊萬·伊迪說，這種微生物相對容易分析，並且預計比冠狀病毒更能抵抗紫外線輻射。“我們真的不知道最終會得到什麼結果，”他說。
結果非常出色。“我們房間內病原體的水平確實迅速降低，”布倫納說。“我們的等效換氣次數真的很大，遠超每小時 100 次等效換氣次數。”
在安全性方面，布倫納和同事在 5 月份報告說，他們已將無毛 mice 暴露於輻射下 66 周，而沒有檢測到任何皮膚癌7。他們即將進行的研究將側重於眼睛的風險，並進一步研究 222 nm 輻射如何損害病原體的機制。
儘管遠紫外線消毒的實驗室測試前景光明，但關於該技術在醫院、學校和餐館等繁忙的公共室內空間中的轉化效果如何，仍存在疑問。“實驗室的條件非常無菌清潔，”伊迪說。“我想看到一些真實世界的資料。”
加拿大新斯科舍省正在進行一項真實世界的臨床試驗，該試驗正在檢查遠紫外線在療養院中的使用情況，在療養院中，很難阻止空氣傳播疾病的傳播。這項對照研究將跟蹤 200 名居民中 COVID-19 和其他呼吸道病毒感染的發生率，其中一半居民將使用配備遠紫外線燈的公共區域。另一半將使用安慰劑燈，外觀相同，但沒有遠紫外線輸出。該試驗於 2021 年 10 月開始，預計結果將於 2023 年初公佈。
與此同時，納德爾已開始使用南非埃馬拉赫萊尼的一個空氣傳播感染研究機構來研究 COVID-19。該機構最初旨在分析肺結核感染，其中包括一個三床病房，病房的空氣被轉移到容納容易感染所研究疾病的動物的暴露室——在本例中為倉鼠。“倉鼠是 COVID 的首選實驗動物，”納德爾說。該機構將透過監測倉鼠的疾病跡象來測試遠紫外線輻射與上層房間 GUV 系統的功效。
但公司並沒有等待同行評審的研究。遠紫外線燈具已經上市，並在世界各地安裝——不僅在建築物中，還在公共汽車和其他感染熱點地區。有些裝置甚至以家用為目的進行銷售，儘管布倫納警告消費者要謹慎行事——提供錯誤波長的裝置可能會造成損害。
儘管燈具的成本差異很大，但納德爾表示，由專業人員安裝的燈具的零售價大約為 2,000 美元，如果燈具持續執行，預計壽命約為 15 個月。人們希望基於發光二極體 (LED) 的遠紫外線燈最終將為目前正在使用的氣體放電燈提供更便宜且壽命更長的替代品，但原型 LED 遠紫外線燈目前僅限於不切實際的低功率水平，伊迪說。
與此同時，納德爾說，在他表演的鋼琴酒吧裡，遠紫外線燈提供了相當於每小時 35 次換氣的效果，可能使其成為地球上最安全的歌唱場所之一。當他邀請布倫納和他的同事去酒吧時，他們享受了一個沒有口罩的卡巴萊之夜，希望他們能受到照射在他們身上的隱形光的保護。“我當時非常緊張，並在接下來的一週裡做了很多很多 COVID 檢測，但我沒事，”布倫納說。
本文是自然展望：大流行病防範的一部分，這是一份編輯上獨立的增刊，由第三方提供財政支援。 關於此內容。
參考文獻
Reed, N. G. 公共衛生報告 125, 15–27 (2010).
Welch, D. et al. 科學報告 8, 2752 (2018).
Buonanno, M. et al. 輻射研究 187, 493–501 (2017).
Kaidzu, S. et al. 自由基研究 53, 611–617 (2019).
Buonanno, M., Welch, D., Shuryak, I. & Brenner, D. J. 科學報告 10, 10285 (2020).
Eadie, E. et al. 科學報告 12, 4373 (2022).
Welch, D. et al. 光化學與光生物學。https://doi.org/10.1111/php.13656 (2022).