在我们的日常生活中，我们都有意无意地使用了紫外线杀菌。最常见的例子是烘干被子。有专家认为，随着天气变暖，新冠病毒可能会自然消失，部分是基于紫外线杀菌的原理。那么紫外线真的能杀死病毒吗？事实上，除了紫外线之外，可见光和红外线也具有强大的杀菌能力。那么，这些光如何杀死细菌、真菌和病毒等病原体呢？这些光介导灭菌技术可以应用在哪些场景？
撰写者 |徐莹
近年来，研究人员开发了一系列光介导灭菌技术，可用于日常生活中的各种场景，也可用于灭活病毒制备疫苗，还可以直接用于伤口治疗。根据先前的研究[1]，这些技术可以针对细菌、真菌和病毒等多种类型的生物武器。因此，这些技术也应该在目前各国肆虐的新型冠状病毒的防治中发挥重要作用。
与化学消毒剂、杀菌剂和抗感染剂相比，光具有许多优点：
这里我们介绍几种光介导的灭菌方法，希望对新型冠状病毒的防治有所启发。
不同波长的光及其影响
首先，我们通常所说的光有哪些“成分”？其中哪些对人体有害，哪些如果使用得当有利于杀菌、消毒等任务？
光可以根据其波长范围以及与物质相互作用时是否能产生电离效应来分类。按照波长由大到小的顺序，可分为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。波长越短，频率越高，能量越大。由于光的电磁特性，它与物质相互作用时会引起各种现象。例如，波长小于100纳米的光波在与物质相互作用时会引起物质原子的电离；随着波长的增加，光波所携带的能量虽然不足以引起电离，但可以激发电子，使物质处于高能量。状态并诱导其分子结构的变化。
图1：电磁波谱及其对各种微生物的生理效应
由于基于紫外线、可见光和红外线的灭菌技术在日常生活、科研和医疗中有着广泛的应用，这里我们主要关注这几个方面。
一、紫外线杀菌原理及应用
紫外线（UV）的波长范围介于X射线（≤100 nm）和可见光（>400 nm）之间，大约在100-400 nm范围内。根据紫外线与分子的相互作用，可分为四种类型。这些类型的紫外线对物质具有不同的生理作用。
·真空紫外线（UV、VUV）
波长范围为100-200纳米。在低剂量下，它还能立即与氧原子和有机分子发生反应，使其有害。
·超短紫外UVC
波长范围在 200-280 纳米之间的光。 UVC可以被大气完全吸收，自然的UVC射线不会到达地球表面。位于该波段的紫外线具有杀菌作用。人们通常所说的“紫外线杀菌”中的有效“成分”指的是UVC[2]，它可以通过人造光源（如UVC LED或汞灯）获得。
UVC的穿透能力较弱，大部分会被人体皮肤的角质层和表皮吸收。只有极小部分会触及真皮。紫外线只有影响真皮时才会引起皮肤细胞癌，因此一般认为UVC对人体皮肤影响不大（婴儿和对UVC过敏的人除外）。然而，由于眼睛没有角质层的保护，UVC对人眼有害。因此，在使用UVC对房间进行消毒时，人员应尽量不要进入其中。如果必须进入，必须佩戴专用防护眼镜和防护服。
·远紫外线UVB
波长范围在 280-315 纳米之间的光。该波段的光会导致皮肤“晒伤”，并与光致癌和光老化有关。涂抹防晒霜的主要目的是对抗它。
·近紫外UVA
波长范围在 315-400 纳米之间的光。其中，波长较短的UVA（315-340纳米，UVA1）也会对皮肤产生有害影响，因为它会产生活性氧。穿透力强，能穿透大部分透明玻璃和塑料。它还可以直达皮肤真皮层，破坏弹力纤维和胶原纤维，使皮肤晒黑。
在各种波段的紫外线中，只有超短紫外线（UVC）具有杀菌消毒的作用。当细菌、病毒等微生物受到超短紫外线照射时，波长为254纳米的超短紫外线可以被这些微生物核酸中的嘧啶和嘌呤吸收，促使核酸产生一些轻产物通过碱基二聚化。从而破坏微生物细胞内脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的分子结构。当DNA受损时，核酸就难以复制，即使复制确实发生，它通常也会存在阻碍细菌生存的缺陷。另外，用多波长超短紫外线照射微生物时，超短紫外线还可能影响芳香族氨基酸，从而影响蛋白质的结构和功能，使细菌无法生存。
超短紫外线是一种经过验证的消毒方法，可用于杀死多种病原体，包括引起炭疽、天花、病毒性出血热、肺鼠疫、黑死病、兔热病、耐药结核病、流感大流行和严重疾病的潜在生物恐怖制剂例如急性呼吸道综合症。
由于其对微生物具有杀菌作用，紫外线的应用也已扩展到食品加工业、污水净化、通风和空调系统消毒、房间和表面消毒等。它还用于杀灭人类传播的病原体通过水。 （细菌、病毒和原生动物）。
在食品加工领域，紫外线在鲜切果蔬表面消毒方面显示出巨大潜力。它可以减缓水果和蔬菜的变质速度，延长其储存寿命，并成为二氧化钛（TiO2，数字2是下标）和氯等化学杀菌剂的有效替代品。
紫外线灯能有效对抗各种微生物，不产生化学残留物或其他副产物，不影响水质，因此也可用于污水处理。还有公司在水龙头和饮水机上安装紫外线灯。
紫外线的另一个重要用途是空气消毒。多种真菌、细菌和病毒病原体可能通过空气中的飞沫传播，如结核分枝杆菌、流感病毒、SARS冠状病毒、曲霉菌和其他军团菌。紫外线灯照射30分钟，可有效降低空气中微生物的风险。专注。因此，除了外科手术室和微生物实验室广泛使用的紫外线灯外，在空气处理机组和通风系统中安装超短紫外线灯也可以降低室内空气中空气传播的细菌、真菌和病毒的浓度。
外科手术室空气消毒的初步成功，刺激了超短紫外线在医院的推广应用。例如，在婴儿病房和新生儿重症监护室安装超短紫外线灯可以预防呼吸道感染；超短紫外线还可用于减少气管内微生物的定植，治疗呼吸道相关肺炎。
一旦了解了紫外线杀死细菌、病毒和真菌等微生物的潜力，人们对提高其利用率的兴趣就越来越浓厚。但实际上，紫外线杀菌在对付细菌时有两个缺陷：
首先，紫外线不仅影响细菌，还会对哺乳动物细胞产生不良影响。
二是细菌孢子对紫外线的抵抗力很强，这在一定程度上令人担忧。例如，枯草芽孢杆菌和其他芽孢杆菌属物种的休眠孢子对紫外线辐射的抵抗力比相应的生长细胞高 5 至 50 倍。
孢子之所以具有如此顽强的抵抗力，主要得益于孢子中一种独特的DNA修复酶，称为孢子光产物裂合酶（spore lyase，SP lyase）。在内生孢子萌发过程中，SP裂解酶可以特异性修复紫外线引起的DNA损伤。细菌孢子对热、电离、紫外线和伽马辐射、渗透压和干燥等物理损伤具有极强的抵抗力。孢子还可以保护细菌免受化学和生物消毒剂的侵害，例如碘、过氧化物和烷化剂。因此，即使是粗暴的物理、化学等方法也无法去除细菌芽孢。
俗话说，野火不熄，春风吹又生。因此，迫切需要开发其他更有效的灭菌方法。
2、光催化杀菌技术
紫外线中的超短紫外线UVC可以直接作用于各种病原体并将其杀死，而不会对身体造成伤害。近紫外线UVA不具有杀菌作用，对人体有一定的有害作用。然而，当紫外线中的近紫外UVA与一些可以光催化的介质（如二氧化钛和补骨脂素）结合使用时，可以产生意想不到的效果。
(1)光触媒杀菌技术
二氧化钛是一种化学性质稳定的惰性物质，在光照条件下能持续发挥抗菌作用。它具有三种主要晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。研究表明，锐钛矿是最有效的光催化剂，而金红石的活性较差。令人惊奇的是，锐钛矿酶和金红石的混合物，或者当锐钛矿酶掺杂有金属例如硫、阴离子或银时，是比100％锐钛矿酶更有效的光催化剂。而且对病毒的灭活效果也较好。此外，与块状二氧化钛材料相比，纳米二氧化钛具有更好的灭活病原体的性能。研究人员将以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料称为光催化剂。
当近紫外 UVA 照射二氧化钛时，入射光子会激活活性氧的产生。二氧化钛的光催化表面与细胞壁直接接触，对细胞壁造成氧化损伤。最初遭受氧化损伤的细胞仍然存活；然而，局部细胞壁损失使得这些细胞的细胞质膜也容易受到氧化损伤。结果，光催化逐渐增加细胞渗透性，最终导致细胞内容物外流。 ，导致细胞死亡。此外，二氧化钛似乎能够进入膜受损的细胞，对细胞内成分造成直接损伤，从而加速细胞死亡。
图2：光催化机理
光触媒灭菌技术对多种微生物具有非常好的灭菌效果，可以广泛杀灭革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌、真菌（单细胞和丝状体）、原虫、藻类、哺乳动物病毒和噬菌体。
近几十年来，抗生素耐药细菌感染的发生率急剧增加，因此已成为公共卫生中最重要的问题之一，而二氧化钛具有灭活抗生素耐药细菌的潜力。研究人员发现，UVA激活的二氧化钛可用于灭活悬浮液中的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、多重耐药鲍曼不动杆菌（MDRAB）和耐万古霉素肠球菌。当UVA存在时，二氧化钛可以有效降低悬浮液中耐药微生物的含量。
对于那些对紫外线有抵抗力的细菌芽孢，光触媒杀菌技术也能起到一定的作用。研究表明，这项技术可以降低炭疽孢子的存活率，杀死大约25%的孢子。
在医学上，光触媒技术可以对病房、手术室进行消毒，也可以用于治疗肿瘤；在口腔健康方面，光触媒技术可用于牙齿清洁和漂白；在美容保健方面，纳米二氧化钛还可以用来制作防晒化妆品，日本的大部分防晒产品都含有二氧化钛[3]。
(2)补骨脂素和UVA灭活法(PUVA)
补骨脂素是一种天然呋喃香豆素，是从埃及一种名为阿霉素的植物中提取的。它们还存在于芹菜、欧芹、胡萝卜、防风草和其他蔬菜中。人们自古就知道食用这些食物并暴露在阳光下会导致类似于晒伤的光敏皮肤反应。
1982年，补骨脂素与UVA光（PUVA）相结合，开始用于治疗牛皮癣（俗称银屑病，一种慢性炎症性皮肤病）。患者口服补骨脂素化合物或在洗澡时使用补充剂。补骨脂素在UVA的刺激下，可以促进黑色素的合成并沉积在皮下，从而有效治疗白癜风、牛皮癣等皮肤病。
补骨脂素分子具有正确的结构和形状，可以插入双螺旋结构的两条DNA链之间，并在光照下诱导反向互补的核酸链之间形成链间共价交联，从而破坏DNA结构。因此，PUVA已被用来灭活血小板和血浆血液成分中的细菌、病毒和原生动物。
图3：PUVA的作用机制
PUVA的光化学灭活活性可以杀死病原体但保持其代谢能力（But，KBMA），这意味着该方法可以灭活整个微生物但仍保持免疫原性，因此可以用于疫苗开发。一些研究小组利用完整的个体微生物开发了重组和病原体衍生的 KBMA 疫苗。这些微生物已被证明是无害且具有免疫原性的。该技术可以预防特定疾病并减少动物模型中传染病的发生。带来了新的希望。
此外，PUVA还可用于灭活多种其他病毒，如登革热病毒、基孔肯雅病毒、SARS-CoV等。一些研究人员使用酸性石灰和合成补骨脂素来增强阳光对水的消毒效果。他们对其中所含的诺如病毒、大肠杆菌和MS2噬菌体进行了实验室评估，发现补骨脂素和酸石灰提取物与紫外线辐射协同作用，加速微生物的灭活。
3、蓝光灭活病原菌的机理及应用
尽管紫外线的杀菌作用众所周知，但它也有造成皮肤损伤和癌症的风险。更严重的缺陷是紫外线对细菌芽孢没有或只有微弱的杀灭作用。生物武器中使用的细菌制剂通常选自表现出抗生素抗性或能够形成内生孢子和生物膜的细菌，从而使它们对现有的抗菌治疗更具抵抗力。只有这样，才能发挥出最大的破坏能力。由于这些原因，研究人员仍然需要研究剧毒细菌、真菌和病毒，以成功击败可能的生物战。
目前研究表明，可见光中的蓝光也具有杀菌作用，其波长范围为435-450纳米。与紫外线照射相比，蓝光不仅可以杀死抗生素耐药细菌和细菌芽孢，而且对哺乳动物细胞的危害也小得多。因此，利用可见光进行杀菌具有明显的优势。
波长为405纳米的蓝光对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌具有广谱抗菌作用。目前，有人提出用蓝光作为替代疗法来治疗一些对甲氧西林和青霉素耐药的细菌感染。蓝光杀死耐抗生素细菌的机制可能是可以被细菌产生的卟啉吸收，导致自由基增加，进而影响细胞质膜蛋白和DNA，或者直接影响耐光细菌。细菌的色素。
另一方面，波长405纳米的高强度蓝光还可以有效灭活蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、艰难梭菌等。这是一个依赖氧气的过程。 405 nm蓝光可能与细菌中的内源性光激发生色团（例如粪卟啉）相互作用，然后在芽孢杆菌和梭菌中产生对细胞有毒的单线态氧。活性氧，对细菌造成损害。
但需要注意的是，蓝光不仅可以调节细菌的活力、抑制生物膜的形成、增强细菌的光灭活作用，还能增强细菌的毒力因子。
高强度405纳米光除了用于医疗、军事、农业领域预防和控制炭疽杆菌和蜡状芽孢杆菌的暴露外，还可以用于对空气、接触表面和医疗设备进行消毒。目前市面上用于治疗痤疮的蓝光治疗仪和蓝光清洗机也是基于蓝光杀菌的原理。
4.光动力疗法
光动力疗法（PDT）是一种非侵入性治疗方法，利用无毒的光敏剂和无害的可见光或近红外光产生单线态氧和其他活性氧，可以作用于核酸、蛋白质和其他疾病。饱和脂肪酸等生物大分子会引起细胞损伤。例如，当使用光动力疗法治疗癌症时，活性氧会对肿瘤细胞中的这些关键生物分子造成损害并引发细胞凋亡。光动力治疗的生物靶点（蛋白质、脂质、核酸）是各类微生物及其衍生物的主要成分。因此，光动力疗法可以摧毁所有已知的生物武器。
光动力钝化产生的短寿命活性氧是损害病毒关键分子靶标的主要原因。单线态氧和其他活性氧（过氧化氢、超氧化物和羟自由基）可以攻击不同的病毒靶标，如病毒包膜、蛋白质、衣壳、核心蛋白和核酸，从而导致病毒失去感染性。研究表明，有包膜病毒可因蛋白质损伤而失活。由于光动力灭活会损害病毒蛋白，因此即使是无包膜病毒也能被有效灭活。
对于不同类型的哺乳动物病毒和噬菌体，无论是有包膜病毒还是无包膜病毒，无论是DNA病毒还是RNA病毒，不同类型的光敏剂都可以有效地光动力灭活病毒。影响。
光动力灭活是少数可以灭活病原体产生的毒素和毒力因子的疗法之一。活性氧产生的光动力效应可以攻击毒素分子本身易氧化的分子特性，如硫原子、芳环、杂环、不饱和双键、氨基等，这些氧化反应可以干扰毒素的构象。毒素或改变其功能基团，从而破坏其生物功能。
图 4：光敏剂化合物
光动力疗法被推荐用于绝育手术，因为它有两个显着的优点：
首先，与其他化学消毒剂相比，光动力疗法更加环保。对房屋或汽车进行消毒后，剩余的光敏剂可以被阳光分解；
第二个原因是光动力疗法具有高度选择性。它不仅可以通过光敏剂选择性地靶向特定细胞或组织类型，还可以通过控制照明区域选择性地靶向某些区域。
通过使用适当的光敏剂和光，光动力疗法可用于杀死水中、车辆和设备等表面、食物中、皮肤上、伤口中的病原体，甚至可以在病原体发生全身性侵袭之前治疗对人类或动物的影响。局部感染。
5、飞秒激光的抗菌作用
飞秒激光除了用于近视手术外，还可以用于消毒。飞秒激光是指脉冲时间为10^-15秒的激光，可以破坏透明或半结晶的生物组织，是杀灭病原体的新方法。
飞秒激光采用不同的机制来灭活不同的微生物：在灭活病毒时，飞秒激光可以打断病毒颗粒蛋白外壳中的氢键和疏水键，分离弱蛋白连接，或者使病毒衣壳和包膜蛋白选择性聚集，从而灭活病毒;灭活细菌时，细菌灭活与飞秒激光照射造成的可见DNA损伤有关。
研究发现，可见飞秒激光或近红外亚皮秒光纤激光可以灭活多种病毒，包括M13噬菌体、鼠巨细胞病毒、烟草花叶病毒、人乳头瘤病毒和人类免疫缺陷病毒。
结论
光介导技术对所有已知的病原体具有广泛的应用，其波长从短紫外线到近红外线（单独或与光敏剂组合）可用于杀死或灭活革兰氏阳性细菌和病原体。羔羊阴性细菌、真菌、内生孢子、寄生虫、病毒，甚至蛋白质毒素。
光介导技术的工作机制也可能因微生物及其衍生物的类型、所用光的波长以及是否使用光敏剂而有所不同，但这些技术主要针对两类目标，例如UVC和PUVA目标病原体的核酸，而蓝光和光动力疗法则针对光解氧化蛋白质。因此，一旦发生大规模生物攻击，可以尝试这些光介导的灭菌技术。
注释和参考文献
[1] Fatma 等人，可以用光吗？ 4:8, 796–825
[2] 注：我们知道紫外线是不可见光，但为什么日常生活中的紫外线灯大多发出蓝紫色光呢？事实上，虽然杀菌紫外线灯的紫外线波长为254纳米，属于不可见光，肉眼无法看到，但灯管内的低压汞受到电子轰击后发出的汞光谱只含有主要成分是波长为254纳米的紫外线。还包括可见光范围内的蓝色和紫色光。这样，紫外线灯不仅可以发挥紫外线的杀菌作用，还可以提醒用户所处的环境是否开启了紫外线灯，从而防止紫外线对人体的伤害。
[3]王宇辉，徐高田，光触媒技术的开发与应用，化学工程师，1002-1224（2004）12-0038-04
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