你可能想不到，紫外線其實也有温柔的一面……_風聞

　　前幾天小編在摸魚時偶然刷到了這樣一條熱搜：

　　在感嘆祖國日益強大的同時，小編也不免疑惑：光還能製成疫苗？這是什麼高端的黑科技？

　　都説好奇心害死貓是人類進步的源泉，今天小編就本着物理人尋根問底的精神，來給大家好好解讀一下這款所謂的“黑科技”。

　　01

　　人體安全消毒儀

　　熱搜中所述的“光疫苗”，其實是一款能發出222 nm特定波長紫外線的消毒儀。據報道它能針對病毒細菌等微生物，尤其是新型冠狀病毒，實現**99.99%**的殺菌效果。

　　人體安全消毒儀

　　看到這裏小編不禁吐槽：不就是紫外線消毒儀嘛，和疫苗混為一談真的好嗎？

　　疫苗（以滅活疫苗為例）是將病原微生物滅活後保留全微生物體注射進入人體，促使人體產生針對該病原體的抗體，是一種獲得性免疫。

　　而紫外線消毒是體外細菌病毒消殺，和疫苗的原理完全不一樣好伐。

　　不過對比我們日常使用的紫外線消毒產品，這款消毒儀還是有其先進之處的。

　　平常我們用來消毒的紫外線燈，發出的紫外線波長約為253.7 nm，而且消毒過程中需要人遠離光源才行。

　　而這款消毒儀發出的222 nm紫外線，可以做到開啓後人無需離開‍‍‍‍‍，實現了“人機共存，實時消毒”。

　　為什麼這款消毒儀能具備這樣的特異功能？這還得從紫外線本身開始説起……

　　02

　　“紫外線”本線

　　紫外線（Ultraviolet，簡稱UV）大家都不陌生，它是波長在10 - 400 nm之間的電磁波，太陽光中就含有部分紫外線。

　　電磁波譜 | 圖源：wikipedia

　　生活中我們常把紫外線分為UVA、UVB和UVC三類。

　　UVA為波長介於320 - 400 nm的紫外線，太陽光中的UVA可穿透大氣層，甚至到達皮膚的真皮層，造成曬黑，所以朋友們平時出門一定要做好防曬……

　　UVB為波長介於280 - 320 nm的紫外線，可到達皮膚表層，引發曬傷。太陽光中的大部分UVB會被臭氧層吸收，故只有很少的一部分UVB能到達地球表面。

　　UVC為波長介於100 - 280 nm的紫外線，此範圍的紫外線能量較高，具有一定的危險性，所幸臭氧層可以幫助我們完全阻隔UVC。可見臭氧層的重要性……

　　紫外線滲透到皮膚的各個層次 | 圖源：參考資料[2]

　　除了此外，我們還將波長介於10 - 200 nm的紫外線稱為“真空紫外線”，由於其會被空氣中的氧強烈地吸收。所以這種紫外線只有在無氧狀態下才能使用，應用於一些特殊的工藝上。

　　03

　　日常の紫外線消毒

　　日常生活中我們使用的紫外線燈大多是普通直管熱陰極低壓汞燈，通電後可以產生足夠強度的波長為253.7 nm的紫外線，在進行了一定時長的輻照後，就能達到**99 - 99.9%**的消殺效果。

　　那紫外線是如何起到消殺作用的呢？為什麼偏偏要用253.7 nm的紫外線呢？

　　科學家通過大量實驗發現，細菌病毒體內的DNA / RNA會吸收部分UVC波段的紫外線。從下圖中不難看出，在260 nm附近吸收最為強烈。

　　DNA / RNA對紫外線的吸收 | 圖源：參考資料[3]

　　大量吸收紫外線的DNA / RNA，其螺旋結構就會被破壞，從而使機體的新陳代謝機能出現障礙，同時會喪失遺傳能力。當輻照強度和時間都充足時，細菌病毒就會失活。

　　DNA結構因紫外線輻照而被破壞

　　圖源：lit-uv.com/technology

　　因此，只要光源滿足：

　　能發出波長在260 nm附近的紫外線

　　光強足夠強

　　所用材料成本低，製造方便

　　就可以很方便地應用於日常生活殺菌消毒。

　　綜合比較之後，低壓汞燈擔起了這個重任，因為其能發射強度較大的波長為253.7 nm（滿足在260 nm附近）的紫外線，同時汞的使用成本低，且低壓汞燈的製造相對簡單。

　　低壓汞燈發射光譜，253.7 nm為一個較強的特徵峯

　　圖源：wantubizhi.com

　　這裏順便解釋一下為什麼紫外線是不可見光，但我們卻能看到紫外線燈發出的光。

　　正如上面這張光譜圖所示，低壓汞燈在通電後，紫外波段和可見光波段中的藍光、紫光都會被激發，所以其在發出紫外線的同時，也會同時發出一些波長的藍光和紫光，於是就形成了下面的圖景。

　　紫外線消毒燈 | 圖源：百家號

　　需要注意的是，253.7 nm的紫外線能量較高，而且可透進皮膚，如果人體長時間暴露於紫外線燈下，皮膚、眼睛都會受到傷害，輕則電光性眼炎、皮膚灼傷，重則白內障、皮膚癌。所以紫外線燈開啓時，人一定要到紫外線燈照不到的地方等待。

　　04

　　222 nm呢？

　　人與開啓的紫外線燈不可兼得，這可能是紫外線消毒法一個比較大的缺憾。

　　那有沒有辦法彌補這個缺憾呢？哎，今天的主角終於要登場了。

　　文章開頭處我們説到，222 nm的紫外線能夠起到殺菌消毒作用而基本不對人體產生傷害。這是怎麼做到的呢？

　　222 nm紫外線讓細菌病毒失活的原理和253.7 nm是一樣的，只不過換了個波段而已。

　　在前面講DNA / RNA對紫外線的吸收時，我們可以從吸收光譜中看到，除了260 nm附近的區域，在220 nm附近，也有一個吸收度上升的趨勢。

　　雖然沒有260 nm那裏那麼高，但如果給予足夠的光強和輻照時長，按道理也是能****起到消殺效果的。

　　科學家通過對比實驗，測試了253.7 nm和222 nm紫外線消殺能力。

　　兩種紫外線的消殺能力對比 | 圖源：參考資料[5]

　　可以發現兩種紫外線的消殺能力幾乎不相上下，在低強度時222 nm甚至超越 253.7 nm。

　　那222 nm是怎麼做到對人體基本無害的呢？明明波長更短能量更高了呀？

　　這就不能單從能量的角度去考慮了，還要考慮波長變短後紫外線穿透能力的變化。

　　從前面UVA、UVB、UVC的介紹裏我們可以看出，當紫外線的波長變短時，其穿透能力也在減弱。

　　所以222 nm的紫外線相比254 nm的紫外線在皮膚中的穿透深度就淺了許多，對人體的傷害自然就小了。

　　科學家們通過對比實驗，讓一部分雄性無毛小鼠暴露於222 nm的紫外線中，一部分暴露於253.7 nm的紫外線中，一部分不暴露，保證紫外線光強和輻照時間一致，在暴露結束48小時後觀察其皮膚髮生的變化。

　　三組小鼠經歷輻照後皮膚的變化 | 圖源：參考資料[5]

　　可以發現經歷222 nm紫外線輻照幾乎與無輻照沒區別，而253.7 nm的輻照讓皮膚受損嚴重。

　　那222 nm的紫外線是如何產生的呢？這裏選用氯化氪（KrCl）作為光源，同時為了過濾其餘波長的光，單獨發出222 nm這一個波長，還會搭配使用濾波片。

　　未使用和使用濾波片的氯化氪光譜 | 圖源：參考資料[5]

　　05

　　能實現民用嗎？

　　既然這個222 nm的消毒儀如此強大，那在如今疫情防控常態化的大背景下，能否能實現民用呢？

　　據報道，除了此次東京奧運會，某些地區的一些醫院也已經安排上了，而且反響強烈。

　　因為222 nm的紫外線可用於有人的場景，對於人員密度高、人流量大的場所，以及醫院（尤其發熱門診）這樣的高風險場所具有特別的優勢。

　　不過由於光只能沿直線傳播，所以在光照不到的地方，消殺效果會比較有限，這也是紫外線消毒法的一個短板。

　　目前研究人員正在積極研發儘可能克服短板、並且能應用於更多場景下的民用消毒儀。相信未來的某一天，升級版的消毒儀會走進尋常百姓家，為抗疫做出更大的貢獻！

　　是不是沒有想到一個小小的消毒儀居然隱藏瞭如此豐富的知識

　　小編也從中悟出了一個道理：摸魚+思考，收穫少不了

　　參考資料

　　[1] 紫外線 - 維基百科

　　[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,姜偉.紫外線殺菌的原理和最新應用[J].中國照明電器,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] 什麼“秘密武器”保障中國奧運代表團零感染？距離民用還有多遠？