紫外线杀菌原理及应用：从晒被子到新冠病毒的防控

在日常生活中，我们有意或无意地使用紫外线灭菌。最常见的例子是干式被子。一些专家认为，当天气变暖时，新的冠状病毒可能自然消失，部分是基于紫外线灭菌的原则。那么紫外线可以真正杀死病毒吗？实际上，除了紫外线外，可见光和红外光还具有强大的灭菌技能。那么，这些灯如何杀死细菌，真菌和病毒等病原体？在哪些情况下，这些光介导的灭菌技术可以应用于？

|撰写Xu ying

近年来，研究人员开发了一系列光介导的灭菌技术，这些技术不仅可以在日常生活中的各种情况下使用，而且还可以使病毒灭活以制备疫苗，并且还可以直接用于伤口治疗和其他方面。根据先前的研究[1]，这些技术可以针对各种类型的生物武器，例如细菌，真菌和病毒。因此，对于最近在各个国家肆虐的新冠状病毒，这些技术也应在新冠状病毒的防御和治疗中发挥重要作用。

与化学消毒剂，杀菌剂和抗感染药物相比，光具有许多优势：

我们在这里引入了几种光介导的杀菌方法，希望激发新的冠状病毒的预防和治疗。

在不同的波长及其功能处的光

首先，我们通常称呼什么“组成”？他们中的哪一个对人体有害，哪些将对灭菌，灭菌和其他工作有益？

光可以根据其波长范围进行分类，以及与物质相互作用时是否会产生电离效应。它可以分为伽马射线，X射线，紫外线，可见光，红外射线，微波和无线电波，按波长的上升顺序。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可能会导致各种现象。例如，当波长小于100纳米的光波与物质相互作用时，它们会导致物质原子离子化；随着波长的增加，尽管光波携带的能量不足以引起电离，但它们可以刺激电子并将物质放在高能并引起其分子结构的变化。

图1：电磁光谱及其对各种微生物的生理影响

由于基于紫外线的灭菌技术，可见光和红外线被广泛用于日常生活，科学研究和医疗保健，因此我们主要从这里的这些方面开发它们。

1。紫外线的原理和应用

紫外线（UV）的波长范围在X射线（≤100纳米）和可见光（> 400纳米）之间，并且大约在100-400纳米的范围内。根据紫外线和分子之间的相互作用，它们可以分为四种类型，并且这些类型的紫外线对物质的生理效应是不同的。

·真空紫外线，vuv）

波长范围为100-200纳米。在低剂量下，它也可以立即与氧原子和有机分子反应，这是有害的。

Ultra-Short UVC

波长在200-280纳米之间的光。 UVC可以完全被大气吸收，并且不会将天然UVC射线照射到地球表面。该带中的紫外线具有杀菌作用。人们通常称为“紫外线灭菌”的有效“组件”是指uvc [2]，可以通过人造光源（例如UVC LED或汞灯）获得。

UVC的穿透能力较弱，大部分将被人类皮肤的角质层和表皮层吸收。其中只有一小部分会击中真皮。紫外线只有在皮肤上作用于真皮时才会引起皮肤细胞癌，因此通常认为UVC对人的皮肤几乎没有影响（除了婴儿和对UVC过敏的人以外）。但是，由于眼睛没有角质层保护，UVC对人眼有害。因此，当使用UVC对房间进行消毒时，人们会尽量不输入。如果必须进入，则必须戴特殊的防护眼镜和防护服。

·远UVB

波长在280-315纳米之间的光。这条光带可能会导致皮肤“太阳燃烧”，这与光碳纤维生成和光学有关。使用防晒霜的目的主要是与之抗争。

在UV uva附近

波长范围为315-400纳米。其中，具有短波长的UVA（315-340纳米，UVA1）可以产生活性氧，也会对皮肤产生有害作用。它具有强大的穿透力，可以穿透大多数透明的玻璃和塑料，也可以到达皮肤的真皮，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，并晒黑皮肤。

在各种频段的紫外线中，只能使用超短UVC进行消毒和消毒。当使用紫外线射线来辐射细菌，病毒和其他微生物时，可以在这些微生物的这些微生物的核酸中吸收的超短紫外线，其波长为254纳米，可通过嘧啶和嘌呤吸收通过基础二聚化的轻型产品。这将破坏微生物细胞中DNA和核糖核酸（RNA）的分子结构。当DNA破坏时，核酸很难复制，即使可以进行复制，它通常具有防止细菌存活的缺陷。另外，当使用多个波长的超短紫外线来照射微生物时，超短紫外线也可能影响芳香氨基酸，从而影响蛋白质的结构和功能，从而使细菌无法生存。

Ultra-Short UV是一种成熟的消毒方法，可用于杀死许多病原体，包括引起炭疽病，天花，病毒性出血热，肺炎，泡沫瘟疫，地球发烧，药物抗药性结核病，流感狂热者和严重的生物疾病的准备例如急性呼吸综合征。

由于其对微生物的杀菌作用，紫外线的应用也已扩展到食品加工行业，污水净化，通风和空调系统消毒，房间和表面消毒，并且有些人使用它来杀死通过传播的人类病原体传播的人类病原体水。（细菌，病毒和原生动物）。

在食品加工领域，紫外线在鲜切水果和蔬菜的表面消毒中表现出巨大的潜力。它可以降低水果和蔬菜的变质速率，延长储存寿命，并成为二氧化钛（Tio2，第2号是下标），并且是化学杀菌剂（例如氯）的有效替代品。

紫外线可以有效地抵抗各种微生物，不会产生化学残留物或其他副产品，并且不会影响水质。因此，它们也可以用于污水处理。一些公司还在水龙头和饮水机上安装紫外线。

紫外线的另一个重要用途是空气消毒。可以通过空气中的水滴传播多种真菌，细菌和病毒病原体，例如结核分枝杆菌，流感病毒，SARS冠状病毒，曲霉病毒，曲霉病毒和其他军团菌。紫外线暴露30分钟可以有效地减少空气中的微生物。专注。因此，除了在手术手术室和微生物实验室中广泛使用的紫外灯外，在空气处理设备和通风系统中安装超短的紫外灯也可以降低空气中的细菌，真菌和病毒在室内空气中的浓度。

空气消毒在外科室的最初成功刺激了医院中超短紫外线的促进和应用。例如，在婴儿病房和新生儿重症监护病房中设置超短紫外线可以防止呼吸道感染；超短的紫外线也可用于减少气管中微生物的定殖并治疗与呼吸有关的肺炎。

一旦我们了解紫外线杀死微生物（例如细菌，病毒和真菌）的潜力，人们就会越来越有兴趣改善紫外线利用率。但是实际上，紫外线灭菌在处理细菌方面有两个缺点：

首先，紫外线不仅会影响细菌，而且会影响哺乳动物细胞。

其次，细菌孢子对紫外线非常抗性，这在某种程度上令人担忧。例如，枯草芽孢杆菌的休眠孢子（如枯草芽孢杆菌）比相应生长的细胞比对紫外线辐射的耐药性高5至50倍。

孢子如此顽强的原因主要是因为孢子中有一种独特的DNA修复酶，称为孢子光产物裂解酶（SP裂解酶）。在内生孢子的发芽期间，SP裂解酶可以特异性修复紫外线诱导的DNA损伤。细菌孢子对物理损伤具有极大的抵抗力，例如热，电离，紫外线和伽马辐射，渗透压和干燥。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，过氧化物和烷基化剂。因此，即使是原油和化学方法也无法去除细菌孢子。

所谓的野火无法燃烧，春风将再生。因此，迫切需要扩展其他更有效的灭菌方法。

2。光催化灭菌技术

紫外线中的紫外线UVC可以直接作用于各种病原体并杀死它们而不会损害身体。接近硫酸的UVA没有灭菌作用，并且对人体具有某些缺点。但是，当使用紫外线中的近紫外线与某些光催化培养基（例如二氧化钛和诗篇）结合使用时，它也可能产生意想不到的效果。

（1）光催化剂灭菌技术

二氧化钛是一种具有稳定化学特性的惰性物质，可以在光条件下连续发挥抗菌作用。它主要具有三种晶体形式：解剖酶，金红石和圆柱形。研究表明，剖析酶是最有效的光催化剂，而金红石活性较低。出乎意料的是，与100％的剖析酶相比，养殖酶和金红石的混合物或掺杂金属（如硫，阴离子或银）具有更有效的光催化作用。它对病毒的失活也有更好的影响。此外，与散装二氧化钛材料相比，二氧化钛纳米颗粒的性能灭活病原体更好。研究人员将纳米级二氧化钛代表的光催化功能统称为光催化功能。

当近粉状紫外线在二氧化钛上辐照时，入射光子激活了活性氧的产生。二氧化钛的光催化表面直接与细胞壁接触，从而导致细胞壁氧化损伤。最初被氧化损伤的细胞仍然活着，但是，局部细胞壁的丧失使这些细胞的细胞质膜易受氧化损伤。结果，光催化作用逐渐增加了细胞的渗透性，最终导致细胞含量的流出。，导致细胞死亡。此外，二氧化钛似乎能够进入膜损伤细胞，从而直接损害细胞中的成分，从而加速细胞死亡。

图2：光催化作用机理

光催化剂灭菌技术对多种微生物具有良好的杀菌作用，并且可以广泛杀死革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌，真菌（单细胞和丝状），原生动物，藻类，藻类，哺乳动物病毒和噬菌体。

近几十年来，抗生素耐药性细菌感染的发生率急剧上升，因此已成为公共卫生领域中最重要的问题之一，二氧化钛有可能灭活抗生素的细菌。研究人员发现，UVA激活的二氧化钛可用于使耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA），多药耐药的鲍曼尼杆菌（MDRAB）（MDRAB）和宽霉素抗耐药蛋白抗抗菌素抗抑制剂。当存在UVA时，二氧化钛可以有效地减少悬浮液中耐药微生物的含量。

光催化剂灭菌技术还可以对抗紫外线的细菌孢子发挥一定作用。研究表明，该技术可以降低炭疽孢子的存活率，并杀死约25％的孢子。

在医学上，光催化剂技术可以对病房和手术室进行消毒，也可以用于治疗肿瘤。在口腔健康方面，光催化剂技术可用于清洁和漂白；在美和健康方面，纳米二氧化钛也可用于制造防晒霜，日本大多数防晒霜都含有二氧化钛[3]。

（2）牛cor和UVA灭活方法（PUVA）

牛coral是一种天然的呋喃木素，它是从埃及植物中提取的，称为阿米利斯。它们还可以在芹菜，欧芹，胡萝卜，欧洲防风草和其他蔬菜中发现。自从远古时代以来，人们就知道吃这些食物后，在阳光下暴露在阳光下会导致类似于晒伤的光敏皮肤反应。

1982年，牛皮岩与UVA光（PUVA）结合使用，用于治疗牛皮癣（通常称为牛皮癣，一种慢性炎性皮肤病），患者服用了口服牛coral蛋白化合物或用于治疗牛皮利亚语时的牛皮癣。索拉伦（Soralen）在UVA的刺激下，牛cor可以促进黑色素的合成并皮下沉积，从而有效地治疗皮肤病，例如白癜风和牛皮癣。

牛cor骨分子具有正确的结构和形状，可以在双螺旋结构中插入两条DNA之间，并在光线下诱导反向互补核酸链之间的链间交联，从而破坏DNA结构。因此，PUVA已被用来使血小板和血浆血成分中的细菌，病毒和原生动物灭活。

图3：PUVA的机制

PUVA的光化学灭活活性可以杀死病原体，但保持其代谢（杀死但代谢活性，KBMA），这意味着该方法可以使整个微生物失活，但仍具有免疫原性。可用于疫苗开发。几个研究小组已经使用完整的微生物个体来开发已证明是无害和免疫原性的重组和病原体衍生的KBMA疫苗，该技术允许特定疾病预防和减少动物模型中感染性疾病的发生。带来新的希望。

此外，PUVA还可以用于灭活其他各种病毒，例如登革热病毒，基孔肯雅病毒，SARS-COV等。一些研究人员使用酸石灰和合成诗物来增强太阳对水的消毒作用。他们对其中包含的诺如病毒，大肠杆菌和MS2噬菌体进行了实验室评估，发现牛皮岩和酸石灰提取物与紫外线辐射协同作用以加速微生物灭活。

3。蓝光灭活病原体的机制和应用

尽管紫外线的杀菌作用是众所周知的，但它具有皮肤损伤和致癌性的风险，更严重的缺点是紫外线没有或仅对杀死细菌孢子的影响较弱。生物武器中使用的细菌制剂通常是从具有抗生素耐药性的细菌中选择的，或者能够形成内孢子和生物膜，使其能够对现有的抗菌治疗方案具有更强的耐药性。只有发挥最大的破坏性能力。由于这些原因，研究人员仍然需要研究剧毒，真菌和病毒，以便成功地击败可能的生物战。

当前的研究表明，可见光中的蓝光也具有杀菌作用，波长范围为435-450纳米。与紫外线照射相比，蓝光不仅杀死抗生素耐药菌和细菌孢子，而且对哺乳动物细胞的损害较小，因此使用可见光来消毒细菌具有更明显的优势。

具有405纳米波长的蓝光显示出对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的抗菌作用。目前，有些人建议使用蓝光作为替代疗法，以治疗某些对甲氧西林和青霉素抗性的细菌感染。蓝光杀死抗生素耐药细菌的机制可能是，它可以被细菌产生的卟啉吸收，从而导致自由基的增加，从而影响细胞质膜蛋白和DNA，或者直接影响细菌的光敏感性颜料。

另一方面，具有405纳米波长的高强度蓝光也可以有效地使蜡状芽孢杆菌，黑芽孢杆菌，枯草芽孢杆菌，枯草芽孢杆菌和艰难梭菌。这是一个依赖氧的过程。 405纳米蓝光可能与内源性光激发发色团（如copopoporphyrin）反应，而copotoporphyrin又会产生芽孢杆菌和梭状芽胞杆菌并发症中的单线氧，这对细胞有毒。活性氧，从而损害细菌。

但是，应该注意的是，蓝光不仅可以调节细菌的活力，抑制生物膜的形成并增强光激活对细菌的作用，还可以增强细菌的毒力因子。

除了在医疗，军事和农业领域使用外，高强度的405纳米光还可以用于防止和控制猫芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌等的暴露，也可以用于消除空气，空气，接触表面和医疗设备。在市场上循环的蓝光处理仪器和用于去除痤疮的蓝色轻质洗涤机也基于蓝光灭菌原理。

4。光动力疗法

光动力疗法（PDT）是一种非侵入性治疗，它使用无毒的光敏剂和无害可见或近红外光产生单细胞氧和其他可作用于核酸，蛋白质，蛋白质和饱和脂肪酸以及其他生物学上的生物大分子酸的氧气氧和其他活性氧细胞损伤。例如，当通过光动力疗法治疗癌症时，活性氧可能会损害肿瘤细胞中的这些关键生物分子并触发凋亡。光动力疗法（蛋白质，脂质，核酸）的生物学靶标是所有类型的微生物及其衍生物的主要成分。因此，光动力疗法可以破坏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。单线氧和其他活性氧（过氧化氢，超氧化物和羟基自由基）可以攻击不同的病毒靶标，例如病毒胶囊，蛋白质，衣壳，核心蛋白质和核酸，从而导致病毒失去感染性。研究表明，由于蛋白质损伤，封装病毒可能被灭活。由于光动力钝化会损害病毒蛋白，因此甚至可以有效地失活的囊剂病毒。

对于不同类型的哺乳动物病毒和噬菌体，无论是封装还是未封装的病毒，无论它们是DNA还是RNA病毒，不同类型的光敏剂都可以在病毒的光动力钝化中发挥有效作用。影响。

光动力钝化是少数可能导致病原体产生的毒素和毒性因子的疗法之一。活性氧产生的光动力作用可以攻击容易氧化的毒素分子本身的分子特性，例如硫原子，芳香环，芳香环，杂环，不饱和双键，氨基氨基类等。毒素或改变其功能组，从而破坏其生物学功能。

图4：光敏剂化合物

建议对光动力疗法进行灭菌，因为它具有两个重要的优势：

首先，与其他化学消毒剂相比，光动力疗法更环保。消毒房屋或汽车后，剩余的光敏剂可以被阳光分解。

其次，由于光动力疗法具有高度选择性，因此它可以通过光敏剂选择性地靶向特定的细胞或组织类型，并通过控制光区选择性地靶向某些区域。

通过使用适当的光敏剂和光线疗法，可以使用光动力疗法来杀死在表面，食物，皮肤和伤口（例如水，车辆和设备）上的病原体，甚至可以治疗在系统入侵发生之前对人类或动物造成的病原体。局部感染。

5。飞秒激光的抗菌作用

飞秒激光器除了近视手术外，还可以用于灭菌。飞秒激光指的是脉冲时间为10^-15秒的激光器。它可以破坏透明或半晶体生物组织，是杀死病原体的一种新方法。

飞秒激光器采用的机制当灭活不同的微生物不同时不同：当失活病毒时，飞秒激光器会导致病毒颗粒壳中的氢键和疏水性键断裂，从而导致弱蛋白质连接或导致病毒蛋白质选择性地分离出病毒蛋白，从而导致病毒蛋白的选择性。总体，从而使病毒失活；在灭活细菌的同时，细菌失活与可见飞秒激光照射引起的DNA损伤有关。

该研究发现，飞秒激光或近红外亚型纤维激光器对各种病毒的影响都灭活，包括M13噬菌体，鼠类巨细胞病毒，烟草马赛克病毒，人乳头瘤病毒和人类免疫缺陷病毒病毒。

结论

在与所有已知的病原体作斗争时，光介导的技术具有广泛的应用价值，范围从短紫外线到近红外（仅或与光敏剂结合在一起），以杀死或灭活革兰氏阳性细菌和脱粒剂。 LAN的阴性细菌，真菌，内孢子，寄生虫，病毒，甚至蛋白质毒素。

有效的光学化技术的机制也可能会根据微生物的类型及其衍生物（例如UVC）而变化，在不同的光波长的不同波长中使用，以及是否使用了光增速度。 PUVA靶向病原体的核酸，而蓝光和光动力疗法靶向氧化蛋白的光解。因此，当发生任何大规模的生物攻击时，您可以尝试处理这些光介导的灭菌技术。

注释和参考

[1] Fatma Vatansever，Cleber Ferraresi和等。毒力4：8，796–825

[2]注意：我们知道紫外线是无形的光，但是为什么日常生活中的大多数紫外线会发出蓝紫色的光？实际上，尽管灭菌紫外灯的紫外线波长为254纳米，这是肉眼看不见且看不见的，但灯管中低压的汞发射的汞光谱被电子轰击，除了主组件外，紫外线，波长为254纳米。它还包括可见范围内的蓝色和紫色。这样，紫外灯不仅可以发挥紫外线的杀菌作用，而且还提醒用户是否在环境中打开了紫外线，从而防止了紫外线对人体的损害。

[3] Wang Yuhui，Xu Gaotian，《光催化技术的开发与应用》，化学工程师，1002-1224（2004）12-0038-04

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