文章来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：徐颖
日常生活中，我们都在有意或无意间用过紫外线杀菌，最常见的例子就是晒被子。有专家认为，天气暖和了，新冠病毒可能自然而然就消失了，部分也是基于紫外杀菌这一原理。那么紫外线是否真的可以杀死病毒呢？事实上，除了紫外光，可见光和红外光也具有强大的杀菌本领。那么，这些光是如何杀死细菌、真菌和病毒等病原体的？这些光介导的灭菌技术又可以应用于哪些场景呢？
近年来，研究人员开发了一系列光介导的灭菌技术，既能用于日常生活中的各种场景，也能用来灭活病毒制备疫苗，还可以直接用于创口的治疗等方面。根据前人的研究[1]来看，这些技术可以针对细菌、真菌和病毒等各种类型的生物武器。因此，对于最近正在各国肆虐的新冠病毒来说，这些技术理应也能够在新冠病毒的防御和治疗等方面发挥重要作用。
与化学消毒剂、杀菌剂和抗感染药物相比，光具有很多优点：
1. 对环境友好，无污染。
2. 相对安全无毒。
3. 不会对周围的生物介质造成过度的损伤，无论是无机的、有机的还是有生命的。
4. 生产成本相对较低。
5. 反应速度很快，通常仅需几秒钟。
6. 可应用于人类皮肤、伤口、粘膜和其他暴露部位，而不会造成不应有的伤害。
7. 尚没有报道表明，微生物细胞对基于光的抗感染疗法会产生抗性。
我们在这里介绍几种光介导的杀菌方式，希望对新冠病毒的预防和治疗等工作有所启发。
不同波长的光及其作用
首先，我们平日所说的光由哪些“成分”组成？其中哪些对人体有损害作用，哪些善加利用将有利于杀菌、除菌等工作？
光可以根据其波长范围和与物质作用时能否产生电离效应进行分类，按波长的升序排列可将其分成γ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，能量也越大。由于光的电磁特性，它与物质相互作用时能够引起各种现象。
例如，波长小于100纳米的光波在与物质相互作用时，会导致物质原子发生电离；随着波长的增加，光波所携带的能量虽不足以引起电离作用，但可以激发电子，使物质处于高能量状态，并诱导其分子结构发生变化。
图1：电磁光谱及其对各种微生物的生理作用
由于基于紫外线、可见光和红外线的灭菌技术在日常生活、科学研究和医疗中应用较广，在这里我们主要从这几个方面进行展开。
紫外线的杀菌原理和应用
紫外线 (ultraviolet，UV) 的波长范围介于X射线 (≤100纳米) 和可见光 (>400纳米) 之间，大约在100纳米~400纳米的范围内。根据紫外线与分子的相互作用，又可将其分为四种类型，这几种类型的紫外线对物质产生的生理效应有所差异。
真空紫外线 (vacuum UV, VUV)：波长范围在100纳米~200纳米。在低剂量下，它也能与氧原子及有机分子发生即时反应，是有害的。
超短紫外线UVC：波长范围在200纳米~280纳米之间的光。UVC能够完全被大气层吸收，并没有天然UVC射线照射到地球表面。位于这个波段的紫外线具有杀菌作用。人们平常所说的 “紫外杀菌”，其中的有效“成分”就是指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，大部分会被人体皮肤的角质层和表皮层吸收，只有极少一部分会打到真皮层，而紫外线只有作用到真皮层才会引起皮肤细胞癌变，所以通常认为UVC对人体皮肤影响不大（婴儿以及对UVC过敏的人群除外）。然而，由于眼睛没有角质层保护，UVC 对人眼有伤害作用，所以在使用UVC消毒房间时，人尽量不要进入其中，若必须进入的话，一定要配戴专门的防护眼镜和防护服。
远紫外线UVB：波长范围在280纳米~315纳米之间的光。这个波段的光可以引起皮肤的“太阳灼伤”，与光致癌和光老化有关，涂抹防晒霜的目的主要是为了对抗它。
近紫外线UVA：波长范围在315纳米~400纳米之间的光。其中波长较短的UVA (315纳米~340纳米，UVA1)由于能够产生活性氧，也会对皮肤产生有害影响。它的穿透力很强，可以穿透大部分透明的玻璃及塑料，也可以直达肌肤真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，将皮肤晒黑。
在各种波段的紫外线中，仅超短紫外线UVC具有杀菌消毒的作用。当用超短紫外线照射细菌、病毒等微生物时，其中波长为254纳米的超短紫外线能够被这些微生物的核酸中的嘧啶和嘌呤吸收，促使核酸通过碱基二聚化的方式产生一些光产物，从而破坏微生物细胞中脱氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的分子结构。
当DNA被破坏时，核酸难以进行复制，即便复制能够进行，通常也会具有缺陷，使细菌无法存活。另外，在使用多波长的超短紫外线去照射微生物时，超短紫外线还可能影响芳香族氨基酸，进而影响蛋白的结构和功能，使细菌无法存活。
超短紫外线是一种成熟的消毒方法，可以用来杀死许多种病原体，包括导致炭疽、天花、病毒性出血热、肺鼠疫、腺鼠疫、土热症、耐药结核病、流感大流行和严重急性呼吸系统综合症等疾病的潜在生物恐怖主义制剂。
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业、污水净化、通风和空调系统的消毒、房间和表面消毒等方面，也有人将其用于杀灭通过水传播的人类病原体（细菌、病毒和原生动物）。
在食品加工领域，在对鲜切水果和蔬菜进行表面消毒方面，紫外线显示出巨大的潜力，它能减缓水果和蔬菜的变质速度，延长贮藏寿命，成为二氧化钛 (TiO2) 和氯等化学杀菌剂的有效替代品。
紫外线灯能够有效对抗各种微生物，并且不会产生化学残留物或其它副产品，不影响水质，因此也可以用于污水处理。也有公司会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进行传播，如结核分枝杆菌、流感病毒、SARS冠状病毒、曲霉菌属等军团菌，紫外线灯照射30分钟能够有效降低空气中微生物的浓度。因此除了外科手术室和微生物实验室中广泛使用的紫外灯管，在空气处理装置和通风系统中安装超短紫外线灯，也能够降低室内空气中通过空气传播的细菌、真菌和病毒的浓度。
外科手术室内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，在婴儿病房及新生儿重症监护病房内设置超短紫外线灯，能够防止呼吸道感染；超短紫外线也能用于减少气管中微生物的定植和治疗呼吸相关的肺炎。
一旦了解了紫外线杀死细菌、病毒和真菌等微生物的潜力，人们就越来越有兴趣提高紫外线的利用率。但实际上紫外线杀菌在对付细菌时有两个缺陷：
一是紫外线不仅对细菌有影响，对哺乳动物细胞也有不利作用。
二是细菌的孢子对紫外线具有很强的抵抗力，这在某种程度上令人担忧。例如，枯草杆菌等芽孢杆菌的休眠孢子对紫外线辐射的抵抗力是相应生长细胞的5到50倍。
孢子之所以具有如此顽强的抵抗力，主要是由于孢子中有一种独特的DNA修复酶，称为孢子光产物裂解酶 (spore photoproduct lyase，SP裂解酶) 。在内生孢子萌发过程中，SP裂解酶能够特异性修复紫外线诱导的DNA损伤。细菌芽孢对诸如热、电离、紫外线和伽玛辐射、渗透压和干燥等物理损伤都具有极强的抵抗力。孢子还能保护细菌免受化学和生物消毒剂的侵害，如碘、过氧化物和烷基化剂等试剂。所以即便是粗暴的物理、化学等方法也无法除去细菌孢子。
所谓野火烧不尽，春风吹又生。因此，拓展其他更有效的杀菌方法也刻不容缓。
光催化杀菌技术
紫外线中的超短紫外线UVC能够在不损伤机体的情况下直接作用于各种病原体并将之杀灭，近紫外线UVA则并不具备杀菌效果，且对人体有一定的坏处。但是，当紫外线中的近紫外线UVA与一些可被光催化的介质（如二氧化钛和补骨脂）联合使用的时候，又可以起到意想不到的效果。
（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，在光照条件下可连续发挥抗菌作用。它主要有三种晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。研究表明，锐钛矿酶是最有效的光催化剂，而金红石活性较低。令人惊奇的是，锐钛矿酶和金红石的混合物，或在锐钛矿酶中掺杂硫、阴离子或银等金属时，都比100%的锐钛矿酶具有更高效的光催化作用，而且对病毒的灭活效果也更好。另外，相比于块状二氧化钛材料，二氧化钛纳米颗粒灭活病原体的性能更好，研究人员将那些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统称为光触媒。
当近紫外线UVA照射到二氧化钛上时，入射光子会激活活性氧的产生。二氧化钛光催化表面直接与细胞壁接触，使细胞壁上发生氧化损伤。最初受到氧化损伤的细胞仍然是活着的，然而，局部细胞壁的丧失使这些细胞的细胞质膜也容易受到氧化损伤，结果就是，光催化作用逐渐增加了细胞的通透性，最终导致细胞内容物流出，进而导致细胞死亡。除此之外，二氧化钛似乎也可以进入膜损伤细胞，对细胞内成分造成直接损伤，从而加速细胞死亡。
图2：光催化的作用机制
光触媒灭菌技术对多种微生物都有很好的杀菌效果，可广泛地杀灭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、哺乳动物病毒和噬菌体。
近几十年来，耐抗生素细菌感染的发病率急剧上升，并因此成为公共卫生领域最重要的问题之一，而二氧化钛具有灭活耐抗生素细菌的潜力。研究人员发现，UVA激活的二氧化钛能够用于灭活悬浮液中的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐多药鲍曼不动杆菌 (MDRAB) 和抗万古霉素的肠球菌等。当UVA存在时，二氧化钛能够有效减少悬浮液中耐药微生物的含量。
对于那些对紫外线有抗性的细菌孢子，光触媒灭菌技术也能起到一定的作用。研究表明，这一技术可以降低炭疽孢子的存活率，约杀灭25%的孢子。
在医学上，光触媒技术可以对病房、手术室进行杀菌，也可以用来治疗肿瘤；在口腔健康方面，光触媒技术可以用于牙齿清洁和漂白；在美容养生方面，也可以用纳米二氧化钛制作防晒化妆品，日本的大多数防晒品中都含有二氧化钛[3]。
（2)补骨脂素和UVA灭活法（PUVA）
补骨脂素是一种天然的呋喃香豆素，由埃及的一种叫大阿米芹的植物中提取出来。它们也存在于芹菜、欧芹、胡萝卜、防风草和其他蔬菜中。自古以来，人们就知道食用这些食物后，在阳光下暴晒会导致类似晒伤的光敏性皮肤反应。
1982年，补骨脂素与UVA光 (PUVA) 结合并开始被用于治疗银屑病（俗称牛皮癣，是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骨脂素，在UVA的刺激下，补骨脂素可以促进黑色素的合成，使其沉积于皮下，从而有效治疗白癜风、银屑病等皮肤疾病。
补骨脂素分子具有正确的结构和形状，能够插入双螺旋结构的两股DNA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已被用于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，但又能保持其新陈代谢的能力（Killed But Metabolically Active，KBMA），也就是说这种方法可以使整个微生物被灭活，但仍保持免疫原性，因此可以用于疫苗开发。一些研究小组已经利用完整微生物个体开发出重组和病原衍生的KBMA疫苗，这些微生物已被证明是无害的，具有免疫原性，这一技术给特异性疾病的预防和减少动物模型传染病的发生带来了新的希望。
此外，PUVA还可用于其他多种病毒的灭活，如登革病毒、基孔肯雅病毒、SARS-CoV等。有些研究人员使用酸性石灰和合成的补骨脂加强太阳对水的消毒作用。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，发现补骨脂素和酸性石灰提取物与紫外线辐射协同作用，能够加速微生物的失活。
蓝光灭活病原体的机制和应用
尽管紫外线的杀菌作用已为人熟知，但是它具有引起皮肤损伤和致癌的风险，更为严重的缺陷是，紫外线不具有或仅具有较弱的杀伤细菌孢子的作用。而生物武器所用的细菌制剂通常是从表现出抗生素耐药性或能够形成内生孢子和生物膜的细菌中选择，以使其能够对现有的抗菌治疗方案具有更强的耐药性，这样才能发挥最大的破坏能力。由于这些原因，研究人员仍然需要对毒性强的细菌、真菌和病毒进行研究，以便能成功击败可能的生物战。
目前的研究表明，可见光中的蓝光也具有杀菌的效果，它的波长范围为435纳米~450纳米。与紫外线照射相比，蓝光不仅可以杀伤耐抗生素细菌和细菌孢子，而且对哺乳动物细胞的危害要小得多，因此利用可见光进行杀菌更具有明显的优势。
波长为405纳米的蓝光对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌显示出广谱的抗菌效果。目前，已经有人提出用蓝光作为替代疗法，治疗一些对甲氧西林和青霉素产生耐药性的细菌感染。蓝光杀伤耐抗生素细菌的机理可能是，它能够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，或直接影响细菌的耐光色素。
另一方面，高强度的波长为405纳米的蓝光也能够有效灭活蜡样芽胞杆菌、巨芽孢杆菌、枯草杆菌和艰难梭状芽胞杆菌。这是一个氧依赖的过程，405纳米蓝光可能与细菌内生的光致激发生色团，如粪卟啉发生作用，进而在芽孢杆菌和梭状芽胞杆菌体内产生单线态氧等对细胞具有毒性的活性氧，从而对细菌产生损伤。
然而需要注意的是，蓝光不仅能调控细菌的活力，抑制生物膜的形成，增强对细菌的光灭活作用，同时也能增强细菌的毒力因子。
高强度的405纳米光除了可以在医疗、军事和农业等领域，用于防治炭疽芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌等的暴露外，也可以用于空气、接触表面和医疗器械等的消毒工作。现在市面上流通的祛痘用的蓝光治疗仪和蓝光洗衣机也是基于蓝光灭菌的原理。
光动力疗法
光动力疗法 (PDT) 是一种非侵入型治疗方法，使用无毒光敏剂和无害的可见光或近红外光来产生单线态氧和其他活性氧，这些活性氧能够作用于核酸、蛋白质和不饱和脂肪酸等生物大分子，引起细胞损伤。例如，用光动力疗法治疗癌症时，活性氧会对肿瘤细胞内这些关键的生物分子造成损伤，并引发细胞凋亡。光动力疗法的生物靶标 (蛋白质、脂类、核酸) 是所有种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。
光动力钝化作用产生的短寿命活性氧是导致病毒关键分子靶损伤的主要原因。单线态氧和其他活性氧 (过氧化氢、超氧化物和羟基自由基) 可攻击不同的病毒靶标，如病毒囊膜、蛋白、衣壳、核心蛋白及核酸等，从而使病毒丧失感染性。已有研究表明，囊膜病毒可因蛋白质损伤而失活。由于光动力钝化作用能够对病毒蛋白产生损伤，因此即使是无囊膜病毒也能被有效灭活。
对于不同种类的哺乳动物病毒和噬菌体，无论它们是有囊膜的还是无囊膜的病毒，无论是DNA还是RNA病毒，不同类型的光敏剂均能在病毒的光动力钝化作用中发挥有效的作用。
光动力钝化是少数几种能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学作用可以攻击毒素分子自身的易被氧化的分子特征，如硫原子、芳香环、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或改变其官能团，从而破坏其生物学功能。
图4：光敏剂化合物
推荐使用光动力疗法进行杀菌操作是因为它具有两大显著的优点：
一是相较其他化学消毒剂，光动力疗法较为环保，在对房屋或汽车等进行消毒后，残留的光敏剂可被阳光分解；
二是因为光动力疗法具有高选择性，它既能够通过光敏剂选择性地针对特定的细胞或组织类型，也能通过控制光照区域选择性地针对某些区域。
通过使用适当的光敏剂和光，光动力疗法能够用来杀灭水中、车辆和设备等表面、食品、皮肤、伤口中的病原体，甚至能够在系统性入侵发生之前，治疗病原体对人体或动物造成的局部感染。
飞秒激光的抗菌效果
飞秒激光（Femtosecond Lasers）除了用于近视手术外，还能用于杀菌。飞秒激光是指脉冲时间为10-15秒的激光，可以破坏透明的或半晶石状的生物组织，是一种杀灭病原体的新方法。
飞秒激光在灭活不同微生物时采用的机制不同：灭活病毒时，飞秒激光能够促使病毒粒子蛋白质外壳中的氢键、疏水键断裂，使弱的蛋白连接分离，或引起病毒衣壳和囊膜蛋白选择性地聚集，从而使病毒失活；而在灭活细菌时，细菌的失活与可见飞秒激光照射造成的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对多种病毒均具有灭活作用，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。
结语
光介导技术在对抗所有已知病原体时均具有广泛的应用价值，从短紫外到近红外 (单独或与光敏剂结合使用) 的波长均可用于杀死或灭活革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌、真菌、内生孢子、寄生虫、病毒，甚至蛋白毒素。
随着微生物及其衍生物的类型不同，所使用的光的波长不同，以及是否使用光敏剂，光介导技术发挥作用的机制也可能有所不同，但这些技术主要针对两类目标，如UVC和PUVA针对病原体的核酸，而蓝光和光动力疗法针对光解的氧化蛋白。因此，当发生任何大规模的生物袭击之时，都可以尝试使用这些光介导的灭菌技术进行应对。
注释及参考文献
[1] Fatma Vatansever, Cleber Ferraresi and et al., Can biowarfare agents be defeated with light? Virulence 4:8, 796–825
[2] 注释：我们知道紫外线属于不可见光，但是为什么日常生活中的紫外灯大多散发出蓝紫色的光呢？事实上，虽然杀菌紫外灯的紫外线波长是254纳米，属于不可见光，肉眼看不见，但是灯管中的低压汞受电子轰击后发出的汞光谱中，除了波长254纳米的紫外线这一主要成分，还包括可见光范围内的蓝光和紫光。这样，紫外灯既能发挥紫外线的杀菌作用，又能提醒使用者所处的环境是否开启了紫外灯，从而防止紫外线对人体的伤害。
[3] 王宇辉，徐高田，光触媒技术的发展与应用，化学工程师，1002-1224（2004）12-0038-04
文章来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：徐颖