紫外线是什么（太阳的紫外线是什么）

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　　前几天小编在摸鱼时偶然刷到了这样一条热搜：
　　图微博
　　在感叹祖国日益强大的同时，小编也不免疑惑：光还能制成疫苗？这是什么高端的黑科技？
　　都说好奇心害死猫是人类进步的源泉，今天小编就本着物理人寻根问底的精神，来给大家好好解读一下这款所谓的黑科技。
　　人体安全消毒仪
　　热搜中所述的光疫苗，其实是一款能发出222nm特定波长紫外线的消毒仪。据报道它能针对病毒细菌等微生物，尤其是新型冠状病毒，实现99。99的杀菌效果。
　　人体安全消毒仪参考文献〔7〕
　　看到这里小编不禁吐槽：不就是紫外线消毒仪嘛，和疫苗混为一谈真的好吗？
　　疫苗（以灭活疫苗为例）是将病原微生物灭活后保留全微生物体注射进入人体，促使人体产生针对该病原体的抗体，是一种获得性免疫。
　　而紫外线消毒是体外细菌病毒消杀，和疫苗的原理完全不一样好伐。
　　不过对比我们日常使用的紫外线消毒产品，这款消毒仪还是有其先进之处的。
　　平常我们用来消毒的紫外线灯，发出的紫外线波长约为253。7nm，而且消毒过程中需要人远离光源才行。
　　而这款消毒仪发出的222nm紫外线，可以做到开启后人无需离开，实现了人机共存，实时消毒。
　　为什么这款消毒仪能具备这样的特异功能？这还得从紫外线本身开始说起
　　紫外线本线
　　紫外线（Ultraviolet，简称UV）大家都不陌生，它是波长在10400nm之间的电磁波，太阳光中就含有部分紫外线。
　　电磁波谱丨WikimediaCommons，Nl74，Inductiveload，NASA，TranslatedbyTonysCCBYSA3。0（https：creativecommons。orglicensesbysa3。0）
　　生活中我们常把紫外线分为UVA、UVB和UVC三类。
　　UVA为波长介于320400nm的紫外线，太阳光中的UVA可穿透大气层，甚至到达皮肤的真皮层，造成晒黑，所以朋友们平时出门一定要做好防晒
　　UVB为波长介于280320nm的紫外线，可到达皮肤表层，引发晒伤。太阳光中的大部分UVB会被臭氧层吸收，故只有很少的一部分UVB能到达地球表面。
　　UVC为波长介于100280nm的紫外线，此范围的紫外线能量较高，具有一定的危险性，所幸臭氧层可以帮助我们完全阻隔UVC。可见臭氧层的重要性
　　紫外线渗透到皮肤的各个层次参考资料〔2〕
　　除了此外，我们还将波长介于10200nm的紫外线称为真空紫外线，由于其会被空气中的氧强烈地吸收。所以这种紫外线只有在无氧状态下才能使用，应用于一些特殊的工艺上。
　　日常紫外线消毒
　　日常生活中我们使用的紫外线灯大多是普通直管热阴极低压汞灯，通电后可以产生足够强度的波长为253。7nm的紫外线，在进行了一定时长的辐照后，就能达到9999。9的消杀效果。
　　那紫外线是如何起到消杀作用的呢？为什么偏偏要用253。7nm的紫外线呢？
　　科学家通过大量实验发现，细菌病毒体内的DNARNA会吸收部分UVC波段的紫外线。从下图中不难看出，在260nm附近吸收最为强烈。
　　DNARNA对紫外线的吸收参考资料〔3〕
　　大量吸收紫外线的DNARNA，其螺旋结构就会被破坏，从而使机体的新陈代谢机能出现障碍，同时会丧失遗传能力。当辐照强度和时间都充足时，细菌病毒就会失活。
　　DNA结构会因紫外线辐照而被破坏Pixabay
　　因此，只要光源满足：
　　能发出波长在260nm附近的紫外线
　　光强足够强
　　所用材料成本低，制造方便
　　就可以很方便地应用于日常生活杀菌消毒。
　　综合比较之后，低压汞灯担起了这个重任，因为其能发射强度较大的波长为253。7nm（满足在260nm附近）的紫外线，同时汞的使用成本低，且低压汞灯的制造相对简单。
　　这里顺便解释一下为什么紫外线是不可见光，但我们却能看到紫外线灯发出的光。
　　低压汞灯在通电后，紫外波段和可见光波段中的蓝光、紫光都会被激发，所以其在发出紫外线的同时，也会同时发出一些波长的蓝光和紫光，于是就形成了下面的图景。
　　紫外线灯丨WikimediaCommons，ColeopterCCBYSA4。0（https：creativecommons。orglicensesbysa4。0）
　　需要注意的是，253。7nm的紫外线能量较高，而且可透进皮肤，如果人体长时间暴露于紫外线灯下，皮肤、眼睛都会受到伤害，轻则电光性眼炎、皮肤灼伤，重则白内障、皮肤癌。所以紫外线灯开启时，人一定要到紫外线灯照不到的地方等待。
　　222nm呢？
　　人与开启的紫外线灯不可兼得，这可能是紫外线消毒法一个比较大的缺憾。
　　那有没有办法弥补这个缺憾呢？哎，今天的主角终于要登场了。
　　文章开头处我们说到，222nm的紫外线能够起到杀菌消毒作用而基本不对人体产生伤害。这是怎么做到的呢？
　　222nm紫外线让细菌病毒失活的原理和253。7nm是一样的，只不过换了个波段而已。
　　在前面讲DNARNA对紫外线的吸收时，我们可以从吸收光谱中看到，除了260nm附近的区域，在220nm附近，也有一个吸收度上升的趋势。
　　虽然没有260nm那里那么高，但如果给予足够的光强和辐照时长，按道理也是能起到消杀效果的。
　　科学家通过对比实验，测试了253。7nm和222nm紫外线消杀能力。
　　两种紫外线的消杀能力对比参考资料〔5〕
　　可以发现两种紫外线的消杀能力几乎不相上下，在低强度时222nm甚至超越253。7nm。
　　那222nm是怎么做到对人体基本无害的呢？明明波长更短能量更高了呀？
　　这就不能单从能量的角度去考虑了，还要考虑波长变短后紫外线穿透能力的变化。
　　从前面UVA、UVB、UVC的介绍里我们可以看出，当紫外线的波长变短时，其穿透能力也在减弱。
　　所以222nm的紫外线相比254nm的紫外线在皮肤中的穿透深度就浅了许多，对人体的伤害自然就小了
　　科学家们通过对比实验，让一部分雄性无毛小鼠暴露于222nm的紫外线中，一部分暴露于253。7nm的紫外线中，一部分不暴露，保证紫外线光强和辐照时间一致，在暴露结束48小时后观察其皮肤发生的变化。
　　三组小鼠经历辐照后皮肤的变化参考资料〔5〕
　　可以发现经历222nm紫外线辐照几乎与无辐照没区别，而253。7nm的辐照让皮肤受损严重。
　　那222nm的紫外线是如何产生的呢？这里选用氯化氪（KrCl）作为光源，同时为了过滤其余波长的光，单独发出222nm这一个波长，还会搭配使用滤波片。
　　未使用和使用滤波片的氯化氪光谱参考资料〔5〕
　　能实现民用吗？
　　既然这个222nm的消毒仪如此强大，那在如今疫情防控常态化的大背景下，能否能实现民用呢？
　　据报道，除了此次东京奥运会，某些地区的一些医院也已经安排上了，而且反响强烈。
　　因为222nm的紫外线可用于有人的场景，对于人员密度高、人流量大的场所，以及医院（尤其发热门诊）这样的高风险场所具有特别的优势。
　　不过由于光只能沿直线传播，所以在光照不到的地方，消杀效果会比较有限，这也是紫外线消毒法的一个短板。
　　目前研究人员正在积极研发尽可能克服短板、并且能应用于更多场景下的民用消毒仪。相信未来的某一天，升级版的消毒仪会走进寻常百姓家，为抗疫做出更大的贡献！
　　是不是没有想到一个小小的消毒仪居然隐藏了如此丰富的知识？
　　小编也从中悟出了一个道理：摸鱼思考，收获少不了
　　参考文献
　　〔1〕紫外线维基百科
　　〔2〕PrezSnchezA，BarrajnCatalnE，HerranzLpezM，etal。Nutraceuticalsforskincare：Acomprehensivereviewofhumanclinicalstudies〔J〕。Nutrients，2018，10（4）：403。
　　〔3〕KiyoshiYoshino，姜伟。紫外线杀菌的原理和最新应用〔J〕。中国照明电器，2005（04）：2831。
　　〔4〕MeulemansCCE。ThebasicprinciplesofUVdisinfectionofwater〔J〕。1987。
　　〔5〕BuonannoM，PonnaiyaB，WelchD，etal。Germicidalefficacyandmammalianskinsafetyof222nmUVlight〔J〕。Radiationresearch，2017，187（4）：493501。
　　〔6〕什么秘密武器保障中国奥运代表团零感染？距离民用还有多远？https：finance。sina。com。cnwm20210816docikqcfncc3145499。shtml
　　〔7〕https：news。sina。com。cnc20210814docikqciyzm1437644。shtml
　　作者：Eric
　　编辑：Eric
　　本文经授权转载自公众号中科院物理所
　　来源：中科院物理所