圖1. 傳統工藝：傳統工藝生產的紫外線螢光燈管既笨重，效率又低。LED燈管作為其替代者，不僅在價格上更加低廉，而且具有更高的可調節性和持久性，另外，LED燈還具有許多其他的優點。
編者按
紫外線是殺菌消毒的常規武器，並在此次對抗新冠疫情中廣泛應用。其背後的原理是，波長短、能量高的紫外線能夠通過照射破壞微生物的遺傳物質，從而瓦解病原。然而，傳統紫外線螢光管不僅笨重易碎，而且其高頻輻射將灼傷人類皮膚並可能引發癌變，因此使用上有諸多不便。
本文探討了一種新的紫外線消殺技術的可能——遠紫外光LED設備。根據現有研究，紫外光中波長較短的遠紫外光對病毒致命，但對宏觀動物的傷害非常有限。若遠紫外光能與生活中常用LED發光設備結合，則將為今後抗擊疫情提供新助力。
不過，目前該項目仍處於實驗室階段。遠紫外光的安全性需進一步驗證，短期或少劑量照射並不能證明其安全性，無角質層保護的外露黏膜（如口腔黏膜）暴露於遠紫外光的健康風險尚不確定。另外，在工業上如何實現輸出穩定、成本可負擔的LED紫外光設備仍面臨重重挑戰，可行的設計方案、資金支持與工業上的合作夥伴最對項目的未來開展至關重要。
撰文 | 喬恩·卡特賴特（Jon Cartwright）
翻譯 | 谷大春
校譯 | 謝 鈞
責編 | 戴 威
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我們先設想一下這樣一個世界，在那裡的人們可以隨心所欲得去各地旅行。在結識新朋友時，他們可以彼此親切地握手；而當拜訪好友和長輩時，他們也能相互熱情地擁抱。他們再也不用費力地去給各種工作檯面消毒，或者是在處理完快遞包裹後必須要去洗手……
這就是我們所期盼的這次新冠病毒大流行的終結。即使在某些細節上可能會有所出入，但上文中所刻畫出來的願景也是完全有可能實現的。然而，即使一切都能朝著樂觀的方向發展，科學家和政府官員們仍然會對未來抱有一種深深的擔憂：那麼下一次疫情又將會是如何呢？現在我們為 COVID-19 研發的任何藥物和疫苗在應對下一次流行病毒時都將會是無效的，因為下一次流行病很可能是由完全不同科類的病毒所引發。事實上，除非我們可以在應對大規模流行病疫情的方法上有所突破，否則在科學家們找出治癒的方法前，下次疫情仍將導致心理與經濟兩方面上的嚴厲封鎖。
然而，有一位科學家表示，在下一次疫情發生時，我們可以做出一些不一樣的改變。這位科學家名叫查理·艾恩賽德 （Charlie Ironside) ，來自澳大利亞佩斯市的科廷科技大學。他不是一位病毒學家或是流行病學家，而是一位物理學家——他在半導體光電子學方面有著30多年的專業經驗。應對疫情，他提出了新的解決方案：使用遠紫外線發光二極體 （far-UV LEDs） 。
「在較短波段範圍內的遠紫外光波長對人體而言應當是安全的，對病毒而言卻是致命的。其在消毒上的應用將會變得簡單、常規且有效。」
為了避免給大家帶來誤導，在這裡我們需要指出，總體來說，紫外線還是非常危險的，人類也不應該去主動接觸它。但就在目前，有新的證據表明，較窄的遠紫外線在其波長範圍內對人類是完全安全的，而對病毒則是致命的。艾恩賽德教授解釋說，如果LED發出的光大部分能夠集中在這種遠紫外線輻射的最佳波段，它們可以被整合進日常照明與消費級的技術產品中，進而控制流行病的傳播。艾恩賽德教授將自己的這個提議稱為對LED研究人員和整個半導體行業的 「戰鬥召喚」。但這個提議能實現嗎？
紫外線是殺菌消毒的傳統武器
紫外光是由波長在200-400納米的光子所組成。在過去的一個多世紀以來，它一直被人們認為是可以有效殺死細菌和病毒的。因此，它早已經是我們用於對抗COVID-19的武器之一。醫院裡安裝的紫外線探照燈，可以用於對空氣和水平表面進行消毒，或放在醫用託盤中對醫療器械的消毒。手持紫外線燈則可以用來消毒那些探照燈無法達到的地方。在中國，公交車在夜間都會停在紫外線照明的車庫裡。在沒有安裝紫外線設備的地方，工作人員可以通過遙控，將攜帶有紫外線燈的機器人小車送進房間，從而對該區域進行消毒。
雖然這些技術十分有效，但也存在著兩個主要的缺點。 首先，紫外光通常是由螢光燈管發出的，這種螢光燈管體積較大，而且非常易碎，又十分笨重，只有在專業的場合才會被使用。其次，該技術另一個更大的缺點便是這些紫外線輻射會對人體產生負面的影響。
圖2. 對人體不安全：紫外線早已被用於消毒技術——例如用於醫院(左)和公共運輸工具(右)的消毒。但目前，當有人類在場時，該消毒過程便無法安全地執行，這極大地限制了紫外燈在病毒流行爆發等情況下的有效應用。(圖源: Shutterstock/Nor Gal; Sputnik/Science Photo Library)
就紫外線而言，我們非常熟悉其前兩個波段，即UVA （315-400納米） 和UVB （280-315納米） ，因為它們是太陽光的組成部分，可以直接穿透大氣層，和人類直接接觸。這兩個波段的紫外線都會導致皮膚曬傷，其中以UVB更為容易。在極端條件下，甚至還會誘發皮膚癌。 然而，我們很少會接觸到UVC （200 - 280nm） ，因為它在穿越大氣層時就會被地球的臭氧層所吸收。UVC不僅會造成嚴重的皮膚曬傷，還會非常有效地破壞DNA，這就使得人類在直接暴露於紫外線的情況下會變得非常危險。
然而，不幸的是，紫外螢光管發光的波長通常就集中在250納米左右，正好處於UVC波段的中間。因此，UVC殺菌燈在使用時不能有任何人在現場，這便大大限制了其在大規模流行病期間的應用。
2017年，美國哥倫比亞大學的物理學家大衛·布倫納 （David Brenner） 領導的科研團隊研究發現，並非所有波長的UVC都具有相同的破壞性 。 布倫納教授和他的同事們研究發現，在使用氪氯基準分子燈發射出的波長為222 納米的遠紫外線照射小鼠時，小鼠在照射後並沒有出現皮膚被損傷的證據。與此同時，他們還發現同樣波長的光線卻可以有效地殺死超級細菌 MRSA （Radiat. Res. 187 493） 。
一年後，來自日本廣崎大學醫學院的Kouji Narit教授和其同事們也證實了這一結果。同時，該團隊還證實了波長為254納米的傳統殺菌燈確實會引起類似太陽曬傷的皮膚損傷 （PLOS One 13 e0201259） 。在同一年，布倫納教授和他的同事們發現波長為222納米的光也能有效地摧毀通過空氣傳播的病毒 （Sci. Rep. 8 2752) 。甚至還有證據表明，遠紫外線對眼睛都是安全的：在去年，日本出雲市島根醫科大學的 Sachiko Kaidzu 教授研究發現，暴露在波長為222納米的電磁輻射下的老鼠，其角膜沒有出現任何損傷 （Free Radic. Res. 53 611） 。
根據布倫納教授的解釋，遠紫外線對皮膚不會造成傷害的原因是源於生物材料對光波的吸收範圍。由於遠UVC光的波長比其他UVC光的波長要短，因此它幾乎不可能穿透皮膚最外層的死皮細胞，而死皮細胞通常的厚度在幾十微米左右。另一方面，它仍然可以很容易地穿透細菌和病毒，這些細菌和病毒的厚度會通常小於1微米。
圖3 .32納米的差異：當波長為254納米的紫外光照射到小鼠皮膚(上圖)後，會出現明顯的DNA損傷(箭頭標記)。而當小鼠皮膚在222納米的紫外燈下照射後(下圖)並不會顯現出這些病變。（圖源：PLOS One）
遠紫外線健康風險待評估，欲與LED設備結合
布倫納教授的研究工作獲得了全世界的廣泛關注，《時代》、《新聞周刊》、《華爾街日報》和哥倫比亞廣播公司等媒體都刊登了相關文章。顯而易見，遠紫外線光可以從根本上提高我們應對病毒的能力，包括那些目前我們還無法治癒的病毒。如果輻射波長為222納米的準分子燈可以安裝，或者與現有的照明裝置相結合，那麼它便可以或多或少地在公共場所連續使用，比如學校、火車站、汽車站、機場，以及用於對火車、公共汽車和飛機本身的消毒，不用擔心存在任何危及人體的風險。
然而，要想這一切成為可能，我們必須要能夠證實波長為222nm的遠紫外光對人體是絕對安全的。 來自美國康乃狄克州法明頓市的康乃狄克大學健康中心的分子生物學家彼得·塞特洛 （Peter Setlow ）便是眾多心存疑慮的人之一，他非常關心遠紫外線對皮膚的長期影響，因為 到目前為止所進行的研究要麼只是單次照射，要麼也僅僅是照射了幾個小時的時間。 他表示：「現在的問題是，究竟有多少222納米的紫外線能穿透皮膚中的死皮細胞，到達活細胞和功能細胞?答案似乎肯定是 『不多』，但 『多』 本身並不是一個絕對的概念。所以我們還需要進行風險評估，需要在較長時間內對動物進行實驗測試，同時還有許多其他方面也有待確定，例如，醫院的防護服是否能夠抵禦這種紫外線。」
艾恩賽德教授也同意這一觀點，遠紫外線輻射對人類的安全性需要在常規使用之前得到全面的驗證。但是，即便它的安全性最終能夠得以證實 （恩賽德教授是這麼認為的） ， 那麼準分子燈的使用仍然會帶來一些問題：它們本身過於笨重，只能適用於靜止固定的情況。 準分子燈也屬於傳統技術。
在過去的十多年裡，我們已經逐漸看到白熾燈和螢光燈被LED所取代，因為後者更便宜、更高效、更具有可調節性和安全性 （因為其電壓更低） ，同時還更加持久耐用。 這便是為什麼艾恩賽德教授會認為LED會是遠紫外線最方便的來源。 他介紹說：「如果我們真的能夠生產出一種被證明對人類安全的遠紫外LED，那麼我認為它將會產生巨大的影響。我們可以設想一下，如果現在每臺手機上都能安裝這麼一種感染控制設備，那將會如何呢？這種設備可以用來消毒各種表面以及我們的手掌。」
原則上，通過調整半導體合金我們可以製造出幾乎任何波長的LED。 以氮化鎵 （GaN） 為例，它是大多數商業LED的基礎，具有約3.4電子伏的帶隙，對應於發射360納米波長的可見紫色光。與此同時，氮化鋁 （AlN） 的帶隙約為6.4電子伏，對應於發射UVC最深處的210 納米的紫外線。因此， 氮化鋁鎵合金 （Al-GaN） LED發出的光的波長應該會介於兩者之間，其波長大致取決於鋁與鎵的比例。
基於這種合金的遠紫外LED已經在實驗室中被證明可行。例如，自2007年以來，日本崎玉縣理化學研究所的 Hideki Hirayama 教授和他的同事們一直在研製能夠發射波長為222納米遠紫外光的氮化鋁鎵合金 LED （Electr. Commun. Jpn 10.1002/ecj.11667） 。與此同時，在2006年，日本厚木市的NTT基礎研究實驗室的 Yoshitaka Taniyasu 教授和他的同事們在純氮化鋁的基礎上製造出了發射波長為210納米的遠紫外 LED （Nature 441 325） 。
然而不幸的是，這些實驗室設備的轉化效率只有幾個百分點，遠低於實際使用所需的20%-40%的效率，因此它們都沒有能夠被商業化。
從實驗室到生產線挑戰重重
半導體化合物中心 （CSC） 是一家由半導體晶片製造商IQE和英國卡迪夫大學合資創辦的研究機構，羅伯·哈珀 （Rob Harper） 是該中心氮化鎵化合物項目的經理。 他解釋說,目前，想要可靠地製造高效率遠紫外LED管，我們必須解決一個問題，即如何在氮化鋁鎵合金半導體中摻入少量的其他金屬， 比如銦，從而使得該半導體成為微正型，即微P型半導體。他介紹說，當有其他元素摻入時，這些元素會傾向於滲入到LED的發光區域，進而抑制光的發射。在通過工業上標準的金屬有機化學氣相沉積外延技術生長該晶體時，高的鋁含量本身就會破壞其晶體結構。
儘管困難重重，哈珀深刻地認識到攻克這些挑戰是非常重要的。他說：「當前全球爆發的 COVID-19疫情 令人們痛苦地認識到我們急切需要性價比高，能迅速部署，並且可以大面積殺菌消毒的新方法，比如紫外線輻射。任何潛在的、有可能會實現的、新的適合實用的P型摻雜的技術方法都值得我們去研究。」
然而，哈珀並沒有透露CSC是否會將研製遠紫外LED納入未來的研發計劃。目前，公開響應艾恩賽德教授號召的研究人員還有託尼•凱利 （Tony Kelly） ，他是艾恩賽德教授的前同事，也是一位 「從商業轉回學術」 的研究人員。他目前任職於英國格拉斯哥大學（University of Glasgow），從事應用光電子學領域的研究。《物理世界》也就這個話題聯繫到了他，在這之後的兩天內，他就已經完成了各種潛在資助途徑的調研，並且還正在為一個遠紫外研究項目尋找合作者。他說到：「查理經常是對的，並且我認為他在這方面上的觀點也是正確的。」和哈珀一樣，凱利教授同樣也能預見目前該項目最大的問題是無法研製出高效率的設備。
儘管目前全世界在新半導體設備的製造工具以及生產線上的投資是非常可觀的，往往高達數十億美元，但凱利教授認為這種規模的投資最終對於氮化鋁鎵LED來說可能是沒有必要，因為目前氮化鎵已經是一種非常成熟的商業材料了。相反，這應該是一個如何去改造現有製造工廠的問題。凱利教授說道：「如果我們在一年內能夠找到了一個可行的設計方案，我們便可以開始籌集資金來開展實施這個項目。」
與此同時，艾恩賽德教授本人並沒有逃避這些挑戰。儘管到目前為止，他的大部分研究還都是集中在設計近中紅外LED上， 但他希望與一個工業上的夥伴一起獲得聯合資助，以便探索氧化鎂鋅合金LED在遠紫外光波段的潛力。 他認為這個項目能否成功將取決於創新的物理學與製造專業知識的結合程度。
當然，目前該項目能否獲得成功還不能保證。但單從全世界各國政府願意花費數十億美元來維持其經濟正常運轉來看，尋找這些可以避免未來再次出現混亂的方法既是出於人道主義，同樣也具有很高的商業價值。因此，艾恩賽德教授呼籲儘可能多的研究同行都能參與進來。他說：「當我得知布倫納在遠紫外光方面的工作時，我認為這是一個真正值得我們去追尋的想法。我認為全社會都應該意識到這一點。」
製版編輯 | 皮皮魚