来源：广明源光科技
圣安德鲁斯大学、邓迪大学、利兹大学和哥伦比亚大学的科学家们在真实房间中测试了远紫外线的杀菌效果，这个房间的通风率与典型的家庭或办公室环境相同(大约每小时三次换气)。
在实验过程中，喷雾器不断向室内喷射金黄色葡萄球菌的气溶胶雾。(之所以选择这种微生物，是因为它对远紫外线的敏感度略低于冠状病毒，这为研究人员提供了一个适当的保守模型。)当房间里的微生物浓度稳定下来后，研究人员打开房间中的远紫外灯。这种灯在短短五分钟内就灭掉了空气中98%以上的微生物。
圣安德鲁斯大学的肯尼斯·伍德博士说:“我们试验的结果惊人，远远超过了仅靠通风所能达到的效果。” “在预防空气传播疾病方面，远紫外线灯可以使室内场所像在圣安德鲁斯的高尔夫球场上一样安全。”
在实际房间内，远紫外线能有效灭活悬浮病原体
包括COVID-19在内的许多传染病，都是通过空气中的病原体得以传播，因而有必要采取不依赖于人类行为的环境控制措施。一种潜在的解决方案是氯化氪准分子灯(通常称为远紫外线)，它可以有效地灭活空气中的病原体，如冠状病毒和流感病毒。研究表明，当氯化氪灯过滤掉长波紫外线辐射后，它不会引起皮肤或者眼睛的急性反应，也不会引起皮肤癌等延迟症状。虽然有实验室的数据表明远紫外有效，但在实际的房间空间中，其有效性还得不到确认。
我们首次证明，在房间内部署远紫外线，可有效灭活气溶胶式的金黄色葡萄球菌。在每小时换气3次(ACH)的频率下，部署5个滤波后的紫外光源，稳态病原体降低了98.4%，这相当于提供了额外的184次等效换气。这一结果使用的远紫外线辐射剂量，与当前美国政府工业卫生学家会议皮肤连续8小时照射阈值限值的标准一致。我们的数据表明，远紫外线可能对包括SARS-CoV-2在内的常见悬浮病毒更有效，是一种有效的“不干预”技术，可以减少空气传播疾病。研究结果为远紫外系统的设计和开发提供了空间尺度的数据支持。
造成COVID-19大流行的严重急性呼吸道冠状病毒2 (SARS-CoV-2)，可由个人通过空气传播给一人或多人。在大量人群聚集的室内环境中，尤其是在通风不良的情况下，SARS-CoV-2空气传播风险会增加。
众所周知，SARS-CoV-2的高度传播使国家卫生保健系统不堪重负，导致数百万人死亡，并形成长期健康问题。对全球经济造成持续性、毁灭性影响的同时，反过来又导致了更深远的福利和公共卫生问题。
显而易见，减少或预防SARS-CoV-2的传播，是一项关键的、前所未有的全球挑战。传播控制措施包括封锁国家、限制社交与商业集会、改善室内通风、开展公共卫生运动、戴防护口罩和接种疫苗。不同的措施成效不同。疫苗接种一直是减少死亡和重病的最有效措施之一，但它在减少病毒传播方面的有效性尚不清楚。遮脸是减少空气传播风险的有效控制措施，但依赖于个人行为选择，需要高度遵守才能对抑制传播产生影响。随着COVID-19大流行的发展，人们对影响日常生活的控制措施的接受和采纳程度降低，因此更需要采取不依赖于人类行为选择的有效措施。这不仅限于针对2019冠状病毒; 空气传播已被认为是一系列其他病毒感染的重要机制，包括流感、麻疹和其他人类冠状病毒(SARS-CoV，中东呼吸综合征)和呼吸道合胞病毒(RSV)，以及包括结核病在内的细菌感染和一些性感染的病原体。
杀菌紫外线(GUV)是一种符合上述要求的防治措施，并有科学的成功记录。1942年，Wells等人证明，与没有GUV的房间相比，接受GUV上层照射的房间中，儿童之间麻疹和腮腺炎的传播更少。同样，Escombe等人证明，当使用上层紫外杀菌时，患者向豚鼠的结核病传染减少了70%以上：对照组的结核病感染率为35%，GUV组的感染率为9.5%。然而，传统254nm杀菌紫外线的一个主要危险来源于可能意外照射到人，这可能会导致皮肤和角膜的晒伤。这就限制了传统杀菌紫外线的使用，于是只能在精心设计的上层空间系统、封闭单元或对无人在场的房间进行辐射。即使采用这些方式，意外照射仍可能发生，这影响了该技术的应用。
一种潜在的解决方案是“UVC紫外线”，这是一种波长通常在200到230 nm之间的C波段杀菌紫外线。一种常见的远紫外光源是氯化氪准分子灯，其主发射波长为222 nm，且在整个电磁波谱的紫外区都有低残留发射。在实验室实验中，KrCl准分子灯的杀菌特性已被证明可以灭活革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、耐药细菌、流感病毒和包括SARS-CoV-2病毒在内的人类冠状病毒。重要的是,当通过滤波把230nm以上紫外线降到最低程度时,相较于传统254nm杀菌紫外线，氯化氪远紫外准分子灯诱导皮肤和眼睛产生急性不良反应的的可能性要小得多，迄今为止，在动物和人体模型中的研究都尚未证明有任何长期不良健康影响。
在受控的标准实验室环境中灭活病原体的实验结果令人鼓舞，但当该技术在“现实世界”的局限下部署时，并不一定意味着能减少疾病传播。上层杀菌紫外线的历史先例为远紫外线减少疾病传播的潜力提供了一些信心，但仍需要进行实际评估。这类研究很复杂，必须长时间进行(通常至少12个月)，而走向真实世界研究的一个转化步骤，是在大型的、房间大小的气溶胶室中进行实验。这些房间大小的舱室具有受控的气流、温度和湿度，旨在复制真实的房间环境。此类空间已经被用来证明上层空间杀菌紫外线系统的有效性，并研究微生物的生存和扩散。它们还可以帮助了解，在可能长期存在感染者的房间中（类似于在学校、工作场所、医院和接待场所）应用某种技术的情况。通过持续控制空气中病原体的释放，达到稳定的环境状态，无论是否采用环境空气消毒技术，对室内空气进行采样，都可以提供更接近真实世界的数据。在这里，我们首次研究了在一个全尺寸的生物气溶胶室中，在稳态条件下，Far-UVC灭活空气中病原体的有效性。
结果
在利兹大学一个房间大小的生物气溶胶室的天花板上安装了5个氯化氪准分子灯，经过滤波以减少230 nm以上的紫外线发射，并在其发射窗口安装了扩散器以扩大其照射模式。灯被布置成梅花形(图1)，它们的发射指向地板。研究是在所有五盏灯都打开或只打开中央灯的情况下进行的。这样做是为了研究对房间体积进行局部(一盏灯)和充分(五盏灯)照射的影响。32立方米的房间以每小时3次换气(ACH)的频率进行机械通风，并在168厘米的高度将气溶胶状的金黄色葡萄球菌持续释放到房间中。经过60分钟的稳定期后，在50分钟的时间内采集10个空气样品。然后打开其中一个(中央远紫外灯)或五个远紫外光源，继续采样50分钟。
我们使用3种不同的灯照射率 (表1)，重复了这些测试。所选择的照射率是根据现有的国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)中光辐射建议 (“中等”场景)和美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)的照射阈值 (“高”场景)。此外，还包括了一个辐照强度较低的额外场景(“低”场景)。统计分析详见表S1。
如“方法”部分所述，在开灯前后每5分钟连续采样4分钟，收集地点空气中存活的金黄色葡萄球菌病原体浓度如图1。图2和表1分别显示了“开灯”前45分钟和“开灯”后50分钟的菌落形成单位/立方米(cfu m-3)结果。“灯亮”后的值表示为灯亮前平均值的百分比。再次强调的是，在整个实验过程中，病原体不断被释放到房间中。
正如预期的那样，在“高”照射情景下，稳态空气中可存活金黄色葡萄球菌数量的下降幅度最大。与单独换气(每小时换气3次)相比，使用所有5盏灯可将稳态活菌降低98.4%(标准偏差0.7%)。由此估计出的等效换气率范围为128-322 eACH(一个标准差置信区间)。在这种“高”情况下，8小时的最高照射剂量是参考了美国政府工业卫生师协会(ACGIH)的皮肤阈值限值(在超过8小时内，222nm剂量限值为478 mJcm-2)。在“高”照射情景下，单盏灯平均8小时的照射剂量不超过ICNIRP暴露限值，病原体降低了93.7%，产生的等效换气率估计范围为33-66 eACH。虽然单盏灯并没有照射整个房间，但室内良好的空气混合很可能导致了这种非常显著的效果。
图1 为生物气溶胶室的三维示意图，显示了房间尺寸、灯具的位置、病原体源和收集点(顶部)，以及远紫外灯照射(底部)的示例。
表1为：在距离地面两种高度的三种不同照射条件下，病原体减少率、辐照度和8小时照射剂量的平均百分比。粗体斜体8小时照射值高于ICNIRP 222nm照射限值23 mJcm-2。所有照射都没有超过2022年ACGIH的皮肤照射阈值478 mJ cm-2。统计学意义表示为:ns = p > 0.05， * = p≤0.05，** = p≤0.01，*** = p≤0.001，**** = p≤0.0001。
在“中等”照射场景下，8小时照射剂量峰值参考了当前ICNIRP指南的照射限值23 mJcm-2，使用所有五盏灯时，稳定状态下的活菌负荷减少了92.0%。这约等于35 eACH (范围27-46 eACH),相当于在15分钟内到达普通通风的11倍以上。值得注意的是，虽然8小时峰值暴露剂量略高于ICNIRP指南的暴露限值，但平均8小时暴露剂量比ICNIRP指南的暴露限值低5倍以上(表1)。
“低”照射场景，即极低强度远紫外照射率(比“中等”暴露率场景低10倍)，使活病原体载量减少13%(一盏灯)和29%(五盏灯)。
图2：开启远紫外光源后，在高中低三种不同照射情景下，残留在空气中的可存活金黄色葡萄球菌随时间的百分比呈对数y轴关系。注意病原体在整个实验过程中不断释放到房间中:研究是分别使用单个中央灯(绿色，正方形数据点，虚线)或所有5个远紫外灯(蓝色，圆形数据点，实线)进行的。
讨论
我们首次在一个实际大小的房间中，在典型的通风条件和空气中持续存在病原体的情况下，证明了远紫外快速且显著降低空气传播病原体的潜力。在不超过ICNIRP指南暴露限值的照明强度下，可以在15分钟内达到活菌数量减少约92%的新的环境水平。在ACGIH阈值极限值处，可以在不到5分钟内实现大约98%的降低。图3显示了两种情况的比较。
尽管出于安全原因，我们的研究没有采用SARS-CoV-2，但气溶胶态的金黄色葡萄球菌病原体充当了空气传播病毒(如人类冠状病毒和流感病毒)的替代品。图4显示了这一理论的基本原理，其中比较了空气传播的人类冠状病毒(OC43和229E)、空气传播的流感病毒(H1N1)和空气传播的金黄色葡萄球菌的远紫外灭活率。所有这些失活率都是用相同的实验室装置测量的。虽然SARS-CoV-2的远紫外灭活结果尚未被报道过，但SARS-CoV-2的远紫外线载体灭活的结果表明，它对人类冠状病毒OC43和229E的敏感性相似。我们的结果表明，空气中的金黄色葡萄球菌对远紫外灭活的敏感性，低于空气传播的流感病毒和人类冠状病毒，所以，金黄色葡萄球菌是一种谨慎保守的替代品。
图3：根据ICNIRP指南照射限值(5盏“中等”)和ACGIH阈值限值(5盏“高”)引发的两种照射情况下，残留在y轴上的可行空载金黄色葡萄球菌百分比。注意，在整个实验过程中，病原体以每小时3次换气的机械通风速率持续释放到房间中。
图4：在低远紫外线照射剂量下，与用远紫外线灯照射的气溶胶式金黄色葡萄球菌相比，人类冠状病毒HCoV OC43、HCoV 229E和H1N1流感病毒的灭活。测量在哥伦比亚大学实验室的气溶胶病原体辐照系统进行。同时纳入以前发表过的HCoV OC43、HCoV 229E和H1N1流感数据，以供比较。
据假设，空气传播的冠状病毒和流感病毒被灭活的百分比可能更大，且灭活时间更短。
对于安装远紫外灯的人来说，解释和应用光辐射暴露限制可能是一个挑战。许多人会选择保守的方法，假设以峰值照度测算8小时照射剂量。然而，暴露限值是辐照度(ETWA)对时间加权平均(TWA)来预期的，它考虑了个人在一个空间内收到的实际照射。如果ETWA保持在限制之内，就允许较高的峰值辐照度。在本研究中，峰值灯强度可能比“中等”场景高5倍，从而改善了灭活效果，而平均8小时剂量仍将在ICNIRP指南暴露限值内。
这突出了正确安装远紫外线辐射灯的重要性，以确保指定的空间得到适当和安全的照射。例如，虽然在“高”场景中，一盏灯的总体病原体减少率约为94%，但室内有一些区域没有完全照射。相比于实验中使用的房间，实际房间空间可能更大，空气混合的效果可能更弱，实际的病原体减少可能要低得多。根据之前的建模研究，我们对远紫外灯进行了改进，在室内的远紫外光源的发射表面放置了一个扩散材料，以扩大其辐照模式并增加远紫外的覆盖范围。
我们的研究结果还提供了一些初始数据，可以与便携式空气净化器等其他技术进行比较。根据设备的大小，其清洁空气输送速率(CADR)通常在200到500立方米/小时之间，而在实验室内将会达到6.2到15.5 eACH。因此，5盏灯的“中等”远紫外场景比更高流量的HEPA空气净化器表现得更好。尽管远紫外系统的设计和安装比“即插即用”的便携式空气净化器复杂程度更高，但该方法可能提供更大的eACH，而且也很安静。远紫外相对于空气净化器和上层紫外杀菌的另一个潜在优势是，它可能不需要房间内“良好”的空气混合。我们将在未来的研究中对此进行调查。
所有旨在减少COVID-19等疾病在空气传播的方法，理想情况下应分层使用，包括酌情接种疫苗、保持社交距离、戴口罩和通风。还需要进一步研究温度、湿度、通风率和接近感染源等参数的影响，但这里报告的结果应能提供信心：即远紫外线在适当部署并符合当前（或未来）安全监管限制时，可能是一种有效的、独立于人类行为的控制措施，它能灭活关键的空气传播病原体，如人类冠状病毒和流感，从而减少这些疾病的空气传播和物表传播。
方法
生物气胶室。实验在尺寸为4.26 m长、3.35 m宽、2.26 m高的受控生物气溶胶室中进行。该室采用机械通风，并在负压下运行，配有全新鲜空气系统，该系统在供应和提取物上经过HEPA过滤，以提供实验控制和运行安全。通风空气由位于房间一角的安装在墙上的进风口格栅提供。壁挂式出风口位于对角线相对的低处。试验箱在0.027 m3s-1的空气流量下运行，相当于每小时三次换气（ACH）。以前的研究已经表明，该燃烧室具有良好的空气混合。金黄色葡萄球菌的释放位置位于距地面168厘米、距进气口50厘米和距相邻墙壁64厘米的高度（图1）。样本采集点位于50 cm的高度，距离出风口20 cm，距离相邻墙壁64 cm。先前的研究表明，这个位置代表了实验室内的平均浓度。注意确保细菌释放点和采样点不直接位于远uvc源下(图1)。实验室的温度为28°C±1°C，相对湿度为50%±2%。虽然机械通风提供了良好的混合气流，但室内没有混合风机。实验需要生物防护设施，它是在舱室密封和雾化的情况下进行的，气溶胶取样和远紫外辐射装置的操作为远程操控。
雾化病原体的选择。 如Welch等人所述：在实践中，生物气溶胶室不能用于气溶胶化的3级病原体，如SARS-CoV-2。为了选择一种可用的气溶胶病原体，即一种合理的但谨慎保守的空气传播人类冠状病毒模型模型，我们使用哥伦比亚大学实验室基于气溶胶病原体紫外辐照系统进行初步研究。该系统由气溶胶病原体源组成，其流经由远紫外源和远紫外透明窗口组成的紫外辐照室；通过改变远紫外线暴露的强度和病原体的速度，可以获得不同的远紫外线剂量。空气传播的金黄色葡萄球菌在明胶过滤器(Sartorius，德国)上照射后收集，溶解在5 ml PBS中，并在胰蛋白胨大豆琼脂（TSA）平板上用菌落形成单位（CFU）法进行灭活分析。
图4显示了气溶胶化金黄色葡萄球菌的室内结果，与早先发表的气溶胶化人类冠状病毒229E和OC43以及H1N1流感病毒的结果相比较。我们从这些初步研究中得出结论，尽管细菌和病毒之间存在差异，但在目前的室内研究中可以使用气溶胶化的金黄色葡萄球菌代表人类冠状病毒远uvc灭活，这是一种保守且合理的模型。金黄色葡萄球菌已应用于许多室内实验中，并被证明是一种可靠的测试生物，可以雾化到房间中，并从空间中持续采样，使实验之间能够进行良好的比较。金黄色葡萄球菌本身也是一种病原菌，因为它是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的代表，在医院感染中很重要，经常被用作清洁的参考。在当前大流行之后，对病原体灭活技术的评估至关重要。
远紫外灯。5个商用氯化氪准分子远紫外灯，经过滤波以减少230 nm以上的紫外线照射，被放置在2.12米高的室内，呈梅花形(六面骰子上的五个点的图案)，照射指向地面。这种灯连续工作，并经过改良，加入了一种扩散材料，扩大了远紫外线辐射的分布范围，使照射量最大化。为了调整灯的照射强度，邓迪尼尼维尔医院的医学物理和临床工程部门定制了金属网衰减过滤器。这些过滤器提供了原本远紫外线10%和1%的照射强度。衰减滤波器被放置在灯和扩散材料之间。
用校准的UVC辐射计(UV-3727-5探测器，带X1-5光学计，2021年4月29日，德国Gigahertz-Optik)在水平面上测量了舱内的辐照度(E)场。测量是在距离地面1.7米和1米的两个高度(z)上进行的，间隔0.5米。在式(1)中，曝光定义为高度z处的辐射曝光H，使
其中Eiz为高度z和位置i的辐照度乘以在位置iz所花费的时间，对所有位置进行积分。在给定z(即直接在灯下)的辐照度测量最高的位置i处，曝光剂量峰值假设t为8小时(28,800秒)。平均照射剂量定义为在给定高度上平均测量辐照度的8小时辐射照射量。我们经过深思熟虑，决定不为本次研究中使用的远超短波长器件命名，因为这些实验是对远紫外原理的研究，而不是对某一特定设备的认可。
实验步骤。 悬浮液的制备及生物气溶胶的产生。气溶胶的产生是在温度(28°C±1°C)和相对湿度(50%±2%)都被考虑在内的受控环境下进行的。气溶胶的产生使用了Collison 6-jet雾化器(BGI，美国)，其运行速度为12 L/min，位于舱外; 气溶胶通过一根管子进入气室。雾化者产生的气溶胶直径为0.3µm ~ 5µm，质量平均空气动力直径为2.5µm(几何标准差为1.8)。雾化容器内的悬浮液(100 ml)，约为1.35 × 106 cfu ml-1浓度的金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)配制在消毒蒸馏水中。对其他材料(即1%胎牛血清)中病原体悬浮液的初步调查表明，对结果没有显著影响。
采样器采样。采样过程采用Anderson 6级冲击器(Anderson INC.)，流速为28L / min-1。样品从外部送到舱室，通过试管采集样品。Anderson撞击器第5级和第6级内的色氨酸大豆琼脂(TSA)板是用每1L蒸馏水40克TSA (Oxoid, UK)制备的。大约90%的金黄色葡萄球菌气溶胶收集于第6阶段(气溶胶直径0.65µm - 1.1µm)，其余10%收集于第5阶段(气溶胶直径1.1µm - 2.1µm)。在之前的实验中，在相同的环境和相同的金黄色葡萄球菌浓度下，第1 ~ 4期(2.1、3.3、4.7和7µm)采集的气溶胶占总采集量的不到1%。取样后，琼脂平板在37°C温度下孵育24小时，然后用Gallenkamp菌落计数器计数每个平板上的菌落数。最后，利用正孔校正表对结果进行校正，并利用采样器流量来确定空气中菌落形成单位/ m的浓度。
这个实验。在空气中传播的金黄色葡萄球菌，在室内建立起一个持续时间为60分钟的稳定的状态，这个稳定的状态类似于一个被感染的人在房间的角落里向房间散发气溶胶状的病原体。然后，在采集点每5分钟采集10个持续时间为4分钟的空气样品(图2)，其余时间用于制备下一个样品。然后打开远紫外灯，以同样的方式重复采样。在打开远紫外灯之前，用前10个空气样本的平均值来测定室内金黄色葡萄球菌(cfu m-3)的浓度。随后每个空气样品的浓度(cfu m-3)被绘制为初始稳态平均浓度的百分比。
分析。在开启远uvc设备之前，通过与所有样品的平均浓度进行比较，将金黄色葡萄球菌的浓度归一化，以便在实验内部和实验之间进行比较。当灯打开后的衰减期结束后，在20到50分钟之间进行6次测量，以确定灯打开时的稳定浓度。由(2)式(C)和(Cuv)（灯被打开前(C)和之后(Cuv)的稳态浓度）计算出了由远超紫外线引起的等效换气率。
其中N为房间的通风量(ACH)， Nuv为等效换气率。
统计分析。采用无配对t检验比较Far-UVC灯开启前和开启后20 min的活菌。统计分析采用GraphPad Prism (Prism 9, GraphPad Software, USA)。所有案例的统计显著性为:ns = p > 0.05， * = p≤0.05，** = p≤0.01，*** = p≤0.001，**** = p≤0.0001。
原文参考：Far-UVC efficiently inactivates an airborne pathogen in a room-sized chamber
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