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。

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。

4、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。

5、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。

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