紫外消毒技术与紫外光源发展趋势

By | 2020年7月24日

  跟着COVID-19正在寰球范畴内的分散,各类防护手法以及消毒技巧备受存眷。医用酒精、消毒液、紫外辐射等都是防控新型冠状病毒流传的产物以及手法。相比化学消毒技巧,紫外辐射消毒技巧的功能以及平安性终究若何呢?跟着紫外LED(UV
LED)技巧的一直倒退,紫外固态光源同紫外汞灯相比,消毒的功能以及使用场景能否存正在差别?UV
LED正在使用畛域的推动进程中还存正在哪些亟待处理的难点以及痛点?以上成绩与UV LED的后续倒退亲密相干,本文将从这几方面开展剖析,供各人参考。

  一、紫外消毒技巧

  紫内线介于可见光波段以及X射线之间,依据波长,紫内线能够细分为近紫外(UVA:320~400 nm)、中紫外(UVB:280~320
nm)、深紫外(UVC:200~280 nm)以及真空紫外(VUV:10~200 nm)[1,
2],此中UVC波段的紫内线能量最高,但因为其波长最短,正在年夜气中被排汇,招致衰减重大,正在近地太阳光谱中简直没有含该波段的紫外光,也被称为“日盲”紫外波段。

  紫内线对微生物的灭活机理其实不复杂,次要是行使了微生物的核酸对紫内线的排汇,毁坏其核酸性能,使微生物中止复制,从而完成消毒污染。需求指出的是,并非整个紫外波段都有针对微生物的灭活性能,此中仅有UVC波段中位于240~260
nm区间的紫内线容易被细菌排汇并无效作用于细菌的DNA,滋扰其失常复制,招致细菌殒命[3],而UVA以及UVB处于微生物排汇峰的范畴之外,以是杀菌效率很低,属于抵消毒有效的紫内线局部[4]。

  紫外消毒进程中不化学品参加反响,也没有会孕育发生消毒副产品。数据显示,正在30 mW/cm2的UVC辐照强度前提下,就能够正在1
s的工夫内完成对绝年夜局部细菌靠近100%的灭活[5]。因而,紫外消毒技巧是一种物理消毒办法,具备广谱高效、疾速便捷、环保有害、简略适用、易于操作等劣势[6]。

  紫内线正在消毒畛域的使用曾经有相称长的一段汗青。早正在19世纪,Downes以及Blunt[7]的钻研中就说起了紫内线具备消鸩杀菌的作用。丹麦迷信家Finsen随后将紫内线使用于医疗衰弱畛域,1903年他被授予了诺贝尔生理学或医学奖。以上阐明紫外消鸩杀菌技巧早已被人类认知以及使用。《新型冠状病毒肺炎防控计划》中提到,新型冠状病毒对紫内线以及热敏感[8,
9]。因而,正在疫情防控中,除了了医用酒精、含氯消毒剂等化学消毒技巧之外,作为物理消毒办法之一的紫外消毒技巧,也是被无关机构认可的。

  今朝,紫外消毒技巧的使用场景次要以工场以及病院这种特定场合为主,正在家庭中并未普及。除了了紫外消毒设施体积等主观要素影响,光生物平安方面的担心也是影响以及限度此类产物使用的一个首要缘由。这类担心次要是因为紫内线辐照可能会对人眼以及皮肤造成伤害。需求指出的是,正在保障平安剂量的条件下,紫内线很难对人的皮肤造成伤害,肯定前提下对人体衰弱也是无益的,例如太阳光中的紫内线辐照能够促成人体内天生维生素D,因而激励婴幼儿适当晒太阳,然而适量地晒太阳就可能招致皮肤颜色变深,乃至灼伤。综上,咱们以为,正在实际应用中,需求连系紫外光源的特点以及产物阐明,迷信标准地应用紫外消毒技巧。正在合乎平安剂量的条件下,紫外消毒办法是可行的、无益的。别的,借助固态光源体积小、易集成、开关快等特性,连系成熟的传感技巧以及管制技巧,能够无效防止因不妥应用紫内线而酿成的平安隐患。因而,正在保证平安牢靠的条件下,能够充沛行使紫外消毒技巧为人类效劳。

  二、紫外光源的比照

  正在灭活微生物的进程中,次要是240~260 nm波段的紫内线起作用[10,
11]。常见的紫外消毒产物次要基于高压汞灯输入的紫内线[12]。跟着氮化物资料技巧的一直倒退,基于高Al组分氮化物的UV
LED遭到存眷。经过比照两种光源的特点,有助于意识固态光源以及紫外汞灯正在消毒畛域的功能差别。

  紫外消毒技巧的效率次要受光源的输入波长以及紫外辐照剂量的影响。2011年,柏林产业年夜学的钻研团队设计制备了基于269 nm以及282 nm的UV
LED光源模组,行使这两种没有同波长的紫外固态光源对水中的枯草芽胞杆菌进行了灭活试验。后果标明,正在相反的紫外辐照剂量下,269
nm对枯草芽胞杆菌的灭活成果更彻底[13]。2016年,韩国首尔年夜学的钻研团队钻研了UV
LED与高压汞灯对年夜肠杆菌以及沙门氏菌的灭活效率[14]。后果显示,正在相反的辐照剂量前提下,峰值波长为266 nm的UV
LED对两种细菌的杀灭率年夜幅优于高压汞灯。以上试验后果标明,针对紫内线灭活某种特定微生物,相应地存正在效率最高的一个波长。

  UV LED的输入波长能够经过调控有源区资料的组分来设定,且半峰宽较窄,正在10 nm阁下。因而,UV LED的输入波长正在200~365
nm之间恣意可调,笼罩了UVA至UVC的范畴。关于紫外汞灯而言,这类光源的光谱范畴很广且无奈调理,例如高压紫外汞灯次要输入253.7
nm左近的紫内线[4]。针对没有同微生物的灭活所需的波长以及辐照剂量具备较年夜差别,因而正在紫外消毒的实际钻研中,很难行使汞灯来辨认以及区别详细哪一个特定波长对某种微生物有最好灭活效率。除了了输入波长更具灵敏性外,与紫外汞灯相比,紫外LED体积小,容易经过集成封装制备蕴含多种波长的光源模块,协助科研职员针对性地开发高效的消毒光源。

  紫外辐照剂量次要由光源的辐照强度以及辐照工夫决议。钻研职员发现,应用辐照强度年夜于90 μW/cm2的紫内线,继续照耀30
min,能够无效杀灭SARS病毒,这个剂量就是针对SARS病毒的无效剂量[15]。新型冠状病毒也是RNA病毒,实践上紫内线是能够无效杀灭冠状病毒的。理论中,对新型冠状病毒的深紫外灭活剂量,还需求相干部门以及机构进一步的试验能力明白,今朝普通参照的是针对SARS病毒的灭活剂量。受晶体品质、掺杂效率、光提取效率等要素制约[1],UVC
LED的量子效率以及输入光功率有待晋升[16]。正在相反辐照间隔前提下,UV LED的紫外辐照强度临时无奈达到紫外汞灯的程度。因而,正在实际应用中,需求适当晋升UV
LED的工作工夫,缩短光源与被辐照面的间隔,从而保障无效的消毒剂量。

  除了了输入波长的自在度、输入光功率的差别,UV
LED与紫外汞灯正在体积、开启速率、功耗、牢靠性以及平安性方面也存正在没有同。与LED相比,紫外汞灯体积较年夜、启动预热工夫长,无奈即开即用、能耗高、易碎[1,
11],且含汞,对环境以及人体衰弱存正在要挟[17]。跟着《对于汞的水俣条约》的正式施行,传统的含汞光源被愈加清洁高效的UV LED光源庖代是年夜势所趋。借助UV
LED的特性,传统紫外汞灯无奈完成的技巧使用场景也将会完成。例如,能够将基于UV
LED光源的紫外消毒技巧同集体电子产物设施连系,开发便携式的紫外消毒产物。

  三、紫外LED倒退中面对的成绩

  UV LED仍面对从外围资料到器件工艺的许多应战,UV
LED功能晋升进程中面对的技巧瓶颈能够参考文献[1]。跟着技巧提高、学科穿插、使用交融,新的使用畛域一直孕育发生,相应的规范也需求欠缺。我国现有的紫外规范以及测试手法次要环抱传统汞灯开展,对UV
LED的实用性完善,例如,紫外汞灯杀菌波长次要正在253.7 nm,而UVC LED最好灭活效率的输入波长次要散布正在260~280
nm,这就为后续使用的处理计划带来了差别。因而,紫外LED光源迫切需求从测试到使用的一系列规范,来撑持技巧的倒退。我国无关机构已展开了紫外LED计量、规范、检测等方面的钻研,正逐渐构建婚配UVC
LED使用的规范化体系[18]。

  四、完结语

  COVID-19的呈现匆匆令人们愈加存眷衰弱与平安,对紫外消毒技巧的意识与潜正在需要也正在一直进步。相应地,与紫外消鸩杀菌相干的UV
LED工业将会失去进一步的倒退。跟着产学研用的深度交融,UV
LED技巧程度势必失去进一步的疾速晋升,基于紫外LED的紫外消毒技巧也将正在更年夜范畴内失去使用与推行。

  参考文献

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  [15]专家:低温消毒以及紫内线照耀可杀灭非典冠状病毒.(2003-06-04)[2020-03-18].http://news.sina.com.cn/c/2003-06-04/1434188296s.shtml.

  [16]Zhang L, et al.Deep ultraviolet light-emitting diodes with improved
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  [18]CSA面向紫外LED畛域正式公布规范化体系剖析陈诉.
[2020-03-18].http://csas.china-led.net/?c=news&m=view&id=202.

  引文格局:薛斌,闫建昌,王军喜,等.紫外消毒技巧与紫外光源倒退趋向[J].照明工程学报,2020,31(2):C

编纂:严志祥