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            紫外消毒技術(shù)與紫外光源發(fā)展趨

            隨著(zhù)COVID-19在全球范圍內的擴散,各種防護手段和消毒技術(shù)備受關(guān)注。醫用酒精、消毒液、紫外輻射等都是防控新型冠狀病毒傳播的產(chǎn)品和手段。相比化學(xué)消毒技術(shù),紫外輻射消毒技術(shù)的性能和**性究竟如何呢?隨著(zhù)紫外LED(UV LED)技術(shù)的不斷發(fā)展,紫外固態(tài)光源同紫外汞燈相比,消毒的性能和應用場(chǎng)景是否存在差異?UV LED在應用領(lǐng)域的推進(jìn)過(guò)程中還存在哪些亟待解決的難點(diǎn)和痛點(diǎn)?以上問(wèn)題與UV LED的后續發(fā)展密切相關(guān),本文將從這幾方面展開(kāi)分析,供大家參考。

            1、紫外消毒技術(shù)

            紫外線(xiàn)介于可見(jiàn)光波段和X射線(xiàn)之間,根據波長(cháng),紫外線(xiàn)可以細分為近紫外(UVA:320~400 nm)、中紫外(UVB:280~320 nm)、深紫外(UVC:200~280 nm)和真空紫外(VUV:10~200 nm)[1, 2],其中UVC波段的紫外線(xiàn)能量*高,但由于其波長(cháng)*短,在大氣中被吸收,導致衰減嚴重,在近地太陽(yáng)光譜中幾乎不含該波段的紫外光,也被稱(chēng)為“日盲”紫外波段。

            紫外線(xiàn)對微生物的滅活機理并不復雜,主要是利用了微生物的核酸對紫外線(xiàn)的吸收,破壞其核酸功能,使微生物停止復制,從而實(shí)現消毒凈化。需要指出的是,并不是整個(gè)紫外波段都有針對微生物的滅活功能,其中僅有UVC波段中位于240~260 nm區間的紫外線(xiàn)容易被**吸收并有效作用于**的DNA,干擾其正常復制,導致**死亡[3],而UVA和UVB處于微生物吸收峰的范圍以外,所以殺菌效率很低,屬于對消毒無(wú)效的紫外線(xiàn)部分[4]。

            紫外消毒過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)品參與反應,也不會(huì )產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。數據顯示,在30 mW/cm2的UVC輻照強度條件下,就可以在1 s的時(shí)間內實(shí)現對絕大部分**接近100%的滅活[5]。因此,紫外消毒技術(shù)是一種物理消毒方法,具有廣譜高效、快速便捷、環(huán)保無(wú)害、簡(jiǎn)單實(shí)用、易于操作等優(yōu)勢[6]。

            紫外線(xiàn)在消毒領(lǐng)域的應用已經(jīng)有相當長(cháng)的一段歷史。早在19世紀,Downes和Blunt[7]的研究中就提及了紫外線(xiàn)具有消毒殺菌的作用。丹麥科學(xué)家Finsen隨后將紫外線(xiàn)應用于醫療健康領(lǐng)域,1903年他被授予了諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎。以上說(shuō)明紫外消毒殺菌技術(shù)早已被人類(lèi)認知和應用?!缎滦凸跔畈《痉窝追揽胤桨浮分刑岬?,新型冠狀病毒對紫外線(xiàn)和熱敏感[8, 9]。因此,在疫情防控中,除了醫用酒精、含氯消毒劑等化學(xué)消毒技術(shù)以外,作為物理消毒方法之一的紫外消毒技術(shù),也是被有關(guān)機構認可的。

            目前,紫外消毒技術(shù)的應用場(chǎng)景主要以工廠(chǎng)和醫院這類(lèi)特定場(chǎng)所為主,在家庭中并未普及。除了紫外消毒設備體積等客觀(guān)因素影響,光生物**方面的擔憂(yōu)也是影響和限制此類(lèi)產(chǎn)品應用的一個(gè)重要原因。這種擔憂(yōu)主要是由于紫外線(xiàn)輻照可能會(huì )對人眼和皮膚造成損傷。需要指出的是,在保證**劑量的前提下,紫外線(xiàn)很難對人的皮膚造成損傷,一定條件下對人體健康也是有益的,例如太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)輻照可以促進(jìn)人體內生成維生素D,因此鼓勵嬰幼兒適當曬太陽(yáng),但是過(guò)量地曬太陽(yáng)就可能導致皮膚顏色變深,甚至灼傷。綜上,我們認為,在實(shí)際使用中,需要結合紫外光源的特性和產(chǎn)品說(shuō)明,科學(xué)規范地使用紫外消毒技術(shù)。在符合**劑量的前提下,紫外消毒方法是可行的、有益的。此外,借助固態(tài)光源體積小、易集成、開(kāi)關(guān)快等特點(diǎn),結合成熟的傳感技術(shù)和控制技術(shù),可以有效避免因不當使用紫外線(xiàn)而造成的**隱患。因此,在保障**可靠的前提下,可以充分利用紫外消毒技術(shù)為人類(lèi)服務(wù)。

            2、紫外光源的對比

            在滅活微生物的過(guò)程中,主要是240~260 nm波段的紫外線(xiàn)起作用[10, 11]。常見(jiàn)的紫外消毒產(chǎn)品主要基于低壓汞燈輸出的紫外線(xiàn)[12]。隨著(zhù)氮化物材料技術(shù)的不斷發(fā)展,基于高Al組分氮化物的UV LED受到關(guān)注。通過(guò)對比兩種光源的特性,有助于認識固態(tài)光源和紫外汞燈在消毒領(lǐng)域的性能差異。

            紫外消毒技術(shù)的效率主要受光源的輸出波長(cháng)和紫外輻照劑量的影響。2011年,柏林工業(yè)大學(xué)的研究團隊設計制備了基于269 nm和282 nm的UV LED光源模組,利用這兩種不同波長(cháng)的紫外固態(tài)光源對水中的枯草芽胞桿菌進(jìn)行了滅活實(shí)驗。結果表明,在相同的紫外輻照劑量下,269 nm對枯草芽胞桿菌的滅活效果更徹底[13]。2016年,韓國首爾大學(xué)的研究團隊研究了UV LED與低壓汞燈對大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的滅活效率[14]。結果顯示,在相同的輻照劑量條件下,峰值波長(cháng)為266 nm的UV LED對兩種**的殺滅率大幅優(yōu)于低壓汞燈。以上實(shí)驗結果表明,針對紫外線(xiàn)滅活某種特定微生物,相應地存在效率*高的一個(gè)波長(cháng)。

            UV LED的輸出波長(cháng)可以通過(guò)調控有源區材料的組分來(lái)設定,且半峰寬較窄,在10 nm左右。因此,UV LED的輸出波長(cháng)在200~365 nm之間任意可調,覆蓋了UVA至UVC的范圍。對于紫外汞燈而言,這種光源的光譜范圍很廣且無(wú)法調節,例如低壓紫外汞燈主要輸出253.7 nm附近的紫外線(xiàn)[4]。針對不同微生物的滅活所需的波長(cháng)和輻照劑量具有較大差異,因此在紫外消毒的實(shí)際研究中,很難利用汞燈來(lái)識別和區分具體哪個(gè)特定波長(cháng)對某種微生物有*佳滅活效率。除了輸出波長(cháng)更具靈活性外,與紫外汞燈相比,紫外LED體積小,容易通過(guò)集成封裝制備包含多種波長(cháng)的光源模塊,幫助科研人員針對性地開(kāi)發(fā)高效的消毒光源。

            紫外輻照劑量主要由光源的輻照強度和輻照時(shí)間決定。研究人員發(fā)現,使用輻照強度大于90 μW/cm2的紫外線(xiàn),持續照射30 min,可以有效殺滅SARS病毒,這個(gè)劑量就是針對SARS病毒的有效劑量[15]。新型冠狀病毒也是RNA病毒,理論上紫外線(xiàn)是可以有效殺滅冠狀病毒的。實(shí)踐中,對新型冠狀病毒的深紫外滅活劑量,還需要相關(guān)部門(mén)和機構進(jìn)一步的實(shí)驗才能明確,目前一般參照的是針對SARS病毒的滅活劑量。受晶體質(zhì)量、摻雜效率、光提取效率等因素制約[1],UVC LED的量子效率和輸出光功率有待提升[16]。在相同輻照距離條件下,UV LED的紫外輻照強度暫時(shí)無(wú)法達到紫外汞燈的水平。因此,在實(shí)際使用中,需要適當提升UV LED的工作時(shí)間,縮短光源與被輻照面的距離,從而保證有效的消毒劑量。

            除了輸出波長(cháng)的自由度、輸出光功率的差異,UV LED與紫外汞燈在體積、開(kāi)啟速度、功耗、可靠性和**性方面也存在不同。與LED相比,紫外汞燈體積較大、啟動(dòng)預熱時(shí)間長(cháng),無(wú)法即開(kāi)即用、能耗高、易碎[1, 11],且含汞,對環(huán)境和人體健康存在威脅[17]。隨著(zhù)《關(guān)于汞的水俁公約》的正式實(shí)施,傳統的含汞光源被更加清潔高效的UV LED光源取代是大勢所趨。借助UV LED的特點(diǎn),傳統紫外汞燈無(wú)法實(shí)現的技術(shù)應用場(chǎng)景也將會(huì )實(shí)現。例如,可以將基于UV LED光源的紫外消毒技術(shù)同個(gè)人電子產(chǎn)品設備結合,開(kāi)發(fā)便攜式的紫外消毒產(chǎn)品。

            3、紫外LED發(fā)展中面臨的問(wèn)題

            UV LED仍面臨從核心材料到器件工藝的許多挑戰,UV LED性能提升過(guò)程中面臨的技術(shù)瓶頸可以參考文獻[1]。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步、學(xué)科交叉、應用融合,新的應用領(lǐng)域不斷產(chǎn)生,相應的標準也需要完善。我國現有的紫外標準和測試手段主要圍繞傳統汞燈展開(kāi),對UV LED的適用性欠缺,例如,紫外汞燈殺菌波長(cháng)主要在253.7 nm,而UVC LED*佳滅活效率的輸出波長(cháng)主要分布在260~280 nm,這就為后續應用的解決方案帶來(lái)了差異。因此,紫外LED光源迫切需要從測試到應用的一系列標準,來(lái)支撐技術(shù)的發(fā)展。我國有關(guān)機構已開(kāi)展了紫外LED計量、標準、檢測等方面的研究,正逐步構建匹配UVC LED應用的標準化體系[18]。

            4、結束語(yǔ)

            COVID-19的出現促使人們更加關(guān)注健康與**,對紫外消毒技術(shù)的認識與潛在需求也在不斷提高。相應地,與紫外消毒殺菌相關(guān)的UV LED產(chǎn)業(yè)將會(huì )得到進(jìn)一步的發(fā)展。隨著(zhù)產(chǎn)學(xué)研用的深度融合,UV LED技術(shù)水平必將得到進(jìn)一步的快速提升,基于紫外LED的紫外消毒技術(shù)也將在更大范圍內得到應用與推廣。

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