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紫外消毒技術與紫外光源發展趨勢

2020-04-30    

來源:中國科學院半導體研究所

   作者:薛斌,閆建昌,王軍喜,曾一平,李晉閩  

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導語: 隨著COVID-19在全球范圍內的擴散,各種防護手段和消毒技術備受關注。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品和手段。

  隨著COVID-19在全球范圍內的擴散,各種防護手段和消毒技術備受關注。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品和手段。相比化學消毒技術,紫外輻射消毒技術的性能和安全性究竟如何呢?隨著紫外LED(UV LED)技術的不斷發展,紫外固態光源同紫外汞燈相比,消毒的性能和應用場景是否存在差異?UV LED在應用領域的推進過程中還存在哪些亟待解決的難點和痛點?以上問題與UV LED的后續發展密切相關,本文將從這幾方面展開分析,供大家參考。

  1、紫外消毒技術

  紫外線介于可見光波段和X射線之間,根據波長,紫外線可以細分為近紫外(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波段的紫外線能量最高,但由于其波長最短,在大氣中被吸收,導致衰減嚴重,在近地太陽光譜中幾乎不含該波段的紫外光,也被稱為“日盲”紫外波段。

  紫外線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的吸收,破壞其核酸功能,使微生物停止復制,從而實現消毒凈化。需要指出的是,并不是整個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區間的紫外線容易被細菌吸收并有效作用于細菌的DNA,干擾其正常復制,導致細菌死亡[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,屬于對消毒無效的紫外線部分[4]。

  紫外消毒過程中沒有化學品參與反應,也不會產生消毒副產物。數據顯示,在30 mW/cm2的UVC輻照強度條件下,就可以在1 s的時間內實現對絕大部分細菌接近100%的滅活[5]。因此,紫外消毒技術是一種物理消毒方法,具有廣譜高效、快速便捷、環保無害、簡單實用、易于操作等優勢[6]。

  紫外線在消毒領域的應用已經有相當長的一段歷史。早在19世紀,Downes和Blunt[7]的研究中就提及了紫外線具有消毒殺菌的作用。丹麥科學家Finsen隨后將紫外線應用于醫療健康領域,1903年他被授予了諾貝爾生理學或醫學獎。以上說明紫外消毒殺菌技術早已被人類認知和應用?!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、含氯消毒劑等化學消毒技術以外,作為物理消毒方法之一的紫外消毒技術,也是被有關機構認可的。

  目前,紫外消毒技術的應用場景主要以工廠和醫院這類特定場所為主,在家庭中并未普及。除了紫外消毒設備體積等客觀因素影響,光生物安全方面的擔憂也是影響和限制此類產品應用的一個重要原因。這種擔憂主要是由于紫外線輻照可能會對人眼和皮膚造成損傷。需要指出的是,在保證安全劑量的前提下,紫外線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,例如太陽光中的紫外線輻照可以促進人體內生成維生素D,因此鼓勵嬰幼兒適當曬太陽,但是過量地曬太陽就可能導致皮膚顏色變深,甚至灼傷。綜上,我們認為,在實際使用中,需要結合紫外光源的特性和產品說明,科學規范地使用紫外消毒技術。在符合安全劑量的前提下,紫外消毒方法是可行的、有益的。此外,借助固態光源體積小、易集成、開關快等特點,結合成熟的傳感技術和控制技術,可以有效避免因不當使用紫外線而造成的安全隱患。因此,在保障安全可靠的前提下,可以充分利用紫外消毒技術為人類服務。

  2、紫外光源的對比

  在滅活微生物的過程中,主要是240~260 nm波段的紫外線起作用[10, 11]。常見的紫外消毒產品主要基于低壓汞燈輸出的紫外線[12]。隨著氮化物材料技術的不斷發展,基于高Al組分氮化物的UV LED受到關注。通過對比兩種光源的特性,有助于認識固態光源和紫外汞燈在消毒領域的性能差異。

  紫外消毒技術的效率主要受光源的輸出波長和紫外輻照劑量的影響。2011年,柏林工業大學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的紫外固態光源對水中的枯草芽胞桿菌進行了滅活實驗。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,韓國首爾大學的研究團隊研究了UV LED與低壓汞燈對大腸桿菌和沙門氏菌的滅活效率[14]。結果顯示,在相同的輻照劑量條件下,峰值波長為266 nm的UV LED對兩種細菌的殺滅率大幅優于低壓汞燈。以上實驗結果表明,針對紫外線滅活某種特定微生物,相應地存在效率最高的一個波長。

  UV LED的輸出波長可以通過調控有源區材料的組分來設定,且半峰寬較窄,在10 nm左右。因此,UV LED的輸出波長在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法調節,例如低壓紫外汞燈主要輸出253.7 nm附近的紫外線[4]。針對不同微生物的滅活所需的波長和輻照劑量具有較大差異,因此在紫外消毒的實際研究中,很難利用汞燈來識別和區分具體哪個特定波長對某種微生物有最佳滅活效率。除了輸出波長更具靈活性外,與紫外汞燈相比,紫外LED體積小,容易通過集成封裝制備包含多種波長的光源模塊,幫助科研人員針對性地開發高效的消毒光源。

  紫外輻照劑量主要由光源的輻照強度和輻照時間決定。研究人員發現,使用輻照強度大于90 μW/cm2的紫外線,持續照射30 min,可以有效殺滅SARS病毒,這個劑量就是針對SARS病毒的有效劑量[15]。新型冠狀病毒也是RNA病毒,理論上紫外線是可以有效殺滅冠狀病毒的。實踐中,對新型冠狀病毒的深紫外滅活劑量,還需要相關部門和機構進一步的實驗才能明確,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無法達到紫外汞燈的水平。因此,在實際使用中,需要適當提升UV LED的工作時間,縮短光源與被輻照面的距離,從而保證有效的消毒劑量。

  除了輸出波長的自由度、輸出光功率的差異,UV LED與紫外汞燈在體積、開啟速度、功耗、可靠性和安全性方面也存在不同。與LED相比,紫外汞燈體積較大、啟動預熱時間長,無法即開即用、能耗高、易碎[1, 11],且含汞,對環境和人體健康存在威脅[17]。隨著《關于汞的水俁公約》的正式實施,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,傳統紫外汞燈無法實現的技術應用場景也將會實現。例如,可以將基于UV LED光源的紫外消毒技術同個人電子產品設備結合,開發便攜式的紫外消毒產品。

  3、紫外LED發展中面臨的問題

  UV LED仍面臨從核心材料到器件工藝的許多挑戰,UV LED性能提升過程中面臨的技術瓶頸可以參考文獻[1]。隨著技術進步、學科交叉、應用融合,新的應用領域不斷產生,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,對UV LED的適用性欠缺,例如,紫外汞燈殺菌波長主要在253.7 nm,而UVC LED最佳滅活效率的輸出波長主要分布在260~280 nm,這就為后續應用的解決方案帶來了差異。因此,紫外LED光源迫切需要從測試到應用的一系列標準,來支撐技術的發展。我國有關機構已開展了紫外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

  COVID-19的出現促使人們更加關注健康與安全,對紫外消毒技術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的UV LED產業將會得到進一步的發展。隨著產學研用的深度融合,UV LED技術水平必將得到進一步的快速提升,基于紫外LED的紫外消毒技術也將在更大范圍內得到應用與推廣。

  參考文獻

  [1]薛斌,王軍喜,曾一平,等.氮化物紫外LED研究與應用. 照明工程學報, 2020,31(1): 1-7.

  [2]王軍喜,閆建昌,郭亞楠,等.氮化物深紫外LED研究新進展. 中國科學:物理學 力學 天文學, 2015,45(6): 067303.

  [3]王陳龍,胡龍飛,龍軍.脈沖紫外強光殺菌技術的作用機理及應用前景. 中國消毒學雜志, 2016,33(11): 1104-1107.

  [4]丁有生.紫外殺菌燈技術與應用的發展. 燈與照明, 2015, 39(2): 1-4.

  [5]閆建昌,孫莉莉,王軍喜,等. 紫外發光二極管發展現狀及展望. 照明工程學報, 2017,28(1): 2-4.

  [6]Zou H,Lu X.Research progress in the sterilization techniques of drinking water. Industrial Water Treatment, 2016,36(6): 17-21.

  [7]Downes A,Blunt TP. The influence of light upon the development of bacteria. Nature, 1877,16(402):218-218.

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  [9]新型冠狀病毒肺炎防控方案. 國家衛生健康委, 2020.

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  [15]專家:高溫消毒和紫外線照射可殺滅非典冠狀病毒.(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 performance via nanoporous AlGaN template. Optics Express, 2019, 27(4): 4917-4926.

  [17]Hirayama H, et al. Recent progress and future prospects of AlGaN-based high-efficiency deep-ultraviolet light-emitting diodes. Japanese Journal of Applied Physics, 2014,53(10): 10.

  [18]CSA面向紫外LED領域正式發布標準化體系分析報告. [2020-03-18].http://csas.china-led.net/?c=news&m=view&id=202.

  引文格式:薛斌,閆建昌,王軍喜,等.紫外消毒技術與紫外光源發展趨勢[J].照明工程學報,2020,31(2):C

編輯:嚴志祥

標簽:紫外消毒技術  紫外光源  

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