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行业新闻 » 紫外消毒技术与紫外光源发展趋势

随着COVID-19在全球范围内的扩散,各种防护手段和消毒技术备受关注。医用酒精、消毒液、紫外辐射等都是防控新型冠状病毒传播的产品和手段。相比化学消毒技术,紫外辐射消毒技术的性能和安全性究竟如何呢?随着紫外LED(UV LED)技术的不断发展,紫外固态光源同紫外汞灯相比,消毒的性能和应用场景是否存在差异?UV LED在应用领域的推进过程中还存在哪些亟待解决的难点和痛点?以上问题与UV LED的后续发展密切相关,本文将从这几方面展开分析,供大家参考。

1、紫外消毒技术

  紫外线介于可见光波段和X射线之间,根据波长,紫外线可以细分为近紫外(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波段的紫外线能量最高,但由于其波长最短,在大气中被吸收,导致衰减严重,在近地太阳光谱中几乎不含该波段的紫外光,也被称为“日盲”紫外波段。

  紫外线对微生物的灭活机理并不复杂,主要是利用了微生物的核酸对紫外线的吸收,破坏其核酸功能,使微生物停止复制,从而实现消毒净化。需要指出的是,并不是整个紫外波段都有针对微生物的灭活功能,其中仅有UVC波段中位于240~260 nm区间的紫外线容易被细菌吸收并有效作用于细菌的DNA,干扰其正常复制,导致细菌死亡[3],而UVA和UVB处于微生物吸收峰的范围以外,所以杀菌效率很低,属于对消毒无效的紫外线部分[4]。

  紫外消毒过程中没有化学品参与反应,也不会产生消毒副产物。数据显示,在30 mW/cm2的UVC辐照强度条件下,就可以在1 s的时间内实现对绝大部分细菌接近100%的灭活[5]。因此,紫外消毒技术是一种物理消毒方法,具有广谱高效、快速便捷、环保无害、简单实用、易于操作等优势[6]。

  紫外线在消毒领域的应用已经有相当长的一段历史。早在19世纪,Downes和Blunt[7]的研究中就提及了紫外线具有消毒杀菌的作用。丹麦科学家Finsen随后将紫外线应用于医疗健康领域,1903年他被授予了诺贝尔生理学或医学奖。以上说明紫外消毒杀菌技术早已被人类认知和应用。《新型冠状病毒肺炎防控方案》中提到,新型冠状病毒对紫外线和热敏感[8, 9]。因此,在疫情防控中,除了医用酒精、含氯消毒剂等化学消毒技术以外,作为物理消毒方法之一的紫外消毒技术,也是被有关机构认可的。

  目前,紫外消毒技术的应用场景主要以工厂和医院这类特定场所为主,在家庭中并未普及。除了紫外消毒设备体积等客观因素影响,光生物安全方面的担忧也是影响和限制此类产品应用的一个重要原因。这种担忧主要是由于紫外线辐照可能会对人眼和皮肤造成损伤。需要指出的是,在保证安全剂量的前提下,紫外线很难对人的皮肤造成损伤,一定条件下对人体健康也是有益的,例如太阳光中的紫外线辐照可以促进人体内生成维生素D,因此鼓励婴幼儿适当晒太阳,但是过量地晒太阳就可能导致皮肤颜色变深,甚至灼伤。综上,我们认为,在实际使用中,需要结合紫外光源的特性和产品说明,科学规范地使用紫外消毒技术。在符合安全剂量的前提下,紫外消毒方法是可行的、有益的。此外,借助固态光源体积小、易集成、开关快等特点,结合成熟的传感技术和控制技术,可以有效避免因不当使用紫外线而造成的安全隐患。因此,在保障安全可靠的前提下,可以充分利用紫外消毒技术为人类服务。

  2、紫外光源的对比

  在灭活微生物的过程中,主要是240~260 nm波段的紫外线起作用[10, 11]。常见的紫外消毒产品主要基于低压汞灯输出的紫外线[12]。随着氮化物材料技术的不断发展,基于高Al组分氮化物的UV LED受到关注。通过对比两种光源的特性,有助于认识固态光源和紫外汞灯在消毒领域的性能差异。

  紫外消毒技术的效率主要受光源的输出波长和紫外辐照剂量的影响。2011年,柏林工业大学的研究团队设计制备了基于269 nm和282 nm的UV LED光源模组,利用这两种不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实验。结果表明,在相同的紫外辐照剂量下,269 nm对枯草芽胞杆菌的灭活效果更彻底[13]。2016年,韩国首尔大学的研究团队研究了UV LED与低压汞灯对大肠杆菌和沙门氏菌的灭活效率[14]。结果显示,在相同的辐照剂量条件下,峰值波长为266 nm的UV LED对两种细菌的杀灭率大幅优于低压汞灯。以上实验结果表明,针对紫外线灭活某种特定微生物,相应地存在效率最高的一个波长。

  UV LED的输出波长可以通过调控有源区材料的组分来设定,且半峰宽较窄,在10 nm左右。因此,UV LED的输出波长在200~365 nm之间任意可调,覆盖了UVA至UVC的范围。对于紫外汞灯而言,这种光源的光谱范围很广且无法调节,例如低压紫外汞灯主要输出253.7 nm附近的紫外线[4]。针对不同微生物的灭活所需的波长和辐照剂量具有较大差异,因此在紫外消毒的实际研究中,很难利用汞灯来识别和区分具体哪个特定波长对某种微生物有最佳灭活效率。除了输出波长更具灵活性外,与紫外汞灯相比,紫外LED体积小,容易通过集成封装制备包含多种波长的光源模块,帮助科研人员针对性地开发高效的消毒光源。

  紫外辐照剂量主要由光源的辐照强度和辐照时间决定。研究人员发现,使用辐照强度大于90 μW/cm2的紫外线,持续照射30 min,可以有效杀灭SARS病毒,这个剂量就是针对SARS病毒的有效剂量[15]。新型冠状病毒也是RNA病毒,理论上紫外线是可以有效杀灭冠状病毒的。实践中,对新型冠状病毒的深紫外灭活剂量,还需要相关部门和机构进一步的实验才能明确,目前一般参照的是针对SARS病毒的灭活剂量。受晶体质量、掺杂效率、光提取效率等因素制约[1],UVC LED的量子效率和输出光功率有待提升[16]。在相同辐照距离条件下,UV LED的紫外辐照强度暂时无法达到紫外汞灯的水平。因此,在实际使用中,需要适当提升UV LED的工作时间,缩短光源与被辐照面的距离,从而保证有效的消毒剂量。

  除了输出波长的自由度、输出光功率的差异,UV LED与紫外汞灯在体积、开启速度、功耗、可靠性和安全性方面也存在不同。与LED相比,紫外汞灯体积较大、启动预热时间长,无法即开即用、能耗高、易碎[1, 11],且含汞,对环境和人体健康存在威胁[17]。随着《关于汞的水俣公约》的正式实施,传统的含汞光源被更加清洁高效的UV LED光源取代是大势所趋。借助UV LED的特点,传统紫外汞灯无法实现的技术应用场景也将会实现。例如,可以将基于UV LED光源的紫外消毒技术同个人电子产品设备结合,开发便携式的紫外消毒产品。

  3、紫外LED发展中面临的问题

  UV LED仍面临从核心材料到器件工艺的许多挑战,UV LED性能提升过程中面临的技术瓶颈可以参考文献[1]。随着技术进步、学科交叉、应用融合,新的应用领域不断产生,相应的标准也需要完善。我国现有的紫外标准和测试手段主要围绕传统汞灯展开,对UV LED的适用性欠缺,例如,紫外汞灯杀菌波长主要在253.7 nm,而UVC LED最佳灭活效率的输出波长主要分布在260~280 nm,这就为后续应用的解决方案带来了差异。因此,紫外LED光源迫切需要从测试到应用的一系列标准,来支撑技术的发展。我国有关机构已开展了紫外LED计量、标准、检测等方面的研究,正逐步构建匹配UVC LED应用的标准化体系[18]。

  4、结束语

  COVID-19的出现促使人们更加关注健康与安全,对紫外消毒技术的认识与潜在需求也在不断提高。相应地,与紫外消毒杀菌相关的UV LED产业将会得到进一步的发展。随着产学研用的深度融合,UV LED技术水平必将得到进一步的快速提升,基于紫外LED的紫外消毒技术也将在更大范围内得到应用与推广。

来源:中国科学院半导体研究所

   作者:薛斌,闫建昌,王军喜,曾一平,李晋闽



    

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