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隨著COVID-19在全球范圍內(nèi)的擴(kuò)散，各種防護(hù)手段和消毒技術(shù)備受關(guān)注。醫(yī)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)的性能和安全性究竟如何呢?隨著紫外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(yīng)用場(chǎng)景是否存在差異?UV LED在應(yīng)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(xù)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)

　　紫外線介于可見(jiàn)光波段和X射線之間，根據(jù)波長(zhǎng)，紫外線可以細(xì)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(zhǎng)最短，在大氣中被吸收，導(dǎo)致衰減嚴(yán)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。

　　紫外線對(duì)微生物的滅活機(jī)理并不復(fù)雜，主要是利用了微生物的核酸對(duì)紫外線的吸收，破壞其核酸功能，使微生物停止復(fù)制，從而實(shí)現(xiàn)消毒凈化。需要指出的是，并不是整個(gè)紫外波段都有針對(duì)微生物的滅活功能，其中僅有UVC波段中位于240～260 nm區(qū)間的紫外線容易被細(xì)菌吸收并有效作用于細(xì)菌的DNA，干擾其正常復(fù)制，導(dǎo)致細(xì)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(duì)消毒無(wú)效的紫外線部分[4]。

　　紫外消毒過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)品參與反應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。數(shù)據(jù)顯示，在30 mW/cm2的UVC輻照強(qiáng)度條件下，就可以在1 s的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)絕大部分細(xì)菌接近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(shì)[6]。

　　紫外線在消毒領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的一段歷史。早在19世紀(jì)，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(xué)家Finsen隨后將紫外線應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，1903年他被授予了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。以上說(shuō)明紫外消毒殺菌技術(shù)早已被人類(lèi)認(rèn)知和應(yīng)用?！缎滦凸跔畈《痉窝追揽胤桨浮分刑岬?，新型冠狀病毒對(duì)紫外線和熱敏感[8, 9]。因此，在疫情防控中，除了醫(yī)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(jī)構(gòu)認(rèn)可的。

　　目前，紫外消毒技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景主要以工廠和醫(yī)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(shè)備體積等客觀因素影響，光生物安全方面的擔(dān)憂也是影響和限制此類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用的一個(gè)重要原因。這種擔(dān)憂主要是由于紫外線輻照可能會(huì)對(duì)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(duì)人的皮膚造成損傷，一定條件下對(duì)人體健康也是有益的，例如太陽(yáng)光中的紫外線輻照可以促進(jìn)人體內(nèi)生成維生素D，因此鼓勵(lì)嬰幼兒適當(dāng)曬太陽(yáng)，但是過(guò)量地曬太陽(yáng)就可能導(dǎo)致皮膚顏色變深，甚至灼傷。綜上，我們認(rèn)為，在實(shí)際使用中，需要結(jié)合紫外光源的特性和產(chǎn)品說(shuō)明，科學(xué)規(guī)范地使用紫外消毒技術(shù)。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(tài)光源體積小、易集成、開(kāi)關(guān)快等特點(diǎn)，結(jié)合成熟的傳感技術(shù)和控制技術(shù)，可以有效避免因不當(dāng)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(shù)為人類(lèi)服務(wù)。

　　2、紫外光源的對(duì)比

　　在滅活微生物的過(guò)程中，主要是240～260 nm波段的紫外線起作用[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[12]。隨著氮化物材料技術(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(duì)比兩種光源的特性，有助于認(rèn)識(shí)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(zhǎng)和紫外輻照劑量的影響。2011年，柏林工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(zhǎng)的紫外固態(tài)光源對(duì)水中的枯草芽胞桿菌進(jìn)行了滅活實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在相同的紫外輻照劑量下，269 nm對(duì)枯草芽胞桿菌的滅活效果更徹底[13]。2016年，韓國(guó)首爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研究了UV LED與低壓汞燈對(duì)大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的滅活效率[14]。結(jié)果顯示，在相同的輻照劑量條件下，峰值波長(zhǎng)為266 nm的UV LED對(duì)兩種細(xì)菌的殺滅率大幅優(yōu)于低壓汞燈。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)紫外線滅活某種特定微生物，相應(yīng)地存在效率最高的一個(gè)波長(zhǎng)。

　　UV LED的輸出波長(zhǎng)可以通過(guò)調(diào)控有源區(qū)材料的組分來(lái)設(shè)定，且半峰寬較窄，在10 nm左右。因此，UV LED的輸出波長(zhǎng)在200～365 nm之間任意可調(diào)，覆蓋了UVA至UVC的范圍。對(duì)于紫外汞燈而言，這種光源的光譜范圍很廣且無(wú)法調(diào)節(jié)，例如低壓紫外汞燈主要輸出253.7 nm附近的紫外線[4]。針對(duì)不同微生物的滅活所需的波長(zhǎng)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(shí)別和區(qū)分具體哪個(gè)特定波長(zhǎng)對(duì)某種微生物有最佳滅活效率。除了輸出波長(zhǎng)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(zhǎng)的光源模塊，幫助科研人員針對(duì)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(qiáng)度和輻照時(shí)間決定。研究人員發(fā)現(xiàn)，使用輻照強(qiáng)度大于90 μW/cm2的紫外線，持續(xù)照射30 min，可以有效殺滅SARS病毒，這個(gè)劑量就是針對(duì)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(shí)踐中，對(duì)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(jī)構(gòu)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)才能明確，目前一般參照的是針對(duì)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(qiáng)度暫時(shí)無(wú)法達(dá)到紫外汞燈的水平。因此，在實(shí)際使用中，需要適當(dāng)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(zhǎng)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、可靠性和安全性方面也存在不同。與LED相比，紫外汞燈體積較大、啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法即開(kāi)即用、能耗高、易碎[1, 11]，且含汞，對(duì)環(huán)境和人體健康存在威脅[17]。隨著《關(guān)于汞的水俁公約》的正式實(shí)施，傳統(tǒng)的含汞光源被更加清潔高效的UV LED光源取代是大勢(shì)所趨。借助UV LED的特點(diǎn)，傳統(tǒng)紫外汞燈無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景也將會(huì)實(shí)現(xiàn)。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(shè)備結(jié)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(zhàn)，UV LED性能提升過(guò)程中面臨的技術(shù)瓶頸可以參考文獻(xiàn)[1]。隨著技術(shù)進(jìn)步、學(xué)科交叉、應(yīng)用融合，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷產(chǎn)生，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也需要完善。我國(guó)現(xiàn)有的紫外標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試手段主要圍繞傳統(tǒng)汞燈展開(kāi)，對(duì)UV LED的適用性欠缺，例如，紫外汞燈殺菌波長(zhǎng)主要在253.7 nm，而UVC LED最佳滅活效率的輸出波長(zhǎng)主要分布在260～280 nm，這就為后續(xù)應(yīng)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(cè)試到應(yīng)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)支撐技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了紫外LED計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)等方面的研究，正逐步構(gòu)建匹配UVC LED應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化體系[18]。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　COVID-19的出現(xiàn)促使人們更加關(guān)注健康與安全，對(duì)紫外消毒技術(shù)的認(rèn)識(shí)與潛在需求也在不斷提高。相應(yīng)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(nèi)得到應(yīng)用與推廣。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

   作者：薛斌，閆建昌，王軍喜，曾一平，李晉閩