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    新聞導(dǎo)航

    紫外消毒技術(shù)與紫外光源發(fā)展趨勢(shì)

    來源:m.inspiredbybeatriceclay.com 發(fā)布時(shí)間:2020-05-15 返回

           1、紫外消毒技術(shù)

      紫外線介于可見光波段和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),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,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)消毒無效的紫外線部分。

      紫外消毒過程中沒有化學(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。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)保無害、簡(jiǎn)單實(shí)用、易于操作等優(yōu)勢(shì)。

      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)。以上說明紫外消毒殺菌技術(shù)早已被人類認(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。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)為人類服務(wù)。

      2、紫外光源的對(duì)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。常見的紫外消毒產(chǎn)品主要基于低壓汞燈輸出的紫外線。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。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)大腸桿菌和沙門氏菌的滅活效率。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)可以通過調(diào)控有源區(qū)材料的組分來設(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。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,UVC LED的量子效率和輸出光功率有待提升。在相同輻照距離條件下,UV LED的紫外輻照強(qiáng)度暫時(shí)無法達(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),無法即開即用、能耗高、易碎,且含汞,對(duì)環(huán)境和人體健康存在威脅。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性能提升過程中面臨的技術(shù)瓶頸可以參考文獻(xiàn)。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,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),來支撐技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)已開展了紫外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。

      4、結(jié)束語

      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。