▌國家重點研發(fā)計劃（批準號：2016YFB0400800）資助的課題

作者：薛斌，閆建昌，王軍喜，曾一平，李晉閩

單位：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

隨著COVID-19在全球范圍內(nèi)的擴散，各種防護手段和消毒技術(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)用場景是否存在差異？UV LED在應(yīng)用領(lǐng)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(xù)發(fā)展密切相關(guān)，本文將從這幾方面展開分析，供大家參考。

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，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(dǎo)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(fù)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(fù)制，從而實現(xiàn)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(qū)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(fù)制，導(dǎo)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(xué)品參與反應(yīng)，也不會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。數(shù)據(jù)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(nèi)實現(xiàn)對絕大部分細菌接近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)保無害、簡單實用、易于操作等優(yōu)勢[6]。

紫外線在消毒領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)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(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。以上說明紫外消毒殺菌技術(shù)早已被人類認知和應(yīng)用。《新型冠狀病毒肺炎防控方案》中提到，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(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)機構(gòu)認可的。

目前，紫外消毒技術(shù)的應(yīng)用場景主要以工廠和醫(yī)院這類特定場所為主，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憂也是影響和限制此類產(chǎn)品應(yīng)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(nèi)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(dǎo)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(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，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(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(shè)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(tài)光源對水中的枯草芽胞桿菌進行了滅活實驗。結(jié)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，峰值波長為266 nm的UV LED對兩種細菌的殺滅率大幅優(yōu)于低壓汞燈。以上實驗結(jié)果表明，針對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波長。

UV LED的輸出波長可以通過調(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的輸出波長在200～365 nm之間任意可調(diào)，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(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(qū)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(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間決定。研究人員發(fā)現(xiàn)，使用輻照強度大于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(guān)部門和機構(gòu)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(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(yù)熱時間長，無法即開即用、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《關(guān)于汞的水俁公約》的正式實施，傳統(tǒng)的含汞光源被更加清潔高效的UV LED光源取代是大勢所趨。借助UV LED的特點，傳統(tǒng)紫外汞燈無法實現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用場景也將會實現(xiàn)。例如，可以將基于UV LED光源的紫外消毒技術(shù)同個人電子產(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[1]。隨著技術(shù)進步、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)的標準也需要完善。我國現(xiàn)有的紫外標準和測試手段主要圍繞傳統(tǒng)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(xù)應(yīng)用的解決方案帶來了差異。因此，紫外LED光源迫切需要從測試到應(yīng)用的一系列標準，來支撐技術(shù)的發(fā)展。我國有關(guān)機構(gòu)已開展了紫外LED計量、標準、檢測等方面的研究，正逐步構(gòu)建匹配UVC LED應(yīng)用的標準化體系[18]。

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，對紫外消毒技術(shù)的認識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)將會得到進一步的發(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。

參考文獻

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