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),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,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。
紫外消毒過程中沒有化學品參與反應(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。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。
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(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域,1903年他被授予了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。以上說明紫外消毒殺菌技術(shù)早已被人類認知和應(yīng)用?!缎滦凸跔畈《痉窝追揽胤桨浮分刑岬剑滦凸跔畈《緦ψ贤饩€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。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。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。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。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,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,且含汞,對環(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。隨著技術(shù)進步、學科交叉、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。
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。
相關(guān)推薦
相關(guān)閱讀