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摘 要： 摘要：紫外線消毒殺菌具有簡便、環保及效果良好等優點。闡述了紫外線殺菌原理、技術方案及使用防護，聚焦其安全、技術指標及標準符合性，展望紫外線消毒殺菌燈的應用前景。同時關注紫外線 LED 技術突破與指標提升，拓展紫外線 LED 在近距離消殺領域創新應用，讓人們擁
摘要：紫外線消毒殺菌具有簡便、環保及效果良好等優點。闡述了紫外線殺菌原理、技術方案及使用防護，聚焦其安全、技術指標及標準符合性，展望紫外線消毒殺菌燈的應用前景。同時關注紫外線 LED 技術突破與指標提升，拓展紫外線 LED 在近距離消殺領域創新應用，讓人們擁有更潔凈的工作及居家環境。
關鍵詞：紫外線;LED;消毒殺菌;推廣應用
引 言
2020 年初爆發的新型冠狀病毒肺炎疫情一直牽動著全國人民的心，在新冠病毒感染的肺炎疫情陰霾下，這個春節多了一些沉重和緊張的意味，疫區抗擊新冠肺炎疫情工作場所及居家的衛生安全成為重要一環，如何實施消毒殺菌保障衛生與安全已成為人們的關注焦點。國家衛生部發布的行業標準 WS /T 367-2012《醫療機構消毒技術規范》將消毒定義為殺滅或清除傳播媒介上病原微生物，使其達到無害的處理。以及將滅菌定義為殺滅或清除傳播媒介上一切微生物的處理。人們通常采用化學殺菌、高溫消毒等物理殺菌方式來確保場所及空間的衛生安全。
早在 1877 年就有對太陽光輻射可以殺滅培養基中細菌特性的報道，揭開了人們對紫外線消毒研究應用的序幕。美國于 1916 年建設了紫外線消毒系統，2000 年美國國家環境保護局頒布的《地下水消毒條例》中就提到紫外線消毒技術是最佳選擇之一。紫外線輻射殺菌是物理殺菌的一種，與其他殺菌方式相比，具有簡便、環保及效果良好等優點，并能防止發生二次污染。針對如何有效利用紫外線殺菌產品進行殺菌消毒，本文聚焦其工作原理、技術方案、標準要求及使用注意事項進行探討與研究。
1 紫外線殺菌
紫外線消毒殺菌是古老而又行之有效的一種方法，在太陽下曬被子就是利用紫外線除螨及消毒殺菌的典型應用。紫外線實現有效殺菌消毒需要滿足一定條件，輻射能量、距離和時間將決定消毒殺菌的效果。紫外線消殺質量與紫外線的穿透性、輻照強度、環境溫濕度、距離、時間及空間等因素有關，紫外線與照明可見光譜一樣由輻射效率為基礎，在實際使用過程應根據場所的具體情況選擇消殺產品。
目前市面上銷售的紫外線殺菌燈多以紫外線汞燈為光源，啟動后燈管內汞蒸氣壓不同及其紫外線輸出強度不同，一般分為低壓低強度汞燈、中壓高強度汞燈和低壓高強度汞燈，使用最為廣泛的是低壓高強度汞燈。基于紫外線 LED 在部分特定波長的輻射效率有所突破而被應用在便攜式紫外線殺菌器中，紫外線 LED 輻射效率的提升及定向照射的優勢，補充了近距離消殺應用的空缺。圖 1 為常見的紫外線殺菌燈和紫外線殺菌 LED 產品。
2 紫外線認知與防護
2.1 認知紫外線
我國現行國家標準 GB/T 2900.65 -2004《電工術語 照 明 》， 第 845 -01 -05 條 將 紫 外 輻 射(ultraviolet radiation)定義為波長小于可見輻射波長的光學輻射。并將紫外輻射波長 100 ～400 nm 范圍內的 315 ～400 nm 定義為 UVA，280 ～315 nm 定義為UVB，100 ～280 nm 定義為 UVC。國家標準 GB/T19258 -2012《紫外線殺菌燈》將紫外殺菌紫外輻射中心波長定義為 253.7 nm，可產生臭氧的紫外線殺菌燈則采用中心波長 185 nm 加 253.7 nm 應用。照明燈的特征在于其光輻射波長在 380 ～780 nm 可見光譜段，圖 2 為按用途劃分的波長光譜圖，由于 100～200 nm 的紫外輻射在空氣中被強烈吸收，紫外線在消殺應用聚焦在 200 ～280 nm 波段[1]。
2.2 紫外線 +臭氧
臭氧是一種廣譜殺菌劑，可殺滅細菌繁殖體、芽胞、病毒和真菌等，并可破壞肉毒桿菌毒素，靠強大的氧化作用使酶失去活性致微生物死亡。臭氧對空氣中的微生物有明顯殺滅作用，采用 30 mg/m3 濃度的臭氧作用 15 min，對自然菌的殺滅率可達到 90%以上，而且可以除異味、凈化環境和清新空氣。臭氧為強氧化劑對人體有毒，并對多種物品有損壞作用，且濃度越高對物品損壞越嚴重，典型后果是可以讓織物漂白褪色，使銅片出現綠色銹斑，橡膠老化、變色、彈性減低和變脆斷裂[2]。
帶臭氧功能紫外線殺菌燈的工作原理是，當空氣中的氧氣分子在吸收殺菌燈的中心波長為 185 nm 的紫外光后，光敏作用利用高能高臭氧紫外線光束分解空氣中的氧分子產生游離氧(即活性氧)，因游離氧所攜正負電子不平衡所以需與氧分子結合，進而產生的臭氧具有殺菌功能。國家標準 GB 28235 -2011《紫外線空氣消毒器安全與衛生標準》第 6.2.9.2 條規定在有人條件下，消毒器工作時室內空氣環境中的1 h 平均最高容許臭氧濃度為 0.1 mg/m3。有的使用場所需控制臭氧濃度，例如居家房間則建議使用中心波長為 253.7 nm 的無臭氧功能殺菌燈。
2.3 紫外線消殺優勢
相關研究表明，265 ～280 nm 紫外線能夠破壞微生物機體細胞中的脫氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)的分子結構，造成生長性細胞死亡或再生性細胞死亡，能達到最佳殺菌消毒的效果。通常紫外線殺菌效果是由微生物所接受輻射劑量決定，在“非典”時期，中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所的專家研究發現，使用強度大于 90 μW/cm2 的紫外線照射冠狀病毒 3 min，可以殺滅非典型肺炎病毒(SARS 病毒)，圖 3 為大功率紫外線殺菌燈在醫院手術室消殺的典型應用。
2020 年 2 月 4 日，國家衛生健康委員會辦公廳和中醫藥局辦公室聯合發文《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》(國衛辦醫函〔2020〕103 號)，該文件在第 1 章明確了新型冠狀病毒屬于 β屬的冠狀病毒，并對紫外線和熱敏感。理論上科學合理使用紫外線能有效滅活病毒，紫外線主要是通過對微生物(細菌、病毒和芽孢等病原體)的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達到殺菌消毒的目的。紫外線輻射對細菌和病毒的消殺作用在常見細菌和病毒上得到驗證，因此，紫外線是一種廣譜類殺菌消毒方式。
2.4 紫外線的安全與防護
紫外線殺菌的廣譜性最高，它對幾乎所有的細菌及病毒都能高效殺滅，紫外線殺菌不加入任何化學藥劑，因此它不會對水和周圍環境產生二次污染。由于紫外線殺菌產品的輻射光在不可見光波段，當人處在該類產品工作環境中時，紫外線殺菌燈工作時發出的輻射能量對人的眼睛和皮膚會產生灼傷，使用時一定要避免紫外線直接照射到人的眼和皮膚。在選擇殺菌產品時，一定要了解相關知識及擦亮眼睛，比如產品是否通過相應認證及符合相關標準，還有比如功率、輻射照度的大小及產品適用空間等重要信息的確認，并嚴格遵照產品使用說明書及警告語進行操作與使用，有效做好相關防護避免對人造成傷害。
2.5 紫外線消毒殺菌注意事項
(1)產品應在制造商指定的場所使用。
(2)使用過程中，眼睛不能直視紫外線燈以免被紫外線灼傷。
(3)使用時應確保現場無人及動物，以免被紫外線灼傷。
(4)使用過程應關閉門窗，使消殺效果更佳。
(5)消殺結束后應開窗通風 15 min 后再進入。
(6)紫外線長時間照射會使某些物體表面老化或褪色，使用前應評估與確認。
3 紫外線產品質量
3.1 結構與工作原理
汞燈紫外線殺菌燈與照明熒光燈的物理結構基本相同，主要區別是不使用熒光粉。產品由燈頭、電極和玻璃管等主要部件構成，其結構及工作原理如圖4 所示，當燈管接通額定電壓工作時，燈絲構成的電極形成高壓電場，汞蒸氣受到激發躍遷至激發狀態，由激發態回到基態時發射出紫外線，還有部分可見藍光起到提醒作用。
通常微生物被殺滅所需要的劑量取決于紫外線強度和被照射的時間，紫外線輻射與消殺空間的體積、安裝位置和有效功率等條件有關，紫外線殺菌燈發出的輻射照度值決定有效滅菌適用體積。在公共場所、醫院和教室等重要場所，以及凈水、污水、回用水和工業水處理的消毒中，紫外線作為一種高水平消毒技術得到大量使用。
3.2 環保符合性
由于照明熒光燈管使用的汞對土壤和環境具有重金屬污染，如果不嚴格控制及管理將造成嚴重后果，基于目前還沒有能替代汞的新技術應用，歐盟RoHS 指令對照明用熒光燈中的汞限量使用，例如緊湊型熒光燈的汞控制在 5 mg 以內，紫外線殺菌燈生產企業也是按照該規定進行管控的。目前我國針對該類有害物質的管控為自愿性認證管理方式[3]。
我國加入 WTO 后于 2016 年簽署《水俁公約》，按照該公約的約定，各締約國自 2020 年起禁止生產及進出口含汞量較高的照明產品。查閱國家標準GB/T 2900.65 第 845 -07 -52 條 對 紫 外 線 燈(ultraviolet lamp)的定義：產生的紫外線特別強，不以產生可見輻射(如果有的話)為直接目的的燈。需要說明的是，紫外線殺菌燈為特殊領域應用，不在《水俁公約》限制產品名錄之內。
3.3 智能控制應用
紫外線殺菌產品一般都設計物理功能按鍵，對產品的啟動、定時和關閉等進行控制。為了避免誤操作及功能控制失控導致被輻射不同程度的傷害，產品設計時采用智能控制技術來確保安全性，比如利用靈敏度高的紅外線感應，增加童鎖功能避免兒童或老人的誤操作，以及采用雷達感應來有效控制人或動物在一定范圍時自動關機，以及利用紫外線穿透性弱的特性采用一定的防護措施進行有效隔絕實現保護。以上智能控制方式各有優劣點，研發人員根據應用場景需要選擇某種智能方案或相結合來確保紫外線殺菌產品使用的安全性[4]。
3.4 產品標準符合性
紫外線殺菌燈與照明熒光燈的工作原理相同，但其技術和標準要求是有區別的，目前紫外線殺菌產品未列入我國強制性認證目錄。紫外線殺菌燈及產品安全及技術要求符合性方面，紫外輻射峰值波長為253.7 nm 的雙端、單端和自鎮流燈，功率為 65 W 及以下紫外線殺菌燈應符合國家標準 GB/T 19258 -2012 要求。75 ～1000 W 的直管型低壓高強紫外線燈的國家標準正在制定中。冷陰極紫外線殺菌燈應符合 GB/T 28795 -2012《冷陰極紫外線殺菌燈》要求。紫外線殺菌產品應根據其特性符合國家標準 GB28235 -2011《紫外線空氣消毒器安全與衛生標準》或 GB 2155 1.3 -2010《家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》的相應要求。由于紫外線殺菌燈具結構與照明燈具的相同，有的檢測機構依據燈具標準對紫外線殺菌產品安全進行測評。值得關注的是，相關標準化主管部門應及時根據市場需求制定及完善相關標準，讓企業生產過程有標可依。另外，出口產品符合出口地法律法規要求的同時，也應進行相應認證及符合標準要求[5]。
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需要說明的是，由于制造商對產品質量的控制存在一定差異，部分企業不能嚴格按照現行國家標準進行質量控制，加之市場上的產品種類繁多及質量參差不齊，作為普通消費者無法辨別，建議消費者選擇大企業或知名品牌的產品才有質量保證。相關機構對市面上在售的紫外線殺菌燈進行了調研及抽樣檢測，發現部分產品存在嚴重的虛標現象，例如某牌子的便攜式紫外線殺菌燈標稱功率為 38 W，在實驗室實測功率僅為 28 W，其輻射照度明顯低于相關國家標準要求值，實際使用中的殺菌消毒效果也就大打折扣。
4 紫外線 LED 應用
從高效節能及環保方面來講，紫外線 LED 替代紫外線汞燈是必然的趨勢，但關鍵指標如輻射通量和輻射效率的突破是技術人員的重要挑戰。基于氮化鎵寬禁帶半導體材料的紫外線 LED 固態光源具有體積小、效率高和壽命長的特點，但受限于目前 LED 輻射照度及輻射功率還達不到相應要求，產品僅能使用在近距離及小功率消殺產品上。隨著紫外線 LED 輻射效率的不斷突破，在消殺領域的應用成為必然趨勢[6]。
旭宇光電(深圳)股份有限公司一直深耕在 LED封裝領域，與深圳清華大學研究院組建企業博士后創新基地，2019 年被評為國家工信部首批專精特新“小巨人”企業，公司找準細分領域產品拓展的思路，致力于紫外線 LED 的研究開發，在已成熟應用在光聚合固化的紫外線 LED 產品基礎上，拓展及研發紫外線 LED 在殺菌消毒領域的應用。從技術人員不斷調整方案刷新的實驗數據可以看到，紫外線 LED 覆蓋了 UVA 到 UVC 的 230 ～400 nm 波段，其中 395 nm的輻射效率達 80%為最高，365 nm 的輻射效率約為40%，295 ～355 nm 的輻射效率僅為 8%，由此可以看到，紫外線 LED 波長越短，其輻射效率就越低。為了配合客戶的應用需求及平衡紫外線 LED 固有特性，旭宇光電開發了以陶瓷基板倒裝 265 ～285 nm 波長和 395 ～405 nm 波長雙芯片結構的 3535 紫外線LED。圖 5 為傳統紫外殺菌燈與紫外線 LED 的波長分布對比及 LED 封裝形態圖。旭宇光電推出的紫外線 LED 可以按照 UVA +UVC 雙通道、單一波長及齊納管保護等多方案供選擇，滿足客戶不同應用的需求。旭宇光電作為工信部半導體照明技術標準工作組成員單位，在配合客戶應用紫外線 LED 拓展水殺菌消毒應用的基礎上，牽頭組織了《飲水設備用深紫外線發光二極管(LED)殺菌裝置》國家標準的立項。通過技術研發和標準化同步并進，加大研發力度突破紫外線 LED 核心技術及輻射效率的提升，推動紫外線 LED 的普及應用。
5 結 語
隨著人們對物理殺菌類紫外線產品的消殺原理、技術指標、功效及使用注意事項的進一步認知，將有效指引各類場所合理利用紫外線滅菌的正確應用，相關技術人員的深入研究與關鍵技術突破，將有效拓展紫外線產品在物質養護、保健、空氣凈化、物品表面和水潔凈等細分領域的推廣應用。行業技術標準化組織也在積極啟動相關標準的制修訂工作，將對產品質量控制和規范市場提供依據，紫外線殺菌消毒產品在照明電器行業已成為一個新的熱點。
LED 具有體積小、環保和易于設計等優點，將催生不同應用需求的紫外線產品，應用到便攜式消毒電子產品中，例如應用在便攜式母嬰用品消毒器、公共場所殺菌機、洗衣機、冰箱和掃地機器人等精細化要求更高的產品上，促使其產業鏈相關產業鏈的完善及技術進步，形成生產和質量監管等環節有標可依的良性循環。隨著關鍵技術的突破，以及核心材料量產的穩定，紫外線 LED 將在消殺領域大有作為，并具有廣闊的應用前景。——論文作者：曹小兵1，陳 磊1，冉崇高1，湯祖概2，張 波2，林金填1
參 考 文 獻
[1] 全國照明電器標準化技術委員會.電工術語 照明：GB/T2900.65 -2004[S].北京：中國標準出版社，2004.
[2] 陳夢曦，李欣洋，吳 媚，等.載體定量殺菌試驗檢測臭氧消毒效果的改進研究[J].現代預防醫學，2018，45 (12)：2222 -2224 +2240.
[3] PATIL S P，DABADE U A.Selection of bearing material to complyRoHS regulations as per EU directive：A review [J].MaterialsToday：Proceedings，2019，19(Pt 2)：528 -531.
[4] 曹小兵，曹培俊.“LED +智能”照明系統與傳感技術[J].燈與照明，2016，40(3)：41 -44
.[5] 全國照明電器標準化技術委員會.紫外線殺菌燈：GB/T 19258-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.
[6] 美團隊研發高效深紫外 LED 創業界最低波長紀錄[J].中國照明電器，2017(3)：11.
