紫外LED在物理杀毒灭菌领域 应用还有多远？

一、 紫外线对致病微生物的灭杀作用

当紫外线照射致病微生物时，会破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构，引起分子链断裂、核酸和蛋白的交联破裂，使它失去正常复制达到繁殖目的，这是微生物被灭活的机理。

图1 紫外线杀毒原理[1]

紫外线对大多数细菌、病毒和原生动物都具有良好的灭活效果，低压汞灯紫外线对微生物的灭活所需剂量见下图2，总体上紫外线对原生动物和细菌的灭活效果最好，而个别病毒对紫外线有较强的抗性，但是由于实验条件不同，缺少规范的紫外剂量确定方法，研究者往往得不出确切的结论。

图2 紫外线对常见微生物的灭活4Log所需剂量[2]

二、紫外线不同波段光的作用各异

日常生活接触更多的为可见光，包括：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，其在电子波谱中的位置如图3 所示，这些光谱善加利用将能达到特殊应用效果。UV波段紧邻可见光谱，如图4，按波长范围分为A、B、C三个波段和真空紫外线，其中A波段315~400nm，B波段280~315nm，C波段200~280nm，真空紫外线100~200nm。具有杀毒灭菌作用的紫外线UVC能够完全被大气层吸收，并没有天然UVC射线照射到地球表面。目前日常所说的 “紫外杀菌”，其中的有效“成份”就是指通过人造光源（例如UVC LED或汞灯）获得。

图3 电磁波谱中各波段的应用方向[3]

图4 UV分类及波谱范围[3]

三、紫外杀菌消毒到底用哪个波段？多大剂量？

紫外线也是光，光的定律仍然适用。光化学定律：

（1） 第一定律，光必须被物质吸收才会发生光化学反应。

（2） 第二定律，每个光子只能激活一个分子发生反应，光子数（正比反应分子数） ≥  剂量（正比杀菌量）。

（3） 第三定律，被吸收的光子能量必须等于或大于分子中最弱的键。

紫外消毒本身是一种物理消毒，能否消毒或者消毒能力有多强，跟光的剂量相关。按光化学第一定律，光必须被物质吸收才能发生光化学反应。确定物质的吸收波长显得尤为重要，尤其是最大吸收波长的确定可以提高病毒杀灭效率。而传统汞灯的本征波长是253.7nm，此波长是否为特定微生物的最大吸收波长有待商榷。如图5所示，核苷酸和DNA的吸收光谱，从谱图可以看到不同物质对应的最大吸收波长有差异。按光化学第三定律，致病微生物吸收的光能量大于等于最弱键才能达到杀菌消毒的目的。不同波长紫外光对应的光子能量如表1，不同波长对应的光子能量有很大差别，可知确定紫外波长可以有效提升能量利用率。

表1 不同波长对应的光子能量值[1]

波长（nm）1mol光子对应能量（KJ/mol）

265451.84

270443.47

275435.41

280427.64

285420.13

图5 核苷酸和DNA的吸收光谱[4]

光化学第二定律指出，光子的吸收是1对1的，光子数（正比反应分子数） ≥  剂量（正比杀菌量）。要达到有效杀灭致病微生物的目的，需足够的紫外线照射剂量，由于照射剂量的不同紫外线对DNA的破坏形式也有所不同主要有3种形式：

1）相邻的嘧啶由共价键的形式形成嘧啶二聚体，这是紫外线最常见的破坏机理；

2）由嘧啶的光解产物在DNA链上形成二聚体；

3）蛋白质和DNA之间形成共价键交联；

因此，选择紫外杀毒灭菌产品时的关键参数是紫外灯的波段，最优选择是紫外灯的发光波段与致病微生物的吸收波段一致。紫外线的杀毒效果取决于紫外线的辐射强度和照射时间的乘积即辐照剂量，在应用紫外杀毒产品时照射时长选择显得尤为重要。USEPA2006 美环保局把UVC视为最佳技术，紫外光敏感度排序从最敏感到最不敏感依次为细菌≈原生动物>大多数病毒>细菌孢子>腺病毒>藻类。254nm波长紫外光达到4Log灭活所需剂量为：原生动物Giardia lamblia（贾第鞭毛虫）＜10mJ/cm2，细菌Escherichia coli ATCC 11229（大肠杆菌ATCC 11229）10 mJ/cm2，病毒Hepatitis A（甲型肝炎ssRNA）21 mJ/cm2、Adenovirus Type40（40型腺病毒dsDNA）124 mJ/cm2。

正是由于紫外线对病毒灭活的机理和特点，早在2006年，美国环境署颁布的LT2ESWTR条例发布了基于低压254nm紫外线汞灯实验数据，给出不同致病微生物杀灭剂量。而在James R. Bolton, PhD所著《紫外线杀菌手册》一书中提到基于当时的低压紫外线汞灯技术，难以提供260nm以上有效杀菌实验波长的紫外线光源，所以无260-300nm区间的杀毒灭菌效果实验数据支撑。

四、结论和建议

紫外杀毒灭菌作为物理杀灭方式，其具有特殊优势。

高效：原生动物、细菌、病毒、藻类等都可以有效杀灭，只是所需能量大小不同；

无毒：不会带来副产物，不改变总有机物（TOC）、pH值，无腐蚀性；

可调：根据需要使用环境不同，操作（即调高或调低）紫外线辐照剂量相对容易；                                            易用：紫外线设备的占地面积相对较小，通常适合改装到现有装置中（如水处理、中央空调管道、城市管道）；

快速：即开即用，消毒速度快。

据天津中环电子照明公司工程师介绍，目前市场能够稳定提供260nm-285nm波长的UVC产品，伴随着近年来深紫外LED芯片取得长足发展，UVC LED很多波长产品技术日趋成熟，为精准波长杀毒灭菌测试提供了可靠的硬件支持。期待业界与疾控部门以及相关研究机构建立协同研究与技术开发机制，发挥各自特长，协同发展，强化信息沟通与技术协作。共同实验，测试不同致病微生物（细菌、原生动物、病毒、细菌孢子、腺病毒、藻类）的最大吸收波长，根据杀灭环境选择不同波长紫外LED设备杀灭致病微生物；加快推进最佳波长条件下，不同致病微生物的致死剂量测试，完善紫外LED杀毒灭菌的国家标准，使企业生产有规可依，使紫外LED技术能早日高效安全应用于疾病防控领域。

主要参考文献：

[1]极智课堂《晶科电子陈海英：紫外线消毒历史与消毒机理研究》.

[2]孙文俊. 饮用水紫外线消毒生物安全性研究[D].清华大学,2010.

[3]行家说《UVLED发展白皮书》研讨会.

[4]The Ultraviolet Disinfection Handbook.

[5]Calgua Byron,Carratalà Anna,Guerrero-Latorre Laura,de Abreu Corrêa Adriana,Kohn Tamar,Sommer Regina,Girones Rosina. UVC Inactivation of dsDNA and ssRNA Viruses in Water: UV Fluences and a qPCR-Based Approach to Evaluate Decay on Viral Infectivity.[J]. Food and environmental virology,2014,6(4).

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