紫外LED在物理殺毒滅菌領域 應用還有多遠？

　　冠狀病毒疾病COVID-19給日常生活帶來極大不便，對人類社會產生不可磨滅的影響。根據《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版 修正版)》SARS-CoV-2對紫外線和熱敏感，紫外線可以有效滅活SARS冠狀病毒2。

　　一、 紫外線對致病微生物的滅殺作用

　　當紫外線照射致病微生物時，會破壞微生物機體細胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子結構，引起分子鏈斷裂、核酸和蛋白的交聯破裂，使它失去正常復制達到繁殖目的，這是微生物被滅活的機理。

　　圖1 紫外線殺毒原理[1]

　　紫外線對大多數細菌、病毒和原生動物都具有良好的滅活效果，低壓汞燈紫外線對微生物的滅活所需劑量見下圖2，總體上紫外線對原生動物和細菌的滅活效果最好，而個別病毒對紫外線有較強的抗性，但是由于實驗條件不同，缺少規范的紫外劑量確定方法，研究者往往得不出確切的結論。

　　圖2 紫外線對常見微生物的滅活4Log所需劑量[2]

　　二、紫外線不同波段光的作用各異

　　日常生活接觸更多的為可見光，包括：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，其在電子波譜中的位置如圖3 所示，這些光譜善加利用將能達到特殊應用效果。UV波段緊鄰可見光譜，如圖4，按波長范圍分為A、B、C三個波段和真空紫外線，其中A波段315~400nm，B波段280~315nm，C波段200~280nm，真空紫外線100~200nm。具有殺毒滅菌作用的紫外線UVC能夠完全被大氣層吸收，并沒有天然UVC射線照射到地球表面。目前日常所說的 “紫外殺菌”，其中的有效“成份”就是指通過人造光源(例如UVC LED或汞燈)獲得。

　　圖3 電磁波譜中各波段的應用方向[3]

　　圖4 UV分類及波譜范圍[3]

　　三、紫外殺菌消毒到底用哪個波段?多大劑量?

　　紫外線也是光，光的定律仍然適用。光化學定律：

　　(1) 第一定律，光必須被物質吸收才會發生光化學反應。

　　(2) 第二定律，每個光子只能激活一個分子發生反應，光子數(正比反應分子數) ≥ 劑量(正比殺菌量)。

　　(3) 第三定律，被吸收的光子能量必須等于或大于分子中最弱的鍵。

　　紫外消毒本身是一種物理消毒，能否消毒或者消毒能力有多強，跟光的劑量相關。按光化學第一定律，光必須被物質吸收才能發生光化學反應。確定物質的吸收波長顯得尤為重要，尤其是最大吸收波長的確定可以提高病毒殺滅效率。而傳統汞燈的本征波長是253.7nm，此波長是否為特定微生物的最大吸收波長有待商榷。如圖5所示，核苷酸和DNA的吸收光譜，從譜圖可以看到不同物質對應的最大吸收波長有差異。按光化學第三定律，致病微生物吸收的光能量大于等于最弱鍵才能達到殺菌消毒的目的。不同波長紫外光對應的光子能量如表1，不同波長對應的光子能量有很大差別，可知確定紫外波長可以有效提升能量利用率。

　　表1 不同波長對應的光子能量值[1]

　　圖5 核苷酸和DNA的吸收光譜[4]

　　光化學第二定律指出，光子的吸收是1對1的，光子數(正比反應分子數) ≥ 劑量(正比殺菌量)。要達到有效殺滅致病微生物的目的，需足夠的紫外線照射劑量，由于照射劑量的不同紫外線對DNA的破壞形式也有所不同主要有3種形式：

　　1)相鄰的嘧啶由共價鍵的形式形成嘧啶二聚體，這是紫外線最常見的破壞機理;

　　2)由嘧啶的光解產物在DNA鏈上形成二聚體;

　　3)蛋白質和DNA之間形成共價鍵交聯;

　　因此，選擇紫外殺毒滅菌產品時的關鍵參數是紫外燈的波段，最優選擇是紫外燈的發光波段與致病微生物的吸收波段一致。紫外線的殺毒效果取決于紫外線的輻射強度和照射時間的乘積即輻照劑量，在應用紫外殺毒產品時照射時長選擇顯得尤為重要。USEPA2006 美環保局把UVC視為最佳技術，紫外光敏感度排序從最敏感到最不敏感依次為細菌≈原生動物>大多數病毒>細菌孢子>腺病毒>藻類。254nm波長紫外光達到4Log滅活所需劑量為：原生動物Giardia lamblia(賈第鞭毛蟲)<10mJ/cm2，細菌Escherichia coli ATCC 11229(大腸桿菌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。

　　正是由于紫外線對病毒滅活的機理和特點，早在2006年，美國環境署頒布的LT2ESWTR條例發布了基于低壓254nm紫外線汞燈實驗數據，給出不同致病微生物殺滅劑量。而在James R. Bolton, PhD所著《紫外線殺菌手冊》一書中提到基于當時的低壓紫外線汞燈技術，難以提供260nm以上有效殺菌實驗波長的紫外線光源，所以無260-300nm區間的殺毒滅菌效果實驗數據支撐。

　　四、結論和建議

　　紫外殺毒滅菌作為物理殺滅方式，其具有特殊優勢。

　　高效：原生動物、細菌、病毒、藻類等都可以有效殺滅，只是所需能量大小不同;

　　無毒：不會帶來副產物，不改變總有機物(TOC)、pH值，無腐蝕性;

　　可調：根據需要使用環境不同，操作(即調高或調低)紫外線輻照劑量相對容易;

　　易用：紫外線設備的占地面積相對較小，通常適合改裝到現有裝置中(如水處理、中央空調管道、城市管道);

　　快速：即開即用，消毒速度快。

　　據天津中環電子照明公司工程師介紹，目前市場能夠穩定提供260nm-285nm波長的UVC產品，伴隨著近年來深紫外LED芯片取得長足發展，UVC LED很多波長產品技術日趨成熟，為精準波長殺毒滅菌測試提供了可靠的硬件支持。期待業界與疾控部門以及相關研究機構建立協同研究與技術開發機制，發揮各自特長，協同發展，強化信息溝通與技術協作。共同實驗，測試不同致病微生物(細菌、原生動物、病毒、細菌孢子、腺病毒、藻類)的最大吸收波長，根據殺滅環境選擇不同波長紫外LED設備殺滅致病微生物;加快推進最佳波長條件下，不同致病微生物的致死劑量測試，完善紫外LED殺毒滅菌的國家標準，使企業生產有規可依，使紫外LED技術能早日高效安全應用于疾病防控領域。

　　主要參考文獻：

　　[1]極智課堂《晶科電子陳海英：紫外線消毒歷史與消毒機理研究》.

　　[2]孫文俊. 飲用水紫外線消毒生物安全性研究[D].清華大學,2010.

　　[3]行家說《UVLED發展白皮書》研討會.

　　[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).