随着COVID-19在全球范围内的扩散，各种防护手段和消毒技术备受关注。医用(yòng)酒精、消毒液、紫外辐射等都是防控新(xīn)型冠状病毒传播的产品和手段。相比化學(xué)消毒技术，紫外辐射消毒技术的性能(néng)和安全性究竟如何呢(ne)?随着紫外LED(UV LED)技术的不断发展，紫外固态光源同紫外汞灯相比，消毒的性能(néng)和应用(yòng)场景是否存在差异?UV LED在应用(yòng)领域的推进过程中还存在哪些亟待解决的难点和痛点?以上问题与UV LED的后续发展密切相关，本文(wén)将从这几方面展开分(fēn)析，供大家参考。

1、紫外消毒技术

　　紫外線(xiàn)介于可(kě)见光波段和X射線(xiàn)之间，根据波長(cháng)，紫外線(xiàn)可(kě)以细分(fēn)為(wèi)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(xiàn)能(néng)量最高，但由于其波長(cháng)最短，在大气中被吸收，导致衰减严重，在近地太阳光谱中几乎不含该波段的紫外光，也被称為(wèi)“日盲”紫外波段。

　　紫外線(xiàn)对微生物(wù)的灭活机理(lǐ)并不复杂，主要是利用(yòng)了微生物(wù)的核酸对紫外線(xiàn)的吸收，破坏其核酸功能(néng)，使微生物(wù)停止复制，从而实现消毒净化。需要指出的是，并不是整个紫外波段都有(yǒu)针对微生物(wù)的灭活功能(néng)，其中仅有(yǒu)UVC波段中位于240～260 nm區(qū)间的紫外線(xiàn)容易被细菌吸收并有(yǒu)效作用(yòng)于细菌的DNA，干扰其正常复制，导致细菌死亡[3]，而UVA和UVB处于微生物(wù)吸收峰的范围以外，所以杀菌效率很(hěn)低，属于对消毒无效的紫外線(xiàn)部分(fēn)[4]。

　　紫外消毒过程中没有(yǒu)化學(xué)品参与反应，也不会产生消毒副产物(wù)。数据显示，在30 mW/cm2的UVC辐照强度条件下，就可(kě)以在1 s的时间内实现对绝大部分(fēn)细菌接近100%的灭活[5]。因此，紫外消毒技术是一种物(wù)理(lǐ)消毒方法，具有(yǒu)广谱高效、快速便捷、环保无害、简单实用(yòng)、易于操作等优势[6]。

　　紫外線(xiàn)在消毒领域的应用(yòng)已经有(yǒu)相当長(cháng)的一段历史。早在19世纪，Downes和Blunt[7]的研究中就提及了紫外線(xiàn)具有(yǒu)消毒杀菌的作用(yòng)。丹麦科(kē)學(xué)家Finsen随后将紫外線(xiàn)应用(yòng)于医疗健康领域，1903年他(tā)被授予了诺贝尔生理(lǐ)學(xué)或医學(xué)奖。以上说明紫外消毒杀菌技术早已被人类认知和应用(yòng)。《新(xīn)型冠状病毒肺炎防控方案》中提到，新(xīn)型冠状病毒对紫外線(xiàn)和热敏感[8, 9]。因此，在疫情防控中，除了医用(yòng)酒精、含氯消毒剂等化學(xué)消毒技术以外，作為(wèi)物(wù)理(lǐ)消毒方法之一的紫外消毒技术，也是被有(yǒu)关机构认可(kě)的。

　　目前，紫外消毒技术的应用(yòng)场景主要以工厂和医院这类特定场所為(wèi)主，在家庭中并未普及。除了紫外消毒设备體(tǐ)积等客观因素影响，光生物(wù)安全方面的担忧也是影响和限制此类产品应用(yòng)的一个重要原因。这种担忧主要是由于紫外線(xiàn)辐照可(kě)能(néng)会对人眼和皮肤造成损伤。需要指出的是，在保证安全剂量的前提下，紫外線(xiàn)很(hěn)难对人的皮肤造成损伤，一定条件下对人體(tǐ)健康也是有(yǒu)益的，例如太阳光中的紫外線(xiàn)辐照可(kě)以促进人體(tǐ)内生成维生素D，因此鼓励婴幼儿适当晒太阳，但是过量地晒太阳就可(kě)能(néng)导致皮肤颜色变深，甚至灼伤。综上，我们认為(wèi)，在实际使用(yòng)中，需要结合紫外光源的特性和产品说明，科(kē)學(xué)规范地使用(yòng)紫外消毒技术。在符合安全剂量的前提下，紫外消毒方法是可(kě)行的、有(yǒu)益的。此外，借助固态光源體(tǐ)积小(xiǎo)、易集成、开关快等特点，结合成熟的传感技术和控制技术，可(kě)以有(yǒu)效避免因不当使用(yòng)紫外線(xiàn)而造成的安全隐患。因此，在保障安全可(kě)靠的前提下，可(kě)以充分(fēn)利用(yòng)紫外消毒技术為(wèi)人类服務(wù)。

　　2、紫外光源的对比

　　在灭活微生物(wù)的过程中，主要是240～260 nm波段的紫外線(xiàn)起作用(yòng)[10, 11]。常见的紫外消毒产品主要基于低压汞灯输出的紫外線(xiàn)[12]。随着氮化物(wù)材料技术的不断发展，基于高Al组分(fēn)氮化物(wù)的UV LED受到关注。通过对比两种光源的特性，有(yǒu)助于认识固态光源和紫外汞灯在消毒领域的性能(néng)差异。

　　紫外消毒技术的效率主要受光源的输出波長(cháng)和紫外辐照剂量的影响。2011年，柏林工业大學(xué)的研究团队设计制备了基于269 nm和282 nm的UV LED光源模组，利用(yòng)这两种不同波長(cháng)的紫外固态光源对水中的枯草(cǎo)芽胞杆菌进行了灭活实验。结果表明，在相同的紫外辐照剂量下，269 nm对枯草(cǎo)芽胞杆菌的灭活效果更彻底[13]。2016年，韩國(guó)首尔大學(xué)的研究团队研究了UV LED与低压汞灯对大肠杆菌和沙门氏菌的灭活效率[14]。结果显示，在相同的辐照剂量条件下，峰值波長(cháng)為(wèi)266 nm的UV LED对两种细菌的杀灭率大幅优于低压汞灯。以上实验结果表明，针对紫外線(xiàn)灭活某种特定微生物(wù)，相应地存在效率最高的一个波長(cháng)。

　　UV LED的输出波長(cháng)可(kě)以通过调控有(yǒu)源區(qū)材料的组分(fēn)来设定，且半峰宽较窄，在10 nm左右。因此，UV LED的输出波長(cháng)在200～365 nm之间任意可(kě)调，覆盖了UVA至UVC的范围。对于紫外汞灯而言，这种光源的光谱范围很(hěn)广且无法调节，例如低压紫外汞灯主要输出253.7 nm附近的紫外線(xiàn)[4]。针对不同微生物(wù)的灭活所需的波長(cháng)和辐照剂量具有(yǒu)较大差异，因此在紫外消毒的实际研究中，很(hěn)难利用(yòng)汞灯来识别和區(qū)分(fēn)具體(tǐ)哪个特定波長(cháng)对某种微生物(wù)有(yǒu)最佳灭活效率。除了输出波長(cháng)更具灵活性外，与紫外汞灯相比，紫外LED體(tǐ)积小(xiǎo)，容易通过集成封装制备包含多(duō)种波長(cháng)的光源模块，帮助科(kē)研人员针对性地开发高效的消毒光源。

　　紫外辐照剂量主要由光源的辐照强度和辐照时间决定。研究人员发现，使用(yòng)辐照强度大于90 μW/cm2的紫外線(xiàn)，持续照射30 min，可(kě)以有(yǒu)效杀灭SARS病毒，这个剂量就是针对SARS病毒的有(yǒu)效剂量[15]。新(xīn)型冠状病毒也是RNA病毒，理(lǐ)论上紫外線(xiàn)是可(kě)以有(yǒu)效杀灭冠状病毒的。实践中，对新(xīn)型冠状病毒的深紫外灭活剂量，还需要相关部门和机构进一步的实验才能(néng)明确，目前一般参照的是针对SARS病毒的灭活剂量。受晶體(tǐ)质量、掺杂效率、光提取效率等因素制约[1]，UVC LED的量子效率和输出光功率有(yǒu)待提升[16]。在相同辐照距离条件下，UV LED的紫外辐照强度暂时无法达到紫外汞灯的水平。因此，在实际使用(yòng)中，需要适当提升UV LED的工作时间，缩短光源与被辐照面的距离，从而保证有(yǒu)效的消毒剂量。

　　除了输出波長(cháng)的自由度、输出光功率的差异，UV LED与紫外汞灯在體(tǐ)积、开启速度、功耗、可(kě)靠性和安全性方面也存在不同。与LED相比，紫外汞灯體(tǐ)积较大、启动预热时间長(cháng)，无法即开即用(yòng)、能(néng)耗高、易碎[1, 11]，且含汞，对环境和人體(tǐ)健康存在威胁[17]。随着《关于汞的水俣公约》的正式实施，传统的含汞光源被更加清洁高效的UV LED光源取代是大势所趋。借助UV LED的特点，传统紫外汞灯无法实现的技术应用(yòng)场景也将会实现。例如，可(kě)以将基于UV LED光源的紫外消毒技术同个人電(diàn)子产品设备结合，开发便携式的紫外消毒产品。

　　3、紫外LED发展中面临的问题

　　UV LED仍面临从核心材料到器件工艺的许多(duō)挑战，UV LED性能(néng)提升过程中面临的技术瓶颈可(kě)以参考文(wén)献[1]。随着技术进步、學(xué)科(kē)交叉、应用(yòng)融合，新(xīn)的应用(yòng)领域不断产生，相应的标准也需要完善。我國(guó)现有(yǒu)的紫外标准和测试手段主要围绕传统汞灯展开，对UV LED的适用(yòng)性欠缺，例如，紫外汞灯杀菌波長(cháng)主要在253.7 nm，而UVC LED最佳灭活效率的输出波長(cháng)主要分(fēn)布在260～280 nm，这就為(wèi)后续应用(yòng)的解决方案带来了差异。因此，紫外LED光源迫切需要从测试到应用(yòng)的一系列标准，来支撑技术的发展。我國(guó)有(yǒu)关机构已开展了紫外LED计量、标准、检测等方面的研究，正逐步构建匹配UVC LED应用(yòng)的标准化體(tǐ)系[18]。

　　4、结束语

　　COVID-19的出现促使人们更加关注健康与安全，对紫外消毒技术的认识与潜在需求也在不断提高。相应地，与紫外消毒杀菌相关的UV LED产业将会得到进一步的发展。随着产學(xué)研用(yòng)的深度融合，UV LED技术水平必将得到进一步的快速提升，基于紫外LED的紫外消毒技术也将在更大范围内得到应用(yòng)与推广。

来源：中國(guó)科(kē)學(xué)院半导體(tǐ)研究所

   作者：薛斌，闫建昌，王军喜，曾一平，李晋闽