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旭宇光电关于紫外线杀菌产品在消毒杀菌领域的应用研究

日期:2020/07/13

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摘  要:紫外线消毒杀菌具有简便、环保及效果良好等优点,阐述了紫外线杀菌原理、技术方案及使用防护,聚焦其安全、技术指标及标准符合性,展望紫外线消毒杀菌灯的应用前景。同时关注紫外线LED技术突破与指标提升,拓展紫外线LED在近距离消杀领域创新应用,让人们拥有更洁净的工作及居家环境。

关键词:紫外线;LED;消毒杀菌;推广应用

引言

       2020年初爆发的新型冠状病毒肺炎疫情,一直牵动着全国人民的心,在新冠病毒感染的肺炎疫情阴霾下,这个春节多了一些沉重和紧张的意味,疫区抗击新冠肺炎疫情工作场所及居家的卫生安全成为重要一环,如何实施消毒杀菌保障卫生与安全已成为人们的关注焦点。国家卫生部发布的行业标准WS/T367-2012《医疗机构消毒技术规范》将消毒定义为杀灭或清除传播媒介上病原微生物,使其达到无害的处理。以及将灭菌定义为杀灭或清除传播媒介上一切微生物的处理。人们通常采用化学杀菌、高温消毒等物理杀菌等方式来确保场所及空间的卫生安全。

       早在1877年就有对太阳光辐射可以杀灭培养基中细菌特性的报道,揭开了人们对紫外线消毒研究应用的序幕。美国于1916年建设了紫外线消毒系统,2000年美国国家环境保护局颁布的《地下水消毒条例》中就提到紫外线消毒技术是最佳选择之一。紫外线辐射杀菌是物理杀菌的一种,与其他杀菌方式相比,具有简便、环保及效果良好等优点,并能防止发生二次污染。针对如何有效利用紫外线杀菌产品进行杀菌消毒,本文聚焦其工作原理、技术方案、标准要求及使用注意事项进行探讨与研究。

1  紫外线杀菌

       紫外线消毒杀菌是古老而又行之有效的一种方法,在太阳下晒被子就是利用紫外线除螨及消毒杀菌的典型应用。紫外线实现有效杀菌消毒需要满足一定条件,辐射能量、距离和时间将决定消毒杀菌的效果。紫外线消杀质量与紫外线的穿透性、辐照强度、环境温湿度、距离、时间及空间等因素有关,紫外线与照明可见光谱一样由辐射效率为基础,在实际使用过程应根据场所的具体情况选择消杀产品。

       目前市面上销售的紫外线杀菌灯多以紫外线汞灯为光源,启动后灯管内汞蒸气压不同及其紫外线输出强度不同,一般分为低压低强度汞灯、中压高强度荧光灯和低压高强度汞灯,使用最为广泛的是低压高强度汞灯。紫外线LED在部分特定波长的辐射效率有所突破而被应用在便携式紫外线杀菌器中,紫外线LED辐射效率的提升及定向照射的优势,补充了近距离消杀应用的空缺。图1为常见的紫外线杀菌灯和紫外线杀菌LED产品。

图1 紫外线杀菌灯和LED杀菌器

2  紫外线认知与防护

2.1 认知紫外线

       我国现行国家标准GB/T 2900.65-2004《电工术语照明》,第845-01-05条将紫外辐射(ultraviolet radiation)定义为波长小于可见辐射波长的光学辐射。并将紫外辐射波长100~400 nm范围内的315~400 nm定义为UVA,280~315nm定义为UVB,100~280 nm定义为UVC。国家标准GB/T 19258-2012《紫外线杀菌灯》将紫外杀菌紫外辐射中心波长定义为253.7 nm,可产生臭氧的紫外线杀菌灯则采用中心波长185nm加253.7 nm应用。照明灯的特征在于其光辐射波长在380-780nm可见光谱段,图2为按用途划分的波长光谱图,由于100~200nm的紫外辐射在空气中被强烈吸收,紫外线在消杀应用聚焦在200~280nm波段[1]。

图2  UV与可见光光谱图

2.2 紫外线+臭氧

       臭氧是一种广谱杀菌剂,可杀灭细菌繁殖体、芽胞、病毒和真菌等,并可破坏肉毒杆菌毒素,靠强大的氧化作用使酶失去活性致微生物死亡。臭氧对空气中的微生物有明显杀灭作用,采用30mg/m3浓度的臭氧作用15min,对自然菌的杀灭率可达到90%以上,而且可以除异味、净化环境和清新空气。臭氧为强氧化剂对人体有毒,并对多种物品有损坏作用,且浓度越高对物品损坏越严重,典型后果是可以让织物漂白褪色,使铜片出现绿色锈斑,橡胶老化、变色、弹性减低和变脆断裂[2]。带臭氧功能紫外线杀菌灯的工作原理是,当空气中的氧气分子在吸收杀菌灯的中心波长为185nm的紫外光后,光敏作用利用高能高臭氧紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧(即活性氧),因游离氧所携正负电子不平衡所以需与氧分子结合,进而产生的臭氧具有杀菌功能。国家标准GB28235-2011《紫外线空气消毒器安全与卫生标准》第6.2.9.2条规定在有人条件下,消毒器工作时室内空气环境中的1h平均最高容许臭氧浓度为0.1mg/m3。有的使用场所需控制臭氧浓度,例如居家房间则建议使用中心波长为253.7nm的无臭氧功能杀菌灯。

2.3 紫外线消杀优势

       相关研究表明,265~280nm紫外线能够破坏微生物机体细胞中的脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)的分子结构,造成生长性细胞死亡或再生性细胞死亡,能达到最佳杀菌消毒的效果。通常紫外线杀菌效果是由微生物所接受辐射剂量决定,在“非典”时期,中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所的专家研究发现,使用强度大于90 μW/cm2的紫外线照射冠状病毒3min,可以杀灭非典型肺炎病毒(SARS病毒),图3为大功率紫外线杀菌灯在医院手术室消杀的典型应用。

图3 紫外线汞灯在医院消杀应用

       2020年2月4日,国家卫生健康委员会办公厅和中医药局办公室联合发文《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》(国卫办医函〔2020〕103号),该文件在第1章明确了新型冠状病毒属于β属的冠状病毒,并对紫外线和热敏感。理论上科学合理使用紫外线能有效灭活病毒,紫外线主要是通过对微生物(细菌、病毒和芽孢等病原体)的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死,从而达到杀菌消毒的目的。紫外线辐射对细菌和病毒的消杀作用在常见细菌和病毒上得到验证,因此,紫外线是一种广谱类杀菌消毒方式。

2.4 紫外线的安全与防护

       紫外线杀菌的广谱性最高,它对几乎所有的细菌及病毒都能高效杀灭,紫外线杀菌不加入任何化学药剂,因此它不会对水和周围环境产生二次污染。由于紫外线杀菌产品的辐射光在不可见光波段,当人处在该类产品工作环境中时,紫外线杀菌灯工作时发出的辐射能量对人的眼睛和皮肤会产生灼伤,使用时一定要避免紫外线直接照射到人的眼和皮肤。在选择杀菌产品时,一定要了解相关知识及擦亮眼睛,比如产品是否通过相应认证及符合相关标准,还有比如功率、辐射照度的大小及产品适用空间等重要信息的确认,并严格遵照产品使用说明书及警告语进行操作与使用,有效做好相关防护避免对人造成伤害。

2.5 紫外线消毒杀菌注意事项

       (1)产品应在制造商指定的场所使用。

       (2)使用过程中,眼睛不能直视紫外线灯以免被紫外线灼伤。

       (3)使用时应确保现场无人及动物,以免被紫外线灼伤。

       (4)使用过程应关闭门窗,使消杀效果更佳。

       (5)消杀结束后应开窗通风15min后再进入。

       (6)紫外线长时间照射会使某些物体表面老化或褪色,使用前应评估与确认。

3  紫外线产品质量

3.1 结构与工作原理

       汞灯紫外线杀菌灯与照明荧光灯的物理结构基本相同,主要区别是不使用荧光粉。产品由灯头、电极和玻璃管等主要部件构成,其结构及工作原理如图4所示,当灯管接通额定电压工作时,灯丝构成的电极形成高压电场,汞蒸气受到激发跃迁至激发状态,由激发态回到基态时发射出紫外线,还有部分可见蓝光起到提醒作用。

图4紫外线杀菌灯结构及工作原理

       通常微生物被杀灭所需要的剂量取决于紫外线强度和被照射的时间,紫外线辐射与消杀空间的体积、安装位置和有效功率等条件有关,紫外线杀菌灯发出的辐射照度值决定有效灭菌适用体积。在公共场所、医院和教室等重要场所,以及净水、污水、回用水和工业水处理的消毒中,紫外线作为一种高水平消毒技术得到大量使用。

3.2 环保符合性

       由于照明荧光灯管使用的汞对土壤和环境具有重金属污染,如果不严格控制及管理将造成严重后果,基于目前还没有能替代汞的新技术应用,欧盟RoHS指令对照明用荧光灯中的汞限量使用,例如紧凑型荧光灯的汞控制在5mg以内,紫外线杀菌灯生产企业也是按照该规定进行管控的。目前我国针对该类有害物质的管控为自愿性认证管理方式[3]。

我国加入WTO后于2016年签署《水俣公约》,按照该公约的约定,各缔约国自2020年起禁止生产及进出口含汞量较高的照明产品。查阅国家标准GB/T 2900.65第845-07-52条对紫外线灯(ultraviolet lamp)的定义:产生的紫外线特别强,不以产生可见辐射(如果有的话)为直接目的的灯。需要说明的是,紫外线杀菌灯为特殊领域应用,不在《水俣公约》限制产品名录之内。

3.3 智能控制应用

       紫外线杀菌产品一般都设计物理功能按键,对产品的启动、定时和关闭等进行控制,为了避免误操作及功能控制失控导致被辐射不同程度的伤害,产品设计时采用智能控制技术来确保安全性,比如利用灵敏度高的红外线感应,增加童锁功能避免儿童或老人的误操作,以及采用雷达感应来有效控制人或动物在一定范围时自动关机,以及利用紫外线穿透性弱的特性采用一定的防护措施进行有效隔绝实现保护。以上智能控制方式各有优劣点,研发人员根据应用场景需要选择某种智能方案或相结合来确保紫外线杀菌产品使用的安全性[4]。

3.4 产品标准符合性

       紫外线杀菌灯与照明荧光灯的工作原理相同,但其技术和标准要求是有区别的,目前紫外线杀菌产品未列入我国强制性认证目录。紫外线杀菌灯及产品安全及技术要求符合性方面,紫外辐射峰值波长为253.7nm的双端、单端和自镇流灯,功率为65 W及以下紫外线杀菌灯应符合国家标准GB/T 19258-2012要求。75~1000 W的直管型低压高强紫外线灯的国家标准正在制定中。冷阴极紫外线杀菌灯应符合国家标准GB/T 28795-2012《冷阴极紫外线杀菌灯》要求。紫外线杀菌产品应根据其特性符合GB 28235-2011《紫外线空气消毒器安全与卫生标准》或GB 21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能空气净化器的特殊要求》的相应要求。由于紫外线杀菌灯具结构与照明灯具的相同,有的检测机构依据灯具标准对紫外线杀菌产品安全进行测评。值得关注的是,相关标准化主管部门应及时根据市场需求制定及完善相关标准,让企业生产过程有标可依。另外,出口产品符合出口地法律法规要求的同时,也应进行相应认证及符合标准要求[5]。

       需要说明的是,由于制造商对产品质量的控制存在一定差异,部分企业不能严格按照现行国家标准进行质量控制,加之市场上的产品种类繁多及质量参差不齐,作为普通消费者无法辨别,建议消费者选择大企业或知名品牌的产品才有质量保证。相关机构对市面上在售的紫外线杀菌灯进行了调研及抽样检测,发现部分产品存在严重的虚标现象,例如某牌子的便携式紫外线杀菌灯标称功率为38W,在实验室实测功率仅为28W,其辐射照度明显低于相关国家标准要求值,实际使用中的杀菌消毒效果也就大打折扣。

4  紫外线LED应用

       从高效节能及环保方面来讲,紫外线LED替代紫外线汞灯是必然的趋势,但关键指标如辐射通量和辐射效率的突破是技术人员的重要挑战。基于氮化镓宽禁带半导体材料的紫外线LED固态光源具有体积小、效率高和寿命长的特点,但受限于目前LED辐射照度及辐射功率还达不到相应要求,产品仅能使用在近距离及小功率消杀产品上。随着紫外线LED辐射效率的不断突破,在消杀领域的应用成为必然趋势[6]。

       旭宇光电(深圳)股份有限公司一直深耕在LED封装领域,与深圳清华大学研究院组建企业博士后创新基地,2019年被评为国家工信部首批专精特新“小巨人”企业,公司找准细分领域产品拓展的思路,致力于紫外线LED的研究开发,在已成熟应用在光聚合固化的紫外线LED产品基础上,拓展及研发紫外线LED在杀菌消毒领域的应用。从技术人员不断调整方案刷新的实验数据可以看到,紫外线LED覆盖了UVA到UVC的230~400nm波段,其中395 nm的辐射效率达80%为最高,365 nm的辐射效率约为40%,295~355nm的辐射效率仅为8%,由此可以看到,紫外线LED波长越短,其辐射效率就越低。为了配合客户的应用需求及平衡紫外线LED固有特性,旭宇光电开发了以陶瓷基板倒装265~285nm波长和395~405nm波长双芯片结构的3535紫外线LED。图5为传统紫外杀菌灯与紫外线LED的波长分布对比及LED封装形态图。旭宇光电推出的紫外线LED可以按照UVA+UVC双通道、单一波长及齐纳管保护等多方案供选择,满足客户不同应用的需求。旭宇光电作为工信部半导体照明技术标准工作组成员单位,在配合客户应用紫外线LED拓展水杀菌消毒应用的基础上,牵头组织了《饮水设备用深紫外线发光二极管(LED)杀菌装置》国家标准的立项。通过技术研发和标准化同步并进,加大研发力度突破紫外线LED核心技术及辐射效率的提升,推动紫外线LED的普及应用。

图5  传统杀菌灯与UVC LED有效波长对比及LED封装形态图

5 结语

       随着人们对物理杀菌类紫外线产品的消杀原理、技术指标、功效及使用注意事项的进一步认知,将有效指引各类场所合理利用紫外线灭菌的正确应用,相关技术人员的深入研究与关键技术突破,将有效拓展紫外线产品在物质养护、保健、空气净化、物品表面和水洁净等细分领域的推广应用。行业技术标准化组织也在积极启动相关标准的制修订工作,将对产品质量控制和规范市场提供依据,紫外线杀菌消毒产品在照明电器行业已成为一个新的热点。

LED具有体积小、环保和易于设计等优点,将催生不同应用需求的紫外线产品,应用到便携式消毒电子产品中,例如应用在便携式母婴用品消毒器、公共场所杀菌机、洗衣机、冰箱和扫地机器人等精细化要求更高的产品上,促使其产业链相关产业链的完善及技术进步,形成生产和质量监管等环节有标可依的良性循环。随着关键技术的突破,以及核心材料量产的稳定,紫外线LED将在消杀领域大有作为,并具有广阔的应用前景。

参考文献:[1] 全国照明电器标准化技术委员会.电工术语照明:GB/T2900.65-2004[S].北京:中国标准出版社,2004.

               [2]陈梦曦,李欣洋,吴媚等.载体定量杀菌试验检测臭氧消毒效果的改进研究[J].现代预防医学,2018,45(12):2222-2224+2240.

               [3]PATILS.P,DABADEU A. Selection of bearing material to comply RoHS regulations as per EUdirective: A review[J]. Materials Today: Proceedings,2019,19(Pt 2):528-531.

               [4] 曹小兵,曹培俊.“LED+智能”照明系统与传感技术[J].灯与照明,2016,40(3):41-44.

               [5] 全国照明电器标准化技术委员会.紫外线杀菌灯:GB/T19258-2012[S]. 北京:中国标准出版社,2012.

               [6] 美团队研发高效深紫外LED创业界最低波长纪录[J].中国照明电器,2017(3):11.

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