利用UVC LED把病菌趕盡殺絕

人類與病毒的斗爭(zhēng)已持續(xù)了很長(zhǎng)的時(shí)間。由于微生物(如病毒和細(xì)菌)會(huì)產(chǎn)生抗藥性，因此化學(xué)消毒劑只能有限地進(jìn)行殺滅。紫外線(UV)是一種對(duì)水、空氣和物品表面進(jìn)行消毒和滅菌的更為有效的方法，這使其成為了對(duì)抗冠狀病毒的更有效的武器。為了對(duì)武漢市火神山醫(yī)院醫(yī)務(wù)人員的防護(hù)服進(jìn)行消毒，以防止新冠病毒傳播到外面，當(dāng)?shù)卮罱艘环N帶有UVCLED的消毒帳篷，這是一種全新的消毒方法。在面積為1.5m×0.75m×2m的房間內(nèi)裝有多層合成纖維墻，天花板、墻壁和地板的反射表面均安裝了來(lái)自美國(guó)供應(yīng)商Bolb的UVC發(fā)射器。在30秒的消毒過(guò)程中，UVCLED的劑量為6mJ/cm2，亮度始終為200μW/cm2。265至280nm光波長(zhǎng)會(huì)破壞遺傳基因信息，從而切斷病毒的傳播或阻斷其感染其它細(xì)胞。人工紫外線源長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直使用基于汞的輻射源產(chǎn)生紫外光，例如使用低壓和中壓汞蒸氣(Hg)燈產(chǎn)生氣體，這些低壓和中壓汞蒸氣(Hg)燈通過(guò)氣體放電產(chǎn)生185至405nm光譜的UV光。還可以使用輝光放電，通過(guò)紫外線冷陰極管(UV-CCL或UV燈)在185至405nm的光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生紫外線。UVLED通過(guò)電致發(fā)光發(fā)出227至405nm光譜范圍內(nèi)的UV射線。使用UVCLED時(shí)，波長(zhǎng)特別短(在260至270nm之間)，可提供最強(qiáng)的殺菌效果。圖1以隱孢子蟲為例進(jìn)行了說(shuō)明，隱孢子蟲是一種寄生蟲，特別容易在未經(jīng)凈化的飲用水中傳播。其他病原體、細(xì)菌和病毒也表現(xiàn)出非常相似的特征。LED還可以在特定溫度條件下提供出色的穩(wěn)定光譜輸出，并且開關(guān)周期數(shù)幾乎沒有限制，這使其成為需要提供全光輸出而無(wú)延遲的移動(dòng)解決方案的理想選擇。多種武器紫外線的波長(zhǎng)范圍為100到400nm，是肉眼看不到的。它們的頻率分為UVA、UVB和UVC波段，不同波段對(duì)生物體的影響是不同的。LED讓我們幾乎可以自行決定選擇何種波長(zhǎng)。與UVB和UVC射線相比，波長(zhǎng)為315至400nm的UVALED在分散的生物組織(例如人體皮膚)中具有更強(qiáng)的穿透力。UVALED可用于牙科和化妝品等領(lǐng)域，例如美黑工作室和美甲工作室。在工業(yè)領(lǐng)域，UVALED則用于固化樹脂、粘合劑和油漆。UVBLED射線具有280至315nm的波長(zhǎng)，對(duì)于分散的生物組織具有相對(duì)較弱的穿透力，但它們的散射性更強(qiáng)。UVB射線促進(jìn)人體中維生素D的形成，這就是為什么UVBLED主要用于光療和皮膚病治療的原因。無(wú)法抵御UVC射線來(lái)自UVCLED的高能光在生物組織中的散射會(huì)越來(lái)越大。這些射線的波長(zhǎng)為100到280nm，不會(huì)特別深入地穿透組織，但是會(huì)灼傷未受保護(hù)的皮膚。由于地球大氣層中的臭氧層吸收了陽(yáng)光的自然UVC輻射，因此，地球上的任何生物都沒有針對(duì)UVC射線建立防御機(jī)制，病毒和細(xì)菌也是如此。此漏洞使得人造UVC光照射成為一種特別有效的滅菌和消毒方法。圖1：隱孢子蟲以及其他細(xì)菌和病毒對(duì)UVCLED射線最敏感，因此UVCLED的波長(zhǎng)最有效。圖源：Stanley實(shí)際應(yīng)用中的UVCLED每種微生物對(duì)UVC輻射的反應(yīng)不同，這就是為什么輻射強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)適應(yīng)所需的減滅率的原因，該數(shù)值是被殺死的微生物的數(shù)量。UV輻射的強(qiáng)度與距離的平方成反比，這意味著隨著遠(yuǎn)離輻射源的距離增加，UV輻射會(huì)很快失去其有效性，這就是為什么需要消毒的物體應(yīng)盡可能靠近發(fā)射器。病毒(包括新冠病毒)通常通過(guò)空氣傳播，因此建議在空調(diào)系統(tǒng)中使用UVCLED。除了所需的減滅率外，還必須考慮空氣流量和空氣流動(dòng)的幾何形狀。波長(zhǎng)為254nm的紫外線已被證明對(duì)殺死微生物特別有效，盡管直接應(yīng)用時(shí)，它可能對(duì)皮膚和眼睛有害。另一方面，“遠(yuǎn)紫外線”光(207至222nm)也可以使空氣中的大多數(shù)病原體廣泛失活，而不會(huì)損壞裸露在外的人體組織。消毒表面其他病毒和細(xì)菌也可通過(guò)表面?zhèn)鞑?，包括流感、諾如病毒、輪狀病毒、鏈球菌和沙門氏菌。如果要對(duì)較大的表面進(jìn)行消毒，公司的低功率PU35CL1.0UVCLED會(huì)是合適的產(chǎn)品，其輸出為2-4mW和20mA；它也可以用于對(duì)飲料進(jìn)行巴氏消毒、用于包裝抗菌食品，以及對(duì)牙刷進(jìn)行消毒。對(duì)于較小規(guī)模的安裝，推出了尺寸為3.5×3.5×0.9mm3的緊湊型中等功率S3535-DR100-W272-P40UVCLED。直流功耗為40mW，電流僅為100mA，其憑借世界上最低能耗、最低熱量輸出的特性脫穎而出。在大功率領(lǐng)域，推出了S6060-DR250-W272-P100UVCLED，這是功能最強(qiáng)大的組件，在250mA時(shí)的DC功耗為100mW。UVCLED特別適合用于飲用水處理以及游泳池或RV里的水消毒，還有涉及更嚴(yán)格的輻照強(qiáng)度要求(W/m2)的應(yīng)用，比如工業(yè)過(guò)濾系統(tǒng)、空氣凈化器、醫(yī)療消毒盒和吸塵器。

圖2：高輸出的大功率UVCLED在250mA下具有100mW的功耗(帶有和不帶安裝)紫外線LED的選擇標(biāo)準(zhǔn)UVLED的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)是光束角，在某些應(yīng)用中需要一定的光束角。UVCLED的光束角為150°，可以根據(jù)需要使用透鏡進(jìn)一步聚焦。因?yàn)檫@減少了被照射的表面，它還增加了每平方米的輻射能量，這意味著在施加相同的能量輸出時(shí)，所需的曝光時(shí)間減少了。帶有兼容玻璃的不同UV透鏡可輕松調(diào)節(jié)輻照輸出，以用于不同目的。對(duì)于紫外線透鏡，使用了專門與UVC波長(zhǎng)兼容的特殊等級(jí)硅樹脂，以及對(duì)所有紫外線波長(zhǎng)都具有高反射率的鋁反射鏡，特別適合于消毒應(yīng)用。紫外線LED的其它選擇標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)家紫外線標(biāo)準(zhǔn)，不同材料的反射率(圖3)、散熱管理、驅(qū)動(dòng)器、功耗和平方反比定律，這些因素決定了光束強(qiáng)度如何隨著遠(yuǎn)離光源而減弱。圖3：在設(shè)計(jì)階段必須考慮到不同材料的紫外線反射水平各有不同。表面發(fā)射器滿足其中許多標(biāo)準(zhǔn)要求。