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高強度紫外線殺菌燈(上)

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1 斷 病毒在公共場所傳播的重要性
2020伊始,一場猝不及防的新冠病毒(COVID-19)疫情席卷全球,世界衛生組織4月3日公布的數據顯示,新冠疫情已影響到全球205個國家和地區,累計確診病例超過100萬例[1]。此次疫情的感染速度和人數遠超之前的SARS和MERS,給人類的生命以及全球經濟都造成了巨大損失,也使得人們的生活蒙上了一層巨大的陰影。

新型冠狀病毒屬于大型有包膜的正鏈RNA病毒,不同于SARS只在發病期傳染,COVID-19更加狡猾,潛伏期也有很強的傳染性,傳播途徑主要是呼吸道飛沫傳播(打噴嚏、咳嗽等)和接觸傳播(用接觸過病毒的手挖鼻孔、揉眼睛等)[2],并且在人體外不同環境中可存活數小時至數天不等。有效切斷病毒的傳播途徑,對醫院、機場、高鐵站、商場等人員密集的公共場所進行殺菌消毒,避免病毒在人群中的交叉感染尤為重要。目前國內的戰疫剛告一段落,又面臨著復工復產與境外輸入的雙重挑戰,我們需要做好與病毒長期戰斗的準備。



2 紫外線燈 消毒的優點
《新型冠狀病毒感染的肺炎公眾防護指南》明確指出[2],“病毒對紫外線和熱敏感,56℃ 30分鐘、乙醚、75%乙醇、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可有效滅活病毒,氯己定不能有效滅活病毒”。


紫外線是電磁波譜中波長從10nm到380nm輻射的總稱,開始于可見光的短波極限,而與X射線的長波波長相重疊。其中短波紫外(UVC,200nm-280nm)是用于殺菌消毒的輻射波段,GB19258-2012國家標準中定義紫外線殺菌燈主要是一種采用石英玻璃或其他透紫玻璃的低氣壓汞蒸氣放電燈,放電產生波長為253.7nm為主的紫外輻射,其紫外輻射能殺滅細菌和病毒[3]。但是使用時需注意人體直接暴露在短波紫外會導致皮膚發紅和眼睛刺激。




紫外線殺菌燈消毒原理是利用253.7nm(4.88eV)附近的高能光子作用微生物(細菌、病毒、芽孢等病原體) 的染色體(DNA和RNA),導致染色體鍵和鏈的斷裂、股間交聯和形成光化產物等,改變了染色體的生物活性,使微生物自身不能復制后致死,從而達到消毒的目的。新型冠狀病毒主要由蛋白質膜和遺傳物質RNA組成,沒有完整的細胞膜結構,紫外線非常容易作用到遺傳物質并將其破壞,從而阻止病毒的繁衍與傳播[4,5]。






紫外線消毒屬于純物理方法,相較化學方法消殺,具有以下優點:
1、高效率殺菌消毒:對于大部分細菌和病毒接受的累積紫外劑量達到20mJ/cm2時,其滅活率可以高達99%以上。目前市場上傳統的36W紫外汞燈,在周圍1米的輻照范圍內的輻照強度約100μW/cm2,連續照射3分鐘可達到消殺劑量。
2、廣譜性殺菌消毒:紫外線殺菌的廣譜性是最高的,它對幾乎所有的細菌、病毒都能高效率殺滅。
3、無二次污染:紫外線殺菌消毒不加入任何化學藥劑,因此它不會對水體和周圍環境產生二次污染,不改變水中任何成分。
4、運行安全、可靠:傳統的消毒技術如采用氯化物或臭氧,消毒劑本身就是屬于劇毒、易燃的物質,而紫外線消毒系統不存在這樣的安全隱患。
5、運行維護費用低:紫外線殺菌設備占地小,構筑物要求簡單。安裝后可通過軟件遠程控制自動開關,不需要額外雇傭專門的清潔人員進行現場操作。


3 當前 市場上紫外消毒光源在病毒防疫中的不足
紫外線的照度一般以每平方厘米的微瓦數(μW/cm2)表示。國家相關標準規范規定[6,7]:新出廠30W紫外線燈管在下方中央垂直1m處測定輻射強度應大于100μW/cm2方可使用。
目前市場上使用的紫外線殺菌燈主要有低壓汞蒸汽紫外線消毒燈和UVC LED,后者目前尚不成熟,短期內主流產品仍為低壓汞蒸汽紫外線消毒燈(功率 >30W 燈,強度≥90μW/cm2),其發光譜線主要有253.7nm和185nm兩條,混合譜線產品可促使臭氧產生,也有殺菌作用,效果優于單獨253.7nm譜線的紫外燈作用,壽命一般為600-800小時左右,進口紫外燈的使用壽命平均在1000小時以上。




目前為止,還未看到定量的關于新型冠狀病毒紫外致死劑量的實驗數據,主要參考之前對SARS和MERS病毒的研究結果。2003年中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所的專家董小平所在的研究小組發現[8],應用強度大于90μW/cm2的253.7nm紫外光照射冠狀病毒,60分鐘可以殺滅SARS病毒。2006年美國食品藥品監督管理局生物評估與研究中心Taylor團隊[9],在特征波長253.7nm、輻射強度4016μW/cm2的紫外光照射下,TCID50初始濃度約100^5.8/mL的SARS病毒樣本在1分鐘后部分被殺滅,紫外劑量達到1445 mJ/cm2時,實現99.99%殺滅率。60分鐘的殺菌滅毒時間對于實驗室研究是有意義的,研究人員有充分的時間進行記錄觀察不同紫外光曝光時間下的殺菌滅毒效果。但是對于醫院、學校、高鐵站等實際場所的應用,60分鐘的殺菌滅毒時間太長,使得空間上的殺菌效率太低。





紫外殺菌消毒的關鍵是大幅提高紫外線燈的紫外光輸出強度,UVC LED效率低,波長不夠短,雖然具有便攜的優點,但不是大型場所消毒的理想選擇。傳統紫外線燈的強度可以通過增長燈管長度、增加汞丸重量和提高電源功率來實現。2017年8月關于汞的《水俁公約》在我國正式生效,此公約規定單只紫外燈里的汞重量不能超過13mg,大大限制了傳統紫外線燈管的輸出強度。另外由于傳統紫外線燈管的長度通常大于500mm[10],對于移動式殺菌來說,會造成設備體積過大,操作不靈活,殺菌有死角?,F有的有極汞燈無法滿足快速大面積殺滅冠狀病毒的強度要求。因此需要一種全新的物理激勵方式,大幅提高紫外光的轉換效率,同時大幅降低燈管的體積。


參考文獻


[1] 國家衛生健康委員會統計信息中心疫情防控動態,http://www.nhc.gov.cn.
[2] 國家衛生健康委員會《新型冠狀病毒感染的肺炎公眾防護指南》,人民出版社,2020年.
[3] 紫外線殺菌燈《GB19258-2012》,中國國家標準化委員會,2012年.
[4] Hirayama Hideki, Jo Masafumi, Maeda Noritoshi, Kashima Yukio, Recent Progress in AlGaN‐Based Deep‐UV LEDs, DOI:10.5772/intechopen.79936,2017.
[5]https://www.kickstarter.com/projects/740978067/cleanty-worlds-smallest-and-most-powerful-uvc-led
[6] 醫療機構消毒技術規范《WS/T367-2012》,國家衛生健康委員會,2012年.
[7] 醫院空氣凈化管理規范《WS/T368-2012》,國家衛生健康委員會,2012年.
[8] Duan S M, Zhao X S, Wen R F, et al. Stability of SARS coronavirus in human specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation[J]. Biomed Environ Sci, 2003,16(3):246-255.
[9] Darnell M E, Taylor D R. Evaluation of inactivation methods for severe acute respiratory syndrome coronavirus in noncellular blood products[J]. Transfusion, 2006,46(10):1770-1777.
[10]Spiros Kitsinelis, Spyridon Kitsinelis,Light Sources: Basics of Lighting Technologies and Applications,CRC press,ISBN 9781138034044 - CAT# K31585,2017.
[11]發明專利201620355423.X《一種高效高亮度真空紫外光源裝置》,2016年.


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