郭玮宏
博士毕业于中国科学院上海技术物理研究所
本科毕业于复旦大学光源与照明工程系
目前主要研究方向为 LED 光生物安全检测技术
热爱光明的事业的90后
近期的新型冠状病毒感染的肺炎疫情牵动着每一个人的心。
每个人都是自己健康的第一责任人，在生活中注意环境卫生、保持良好的卫生习惯和生活习惯，是减少感染几率最主要的方式。
为了给大家提供良好的生活环境，我们光源人也想做出一份贡献。
近期，通过紫外光源对室内环境进行消毒这一提法，被众多从业人员所关注。但是，紫外光源真的能产生良好的消毒效果吗？要如何使用呢？今天，我们将对以下几个问题进行初步的探讨，以供大家参考：
1、紫外杀菌机理；
2、紫外光源的发展和对比；
3、关于紫外能不能杀灭病毒的讨论；
4、紫外LED应用场景分析。
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紫外杀菌机理
首先，紫外线对微生物的杀灭作用，来自于两个方面，一方面是紫外线本身的作用，另一方面是紫外产生的臭氧的作用。
首先说明，紫外辐射，是指波长为100nm-400nm的电磁辐射。当考虑紫外辐射的影响时，通常将100nm-400nm波长再分为如下三个波段：
1、长波紫外线：波长为315nm-400nm，UVA；
2、中波紫外线：波长为280nm-315nm，UVB；
3、短波紫外线：波长为100nm-280nm，UVC。
波长越短的紫外辐射能量越强，其导致光生物效应的能力也越强。
紫外杀菌的本质是光化学反应过程。Ren Zhuo Chen等人的研究表明，微生物对紫外辐照的响应与核酸对紫外辐照的响应具有很强的相关性[1]，这说明紫外主要通过对核酸产生影响而起到杀菌作用。Christine A. Huselton等人的研究表明，核酸对紫外的吸收在200nm-250nm波段具有较高数值[2]，这意味着UVC波段是紫外线中最具有杀菌作用的部分。其中，260nm附近波段被证实是杀菌效率最高的紫外线。其作用可以使各种细菌、病毒、真菌和其他病原体中的DNA组织受到光化学破坏，失去复制能力而使细胞死亡[3]。
紫外除本身起到杀菌作用之外，真空紫外波段可促使臭氧产生，也有杀菌作用。有大量研究表明，紫外与臭氧联合杀菌的效果优于臭氧单独作用。但需要注意的是，只有波长小于243nm的辐射可产生臭氧，而波长介于240-320nm之间的辐射反而会使臭氧分解，其作用机制如下图所示[4]。
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紫外光源的发展和对比
传统的紫外光源是紫外荧光灯管，其发光原理为灯管内的汞蒸汽受激辐射，产生峰值为253.7nm的紫外辐射。其光电转换效率与汞蒸气压、管壁温度、灯管直径和长度等因素有关，在合理设计下，可达到非常高的转换效率[5]。
近年来，UV LED随着材料制备、封装工艺的发展，其发光效率逐渐提高Yoshihiko 等人研制的UV LED，可使外量子效率达到365nm时30%，385nm 时50%，405nm 时60%，这使得用 UV LED 替代紫外荧光灯管具备了一定的可行性。
UV LED与紫外荧光灯管特性对比如下表所示。
? 表 UV LED与紫外荧光灯管光电特性对比
对比来看，紫外荧光灯管的技术成熟，价格便宜。目前市场上的绝大多数紫外光源均为紫外荧光灯管。但其含有汞，且体积较大，调控不方便，这限制了紫外荧光灯的应用场景。
目前市面上的UV LED的光电转换效率则相对较低，大量电能转化为热能，导致UV LED的散热性较差，继而又带来 UV LED 与可见光 LED 相比寿命明显较短的问题，这些都对UV LED的应用普及形成了障碍。但近年来随着基础材料的发展，UV LED 的发展非常迅速，我们完全有理由相信 UV LED 会成为未来几年中的一个行业热点。
此外，从杀菌的角度来讲，紫外荧光管的紫外波段能够产生臭氧，紫外LED的波段主要在UVC部分，很难产生臭氧。这必然导致二者的使用模式发生不同。
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紫外能不能杀灭病毒?
关于紫外能否杀灭病毒，我的基本态度是用紫外灯（无论荧光管还是LED），消灭你生活空间里的流感、肺炎病毒，这种想法不靠谱。
紫外杀菌率，归根结底与紫外剂量有关，剂量就是辐照强度×辐照时间，所以剂量不够的话，加灯加时间就行了。也就是说，理论上，你就一定要用紫外消灭病毒，那你用非常多的灯，用超级长的时间，总能实现这一点。至于效率，那就得就事论事去讨论了。因此，我们先不谈具体应用方式，就从作用机理和应用场景来说。
《医疗机构消毒技术规范》2019年版提到了紫外消毒，同时，也提到了紫外消毒的两个特点，我们看一下：
紫外杀菌应用的两个要点在于[6]：
1、 针对物体表面杀菌，这意味着对有深度的位置无法杀菌；
2、 应用紫外杀菌时，人体不能出现在有紫外辐照的区域中。
因此，对紫外杀灭病毒的能力，就存在这样两方面的问题：
1、 紫外多数时候是用来对付细菌，很少有资料涉及到病毒（这实验不好做），病毒多数都有衣壳，紫外能不能穿透不好说。我也只做过大肠杆菌作为革兰氏阴性菌的代表，所以我也不能说紫外不杀病毒，但我存疑。
另外，我的朋友，同济大学附属肺科医院的杨锐博士补充了一点：我们的验证都是使用简单的病毒稀释液。而往往病毒在空气中是飞沫。甚至有的是气溶胶状态。这种情况下，杀伤比较难。
2、 紫外杀灭病毒，针对目前的需求，非常不实用。开紫外灯时人不能在场，所以不可能用于公共场合。用在家里的话，我们都知道家里其实比外边安全，那么你为了让你本就安全的家里更安全一点，要先跑到危险的户外，这逻辑对么？
所以我认为，想用紫外来针对性地杀灭流感、肺炎病毒，这个想法不是很靠谱。如果去这样做，意义可能也不大。可能远不如多通风、勤洗手、戴口罩的防护意义更大。
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紫外LED应用场景分析
当然，咱们这么说不是说紫外杀菌没有意义，而是应该用对场景。紫外的大范围杀菌，常用于教室、厨房、医务室、橱柜碗架等空间，对一些容易常规出现的细菌或真菌做定期处理，可以认为这是一种低水平杀菌的常规操作，将整体杀菌率抑制在较低水平，这是可行的。反过来说，针对几个病毒就能致病的场景中，想要把病毒杀干净，这恐怕不太现实。
另外，针对紫外LED小巧、易于控制、便于设计的特点，可用于一些小空间杀菌。例如在筷子盒、饮水机出水口、牙刷盒等小容器里，加装一颗紫外LED刚好可以起到很好的杀菌效果，又不影响人的生活，因此这样的应用场景，我相信是紫外光源未来的应用方向。
最后多说一句，紫外对人体的皮肤和眼睛都有影响。皮肤接受紫外照射时，易发生红斑、黑斑或色素沉淀。角膜、结膜、晶状体对紫外比较敏感，接受紫外照射可导致视觉疲劳和眼睛疼痛，严重时可引发白内障。
但这也是过量紫外辐射才会引发的效应。对紫外的防护也很简单，紫外属于用几张纸就能挡住的辐射，只要穿好衣服、戴好护目镜，不让皮肤暴露在紫外辐射下，就不会有任何影响。
面对疫情，面对科学问题，还是要从原理上去分析，用实验去检验，就能更好地应用好科技发展的成果。
最后，祝愿大家在新的一年里，健康快乐、平安幸福！
参考文献：
[1] Ren Z C, Craik S A, Bolton J R. Comparison of the action spectra and relative DNA absorbance spectra of microorganisms: Information important for the determination of germicidal fluence (UV dose) in an ultraviolet disinfection of water [J]. Water Research, 2009, 43(20):5087-5096.
[2] Huselton C A, Hill H Z. Melanin photosensitizes ultraviolet light (UVC) DNA damage in pigmented cells [J]. Environmental & Molecular Mutagenesis, 2010, 16(1):37-43.
[3] 张永吉, 薛广波. 紫外线消毒技术的应用及其验证技术[C]// 全国消毒学和疾病预防学学术会议暨全国消毒行业发展研讨会. 2007.
[4] 夏冠英炫, 鲁晓晴, 陈瑶瑶,等. LED紫外线灯杀菌效果试验研究[J]. 中国消毒学杂志, 2017, 34(1):1-2.
[5] Muramoto Y, Kimura M, Nouda S. Development and future of ultraviolet light-emitting diodes ∼UV-LED will replace UV lamp∼[C]// Summer Topicals Meeting Series. IEEE, 2014:13-14.
[6] 郭玮宏,袁士东,杨锐,张涛.UVC LED的杀菌特性研究及应用[J].北京理工大学学报（自然科学版）,2019,(S1):102~107.
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作者：郭玮宏
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