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高强度紫外线杀菌灯(上)

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1 断 病毒在公共场所传播的重要性
2020伊始,一场猝不及防的新冠病毒(COVID-19)疫情席卷全球,世界卫生组织4月3日公布的数据显示,新冠疫情已影响到全球205个国家和地区,累计确诊病例超过100万例[1]。此次疫情的感染速度和人数远超之前的SARS和MERS,给人类的生命以及全球经济都造成了巨大损失,也使得人们的生活蒙上了一层巨大的阴影。

新型冠状病毒属于大型有包膜的正链RNA病毒,不同于SARS只在发病期传染,COVID-19更加狡猾,潜伏期也有很强的传染性,传播途径主要是呼吸道飞沫传播(打喷嚏、咳嗽等)和接触传播(用接触过病毒的手挖鼻孔、揉眼睛等)[2],并且在人体外不同环境中可存活数小时至数天不等。有效切断病毒的传播途径,对医院、机场、高铁站、商场等人员密集的公共场所进行杀菌消毒,避免病毒在人群中的交叉感染尤为重要。目前国内的战疫刚告一段落,又面临着复工复产与境外输入的双重挑战,我们需要做好与病毒长期战斗的准备。



2 紫外线灯 消毒的优点
《新型冠状病毒感染的肺炎公众防护指南》明确指出[2],“病毒对紫外线和热敏感,56℃ 30分钟、乙醚、75%乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒,氯己定不能有效灭活病毒”。


紫外线是电磁波谱中波长从10nm到380nm辐射的总称,开始于可见光的短波极限,而与X射线的长波波长相重叠。其中短波紫外(UVC,200nm-280nm)是用于杀菌消毒的辐射波段,GB19258-2012国家标准中定义紫外线杀菌灯主要是一种采用石英玻璃或其他透紫玻璃的低气压汞蒸气放电灯,放电产生波长为253.7nm为主的紫外辐射,其紫外辐射能杀灭细菌和病毒[3]。但是使用时需注意人体直接暴露在短波紫外会导致皮肤发红和眼睛刺激。




紫外线杀菌灯消毒原理是利用253.7nm(4.88eV)附近的高能光子作用微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体) 的染色体(DNA和RNA),导致染色体键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等,改变了染色体的生物活性,使微生物自身不能复制后致死,从而达到消毒的目的。新型冠状病毒主要由蛋白质膜和遗传物质RNA组成,没有完整的细胞膜结构,紫外线非常容易作用到遗传物质并将其破坏,从而阻止病毒的繁衍与传播[4,5]






紫外线消毒属于纯物理方法,相较化学方法消杀,具有以下优点:
1、高效率杀菌消毒:对于大部分细菌和病毒接受的累积紫外剂量达到20mJ/cm2时,其灭活率可以高达99%以上。目前市场上传统的36W紫外汞灯,在周围1米的辐照范围内的辐照强度约100μW/cm2,连续照射3分钟可达到消杀剂量。
2、广谱性杀菌消毒:紫外线杀菌的广谱性是最高的,它对几乎所有的细菌、病毒都能高效率杀灭。
3、无二次污染:紫外线杀菌消毒不加入任何化学药剂,因此它不会对水体和周围环境产生二次污染,不改变水中任何成分。
4、运行安全、可靠:传统的消毒技术如采用氯化物或臭氧,消毒剂本身就是属于剧毒、易燃的物质,而紫外线消毒系统不存在这样的安全隐患。
5、运行维护费用低:紫外线杀菌设备占地小,构筑物要求简单。安装后可通过软件远程控制自动开关,不需要额外雇佣专门的清洁人员进行现场操作。


3 当前 市场上紫外消毒光源在病毒防疫中的不足
紫外线的照度一般以每平方厘米的微瓦数(μW/cm²)表示。国家相关标准规范规定[6,7]:新出厂30W紫外线灯管在下方中央垂直1m处测定辐射强度应大于100μW/cm2方可使用。
目前市场上使用的紫外线杀菌灯主要有低压汞蒸汽紫外线消毒灯和UVC LED,后者目前尚不成熟,短期内主流产品仍为低压汞蒸汽紫外线消毒灯(功率 >30W 灯,强度≥90μW/cm2),其发光谱线主要有253.7nm和185nm两条,混合谱线产品可促使臭氧产生,也有杀菌作用,效果优于单独253.7nm谱线的紫外灯作用,寿命一般为600-800小时左右,进口紫外灯的使用寿命平均在1000小时以上。




目前为止,还未看到定量的关于新型冠状病毒紫外致死剂量的实验数据,主要参考之前对SARS和MERS病毒的研究结果。2003年中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所的专家董小平所在的研究小组发现[8],应用强度大于90μW/cm²的253.7nm紫外光照射冠状病毒,60分钟可以杀灭SARS病毒。2006年美国食品药品监督管理局生物评估与研究中心Taylor团队[9],在特征波长253.7nm、辐射强度4016μW/cm²的紫外光照射下,TCID50初始浓度约100^5.8/mL的SARS病毒样本在1分钟后部分被杀灭,紫外剂量达到1445 mJ/cm2时,实现99.99%杀灭率。60分钟的杀菌灭毒时间对于实验室研究是有意义的,研究人员有充分的时间进行记录观察不同紫外光曝光时间下的杀菌灭毒效果。但是对于医院、学校、高铁站等实际场所的应用,60分钟的杀菌灭毒时间太长,使得空间上的杀菌效率太低。





紫外杀菌消毒的关键是大幅提高紫外线灯的紫外光输出强度,UVC LED效率低,波长不够短,虽然具有便携的优点,但不是大型场所消毒的理想选择。传统紫外线灯的强度可以通过增长灯管长度、增加汞丸重量和提高电源功率来实现。2017年8月关于汞的《水俣公约》在我国正式生效,此公约规定单只紫外灯里的汞重量不能超过13mg,大大限制了传统紫外线灯管的输出强度。另外由于传统紫外线灯管的长度通常大于500mm[10],对于移动式杀菌来说,会造成设备体积过大,操作不灵活,杀菌有死角。现有的有极汞灯无法满足快速大面积杀灭冠状病毒的强度要求。因此需要一种全新的物理激励方式,大幅提高紫外光的转换效率,同时大幅降低灯管的体积。


参考文献


[1] 国家卫生健康委员会统计信息中心疫情防控动态,http://www.nhc.gov.cn.
[2] 国家卫生健康委员会《新型冠状病毒感染的肺炎公众防护指南》,人民出版社,2020年.
[3] 紫外线杀菌灯《GB19258-2012》,中国国家标准化委员会,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] 医疗机构消毒技术规范《WS/T367-2012》,国家卫生健康委员会,2012年.
[7] 医院空气净化管理规范《WS/T368-2012》,国家卫生健康委员会,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]发明专利201620355423.X《一种高效高亮度真空紫外光源装置》,2016年.


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