利用UVC LED把病菌赶尽杀绝！

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为了对武汉市火神山医院医务人员的防护服进行消毒，以防止新冠病毒传播到外面，当地搭建了一种带有UVC LED的消毒帐篷，这是一种全新的消毒方法。在面积为1.5m×0.75m×2m的房间内装有多层合成纤维墙，天花板、墙壁和地板的反射表面均安装了来自美国供应商Bolb的UVC发射器。在30秒的消毒过程中，UVC LED的剂量为6mJ/cm2，亮度始终为200μW/cm2。265至280nm光波长会破坏遗传基因信息，从而切断病毒的传播或阻断其感染其它细胞。


人工紫外线源

长期以来，人们一直使用基于汞的辐射源产生紫外光，例如使用低压和中压汞蒸气(Hg)灯产生气体，这些低压和中压汞蒸气(Hg)灯通过气体放电产生185至405nm光谱的UV光。还可以使用辉光放电，通过紫外线冷阴极管(UV-CCL或UV灯)在185至405nm的光谱范围内产生紫外线。
UV LED通过电致发光发出227至405nm光谱范围内的UV射线。使用UVC LED时，波长特别短(在260至270nm之间)，可提供最强的杀菌效果。图1以隐孢子虫为例进行了说明，隐孢子虫是一种寄生虫，特别容易在未经净化的饮用水中传播。其他病原体、细菌和病毒也表现出非常相似的特征。

LED还可以在特定温度条件下提供出色的稳定光谱输出，并且开关周期数几乎没有限制，这使其成为需要提供全光输出而无延迟的移动解决方案的理想选择。


多种武器

紫外线的波长范围为100到400nm，是肉眼看不到的。它们的频率分为UVA、UVB和UVC波段，不同波段对生物体的影响是不同的。
LED让我们几乎可以自行决定选择何种波长。与UVB和UVC射线相比，波长为315至400nm的UVA LED在分散的生物组织(例如人体皮肤)中具有更强的穿透力。UVA LED可用于牙科和化妆品等领域，例如美黑工作室和美甲工作室。在工业领域，UVA LED则用于固化树脂、粘合剂和油漆。
UVB LED射线具有280至315nm的波长，对于分散的生物组织具有相对较弱的穿透力，但它们的散射性更强。UVB射线促进人体中维生素D的形成，这就是为什么UVB LED主要用于光疗和皮肤病治疗的原因。


无法抵御UVC射线

来自UVC LED的高能光在生物组织中的散射会越来越大。这些射线的波长为100到280nm，不会特别深入地穿透组织，但是会灼伤未受保护的皮肤。由于地球大气层中的臭氧层吸收了阳光的自然UVC辐射，因此，地球上的任何生物都没有针对UVC射线建立防御机制，病毒和细菌也是如此。此漏洞使得人造UVC光照射成为一种特别有效的灭菌和消毒方法。

                               
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图1：隐孢子虫以及其他细菌和病毒对UVC LED射线最敏感，因此UVC LED的波长最有效。图源：Stanley

实际应用中的UVC LED

每种微生物对UVC辐射的反应不同，这就是为什么辐射强度应当适应所需的减灭率的原因，该数值是被杀死的微生物的数量。UV辐射的强度与距离的平方成反比，这意味着随着远离辐射源的距离增加，UV辐射会很快失去其有效性，这就是为什么需要消毒的物体应尽可能靠近发射器。
病毒(包括新冠病毒)通常通过空气传播，因此建议在空调系统中使用UVC LED。除了所需的减灭率外，还必须考虑空气流量和空气流动的几何形状。
波长为254nm的紫外线已被证明对杀死微生物特别有效，尽管直接应用时，它可能对皮肤和眼睛有害。另一方面，“远紫外线”光(207至222nm)也可以使空气中的大多数病原体广泛失活，而不会损坏裸露在外的人体组织。


消毒表面

其他病毒和细菌也可通过表面传播，包括流感、诺如病毒、轮状病毒、链球菌和沙门氏菌。如果要对较大的表面进行消毒，Lextar公司的低功率PU35CL1.0 UVC LED会是合适的产品，其输出为2-4mW和20mA；它也可以用于对饮料进行巴氏消毒、用于包装抗菌食品，以及对牙刷进行消毒。
对于较小规模的安装，Bolb推出了尺寸为3.5×3.5×0.9mm3的紧凑型中等功率S3535-DR100-W272-P40 UVC LED。直流功耗为40mW，电流仅为100mA，其凭借世界上最低能耗、最低热量输出的特性脱颖而出。
在大功率领域，Bolb推出了S6060-DR250-W272-P100 UVC LED，这是功能最强大的组件，在250mA时的DC功耗为100mW。
Bolb的UVC LED特别适合用于饮用水处理以及游泳池或RV里的水消毒，还有涉及更严格的辐照强度要求(W/m2)的应用，比如工业过滤系统、空气净化器、医疗消毒盒和吸尘器。

                               
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图2：高输出—Bolb的大功率UVC LED在250mA下具有100mW的功耗(带有和不带安装)

紫外线LED的选择标准

UV LED的关键选择标准是光束角，在某些应用中需要一定的光束角。Bolb的UVC LED的光束角为150°，可以根据需要使用Ledil的透镜进一步聚焦。因为这减少了被照射的表面，它还增加了每平方米的辐射能量，这意味着在施加相同的能量输出时，所需的曝光时间减少了。带有兼容玻璃的不同UV透镜可轻松调节辐照输出，以用于不同目的。对于紫外线透镜，Ledil使用了专门与UVC波长兼容的特殊等级硅树脂，以及对所有紫外线波长都具有高反射率的铝反射镜，特别适合于消毒应用。
紫外线LED的其它选择标准包括国家紫外线标准，不同材料的反射率(图3)、散热管理、驱动器、功耗和平方反比定律，这些因素决定了光束强度如何随着远离光源而减弱。

                               
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图3：在设计阶段必须考虑到不同材料的紫外线反射水平各有不同。

Bolb的Blazar表面发射器满足其中许多标准要求。该UVC模块具有25个LED(5×5)和55°反射镜，可实现2W有效输出，而功耗仅为1.25A。
目前正在开发Multi-UV LED产品。它们使用双波长芯片，可以提供多个UV波长，例如UVA和UVC，从而成为抵抗病毒、细菌和其他病原体的万能武器。

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紫外线杀菌，真的有效吗？