當前，新型冠狀病毒仍在持續，對產業及企業造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業人們的心。在此形勢下，中國半導體照明網、極智頭條，在國家半導體照明工程研發及產業聯盟、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟指導下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業解答疑惑。助力我們LED照明企業和產業共克時艱！
本期，我們邀請到廣東晶科電子股份有限公司項目總監陳海英帶來了“紫外線消毒歷史與消毒機理研究——UV消毒手冊（1-3章節）”的精彩主題分享，以下為主要內容：
一、基本介紹
1.作者及版本
版本 2008 vs 2011
作者-加拿大 阿爾伯塔大學（University of Alberta）兼職教授
創立技術咨詢公司：Bolton Photosciences Inc. https://boltonuv.com/store/contact_us.php
2.什么是紫外線消毒？
紫外線是波長范圍在200- 400nm之間的，是整體光譜里的一小段。消毒機理是紫外線的光子被DNA，RNA 吸收，使得微生物的細胞不再復制，也就不繁殖，不再具有致病能力。
微生物包括細胞和病毒等，單個個體活著的意義就是繁殖，讓群體不斷增大，去感染更多的宿主，當群體大到一定程度，才具有致病的能力，所以每個單個個體存在的意義就是復制
紫外消毒本身是一種物理消毒，能否消毒或者消毒能力有多強，跟光的劑量相關。
微生物對哪一個波長的光更敏感呢？可以看到大概是在270nm左右是一個峰值，而傳統汞燈的本征波長是253.7nm，所以傳統汞燈的特征波譜對于消毒殺菌來說并不是最優的，這對于LED來說是更好的機會。
3.紫外線消毒與化學消毒相比如何？
化學消毒就是靠化學消毒劑，通常是用氯、氯胺、二氧化氯或是臭氧這種強氧化性物質，然后跟微生物相互作用，達到殺毒的目的。好處是殺毒效果很好，持續時間長。壞處是只部分有效，就是對細菌和病毒很有效，但是對原蟲（隱孢子蟲，賈第鞭毛蟲等）的效率低。
此外，化學消毒本身有副產物，會帶來一些不好的影響。比如化學消毒劑本身要放到水里，如果用量過大會帶來污染，副產物也會影響水的口感，味道等。
紫外光消毒屬于廣譜有效，不論是細菌、病毒，還是原蟲。都很有效，并且沒有副產物，不改變水質。但是，紫外光消毒的效果維持有限，因為一定要有光，還要有足夠的劑量才有效。
紫外光的功率要達到一定的門檻值,要殺滅細菌還需要有劑量的概念，等于把時間的概念引入，如果功率不是很高，就需要足夠的時間。如果時間有限制，就要提高功率來達到相同的殺毒效果。
4.紫外消毒發展史
1801年 第一次“看見”紫外光 波蘭的藥劑師 氯化銀被分解；
1877年 第一次 發現紫外光的消毒功能；
1904年 第一臺汞燈，德國吹制；
1960年 第一次確認紫外消毒的分子機理T-T，胸腺嘧啶二聚體；
1975年 挪威啟用紫外消毒，替代有副產物的氯消毒；
1998年 Bolton證明紫外消滅原生動物的有效性，推動了紫外用于飲用水消毒；
2003年 美國環保局發布了紫外消毒指導手冊；
5.政府法規-紫外消毒
1996年，奧地利成為第一個引入紫外線法規的國家，要求使用生物劑量學測試對紫外線反應器進行認證，劑量 40 mJ cm-2（400 J m-2）；
1997年，德國又采用（DVGW 1997）最小劑量 40 mJ cm-2（400 J m-2）；
1998年，美國環保局發布紫外消毒指導手冊；
2006年，美國地下水法（USEPA2006a）4 log病毒滅活的紫外線劑量為186 mJ cm-2；
2006年 地下水法（GWR）（USEPA 2006d）。
6.紫外線消毒的優點和缺點
（1）優點
有效：對隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲非常有效的消毒技術；
無毒：不會明顯改變水質； 沒有副產物，不改變總有機物（TOC），pH值，腐蝕性；
便宜：與其他原生動物消毒方法相比，該技術相對便宜，具有較低的投資和運營成本；
易調：根據水流量，水質等的變化，操作（即調高或調低）紫外線設備相對容易；
易用：紫外線設備的占地面積相對較小，通常適合改裝到現有的水處理廠中；
速度快：不需要化學試劑，消毒速度快；
（2）缺點
消毒能力不能維持：沒有殘留的消毒能力。因此，通常要添加一定水平的氯或氯胺以保持配水管我系統中的余氯，保證持續的抑菌能力。
難檢測：目前，無法連續監測紫外線劑量，因此操作員必須依靠二次測量（傳感器讀數，紫外線透射率，水流量等）。
汞污染：大多數紫外線反應器都裝有汞燈，因此，紫外線燈的破裂可能會造成汞污染。但是，計算（USEPA 2006b）似乎表明，即使燈中的汞完全進入水中，分配水中的汞含量仍將大大低于最大污染物含量。
斷電：公用事業公司的電源供應可能會中斷，這可能導致紫外線燈熄滅1-5分鐘。除非將水轉移到廢水中，否則可能會導致某些水無法得到處理。
預熱造成消毒不足：有時會因電源中斷或燈泡預熱而對水進行消毒不足。USEPA將這些情況視為不合規格的事件。
以上汞污染和需要預熱都是汞燈才有的特點，而LED無毒，不需要預熱，在UV消毒中應用前景更大。
二、紫外線和光化學基礎知識
1.光和光子
光是電磁波的一段，電磁波有16個數量級；
光子的能量-普朗克常數 (6.63 e-34 J.s) ；
2.紫外線光譜范圍
大多數光化學研究涉及紫外線范圍（100-400 nm）。該區域分為三個子范圍,與人類皮膚對紫外線的敏感性有關。
UVA范圍（315–400 nm）引起皮膚變化，導致曬黑。
UVB范圍（280–315 nm）可能引起曬傷，并最終誘發皮膚癌。
UVC范圍（200–280 nm）被RNA，DNA和蛋白質吸收，并可能導致細胞突變，癌癥或細胞死亡。
UVC 具有危險性，UVC會損失表皮細胞，當天就會脫落；眼睛曝光于UVC下，會引起白內障。使用UVC需要做好防護。
3.紫外線的發射，傳播，吸收
（1）發射 效率
紫外線燈發出的光取決于許多因素，例如輸入電壓，輻射功率效率，燈的尺寸以及石英套管的特性。 效率表征：單位面積的輻射功率（W m-2）
（2）傳播：紫外線也是光，光的定律適用
光速2.994×108 m s-1；折射定律 snell’s law；不同光介質界面，折射，反射。
（3）比爾.朗伯定律Beer-Lambert law. 光吸收計算基礎；
（4）吸收率0 a（cm-1）；
4.幾個概念
（1）透過率 UVT 100*T 百分數 =>100 制 95% -> 95, 1cm 厚度，其中，飲用水為75- 95；
（2）輻照度（irradiance) 單位 W/cm^2 (單位面積的光功率）；目的是考慮被照面上的光功率密度。
（3）通量率（fluence rate） 很小的單位截面積上通過的UVC能力dA ，單位 W/cm^2，通量率跟局部的形狀相關，在光學建模模擬中，通量率更合適。
（4）線劑量或通量
輻照度/通量率對時間積分；
輻照度不變的情況，E*t ；
細菌，病毒的滅活或抑制，就需要一定的紫外線劑量完成；
（5）術語及單位 輻照度 劑量
單位面積的光功率 W/m^2,單位面積的光能量 J/m^2
5.紫外線照射后發生了什么？
紫外線從光源發射出來，在介質中傳播，被物質吸收，之后其實是能量的轉移，每個光子都帶著自己的能量。被分子吸收以后，會發生一個從低能態到高能態的過程，有能量不同方向的轉變。一部分變成光。如果有一些熒光、磷光物質會發出一些熒光、磷光。另外一部分可能內部耗散變成熱。還有分子結構變化，發生光化學反應，有新的物質產生。
6.光化學定律
（1） 第一定律，光必須被物質吸收才會發生光化學反應。比如涂抹防曬霜保護皮膚，皮膚細胞沒有吸收光，就不會發生化學反應，不易損傷。
（2） 第二定律，每個光子只能激活一個分子發生反應，光子數 µ 反應分子數 => 劑量 µ 殺菌量。
（3） 第三定律，被吸收的光子能量必須等于或大于分子中最弱的鍵--UVC封裝材料。
（4） 吸收，1v1，光子能量大于分子最低鍵能
有助于UVC封裝材料的選擇；水污染物處理，光子能量大于被處理物質的鍵能，比如殺蟲劑，抗生素，除草劑，幫助選擇有效的合適的光波長。
7.先進的氧化技術
（1）用強大的氧化中間體（例如，羥基自由基·OH）來氧化受污染的空氣和水中的主要有機污染物的技術；
（2） 羥基自由基·OH的產生，比如紫外光 +H2O2；O3+H2O2 ；
（3）水有機污染物處理；
（4）大多數有機污染物無害化降價，H2O, CO2, 無機礦物；
三、紫外線消毒機理
1.紫外線如何滅活微生物
滅活（inactivate vs kill），被UVC 滅活的微生物的表現是代謝存活，不能復制；細胞吃喝照舊，不能繁殖。
滅活/kill過程，從吸收光子開始，若是高劑量，細胞膜的蛋白質吸收后變性，細胞膜破裂，細菌死亡。若是低劑量，涉及到ATCG 等，兩個胸腺嘧啶（T）綁定在一起形成二聚體 。
2.紫外線如何滅活微生物-誰吸收
紫外光被吸收--核苷酸，蛋白質<230nm，水也吸收這個波段。核苷酸>230nm, Peak 260-275nm。對于UVC LED是個好消息，可以不用像汞燈那么高的能量密度就可以達到比較好的消毒效果。
3.紫外線如何滅活微生物- DNA –RNA
DNA里的核苷酸吸收之后，作用于鏈，T-T，形成二聚體，正常的鏈條被破壞以后，就不能正常復制去達到繁殖目的了，這是微生物被滅活的本真機理。
問題是RNA沒有T（胸腺嘧啶），代之以 U （尿嘧啶）， 只有RNA的病毒能否被滅活呢？有數據顯示，RNA的病毒可以被滅活，而且不需要更高的劑量。
滅活程度中有抑菌概念，微生物滅活后還會活化，重新具有繁殖能力，但需要一定的條件，比如繞過T-T破壞點，利用宿主的酶活化。好消息是目前還未發現隱孢子蟲能夠活化 。
4.活化的暗機制和光機制
暗機制是細菌修復損壞的DNA，形成新的DNA鏈；光機制是利用UVA激活一種酶，把T-T二聚體解開。通常在曝光在太陽光里面的污水處理要考慮陽光中UVA的再活化。密閉環境水處理，通常不用考慮。
5.紫外光敏感性
敏感度排序，從最敏感到最不敏感依次為細菌≈原生動物>大多數病毒>細菌孢子>腺病毒>藻類。
腺病毒被單獨列出，因為它在水性病毒中是獨特的，因為它對UV光最不敏感，人們對這種不敏感的原因不明確。
大多數細菌會光活化，在可見光環境下需要加大劑量。
細菌/病毒/原生生物的滅活劑量-bench
USEPA2006 美環保局把UVC視為最佳技術
需要注意的是，很多數據都是實驗室情況下得出的，實驗室中各種條件都得到很好的控制，但實際UV發生設施中，溫度等條件，UV光的均勻性等往往得不到保證，所以要在實際案例中具體考慮，而不能簡單照搬實驗室出來的數據。
需要說明的是，本書是2008年的版本，到現在已經過去了12年，期間可能很多東西發生了變化，也歡迎業界同仁多多交流指正，補充完善，共同進步。
也感謝聯盟提供了本次機會，可以在極智課堂與大家交流，聯盟組織大家分工合作解讀本書是件非常好的事情，也希望可以給業界做產品有更多的理論依據，支持和幫助。以做出產品更多的人服務好。
問答環節
1聽您講到有和鐘南山院士合作研究，目前針對UVC LED殺滅新冠病毒用有沒有明確的劑量？
陳海英：實驗是在鐘院士的實驗室里，彼時還沒有新冠病毒。實驗時主要是細菌，比如沙門氏菌，金黃葡萄球菌、大腸桿菌，軍團菌等，并沒有拿病毒來做，因為病毒實驗要在比較好的控制條件才能做，新冠病毒比較新，目前沒有數據。
2.依據UⅤC消毒原理，被紫外線消毒是靜態物質，如果動態物質（流動空氣、流動水體）怎樣瞬間消毒？
陳海英：針對流動水體等要考慮到被消毒的或是被作用的物質，在流動過程中能吸收的光的能量，光的劑量到底是多少。最終還是要回到比如說細菌等物質，吸收的UV的劑量到底是多少才能實現消毒的目的，在光學模擬時，要考慮到流動速度和接受光照的時間。
3.有一些應用廠家為了使消費者能對UVC產品的工作狀態可視化，采用了UVC+UVA的方案。根據您前面所提到的，UVA可能會使細菌病毒再活化，那是不是代表說UVC+UVA的方案殺菌效果反而不好？
陳海英：按照書里的說法，UVA是有機會使得細菌病毒活化，會起到不好的效果。剛才只是針對書的內容解讀，我自己并沒有什么數據，如果各位有類似的一些實際數據的，可以分享出來，看看UVA在什么樣的情況下會有活化的可能，以致降低滅活的效率。
4. 流動空氣中的含菌量？含病毒量？有沒有相關標準？如何捕捉測試獲得有效數據？
陳海英：對于空氣消毒，有很多專門的監測機構，有標準規定，也有標準的檢測方法。
5. UVC LED在封裝時目前選用的基板是什么？有沒有遇到什么問題，關注點是什么？
陳海英：目前UVC本身的光電轉換效率非常低，大部分的電功能轉換成了熱，所以散熱是UVC封裝最主要考量的一個問題，基板方面，目前市面上看到的主要還是用氮化鋁陶瓷，因為導熱效率比較高。
氮化鋁基板加銅杯的做法是目前業界采用比較多的做法，基板會有一些翹曲等問題，會對制程帶來一些困難，每家企業都會有一些針對性的解決方案。
6. UVC LED 當前產業開發狀態及實際應用普及情況是怎么樣的？
陳海英：目前整個產業開發是迅速上升的狀態。實際普及應用方面，有一些公司較早進入到這個市場，努力耕耘，努力跟消費者普及UV知識。不過，目前來講整體是一個很有前景，但量還沒有那么大，可以說是一個成長前景非常好的狀態。
7. 想了解一下目前晶科在紫外領域有哪些嘗試？
陳海英：晶科電子在紫外領域，UVC、UVA的產品都有，也跟一些車廠配合做一些方案和模組類的產品。目前在UVC的部分，是以光源加模組的形式在跟客戶配合。
（文字根據直播內容編輯整理，略有刪減）
