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        紫外線消毒歷史與消毒機理研究
        發布時間: 2020-03-11 來源: 晶科電子 瀏覽:1986次

        ——晶科電子陳海英博士做客《極智課堂》講授UVC紫外消毒的前世與今生

        當前,新型冠狀病毒疫情仍在持續,對產業及企業造成了相當程度的影響,也牽動著各行各業人們的心。根據《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》公布的內容:”冠狀病毒對紫外線和熱敏感”,將UVC紫外線消毒推進了公眾視野,鑒于此,廣東晶科電子股份有限公司(以下簡稱:晶科電子)項目總監陳海英博士做客《極智課堂》為各位小伙伴講授UVC紫外消毒的前世與今生。

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        第一講:UVC紫外線消毒的起源和發展

        說起UVC紫外消毒不得不提及一個人,加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)的兼職教授James R.Bolton 博士,他的著作《紫外線消毒手冊》為行業提供了很多指導性的研究方向。

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        1.什么是紫外線消毒?

        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。

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        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。

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        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。

        2.紫外消毒發展史

        1801年 第一次“看見”紫外光

        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

        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)的效率較低。

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        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;

        成本低: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。

        第二講: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。

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        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DNA和RNA微生物

        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。

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        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 。

        第三講:小知識問答

        Q: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?

        A: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,目前暫時還沒有數據。

        Q: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?

        A: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。

        Q: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?

        A:按照手冊的說法,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。

        Q: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?

        A: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。

        Q: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?

        A: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?;宸矫?,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。

        Q:UVC LED 當前產業開發狀態及實際應用普及情況是怎么樣的?

        A: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。目前來講UVC是一個新生的成長前景非常好的態勢。

        Q:想了解一下目前晶科電子在紫外領域有哪些嘗試?

        A: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,以光源加模組的形式在跟客戶作積極配合開發,敬請關注。


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