紫外线UVC LED杀毒灭菌技术及其家庭应用场景概述

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1 紫外线杀毒灭菌技术原理

紫外线（简称UV）根据波段的不同可分为UVA、UVB和UVC三种。其中UVA波段是指生活紫外线，其波长在320～400nm；UVB波段是户外紫外线，指波长为275～320nm；UVC波段是短波紫外线，波长在200～275nm之间，又称为短波灭菌紫外线，UVC即目前广泛应用于消毒杀菌紫外线，也称为深紫外线。

UVC的生物效应基本机制是使生物细胞染色体上两个相邻胸腺嘧啶之间形成嘧啶二聚体，即紫外线直接作用于生物细胞遗传物质，破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构[2]，造成生长性细胞死亡或再生性细胞死亡，是杀菌和诱变（致癌）的生物学基础，从而达到对细菌和病毒的灭活。

紫外线的杀菌作用与紫外线的波长、辐射强度、微生物对紫外线照射的抵抗力都有关。在相同的能量和照射时间下, 不同波长的紫外线杀菌效果并不同。经研究证明，波长为254nm的紫外线杀菌能力最强，可用于对水、空气、衣物的消毒灭菌。对不同的细菌和病毒要满足一定的照射剂量和时间，否则不能灭活。

2 紫外线杀毒灭菌技术的优缺点

2.1 优势

（1）紫外线杀毒灭菌速度快、效率高。表1为紫外线对常见细菌病毒的杀菌效率。如表1所示，当紫外线强度为30000μW/cm2时，在数秒内容即可杀死细菌、病毒、霉菌孢子、水藻类及鱼类病。此外，有文献也指出，用LED紫外线灯在垂直2～5cm 处照射5min，对染菌载体上金黄色葡萄球菌杀灭率均为100%；在垂直2～4cm处照射15min以上，对载体上大肠杆菌的杀灭率均达到100%；J．L．Clancy 等认为紫外线辐射剂量为30J/m2 时，隐孢子虫灭活率可超过99.9%。

（2）紫外线几乎对所有的细菌、病毒都有有效的灭活效果。表1中给出了包括大肠杆菌、黑曲霉、流感病毒、乙肝病毒在内的20种常见细菌、病毒，可以看出，紫外线对所列细菌病毒均有较好的灭活效果。

（3）紫外线杀菌运行稳定，由于其杀菌灭毒的过程为物理作用，故不会额外产生有害副产物，影响人体健康。

2.2 缺点

（1）紫外线穿透能力有限，自然界中UVC的穿透能力几乎为零，基本被臭氧层吸收，故紫外线只适于物体表面的消毒。

（2）UVC对人体有较强的物理危害，不当使用UVC对眼部的损伤尤为严重，易导致眼角膜变性和白内障；过量紫外线会也对人体肌肤、免疫系统造成伤害，易损伤粘膜，只适于无人时辐照。

（3）紫外线照射后产生的臭氧味严重，需要进行通风除味[8]，在日常使用过程中会给使用者造成一定困扰。

3 紫外线杀毒灭菌技术在家庭中的应用

紫外线杀毒灭菌技术由于其良好的性能及功效，已经在多种场景下取得了广泛应用，例如在医院病房、手术室、无菌实验室等对环境要求较高的场所，紫外线消毒技术的应用已经相对纯熟。目前，由于疫情影响，家庭中消毒、灭菌需求变得更为迫切，紫外线杀毒灭菌技术也将在家庭场景中得到进一步拓展。

3.1 家庭中空气的杀毒灭菌

随着空气污染的日益加剧，空气过滤技术在家庭环境中的应用得到了广泛认可，其对颗粒物、TVOC均有较好的去除效果，但空气过滤技术不能做到细菌、病毒的灭活。众所周知，“新冠”病毒主要通过飞沫和接触进行传播。中国工程院院士李兰娟在研究中发现新型冠状病毒在干燥的环境中的存活时间为48小时；也有研究称“新冠”病毒在光滑物体表面，在温度、湿度合适的情况下可以存活5天。将紫外线消毒技术应用到家庭中，可以使其主动对细菌、病毒进行灭活。例如在家庭中使用紫外线消毒灯，或将紫外光发生装置搭载在空气净化器、新风机、空调器等室内净化装置上，可以使室内空间实现有效消毒。值得注意的是，紫外线对人体健康存在一定伤害，所以在应用紫外线杀毒灭菌时，应尽量避免紫外线对人体的照射，搭载在家电产品中的紫外光发生装置也应当通过合理的设计，避免其对人体健康的威胁，与此同时，对于紫外线消毒灭菌后产生的异味，也应通过吸附等方法对异味进行去除。

3.2 家庭用水的杀菌消毒

紫外线杀毒灭菌技术以其在水中有较强的穿透性，且不会额外产生有害副产物的特点在水处理领域占有较强优势，是一项相对环保又成熟的技术，已在水处理领域应用多年。目前在家用领域，紫外线杀毒灭菌技术主要应用于家用净水机中处理饮用水，这也对紫外线杀毒灭菌技术提出了更高的要求。有文献指出，紫外线的杀毒灭菌不具备持续消毒的效果，该技术在水中应用会受处理水的浊度、水中离子强度、氨氮含量和紫外光照强度等因素影响。因此，在采用紫外线消毒时，对水的澄清度要求较高。杨辉等研究了浊度、紫外线强度和水力停留时间对紫外线消毒效果及消毒后水体中细菌暗复活的影响，紫外线强度＞浊度＞水力停留时间对紫外线消毒效果产生影响。为了保证最终纯净水出水无菌，紫外杀菌装置应加装至净水机末端，也就是在最终纯净水出水前消灭纯净水出水中的细菌。当然，家庭中的非直饮水也可以通过与化学消毒法联合使用，以保证处理后的水质稳定性。

3.3 餐具的除菌消毒

对于餐具的除菌与消毒，高温、臭氧和紫外线杀毒灭菌技术均有较好的效果，紫外线消毒的优势在于其除菌的高效、广谱的特点，消毒效果和照射剂量、时间成正比关系。但由于光线为直线，碗盘等餐具在消毒时的叠放会致使紫外光线被阻挡，紫外光线照射不到的地方，其除菌消毒作用并不明显[12]，所以紫外线在餐具消毒时可配合臭氧及烘干一起完成消毒工作。

3.4 衣物、床品的除菌

在日光充足时晾衣晒被可以很好的去除病菌和尘螨，可以说紫外光对于衣物、床品的除菌消毒从古沿用至今，其除菌效果不容置疑。但长时间高强度的紫外光线照射可能会导致衣物、床品脱色，弹性减弱[13]。所以在应用紫外线杀毒灭菌技术为衣物、床品进行消毒时，要合理控制时长和紫外光的强度，紫外除菌消毒技术配合高温消毒应用于衣物护理小家电中，是当下的技术趋势之一。

3.5 卫浴产品的杀毒灭菌

洗浴用水的除菌消毒可以结合上述饮用水的处理技术来实现，紫外光与其他除菌消毒方式的联合消毒技术可使单一方法的优势最大化，以求最大的经济效益和供水安全性。坐便器的清洁、除菌、消毒则更适合使用紫外光线的照射方法，在如厕后，通过盖上坐便盖来打开内置紫外照射灯，可以在实现除菌、消毒的同时，减少对人体的紫外光危害。值得注意的是，紫外线光对坐便器材料的影响是此项技术应用于坐便产品中值得思考的重点。

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