將病菌趕盡殺絶!

作者 : Alain Bruno Kamwa,儒卓力(Rutronik)光電產品行銷經理

人類與病毒的鬥爭已經持續了很長的時間。化學消毒劑只能有限抵抗微生物,例如病毒和細菌,因為它們會產生抗藥性。紫外線(UV)能夠更有效的對水、空氣和表面進行消毒和滅菌,這使之成為對抗冠狀病毒的更有效武器。

為了對武漢市火神山醫院醫務人員的防護服進行消毒,以防止新冠病毒傳播到外面,當地因此搭建了一種帶有UVC LED的消毒帳篷,這是一種新穎的消毒方法。在面積為1.5m × 0.75m × 2m的房間內裝有多層合成纖維牆,天花板、牆壁和地板的反射表面均安裝了來自美國供應商Bolb的UVC發射器。在30秒消毒過程中,UVC LED的照射劑量為6mJ/cm2,亮度始終為200μW/cm2。265~280nm光波長會破壞遺傳基因資訊,從而確保該病毒不再傳播或感染其他細胞。

 

(來源:peterschreiber.media/stock.adobe.com)

 

人工紫外線

長期以來,人們一直使用基於汞的輻射源來產生紫外線,例如使用低壓和中壓汞蒸氣(Hg)燈產生氣體,這些低壓和中壓汞蒸氣燈通過氣體放電產生185~405nm光譜的紫外線。還可以使用輝光放電,透過紫外線冷陰極管(UV-CCL或UV燈)在185~405nm的光譜範圍內產生紫外線。

UV LED利用電場發光發出227~405nm光譜範圍內的紫外線射線。使用UVC LED時,波長特別短(在260~270nm之間),可提供最強的殺菌效果。圖1以隱孢子蟲為例進行說明,隱孢子蟲是一種寄生蟲,特別容易在未經淨化的飲用水中傳播。其他病原體、細菌和病毒也表現出非常相似的特徵。

 

圖1:隱孢子蟲,以及其他細菌和病毒對UVC LED射線最敏感,因此UVC LED的波長最有效。

(來源︰Stanley)

 

LED還可以在特定溫度條件下提供出色的穩定光譜輸出,並且開關週期數幾乎是無限的,這使其成為需要提供全光輸出而沒有任何延遲的行動解決方案的理想選擇。

多種武器

紫外線的波長範圍為100~400nm,是人眼看不到的。它們的頻率分為UVA、UVB和UVC波段,它們對生物體的影響是不同的。

LED允許我們幾乎可以自行決定選擇波長。與UVB和UVC射線相比,波長為315~400nm的UVA LED在分散的生物組織(例如人體皮膚)中具有更強的穿透力。UVA LED用於牙科和化妝品等領域,例如日曬房和美甲工作室。在工業領域,UVA LED用於固化樹脂、黏合劑和油漆。

UVB LED射線具有280~315nm的波長,對於分散的生物組織具有相對較弱的穿透力,但它們的散射性更強。UVB射線促進人體中維生素D的形成,這就是為什麼UVB LED主要用於光療和皮膚病學治療的原因。

無法抵禦UVC射線

來自UVC LED的高能光在生物組織中的散射會越來越大。這些射線的波長為100~280nm,不會特別深入穿透組織,但是會灼傷未受保護的皮膚。由於地球大氣層中的臭氧層吸收了陽光的自然UVC輻射,因此,地球上的任何生物都沒有針對UVC射線建立防禦機制,病毒和細菌也是如此,此漏洞使得人造UVC光照射成為一種特別有效的滅菌和消毒方法。

實際應用中的UVC LED

每種微生物對UVC輻射的反應不同,因此輻射強度應當適應所需的減滅率,該數值是被殺死的微生物的數量。UV輻射的強度與距離的平方成反比,這意味著隨著離輻射源的距離增加,UV輻射會很快失去其有效性,所以要消毒的物體應盡可能靠近發射器。

病毒(包括新冠病毒在內)通常透過空氣傳播,因此建議在空調系統中使用UVC LED。除了所需的減滅率外,還必須考慮空氣流量和空氣流動的幾何形狀。

波長為254nm的紫外線已被證明對殺死微生物特別有效,儘管直接應用時,它可能對皮膚和眼睛有害。另一方面,UVC (207~222nm)也可以使空氣中的大多數病原體廣泛失活,而不會損壞裸露在外的人體組織。

消毒表面

其他病毒和細菌也可透過表面傳播,包括流感、諾羅病毒、輪狀病毒、鏈球菌和沙門氏菌。如果要對較大的表面進行消毒,Lextar的低功率UVC LED產品PU35CL1.0會是合適的產品,其輸出為2~4mW和20mA;它也可以用於對飲料進行巴氏法消毒、用於包裝抗菌食品,以及對牙刷進行消毒。

對於較小規模的安裝,Bolb推出尺寸為3.5 × 3.5 × 0.9mm3的小型中等功率UVC LED,S3535-DR100-W272-P40,其直流(DC)功耗為40mW,電流僅為100mA,其憑藉世界上最低能耗、最低熱量輸出的特性脫穎而出。

而用於大功率領域的UVC LED,Bolb推出了S6060-DR250-W272-P100,這是功能最強大的元件,在250mA時的DC功耗為100mW。

Bolb的UVC LED適合用於飲用水處理,以及游泳池或RV的水消毒,還有涉及更嚴格的輻照強度要求(W/m2)的應用,比如工業過濾系統、空氣清淨機、醫療消毒盒和吸塵器。

 

圖2:高輸出——大功率UVC LED在250mA下具有100mW的功耗。

 

UV LED的選擇標準

UV LED的關鍵選擇標準是光束角,在某些應用中需要一定的光束角。Bolb的UVC LED的光束角為150°,可以根據需要使用Ledil的透鏡進一步聚焦。因為這減少了被照射的表面,所以它還增加了每平方公尺的輻射能量,這意味著在施加相同的能量輸出時,所需的曝光時間減少了。具備兼容玻璃的不同UV透鏡可輕鬆調節輻照輸出,以用於不同目的。對於紫外線透鏡,Ledil使用專門與UVC波長兼容的特殊等級矽樹脂,以及對所有紫外線波長都具有高反射率的鋁反射鏡,特別適合消毒應用。

UV LED的其他選擇標準包括國家紫外線標準,不同材料的反射率(圖3)、散熱管理、驅動器、功耗和平方反比定律,這些因素決定了光束強度如何隨著遠離光源而減弱。

 

圖3:在設計階段必須考慮到不同材料的紫外線反射水準各有不同。

 

Bolb的Blazar表面發射器滿足其中許多標準要求。該UVC模組具有25個LED (5 × 5)和55°反射鏡,可實現2W有效輸出,而功耗僅為1.25A。

目前正在開發多波段光源LED (Multi-UV LED)產品。它們使用雙波長晶片,可以提供多種紫外線波長,例如UVA和UVC,從而成為抵抗病毒、細菌和其他病原體的萬能武器。

 

 

 

 

 

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