LED紫外线灯：防疫消毒创新的未来
BDD News
编译：张雅婷
自3月11日WHO正式宣布新冠肺炎成为全球“大流行病”以来，世界各国一致将消毒工作视为阻击疫情传播的第一道防线。在经历了初始时在各种公共场所不加区别地大规模喷撒化学消毒剂，追踪研究这种传统消毒模式的功效以及对人的健康影响等各方面因素之后，越来越多的科研机构转而对紫外线（UV）灯照射消毒产生了很大兴趣：这种消毒技术对人工操作需求度极小，且不会提高细菌的耐药性，完全可让人不在场远程智能操控使用，尤其适用于人流聚集密度高、停留时间长且最易产生交叉感染的封闭式公共场所，因而获得了相关研究基金，成为防疫消毒创新的主流。
紫外线消毒并非是一种新技术，但长久以来一直是用高压水银灯作为紫外线辐射源，具有功率高、造价高、使用寿命短、且外形尺寸大的不利因素，所以未能获得大范围推广。有赖于近年来发光二极管（LED）产业的迅猛发展，高效能的LED紫外线灯以更便携、更持久、更节能、更环保的优势成为全新替代方案。
但就目前而言，紫外线LED技术还在快速完善中。本文将从现存问题、最新技术突破和设计创新案例三个角度汇总一些近期的研究成果，以求为未来的LED紫外线灯在防疫消毒中的应用创新提供一些思路。
化学剂消毒与紫外线消毒 图源：网络
紫外线与人体健康
紫外线消毒的原理是通过引起细菌和病毒的DNA或RNA链断裂，杀灭核酸的生物活性，从而破坏其复制与增殖能力。研究发现，有效杀死病毒的紫外线波长为200-280纳米，但它对细胞DNA的破坏力也会为人体带来潜在风险：高频短波紫外线（UVC）可引发光照性皮炎、皮肤癌、光照性眼炎、白内障等，甚至危及中枢神经系统。
新罕布什尔大学（University of New Hampshire）土木和环境工程教授吉姆·马利（Jim Malley）认为，这是目前使用紫外线技术所面临的困境——虽然它有很大的应用潜力，但可能对人造成严重的永久性损害。尽管可以采取错开时间和保持距离的方式避免紫外线伤害（例如等医生下班后再消毒手术室），但在世界经济重启时期，公共场所消毒需要尽可能减少对人员流动的干扰，错开和回避并不是最理想的解决方案。因此，一些研究人员已经开始研究如何在利用紫外线和降低风险之间取得平衡。
紫外线防护 图源：网络
亟需合适的电极材料
如上所述，与传统的高压水银灯相比，LED紫外线灯具有许多优势，但它也存在一个技术瓶颈： 如何让紫外线完全透过电极材料，而不被电极吸收。据宾夕法尼亚州立大学的材料科学、物理和化学副教授罗曼·恩格尔·赫伯特（Roman Engel-Herbert）说，有效杀灭病毒的前提是要有足够的紫外线剂量。也就是说，需要有能发射高强度紫外线的高效能LED灯，但就目前所使用的透明电极材料而言，此要求难以满足。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学博士研究生约瑟夫·罗斯（Joseph Roth）表示，运用于显示器、智能手机和LED照明领域的可见光透明电极材料本就难找，而要找到适合紫外线的透明电极材料更是难上加难。现有的LED紫外线灯缺乏合适的导体材料，只能使用可见光电极材料，而这些材料会吸收掉大量紫外线。可以说，如何向二极管通电并保证高照射强度是LED紫外线灯的一大技术难题。
LED紫外线灯 图源：网络
民用紫外线产品现状
随着人们对紫外线技术的兴趣日益浓厚，亚马逊发布了其设计的紫外线机器人。机器人的主体由一个带轮子的金属架构成，架上装有紫外线灯管，可应用于亚马逊的仓库和全食超市（Whole Foods）。亚马逊还推出了供家庭使用的紫外线产品，还有几种便携式紫外线消毒设备（例如紫外线消毒手棒）。制造商声称，这些产品能杀死手机、奶嘴和其他易污染表面上99.9％的细菌和病毒。
亚马逊研发的紫外线机器人 图源：网络
尽管紫外线在商业应用上颇具潜力，但许多杀菌专家对家用紫外线产品不抱太大信心。实际上，研发一款实用紫外线产品比人们想象的要难，市面上一些低成本的产品往往效果不佳。微生物学家、亚利桑那大学（University of Arizona）教授查尔斯·格巴（Charles Gerba）被誉为“细菌博士”，他认为民用紫外线产品缺乏监管，也没有经过充分的科学研究。在缺乏相关数据的情况下，用户出错率会很高，简单地用手持设备快速扫描物体表面很难真正杀灭病毒或细菌。
亚马逊销售的紫外线消毒手棒 图源：网络
新发现：远程短波紫外线
哥伦比亚大学放射研究中心主任戴维·布伦纳博士（David Brenner）发现，太阳光谱中有一段很窄的“远程短波紫外线”（far-UVC）。常规杀菌紫外线的波长有254纳米，而远程短波紫外线的波长较短，约为222纳米，其特点在于既能杀死病毒，又不会穿透人体表皮细胞。新冠疫情爆发前，布伦纳博士已开展了一项为期60周的研究，使用这种紫外线杀死流感病毒。他将老鼠以每周5天、每天8小时的频率暴露在远程短波紫外线下，直至目前，还未发现这种紫外线对老鼠的健康有不良影响。
据设想，远程短波紫外线灯对人体比较安全，可以安装在在医生办公室、学校、避难所、机场和飞机等室内空间。现今一些企业已在生产远程短波紫外线灯，售价预计在500到1000美元之间，尽管还需要等待几个月才会得到美国食品和药物管理局（FDA）和环境保护局（Environmental Protection Agency）的销售批准。
远程短波紫外线 图源：网络
新突破：铌酸锶电极材料
如前所述，电极材料对紫外线的吸收率越低，LED紫外线灯的效能越高，因此找到一种构造合适的新材料是提升性能的关键。宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究组与明尼苏达大学（University of Minnesota）的材料理论学家团队通过理论预测找到了铌酸锶（strontium niobate），并立即联系其日本的合作研究者，制得铌酸锶薄膜，开展相关性能测试。
结果表明，这一新型透明导体材料符合理论预期。研究团队还找到了一种可量产的方法集成铌酸锶膜，即“溅射法”（工业上广泛采用的标准薄膜生长技术）。这保证了新材料能够低成本、高质量地应用到LED紫外线灯中，也是迈向LED技术成熟的关键一步。研究团队认为该制膜技术能在席卷全球的公共卫生危机中发挥重要作用。
团队最初研发紫外线透明导体是为了提供一种经济的饮水消毒方案，随着新冠疫情爆发，他们意识到这一技术突破也可用于消毒暖通空调系统（HVAC）中的气溶胶，还可用于人口稠密和人员流动频繁的区域，如剧院、体育场和公共交通工具（公共汽车、地铁和飞机）。
他们的发现于6月1日线上发表在《自然》杂志旗下子刊《通讯-物理学》（Physics Communications），题为《SrNbO3作为可见光和紫外线的透明导体》（SrNbO3 as a Transparent Conductor in the Visible and Ultraviolet Spectra）。该文章由罗斯、恩格尔·赫伯特、宾夕法尼亚州立大学的朴尹尚（Yoonsang Park）、阿列克谢·波格雷布尼亚科夫（Alexej Pogrebnyakov）和温卡特拉曼·戈帕兰（Venkatraman Gopalan）、日本东北大学的冈大吉（Daichi Oka），东京大学的广保志（Yasushi Hirose）和长谷川哲哉（Tetsuya Hasegawa）以及明尼苏达大学的阿尔皮塔·保罗（Arpita Paul）和图兰·比罗尔（Turan Birol）共同撰写。这项工作得到了美国国家科学基金会（ National Science Foundation ）的DMREF项目和研究生研究资助金，以及日本科学促进协会（ Japan Society for the Promotion of Science）的KAKENHI项目的支持。
铌酸锶材料性能测试 图源：Nature官网
新应用：航空器紫外线消毒
此次的新冠疫情使航空业大受打击，许多航空公司不得不削减航班、裁撤员工。而长期以来，航空公司和相关政府部门一直不太重视飞机消毒问题。从托盘上的碎屑、玻璃纸和纸巾，到地毯上的垃圾，甚至座椅靠背口袋里的一次性尿布……单是从航空新闻报道和社交媒体上就可以感受到飞机的肮脏程度。实际上，飞机上低温干燥的环境会提高病毒的存活率，一些病毒甚至可以存活一整夜。虽然WHO强调，与感染者接触或坐在其同一排及前后两排的人最有感染风险，但不可否认，飞机本身就是最大的细菌培养皿。
飞机上的各种垃圾 图源：网络
为此，作为紫外线产品创新公司Dimer UVC Innovations的创始人，埃利奥特·克赖滕贝格（Elliot kreitenberg）和父亲阿瑟（Arthur）于2013年发明了一款名为“细菌猎鹰”（GermFalcon）的机器，利用短波紫外线消毒飞机，以预防流感，但这一想法在当时处处碰壁。而今，随着新冠病毒对空运的冲击，他们的机器终于吸引了航空业的眼球。目前，“细菌猎鹰”系统已向美国几个机场的航空公司提供免费服务。
正在运行的“细菌猎鹰” 图源：网络
不同于其他紫外线消毒设备，“细菌猎鹰”消毒系统是专为飞机设计的，十分适用于空间狭小的机舱。主体机身宽度与一辆饮料车相当，可以顺畅地沿着飞机舱内走道滑动，并有一副翼状展臂，可以将紫外线照射到座椅上。系统以高压水银灯为紫外线光源，照射剂量可以简单地通过减缓或加快机器滑行速度来调整，据说可以杀死高达99.9 %的细菌。系统使用100安培的锂铁磷酸电池组，输出功率很高，据称在3分钟内完成一架窄体飞机的消毒工作：用1分钟推进飞机走道，1分钟推出，再用1分钟消毒洗手间和配餐房。
起初，父子俩想把“细菌猎鹰”设计为机器人，但这使得设计难度成倍增加：即使只是简单的前后移动，也需要耐用的传感器和频繁的重新校准；且沉重的电机驱动装置十分耗能。两人大约花了1年的时间开发机器人，最后决定放弃，转而采用屏护操作员的方式驱动机器。
“细菌猎鹰”细节展示 图源：网络
在航空紫外线消毒系统设计中，形状结构、运行时间和输出功率是关键限制因素。需要知道机器可以在多大的过道空间前后移动，而不会撞到座位、扶手、厕所门和头顶行李舱。克赖滕贝格父子曾在飞机上用卷尺测量各种距离，作为机器设计的关键参数。
此外，还需要知道哪些区域的细菌最多，不过这一结论没有使用数学模型计算。事实上，克赖滕贝格父子到加利福尼亚州的莫哈韦飞机坟场买了好几排飞机座椅和头顶行李舱，设置紫外线检测仪，在各处涂抹上细菌后进行培养。因为不同的机型会有不同的配置，实验反复进行了四五次才得到正确的结果。通过在十几架飞机上进行表面擦拭菌检查，他们最终发现座椅靠背顶部的细菌量最多，并据此得出紫外线灯应有的功率和摆放位置，以便在几分钟内完成飞机消毒。
目前，Dimer公司正与各种机构商谈合作，包括美国的航空公司、地面服务供应商和过境管理当局，以及加拿大、欧洲和东南亚的国际航空公司。每台“细菌猎鹰”售价10万美元，按保守估计，一台机器能有5年寿命，摊分到每位乘客的成本也只有10美分。3月中旬，西雅图最新的民用机场Paine Field就聘请了Dimer公司对机场航站楼和三个登机口区域进行消毒，消毒设备名为“紫外线锤”（UV Hammer），工作原理类似于“细菌猎鹰”系统。自疫情爆发以来，Dimer公司不断接到医院订单，到5月中旬已生产100多台医用紫外线消毒机，现以每天10台的速度继续生产。
正在运行的“细菌猎鹰” 图源：网络
此外，Dimer公司还参与了另一项航空航天内部设备自动化的项目：为国际空间站设计一个类似Roomba扫地机器人的紫外线消毒机。因为机器可以非常贴近空间站壁面，所以团队研制的空间站消毒机将用LED紫外线灯替代大功率的高压水银灯。克赖滕贝格表示，如果LED灯能达到所需的照射剂量，过去使用水银灯的各种限制条件（例如电力负荷）将不复存在。
关于紫外线
1.来源：紫外线主要来自太阳，但也有人造紫外线光源，可用于日光浴床和紫外线消毒灯等。
2.分类：紫外线根据波长可分为短波紫外线（UVC）、中波紫外线（UVB）和长波紫外线（UVA）。其中短波紫外线波长为280-200纳米，对人体的危害比另外两种紫外线更大；一般而言，它会被臭氧层过滤掉，无法到达地球表面。
3.杀菌效果：紫外线的杀菌效果受到照射时间、紫外线波长和强度、传播介质、温度、微生物种类等因素的影响。已有的研究表明，紫外线能有效杀灭冠状病毒，例如SARS病毒暴露在短波紫外线下15分钟就会灭活，不再可能复制繁殖。据美国国家科学院（National Academy of Sciences）的说法，虽然没有具体的证据表明紫外线能有效杀灭新冠病毒，但基于对其他同类病毒的研究，紫外线理应可以摧毁新冠病毒的遗传物质。
4.应用领域：人造短波紫外线常用于医院或饮用水消毒，但尚未在运输业和公共场所广泛应用。鉴于中国在此次疫情采用紫外线消毒公交车的经验，不少国家也开始在公共交通领域使用紫外线消毒。今年5月，美国环境保护署（EPA）和疾病预防控制中心（CDC）研究将紫外线用于学校和办公室等场所的大规模消毒，其他政府机构也对此有所关注，如洛杉矶县城市交通管理局正在考虑使用紫外线灯消毒巴士和火车车箱。
太阳辐射与光谱 图源：网络
小结
随着疫情常态化发展，世界各地渐渐重启经济，地铁、公交、学校、办公楼和餐馆等公共场所的消毒需求与日俱增。新发现的远程短波紫外线或许可以将人体伤害降到最低，铌酸锶电极材料可以大大提高LED灯的照射剂量，Dimer公司的航空消毒创新应用则为未来紫外线LED设计提供了很好的参照思路。综合以上新发现与创新设计，未来的LED紫外线消毒灯或能在不干扰经济活动的同时保障公共卫生，从某种意义上来说，它将比医生挽救更多的生命。
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