代彩紅，王彥飛，吳志峰，李 玲，賀書芳

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029)

引言

《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第六版)》中指出，新型冠狀病毒對(duì)紫外線和熱敏感，56 ℃ 30 min、乙醚、75% 乙醇、含氯消毒劑、過(guò)氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可有效滅活病毒[1]。冠狀病毒種類繁多，不同種類冠狀病毒的致病力和臨床表現(xiàn)也不盡相同。新型冠狀病毒COVID-19是目前已知的可感染人的第7種冠狀病毒，通過(guò)核酸(RNA)進(jìn)行復(fù)制。紫外殺菌消毒的過(guò)程主要作用于病毒的RNA，破壞病毒的蛋白質(zhì)層，進(jìn)而影響其存活及復(fù)制能力。相對(duì)于高溫、藥液消毒方式，紫外輻射具有高效、廣譜、徹底、無(wú)抗藥和無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，適合對(duì)室內(nèi)空氣、物體表面和水及其他液體進(jìn)行消毒，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、餐廳、防疫隔離觀察區(qū)、家庭等人員聚集場(chǎng)。缺點(diǎn)是當(dāng)紫外輻射劑量(輻射能量/曝輻射量，是輻射照度和照射時(shí)間的乘積)不足時(shí)不能有效殺滅病原體，導(dǎo)致消毒無(wú)效，不當(dāng)使用還會(huì)對(duì)眼睛和皮膚造成傷害。另外紫外輻射只能作用于物體表面，不能對(duì)物體內(nèi)部進(jìn)行消毒。

可殺滅病毒的紫外輻射劑量與以下因素有關(guān)：紫外輻射照度、照射時(shí)間、溫度和濕度等環(huán)境條件、病毒與體外的附著體及紫外輻射穿透性。本文介紹紫外輻射的波長(zhǎng)劃分、紫外消毒的原理、紫外輻射劑量、紫外消毒燈和紫外輻射照度計(jì)的使用方法、紫外輻射照度的準(zhǔn)確測(cè)量與溯源。正確使用紫外消毒燈和紫外輻射照度計(jì)，合理控制紫外輻射劑量尤其重要，是確保有效滅活冠狀病毒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 紫外輻射的波長(zhǎng)劃分與消毒原理

紫外輻射(ultraviolet，UV)是指波長(zhǎng)在100～400 nm的光輻射，其中波長(zhǎng)范圍在315～400 nm的紫外輻射稱為UVA、波長(zhǎng)范圍在280～315 nm的紫外輻射稱為UVB、波長(zhǎng)范圍在100～280 nm的紫外輻射稱為UVC。不同波長(zhǎng)的紫外輻射用途不同，用于消毒的是UVC波段的紫外輻射。由于100～200 nm的紫外輻射屬于真空紫外范疇，在空氣中不能傳播，因此我們常定義空氣中UVC的波長(zhǎng)范圍為200～280 nm。

研究表明，UVC紫外輻射作用于微生物(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體)，破壞微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子結(jié)構(gòu)，引起DNA鏈斷裂、核酸和蛋白的交聯(lián)破裂，造成生長(zhǎng)性細(xì)胞死亡和再生性細(xì)胞死亡，從而達(dá)到消毒殺菌的目的[2]。

UVC紫外輻射屬于廣譜殺菌類，能殺死一切微生物，包括細(xì)菌、結(jié)核病、病毒、芽孢和真菌。紫外輻射對(duì)病毒的殺滅作用已得到驗(yàn)證，不同的消殺對(duì)象需要的紫外輻射劑量并不相同。

2 紫外消毒的劑量

紫外消毒的效果與病毒類型、消殺環(huán)境(水體或空氣、溫濕度、流量和體積等)以及輻射劑量(能量)等有關(guān)。其中輻射劑量是輻射照度與照射時(shí)間的乘積。

截至2020年2月底，還未檢索到有關(guān)新型冠狀病毒COVID-19的紫外致死劑量的表述或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)。關(guān)于SARS病毒的紫外輻射劑量研究成果如下：2004年Darnell等[2]將UVC光源放置在距離培養(yǎng)液3 cm處，輻射照度為4016 μW/cm2，照射6 min可高效殺滅SARS-CoV病毒，病毒滅活與照射時(shí)間的關(guān)系見圖1。照射6 min后病毒減少400倍，殺滅率99.99%以上。再持續(xù)照射4 min，病毒滅活的數(shù)量沒(méi)有明顯增加。15 min照射時(shí)間已達(dá)到病毒滅活的檢測(cè)限。從圖1可以看到，殺滅率LOG值與累積照射能量(劑量)呈正相關(guān)關(guān)系，并且在LOG低于4前呈線性關(guān)系。在105.8 /mL病毒濃度下，99.99%殺滅率所需紫外輻射劑量為1446 mJ/cm2。針對(duì)UVA光源的滅菌作用，Darnell等[2]采用輻射照度為4016 μW/cm2，持續(xù)照射15 min，發(fā)現(xiàn)UVA輻射雖然可以結(jié)合光觸媒產(chǎn)生活性氧而破壞病毒的RNA鏈，但對(duì)滅活SARS-CoV病毒幾乎沒(méi)有效果。2003年董小平團(tuán)隊(duì)的研究[3]指出，在距離UVC紫外燈80 cm處、輻射照度大于90 μW/cm2，60 min照射可有效殺滅病毒，對(duì)應(yīng)總的紫外照射劑量為324 mJ/cm2。

圖1 UVC和UVA紫外線照射SARS-CoV冠狀病毒存活量與照射時(shí)間關(guān)系[2]Fig.1 Effect of UVC and UVA radiation on the infectivity of SARS-CoV

關(guān)于有效滅活SARS-CoV所需的UVC輻射劑量，文獻(xiàn)[2，3]中得出了不同的結(jié)果。采用不同的輻射照度(4016 μW/cm2，90 μW/cm2)，照射不同的時(shí)間(6 min，60 min)，對(duì)應(yīng)的UVC輻射劑量分別為1446 mJ/cm2和324 mJ/cm2，差異4.5倍。

可見，對(duì)于不同的紫外輻照水平，UVC消毒所需的紫外輻射劑量存在較大差異。紫外輻射劑量與紫外輻射照度水平密切相關(guān)。因此UVC滅菌效果不僅需考慮紫外輻射劑量，還應(yīng)關(guān)注紫外輻射照度的強(qiáng)弱。對(duì)紫外輻射照度和紫外輻射劑量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量是紫外消毒的重要前提。建議盡快開展紫外輻射照度水平與新型冠狀病毒COVID-19紫外消毒效果的定量化研究。

3 紫外消毒(殺菌)燈及其使用方法

紫外消毒燈是實(shí)現(xiàn)紫外消毒的重要器具。根據(jù)GB/T 19258—2012《紫外線殺菌燈》[4]的定義，紫外殺菌(消毒)燈是一種采用石英玻璃或其他透紫玻璃的低氣壓汞蒸氣放電燈，放電產(chǎn)生以峰值波長(zhǎng)253.7 nm為主的紫外輻射。COVID-19沒(méi)有細(xì)胞核，其一旦進(jìn)入人體，就會(huì)劫持我們健康的細(xì)胞以獲得復(fù)制病毒的能力，而紫外輻射可以有效破壞其分子結(jié)構(gòu)，阻止其復(fù)制并達(dá)到最終滅殺的效果。另外UVC LED也是消毒領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，目前已有一些產(chǎn)品應(yīng)用于自來(lái)水凈化處理中。

常用的紫外消毒燈有兩種，一種是無(wú)臭氧型，一種是臭氧型。無(wú)臭氧型消毒燈主要發(fā)出253.7 nm紫外線，通過(guò)輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死。臭氧型消毒燈不僅能透過(guò)常用的253.7 nm波長(zhǎng)的紫外線，還能透過(guò)更短的波長(zhǎng)185 nm?？諝庵械难鯕夥肿游?85 nm波長(zhǎng)的紫外線后會(huì)產(chǎn)生臭氧，臭氧具有強(qiáng)氧化作用，能夠有效殺滅病毒。臭氧的彌散性恰好可以彌補(bǔ)由于紫外輻射只沿直線傳播、消毒有死角的缺點(diǎn)。但是臭氧對(duì)人的呼吸系統(tǒng)有較強(qiáng)刺激。紫外消毒的效果與UVC紫外燈的輻照強(qiáng)弱和照射時(shí)間有關(guān)。在一定距離下紫外燈的輻射照度是非常重要的一個(gè)參數(shù)，直接決定消毒的有效性。

使用紫外消毒燈時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1)對(duì)皮膚和眼睛做好有效防護(hù)。紫外殺菌燈管開啟時(shí)，建議人員離開現(xiàn)場(chǎng)。UVC波段的紫外輻射對(duì)人的皮膚和眼睛有較大的傷害，可引起皮膚紅腫、誘發(fā)皮膚腫瘤、引起視網(wǎng)膜、角膜灼傷等。注意不用肉眼直視發(fā)亮的燈管，避免灼傷。

2)紫外消毒燈在電壓220V、相對(duì)濕度為60%、溫度為20 ℃時(shí)，輻射253.7 nm波長(zhǎng)的紫外輻射照度應(yīng)不低于70 μW/cm2。定期監(jiān)測(cè)紫外燈的輻射照度，當(dāng)輻射照度低于要求值以下時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換燈管[5]。

3)應(yīng)保持紫外消毒燈表面的清潔，每周用酒精布巾擦拭一次，發(fā)現(xiàn)燈管表面有灰塵、油污時(shí)，應(yīng)及時(shí)擦拭。

4)室內(nèi)空氣消毒：采用懸吊式或移動(dòng)式直接照射消毒，殺滅可能附著于空氣懸濁物和物體表面的病原體。在選購(gòu)紫外消毒燈時(shí)，應(yīng)根據(jù)燈的功率和空間面積計(jì)算所需的燈管數(shù)量。依據(jù)WS/T 367—2012《醫(yī)療機(jī)構(gòu)消毒技術(shù)規(guī)范》[5]，紫外消毒燈燈管吊裝高度距地面1.8～2.2 m，安裝紫外線消毒燈的數(shù)量為平均≥1.5 W/m3，照射時(shí)間≥30 min。即每立方米空間需要功率為1.5 W的紫外消毒燈，空間內(nèi)需要燈管數(shù)量為：房屋面積×房屋高度×1.5÷30(按購(gòu)買的功率為30 W的燈管計(jì)算)，結(jié)果按四舍五入處理。室內(nèi)應(yīng)保持清潔干燥，減少塵埃和水霧，當(dāng)溫度低于20 ℃或高于40 ℃，相對(duì)濕度大于60%時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)照射時(shí)間。

5)物品表面消毒：紫外消毒燈只能消毒物品的表面，不能作用于物體內(nèi)部，可將物品攤開或掛起擴(kuò)大照射面，使物品表面充分暴露于紫外輻射，不應(yīng)有遮擋。應(yīng)確保被照射面的紫外輻射劑量達(dá)標(biāo)。滅活不同種類病毒所需紫外輻射劑量不同，為確保紫外輻射劑量達(dá)標(biāo)，應(yīng)使用經(jīng)計(jì)量部門校準(zhǔn)后的紫外輻射照度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紫外燈的輻射照度輸出。不建議將紫外消毒燈送到計(jì)量部門檢測(cè)，因?yàn)樽贤鉄舻妮椛湔斩扰c使用距離有關(guān)，其輻射輸出還會(huì)隨使用時(shí)間而衰減，無(wú)法實(shí)時(shí)獲得消毒面的紫外輻射照度值。

6)在采用紫外消毒燈殺滅被有機(jī)物保護(hù)的微生物及空氣中的懸浮粒子較多時(shí)，應(yīng)加大輻射劑量。

7)隨著紫外消毒燈使用時(shí)間的增加，它的輸出紫外輻射照度會(huì)持續(xù)下降。為確保理想的消毒效果，需定期監(jiān)測(cè)紫外燈的輻射照度輸出。紫外輻射照度計(jì)是用來(lái)定量測(cè)量紫外輻射照度的儀器，經(jīng)過(guò)有效溯源，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)紫外燈的輻射照度。

8)消毒結(jié)束后需開窗通風(fēng)30 min。使用臭氧型紫外燈應(yīng)注意防護(hù)。超標(biāo)的臭氧強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛，引發(fā)支氣管炎等呼吸病，還可以造成神經(jīng)中毒，頭暈頭痛，視力下降、記憶力衰退。破壞人體的免疫機(jī)能，誘發(fā)淋巴細(xì)胞染色體病變。

9)注意有些材料如塑料、橡膠制品不適合紫外消毒，在紫外輻照下易發(fā)生老化。

4 紫外輻射照度計(jì)及其使用方法

一般采用紫外輻射照度計(jì)監(jiān)測(cè)紫外消毒燈的輻射照度，這是確保消殺效果的有效手段。紫外輻射照度計(jì)主要由探測(cè)器、放大電路和顯示儀表組成。其中探測(cè)器一般由光電探測(cè)器件、濾光器(帶通玻璃或干涉濾光器)和漫射器組成。圖2是紫外輻射照度計(jì)探測(cè)器的通用組成結(jié)構(gòu)示意圖[6]。

圖2 紫外探測(cè)器的通用組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustration of general structure of UV detectors

正確選擇和使用紫外輻射照度計(jì)進(jìn)行測(cè)量非常重要，否則會(huì)產(chǎn)生不同程度的測(cè)量誤差，導(dǎo)致消毒無(wú)效。使用紫外輻射照度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)建議佩戴防護(hù)眼鏡、防護(hù)手套和防護(hù)服，避免紫外輻射直接照射到皮膚和眼睛，造成不必要的傷害。

1)波長(zhǎng)范圍的選擇。按照波段對(duì)紫外輻射照度計(jì)進(jìn)行劃分，一般分為UV-A紫外輻射照度計(jì)、UV-B紫外輻射照度計(jì)、UV-C紫外輻射照度計(jì)。用于殺菌消毒目的應(yīng)選擇UVC波段的紫外輻射照度計(jì)。根據(jù)JJG 879—2015 《紫外輻射照度計(jì)檢定規(guī)程》[6]，目前市面上的商業(yè)紫外輻射照度計(jì)主要由窄波段和寬波段兩種。寬波段UV-C：200～280 nm峰值波長(zhǎng)λp=254 nm±5 nm。窄波段UV-254：峰值波長(zhǎng)λp=254 nm±2 nm，峰值半高寬度Δλ≤10 nm。經(jīng)過(guò)計(jì)量部門檢定校準(zhǔn)，這兩種儀器都可以用于監(jiān)測(cè)殺菌燈的紫外輻射輸出。

2)定期校準(zhǔn)。應(yīng)依據(jù)JJG 879—2015 《紫外輻射照度計(jì)檢定規(guī)程》進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。受限于當(dāng)前濾光片、探測(cè)器等光學(xué)元器件的制作工藝水平，紫外輻射照度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性普遍性能不佳。受使用環(huán)境、使用頻率、強(qiáng)光老化、溫濕度、使用和保存方法等因素的影響，儀器的量值很容易發(fā)生漂移，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)產(chǎn)生誤差。

為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，需要將儀器定期送到計(jì)量部門進(jìn)行校準(zhǔn)。一般性應(yīng)用建議校準(zhǔn)周期為一年，特殊或高準(zhǔn)確度應(yīng)用建議適當(dāng)縮短校準(zhǔn)間隔。使用時(shí)應(yīng)仔細(xì)閱讀計(jì)量部門出具的校準(zhǔn)證書，根據(jù)儀器的示值誤差或修正因子對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

3)正確測(cè)量方法。測(cè)量時(shí)，在被消毒物體表面處放置探測(cè)器，使探測(cè)器的接收面與物體表面平齊。在消毒面上均勻地選擇幾點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，確保每個(gè)點(diǎn)的輻射照度均達(dá)標(biāo)。探測(cè)器距離燈管太近測(cè)量容易導(dǎo)致數(shù)值偏低，這是因?yàn)樘綔y(cè)器具有一定的余弦誤差，對(duì)于來(lái)自燈管兩端的大角度輻射不能很好地接收。近距離準(zhǔn)確測(cè)量需要設(shè)計(jì)特殊的余弦性能好的探測(cè)器或進(jìn)行數(shù)學(xué)修正。

4)保持探測(cè)器表面清潔。使用時(shí)建議佩戴干凈柔軟的手套，保護(hù)探測(cè)器的表面，避免手上的油污污染探測(cè)器的接收面，影響探測(cè)器的輻射照度響應(yīng)度，造成測(cè)量結(jié)果的偏差。不用時(shí)應(yīng)蓋上保護(hù)蓋，防止灰塵污染。

5)強(qiáng)紫外輻照易導(dǎo)致探測(cè)器老化。探測(cè)器的組成材料如漫射器、濾光片和探測(cè)元器件在強(qiáng)紫外光源的長(zhǎng)期輻照下，很容易發(fā)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致靈敏度降低，影響儀器的量值穩(wěn)定性。因此應(yīng)避免探測(cè)器長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)紫外輻照下，不測(cè)量時(shí)阻斷光照。在強(qiáng)紫外輻照下工作的紫外輻射照度計(jì)應(yīng)縮短定標(biāo)間隔。

6)儀器的存放。探測(cè)器是紫外輻射照度計(jì)的核心光學(xué)器件，其穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量非常關(guān)鍵。應(yīng)注意探測(cè)器的保存，不用時(shí)應(yīng)放置在干燥器皿或恒溫的干燥箱中，避免潮濕的環(huán)境對(duì)濾光片的影響。

目前窄帶紫外輻射照度計(jì)使用的是UVC干涉濾光片，干涉濾光片受環(huán)境溫度和濕度的影響較大，峰值波長(zhǎng)發(fā)生漂移，這也是儀器量值發(fā)生較大改變的主要原因。

寬帶濾光片受濕度影響較大，在潮濕的環(huán)境中很容易發(fā)霉，造成量值的較大漂移。在2004年APMP組織的“探測(cè)器照度響應(yīng)度”國(guó)際比對(duì)中，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有考慮濕度的影響，在長(zhǎng)達(dá)兩年的測(cè)量和運(yùn)輸中，UVA濾光片出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)霉現(xiàn)象，后期進(jìn)行了額外的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。

5 紫外輻射照度量值溯源和國(guó)際比對(duì)

紫外輻射照度計(jì)應(yīng)定期到計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值溯源，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。國(guó)內(nèi)紫外輻射照度、能量量值均溯源至我國(guó)的紫外輻射照度工作基準(zhǔn)裝置，其量值通過(guò)光譜比較測(cè)量法最終溯源至紫外波段的光譜輻射照度國(guó)家基準(zhǔn)裝置。

我國(guó)的光譜輻射照度國(guó)家基準(zhǔn)定期參加國(guó)際計(jì)量局BIPM組織的關(guān)鍵性量值比對(duì)和亞太計(jì)量組織APMP組織的區(qū)域性比對(duì)，確保量值的國(guó)際等效性。1990年、2004年、2018年，NIM分別代表我國(guó)參加了BIPM組織的光譜輻射照度國(guó)際關(guān)鍵性比對(duì)[7-10]，2015年NIM組織了與俄羅斯光學(xué)與物理研究院VNIIOFI的光譜輻射照度雙邊比對(duì)[11]。在250～400 nm紫外波段，NIM量值與國(guó)際參考值之間的平均相對(duì)偏差為0.28%，在UVC波段與國(guó)際參考值的相對(duì)偏差為0.62%。2005年NIM參加了國(guó)際上首次與紫外輻射照度相關(guān)的“UVA探測(cè)器的照度響應(yīng)度國(guó)際比對(duì)APMP-PR.S1”[12]。比對(duì)結(jié)果表明，我國(guó)的UVA和UV365波段紫外輻射照度量值與國(guó)際參考值的相對(duì)偏差分別為-0.57%和-0.53%，與國(guó)際參考值最為接近。

紫外波段的光譜輻射照度和紫外輻射照度國(guó)際比對(duì)保障了我國(guó)紫外輻射照度量值的國(guó)際等效性。通過(guò)紫外輻射照度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和完善的量傳體系，確保國(guó)內(nèi)量值的準(zhǔn)確一致。

6 結(jié)論

紫外消毒燈可有效滅活新型冠狀病毒，紫外消毒的效果由病毒接受到的UVC紫外輻射照度和照射時(shí)間決定。其中紫外輻射照度的準(zhǔn)確測(cè)量是有效滅活病毒的關(guān)鍵。本文介紹了紫外消毒燈、紫外輻射照度計(jì)的使用方法，以及紫外消毒中的紫外輻射照度的計(jì)量與溯源。紫外輻射照度計(jì)量為紫外消毒殺菌應(yīng)用提供準(zhǔn)確可靠的量值溯源標(biāo)準(zhǔn)，為防控疫情提供計(jì)量支撐。

研究表明：對(duì)于不同的紫外輻照水平，UVC消毒所需的紫外輻射劑量存在較大差異。因此紫外消毒時(shí)不能只考慮紫外輻射劑量這一綜合參數(shù)，還應(yīng)關(guān)注紫外輻射照度的強(qiáng)弱。針對(duì)新型冠狀病毒COVID-19，建議盡快開展不同紫外輻射照度水平對(duì)滅活病毒效果的定量研究。