劉超群，朱倩文，韓秋漪，張善端，

(1.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200438)

引言

新冠病毒最主要的傳播方式是空氣傳播。截?cái)鄠鞑ネ緩降耐ǔＷ龇ㄊ嵌ㄆ谶M(jìn)行大掃除、噴灑消毒液，封閉的空間經(jīng)常保持通風(fēng)。針對人流量很大的公共場所空氣中的病毒，目前缺乏安全有效的方法來及時(shí)滅活。KrCl準(zhǔn)分子燈因?yàn)榱己玫墓馍锇踩?，可以用于公共場所的空氣消毒?/p>

目前UVC紫外殺菌技術(shù)普遍采用輻射254 nm單波長或254/185 nm雙波長的低壓汞燈作為紫外殺菌光源。低壓汞燈的254 nm輻射效率在原子輻射中是最高的，是最重要的殺菌譜線。185 nm的譜線會(huì)被空氣中的氧氣吸收而產(chǎn)生臭氧，也能起到殺菌作用。254 nm輻射會(huì)被脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)吸收，導(dǎo)致DNA和RNA損傷[1, 2]。近期研究表明，遠(yuǎn)紫外光(光譜范圍200～230 nm)能夠殺菌消毒，卻不會(huì)對人的眼睛和皮膚造成傷害[1,3]。

1 KrCl準(zhǔn)分子燈的特性

KrCl準(zhǔn)分子燈輻射出的譜帶很窄(半寬度<3 nm)，大部分輻射能量集中在222 nm，因?yàn)闆]有基態(tài)自吸收，所以燈的功率密度可以做到很大。而傳統(tǒng)使用的紫外光源低壓汞燈因?yàn)榛鶓B(tài)原子對輻射的自吸收問題，所以輻射功率較小。準(zhǔn)分子燈不含汞，對環(huán)境友好。另外，準(zhǔn)分子燈應(yīng)用靈活性非常高，其結(jié)構(gòu)多樣簡單，可以做成體放電的圓柱形或面放電的平板型，尺寸可變，可以滿足多樣的實(shí)際應(yīng)用需求。

2 222 nm遠(yuǎn)紫外殺菌效果

KrCl準(zhǔn)分子燈發(fā)出的222 nm輻射屬于200～230 nm的遠(yuǎn)UVC波段(簡稱遠(yuǎn)紫外)，也具有殺菌效果，如圖1所示。但由于準(zhǔn)分子燈的輻射效率相對較低、而成本很高，因此一直以來并未能得到消殺市場的接受。

圖1 不同微生物的紫外作用光譜或DNA吸收譜[4]Fig.1 UV action spectrum or DNA absorbance of different microorganisms

美國哥倫比亞大學(xué)在2017年發(fā)表的文章中證實(shí)KrCl準(zhǔn)分子燈的222 nm具有良好的殺菌效果，且對于皮膚幾乎沒有傷害[5]。這隨即使KrCl準(zhǔn)分子在殺菌領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)[6-12]。

表1列舉了不同課題組采用KrCl準(zhǔn)分子燈進(jìn)行的殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看到，222 nm確實(shí)能夠通過破壞DNA殺滅細(xì)菌、真菌和病毒。其中，日本弘前大學(xué)的Kitagawa等[13]采用5 min持續(xù)照射方式和不同輻照度的間歇照射方式，對受到新冠病毒(SARS-CoV-2)污染的表面進(jìn)行滅活實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，相同輻照度下，持續(xù)照射模式和間歇照射模式下的病毒滅活曲線沒有明顯區(qū)別；相同輻射劑量下，不同輻照度對滅活曲線沒有明顯影響。在輻射劑量為3 mJ/cm2時(shí)，滅活即可達(dá)到3-log；劑量15 mJ/cm2可以實(shí)現(xiàn)4-log以上的滅活效果。

表1 222 nm輻射的殺菌效果

此外，日本弘前大學(xué)還采用KrCl準(zhǔn)分子燈和低壓汞燈對一系列細(xì)菌、病毒和真菌進(jìn)行了滅活實(shí)驗(yàn)[14]。實(shí)驗(yàn)涉及的微生物種類、劑量以及殺菌效果如表2所示。該研究結(jié)果表明，222 nm殺滅細(xì)菌營養(yǎng)細(xì)胞、酵母和病毒的效果與254 nm相當(dāng)，殺滅細(xì)菌孢子的效果更佳，但是對真菌孢子和菌絲的滅活效果不如254 nm。

表2 KrCl準(zhǔn)分子燈(222 nm)和低壓汞燈(254 nm)對不同微生物的殺菌效果[14]

3 222 nm遠(yuǎn)紫外的生物安全性

遠(yuǎn)紫外輻射不僅具備殺菌效果，而且基本上不會(huì)對皮膚和眼睛造成傷害[5,9,15-21]。哥倫比亞大學(xué)的Buonanno等采用帶低通濾光片的KrBr準(zhǔn)分子燈，研究耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)滅活率與UV劑量關(guān)系，并測量了3D人體皮膚模型內(nèi)的DNA損傷[22]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于低壓汞燈的254 nm輻射，207 nm遠(yuǎn)紫外輻射不僅能夠有效滅活MRSA細(xì)胞，而且對人體正常的成纖維細(xì)胞沒有引起明顯的毒性或致變形。分別用254 nm和207 nm輻射對無毛小鼠進(jìn)行157 mJ/cm2劑量照射，并于輻照48 h后評估其皮膚傷害終點(diǎn)，證實(shí)在相同劑量下，254 nm會(huì)對被照皮膚產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而207 nm輻照下的皮膚幾乎沒有什么變化[16]。隨后采用輻射效率更高的KrCl準(zhǔn)分子燈重復(fù)了上述兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了222 nm輻射同樣兼具可靠的殺菌效果和良好的生物安全性[5]。更進(jìn)一步地，在小鼠表皮灑落MRSA細(xì)菌后分別用254 nm和222 nm輻照，然后制造淺切傷口并迅速縫合，在第2天和第7天進(jìn)行后續(xù)處理并測量MRSA菌落數(shù)、表皮厚度和DNA光損傷情況。該研究表明，222 nm輻射可以有效防止耐藥菌的傳播，避免傷口感染。

日本牛尾(USHIO)公司也聯(lián)合弘前大學(xué)、島根大學(xué)、神戶大學(xué)等進(jìn)行了大量222 nm輻射安全性實(shí)驗(yàn)研究，包括對小鼠的皮膚和眼睛角膜進(jìn)行了輻射損傷研究[17-20]，同樣證實(shí)了遠(yuǎn)紫外輻射在殺菌應(yīng)用領(lǐng)域的生物安全性。

222 nm對皮膚和眼睛的傷害非常小，主要的原因是由于其波長較短，更容易被蛋白質(zhì)等吸收，如圖2所示。紫外輻射照在皮膚上時(shí)，254 nm能夠穿透角質(zhì)層，引起真皮細(xì)胞的損傷；而222 nm則完全被角質(zhì)層吸收，如圖3所示。同樣地，紫外輻射照到眼睛時(shí)，254 nm能夠穿透角膜，而222 nm完全被淚液層和角膜吸收。因此，222 nm遠(yuǎn)紫外輻射相比普通的254 nm輻射更加安全。

圖2 8種常見蛋白的平均紫外吸收系數(shù)曲線[15]Fig.2 Average UV absorption coefficient curve of eight common proteins

圖3 222 nm和254 nm紫外輻射的穿透能力對比[22]Fig.3 Comparison of penetration ability of 222 nm and 254 nm ultraviolet radiation

最近，神戶大學(xué)的Fukui等對20名志愿者進(jìn)行了222 nm輻照人體實(shí)驗(yàn)[23]。采用50～500 mJ/cm2的輻射劑量照射被試者的背部皮膚，評估其皮膚紅斑情況，檢測環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPD)來評價(jià)DNA損傷情況，并用皮膚拭子采集背部的細(xì)菌以評價(jià)輻射殺菌效果。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該劑量范圍照射下所有被試者都沒有出現(xiàn)皮膚紅斑，且222 nm可以有效滅菌。相比于未受到輻照的區(qū)域，皮膚上被500 mJ/cm2劑量照射區(qū)域明顯產(chǎn)生了CPD，但總體數(shù)值還是很小的。

4 濾光片對KrCl準(zhǔn)分子燈的生物安全性影響

222 nm具有良好的安全性，但是KrCl準(zhǔn)分子燈發(fā)射的光譜除了峰值波長為222 nm的主波長外，還包括兩個(gè)波長較長、強(qiáng)度非常小的次峰。根據(jù)圖4所示的光化學(xué)紫外傷害作用曲線可以看到，222 nm的作用系數(shù)遠(yuǎn)小于254 nm的，因此222 nm對皮膚和眼睛的傷害更小。而KrCl準(zhǔn)分子燈的次峰盡管強(qiáng)度很低，但對應(yīng)的作用系數(shù)較大，還是會(huì)對眼睛和皮膚產(chǎn)生影響。因此KrCl準(zhǔn)分子燈用作人機(jī)共存的殺菌光源時(shí)，必須采用濾光片來濾除長波紫外輻射。本文探討濾光片對KrCl準(zhǔn)分子燈的生物安全性影響。

圖4 皮膚和人眼的光化學(xué)紫外傷害作用光譜[24]Fig.4 Photochemical UV hazard action spectrum of skin and human eyes

用KrCl準(zhǔn)分子燈(廣明源，120 W)作為樣品來進(jìn)行測試評估。該燈總長45 cm，放電長度37 cm，放電氣隙10.5 mm，充氣壓200 mbar。工作狀態(tài)下系統(tǒng)功率為146.7 W，燈功率為119.4 W。

采用光纖光譜儀(HR4000 CG-UV-NIR)測得的相對輻射光譜為SR(λ)，用紫外功率計(jì)(Hamamatsu C8026/ H8025-222M)在距離燈1 m處測得的輻照度Edet為49.3 μW/cm2，則該距離處的絕對輻射光譜可以表示為

SA(λ)=k·SR(λ)

(1)

其中

(2)

為定標(biāo)系數(shù)，R(λ)為功率計(jì)探頭的光譜響應(yīng)曲線。由此計(jì)算得到的準(zhǔn)分子燈在1 m處的絕對輻射光譜如圖5中大圖所示。

圖5 增加濾光片前(大圖)和后(小圖)的KrCl準(zhǔn)分子燈光譜Fig.5 Spectrum change of KrCl excilamp before and after adding filter

在KrCl準(zhǔn)分子燈前增加一片低通濾光片1#，其測得的光譜透過率τ(λ)如圖6所示。則通過濾光片后的輻射光譜SF(λ)如圖5中小圖所示。

圖6 低通濾光片1#的光譜透過率Fig.6 Spectral transmittance of low pass filter 1 #

SF(λ)=τ(λ)·SR_222(λ)

(3)

根據(jù)《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》(IEC 62471—2006)要求，KrCl準(zhǔn)分子的使用劑量必須低于最大有效曝輻限值30 J/m2，即

(4)

其中Es為等效輻照度(W·m-2)，E(λ,t)為光譜輻照度(W·m-2·nm-1)，SUV(λ)為圖7所示的皮膚和眼睛的紫外傷害權(quán)重函數(shù)，Δλ為波長寬度(nm)，t為曝輻時(shí)間(s)。圖7的縱軸為線性坐標(biāo)，與縱軸為對數(shù)坐標(biāo)的圖4相同。

圖7 紫外傷害權(quán)重函數(shù)[24]Fig.7 UV hazard weight function

由此可以得到

(5)

則最大允許曝輻時(shí)間為

(6)

定義紫外傷害系數(shù)為

(7)

帶濾光片和無濾光片的KrCl準(zhǔn)分子燈的相關(guān)參數(shù)如表3所示?？梢钥吹?，采用了濾光片1#后KrCl準(zhǔn)分子的輻照度降低了50%，但是210～230 nm的低風(fēng)險(xiǎn)波段輻射比例增加，紫外傷害系數(shù)減少。在相同距離處，帶濾光片1#的準(zhǔn)分子燈的最大允許曝輻時(shí)間是無濾光片的2.5倍。由此可見，濾光片可以有效提高KrCl準(zhǔn)分子燈的生物安全性。

在距離被測燈1 m處，帶濾光片的KrCl準(zhǔn)分子燈的最大允許曝輻時(shí)間達(dá)到了1 005.9 s。換言之，該條件下人體被照射15 min內(nèi)不會(huì)對眼睛和皮膚產(chǎn)生危害。這就為準(zhǔn)分子燈在“殺菌門”等快速通道的殺菌應(yīng)用提供了可能性。而在燈具固定的人機(jī)共存應(yīng)用場合，燈具與人體的距離至少在2 m以上，輻照度更低，則安全使用的允許曝輻時(shí)間更長。

此外，由于KrCl準(zhǔn)分子燈的輻射波長窄，輻射能量比較集中，因此選擇了幾種不同類型的濾光片，對比計(jì)算了濾光后的效果。用氘燈作為光源，測得的濾光片的光譜透過率曲線如圖8所示。

圖8 不同類型濾光片的光譜透過率Fig.8 Spectral transmittance of different types of filters

濾光片2#在235～265 nm有相對較好的截止效果，265 nm以后透過率較高，但由于該波段KrCl準(zhǔn)分子燈基本無輻射，因此影響不大。從表3可以看到，濾光片2#和濾光片1#的紫外加權(quán)輻射比例相差不大，紫外傷害系數(shù)也基本一致。2#濾光片的最大曝輻時(shí)間為1#濾光片的75%，主要是由于該濾光片透過率較高，經(jīng)過2#濾光片后燈的輻射功率較大。

表3 帶濾光片和無濾光片的KrCl準(zhǔn)分子燈的輻射特性和光生物安全參數(shù)

濾光片3#在230～250 nm仍然有較高的透過率，因此對應(yīng)的230～280 nm紫外加強(qiáng)輻射比例較高，紫外傷害系數(shù)也較大。盡管相同準(zhǔn)分子燈透過3#的輻射功率比透過2#的要小，但是3#的最大曝輻時(shí)間比2#的要略小。

由此可見，濾光片的選擇對于KrCl準(zhǔn)分子燈的應(yīng)用還是有著重要的影響，關(guān)鍵在于對230～280 nm范圍內(nèi)的輻射的濾除效果。綜合過濾效果和成本，2#濾光片可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

5 結(jié)論

KrCl準(zhǔn)分子燈產(chǎn)生的222 nm遠(yuǎn)紫外輻射，在殺滅細(xì)菌、病毒等微生物的同時(shí)，具有良好的生物安全性，幾乎不會(huì)造成皮膚和眼睛的傷害。眾多研究報(bào)告已經(jīng)證實(shí)了遠(yuǎn)紫外殺菌應(yīng)用的可靠性和安全性。新冠病毒繼續(xù)在全球的肆虐，且極可能與人類長期共存，KrCl準(zhǔn)分體燈提供了人機(jī)共存的殺菌應(yīng)用可能，為全球公共衛(wèi)生防疫系統(tǒng)提供了新的技術(shù)手段。

對帶濾光片和無濾光片的KrCl準(zhǔn)分子燈的分段光譜進(jìn)行分析，計(jì)算其對應(yīng)的紫外傷害系數(shù)，并根據(jù)IEC 62471—2006標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了對應(yīng)的最大允許曝輻時(shí)間。結(jié)果表明，選擇合適的濾光片可以有效提高KrCl準(zhǔn)分子燈的光生物安全性，更有利于KrCl準(zhǔn)分子燈在公共場所殺菌應(yīng)用的推廣。