科普| 除了UV,還有這些神奇的電磁波殺菌

2020-11-24 LEDinside

2020-02-18 13:02:16 [編輯：Andygui]

近日，新型冠狀病毒肺炎肆虐華夏，嚴重影響了我們的日常生活，對國民生產的各個方面都造成了很大的衝擊。就目前情況看，新增確診和疑似病例數量仍呈現上升趨勢，全國多地進入一級響應。

在新型冠狀病毒肺炎的防控方面，各方面專家都給了很多的意見，國家衛健委公布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》明確指出，新型冠狀病毒對紫外線和熱敏感，紫外線是電磁波譜中波長介於100-400nm之間的輻射，紫外線殺菌已經為廣大讀者所熟知。

以下將盤點整個電磁波譜中具備殺菌作用的各波段輻射的殺菌原理及應用方向，為全民防控新型冠狀病毒肺炎提供參考。

圖1 電磁波譜

電磁波譜中按波長從短到長的順序依次是γ伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等，另外，比伽馬射線更短波長的還有宇宙射線。整個電磁波譜中有多個波段具備殺菌作用，其中有部分方法已經廣泛應用於各種生產生活中。

γ伽馬射線

γ伽馬射線，又稱γ粒子流 ，是原子核能級躍遷退激時釋放出的射線，是波長短於10-12米的電磁波。

γ伽馬射線的殺菌原理有兩方面：一是直接作用，即γ伽馬射線直接破壞微生物的DNA、蛋白質和酶而致死；二是間接作用，γ伽馬射線被微生物中的水吸收而激發或電離，產生激發的水分子（H2O）、電子（e-）、水離子（H20+）、或裂解為氫自由基（H+）、羥自由基（OH-），由此產生一系列與DNA、蛋白質、酶的氧化還原反應，致微生物死亡[1]。

圖2  γ伽馬射線

γ伽馬射線的輻射源通常為放射線同位素鈷60（60Co）或同位素銫137（137Cs），通常用於對中成藥進行滅菌處理，也有食品滅菌等應用，具有穿透力強，操作簡便，速度快，可在常溫下滅菌，輻射劑量適當，不會破壞藥品的有效成分，亦不會對人產生傷害，且有滅菌後較長時間控制細菌的再增殖等優點。

在中成藥滅菌應用中，採用不同的輻射劑量，通常可獲得超過80%甚至達到100%的滅菌效果[2]。在食品滅菌應用上，可以在不破壞商品包裝和保護食品原有性狀的條件下，殺滅產品中的致病菌和寄生蟲，消除在產品生產和製備過程中可能出現的交叉汙染問題，且輻照處理是「冷加工」，在常溫下進行，對產品不造成影響。

紫外線

紫外線是電磁波中波長介於100-400nm之間的輻射總稱，其中包含200-280nm的深紫外線（UVC）、280-315nm的中紫外線（UVB）和315-400nm的近紫外線（UVA），另外，100-200nm的波段稱作真空紫外線。

圖3 紫外線光譜

紫外線的殺菌原理有兩方面，一是直接作用，即破壞細菌、病毒的DNA等遺傳物質，改變細胞的遺傳轉錄特性，使生物體喪失蛋白質的合成和複製繁殖能力，如圖4所示。

圖4 紫外線殺菌原理

微生物細胞核中的DNA的紫外線吸收和光化學敏感性範圍重合，為240-280nm，吸收峰在265nm左右[3]。通常認為，DNA的紫外線吸收峰在265nm左右，所以265nm左右的紫外線具有最高的殺菌效率，如圖5所示。

圖5 DNA紫外線吸收曲線

二是間接作用，即一定波長的紫外線（通常採用UVA波段）照射納米TiO2等光催化劑（光觸媒），發生類似光合作用的光催化反應，產生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧，具有很強的光氧化還原功能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，能破壞細菌的細胞膜和固化病毒的蛋白質，可殺滅細菌和分解有機汙染物，把有機汙染物分解成無汙染的水（H2O）和二氧化碳（CO2），因而具有極強的殺菌、除臭、防黴、防汙自潔、淨化空氣功能。

紫外線殺菌最先由丹麥科學家Finsen提出，並在1903年因此獲得了諾貝爾生理和醫學獎。現今使用最廣泛的紫外燈有傳統的低壓/中壓汞燈、微波無極汞燈、氙燈等，以及新型基於寬禁帶半導體材料的紫外LED/LD。

汞燈起殺菌作用的特徵波長是253.7nm，其輻射功率達到瓦（W）量級，通常15m2的房間，採用30W的汞燈照射30min以上即可完成全屋消毒。目前汞燈在醫院環境中有大範圍應用，有良好的殺菌效果[4][5]。

紫外LED的主流產品特徵波長為275-280nm，其輻射功率為毫瓦（mW）量級，主要應用在小空間、低能耗、環境友好的環境中。253.7nm和275nm分別在DNA吸收峰值波長265nm兩側，具有幾乎相同的DNA吸收值，因此具有幾乎相同的殺菌效率。

汞燈與紫外LED燈相比，尺寸大、能耗高、預熱時間長、含汞等弱點，在國際性《水俁公約》影響下，將在較短的時間內退出歷史舞臺，未來紫外LED將有巨大的應用空間。

以上介紹的UVC和UVA紫外光在殺菌的同時，其射線可透過人體皮膚角質層，產生紅斑、黑化及老化，長時間暴露會引起白內障、黃斑變性、角膜炎等眼部疾病甚至致盲，尤其UVC波段對人體傷害更大，所以在使用汞燈紫外燈殺菌時需清空人員和動物，以避免造成傷害。這裡紫外LED因具備小尺寸、低功耗、即點即亮等優點，可將紫外線封閉在小空間中，紫外線洩漏易於防控，可做到人機共存，在實際應用中具備明顯優勢。

還有哪些波段的紫外線具有殺菌效果呢？哥倫比亞大學的研究人員發現，波長222nm的紫外線無法穿透人體皮膚角質層，對人體無害，且具有與傳統紫外線燈同等的殺菌效果[6]。此工作尚處於實驗室研究階段，距離產業化應用還有很長的路要走。405nm的紫光（也可劃入UVA範圍）具備一定的殺菌能力，研究人員採用18150mW的405nm光源在50cm距離照射大腸桿菌9小時，獲得99.9%的殺菌效率[7]。其原理為細菌細胞中的核黃素和卟啉等光敏性分子可吸收UVA中特定的光能量，形成OH-、O2-、O2等活性分子，使得細菌等細胞壁損傷，從而被殺滅。該種方式殺菌效率較低，所需的光源功率高，散熱難，大大限制了其廣泛應用。

紅外線

紅外線是波長在760nm-1mm之間的輻射統稱，高於絕對零度（-273.15℃）的物質都可以產生紅外線，現代物理學稱之為熱射線。

紅外線因其出色的加熱能力而獲得良好的滅菌效果。紅外線滅菌器[8]採用紅外線熱能滅菌，因其使用方便、操作簡單、對環境無汙染，無明火、不怕風、使用安全，可廣泛應用於生物安全櫃、淨化工作檯、抽風機旁、流動車上等環境中進行微生物實驗。腔內溫度達到900度，只需3-4秒即可殺滅所有的微生物。

微波

微波是波長介於1mm-1m之間的電磁波的統稱。微波殺菌是微波熱效應與非熱效應協同作用的結果[9]。

微波熱效應是由極性分子和非極性分子組成的介質材料在微波電磁場的作用下，其中的極性分子從原來的熱運動狀態轉為跟隨微波電磁場的交變而排列取向，引起分子間激烈的摩擦。在這一微觀過程中，微波能量轉化為介質內的熱量，使介質溫度呈現為宏觀上的升高。

微波非熱效應表現為微波電場使細胞膜斷面的電子分布發生改變，影響了細胞膜周圍的電子和離子濃度，使細胞膜的通透性發生改變，細胞無法正常代謝，從而引起細胞功能紊亂。非熱效應的另一種解釋是蛋白質、核酸、水等極性分子在高頻率、強電場的微波場中隨著微波極性的改變而引起蛋白質分子團的旋轉或振動，導致蛋白質分子變性。

微波殺菌具有時間短、速度快、低溫、均勻徹底、低能耗、便於控制、設備簡單等優點，廣泛應用於食品工業、臨床、組織培養、製藥、中藥生產等環節。

綜合以上各種電磁波段的殺菌原理和應用分析，筆者認為最適合日常生活使用的殺菌方式是紫外線殺菌，紫外線殺菌具有廣譜、高效、環保等優良特點，尤其基於寬禁帶半導體材料的紫外LED光源將在未來的生活、生產中扮演重要角色。

參考文獻

[1] 孫建宇.60Co-γ射線輻照滅菌在中藥及製劑中的應用研究[J].中國藥師，2006，9（5）：464-465
[2] 蘇德模，許華玉，王藏徐，等.60C0-γ射線輻照滅菌中成藥的最佳輻照劑量選擇[J].藥物分析雜誌，1990，10（5）：280-283；1992，12（3）：166-169
[3] James R. Bolton. Action Spectra : A Review [N]. IUVA News , 2017,19(2)：10-12
[4] 蘇德華，甘露，王惠萍，等.紫外線消毒方法的效果評價[J].白求恩軍醫學院學報，2007，5（1）：56-57
[5] 王浣沙，張利峰，孫談珍，等.醫院室內空氣紫外線消毒效果的實驗觀察[J].中國消毒學雜誌，1997，14（2）：88-90
[6] D Welch, M Buonanno, V Grilj, et. Al. Far-UVC light: A new tool to control the spread of airborne-mediated microbial diseases[J]. Sci Rep, 2018, 2752
[7]福建天電光電UV LED產品推薦-可見光殺菌. https://mp.weixin.qq.com/s/YW8bxPW2Hv_y7qh8sfX3kw
[8] 紅外線滅菌器. 合肥艾本森科學儀器有限公司
[9] 楊瑩，張學軍，石靈. 微波滅菌技術的應用與發展[J]. 真空電子技術，2013，6：93-95

關於作者/公司

此篇為來自合肥彩虹藍光科技有限公司的作者投稿。

合肥彩虹藍光科技有限公司是CEC中國電子旗下彩虹集團控股的LED晶片製造商，擁有從外延、晶片到封裝和應用的完整產品線。作為國內最早的一家從事GaN LED晶片的企業，依託北京大學強大的技術支持，是國家「863」項目成果轉化示範基地。自2016年起潛心研發UVC-LED外延、晶片產品，目前可提供250nm-320nm UVC外延片，10*20mil 1.5-3mW和25*25mil 8-12mW UVC 晶片，中小功率、大功率UVC3535/5050封裝產品，並且可提供UVC-LED應用模組、消費電子產品（殺菌消毒餐具套裝、櫥櫃殺菌除味器、隨身消毒櫃、旅行分裝消毒盒）等解決方案，目前已經與國內多家知名廠商建立合作夥伴關係。

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