UVC-LED杀灭“新冠”病毒剂量及应用问题

发表时间:2020-02-27 10:29

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

一、深紫外LED产生臭氧吗?

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1. 紫外线如何产生臭氧的?

理论上,光子能量高于键能即可打断化学键。所以波长短于243 nm的紫外线都能激发空气或水中的氧气产生臭氧。波长高于243 nm的UVC-LED不产生臭氧。

低压汞灯会产生臭氧,因为蒸气压在1.3~13P低压汞灯发光光谱中天然有185nm的真空紫外线。这种紫外线会激发空气中的氧气产生化合反应变成臭氧。这本质上是紫外线打断了氧气分子中的氧氧共价键,再和氧气分子结合形成了O3。UVC-LED不会产生臭氧,因为氧氧共价键键能高达5.1eV,对应需要波长至少短于243nm的紫外线才能够打断,最终生成臭氧。

2. LED为什么不产生臭氧?

低压汞灯通过控制蒸气压提高了短波紫外线的能级跃迁概率,但还会伴随其它跃迁,以254和185nm发光为主。UVC-LED第一能级跃迁概率占主要,所以发光纯粹,常见UVC-LED波长高于255 nm。

低压汞灯是一种气体光源,它的激发态能级位置已经由汞这种物质决定了。所以虽然有高压、中压、低压汞灯,但蒸气压大小的区别主要还只是调节了不同激发态之间跃迁的概率大小,也就是不同特征峰的相对强度。所以低压汞灯以254和185nm发光为主。UVC-LED作为一种量子阱结构的AlGaN半导体发光二极管,E0跃迁占主导,峰值波长只有一个,例如275nm,可以发现,深紫外LED光谱主峰的半高宽显著低于蓝光,也是因为量子阱发光比多尺寸量子点发光器件的电子跃迁更加单一。因为目前可量产的UVC-LED的发光波长还没有低于243nm的,所以杀菌消毒用的深紫外UVC-LED,不产生臭氧。


二、深紫外线能否分解甲醛?

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紫外线分解甲醛的两个动力学过程:一是直接被紫外线打断光解;二是紫外线与空气中的水作用产生OH自由基,分解甲醛。(汞灯管可以)。深紫外线可以通过打断甲醛化学键直接分解甲醛等有机污染物。

深紫外线可以分解甲醛等有机污染物吗?其实很多人都觉得应该不行,但实际上可以。O-O键的键能是5.1eV对应243nm,但有机物中必有的C-H键键能是4.31eV,对应283nm,C-O则是3.39eV对应366nm。紫外线光子能量高于键能就能将其打断,就如同它破坏DNA分子链一个道理,所以紫外线是可以分解甲醛的。

但是我们也要注意到,甲醛的分解过程其实很复杂,它的两个裂解过程跟波长的大小也有直接关系。不同波长下甲醛分解过程的量子产率变化。虽然不明白什么两个峰值分别在305nm和340nm,但毫无疑问的是,紫外线自己就可以分解甲醛了。类比甲苯、TVOC,紫外线都可以分解。


三、UVC深紫外线对人体是否有伤害,怎么防护?

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这是一个比较经典的问题,UVC深紫外对人体皮肤危害不大,但对人体眼睛伤害较大。典型UVC-LED波长275 nm的紫外光几乎97%以上会被人体皮肤角质层吸收,99.9%以上被角质层和表皮层吸收,极少一部分光会打到真皮层。紫外线只有作用到真皮层才会引起皮肤细胞癌变。所以通常认为UVC紫外线对人体皮肤影响不大。当然婴儿皮肤,包括部分人体皮肤角质层更薄,对UVC紫外线的抵抗力也就更差。人体眼睛没有角质层保护。UVC紫外线直射将导致晶状体、角膜病变。因此禁止人眼直视点亮的UVC-LED灯珠。

光的波长越短穿透能力越差,这是光的波粒二象性决定的。当然具体到物质,还跟吸收有关。UVC深紫外线对人体有伤害吗?一个最省事儿的回答是,有,不要暴露在UVC紫外线中。但其实这中间存在很大的误区,就是UVA,例如365、385、395对人体皮肤伤害是很大的,因为这个波长紫外线能穿透到人体的真皮层,引发皮肤细胞癌变。

但UVC紫外线,例如275nm,在成人表皮中的传播深度浅的多。在穿透角质层后,97%以上的能量都会被吸收,最终穿透到真皮层的能量连0.1%都没有。所以,准确来讲,UVC深紫外对人体皮肤危害不大,没有角质层的人眼则危险的多。当然,再弱的光长期照射对人体也是有伤害的。

所以不盲目惧怕UVC深紫外线,因为短时间皮肤照射伤害可以忽略;也不要以身试险,盯着LED看肯定会导致眼部受伤。


四、深紫外LED应用品的光窗材质如何选择?

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客户在方案设计时,误以为可见光方案设计中常见的透明塑料比如亚克力,也可以用作UVC-LED的光窗,结果杀菌效果为零。这种情况屡见不鲜。借用键能的概念,C-H和C-O键在UVC和UVB紫外波段的吸收系数是很高的,所以很薄的塑料就可以吸收几乎全部的深紫外线。普通聚苯乙烯和亚克力的吸收边是385nm左右,在275nm处的透过率已经等同于零了。

那应该用什么样的材质来做深紫外LED的光窗呢?蓝宝石是深紫外LED的衬底,也是芯片出光面,所以它可以作为光窗,但是材料和加工成本高。石英的种类有很多,光学玻璃中常见的三种,JGS123,建议275nm的UVC-LED可以用JGS2规格的石英,265nm甚至以下的LED,需要采用JGS1石英或者蓝宝石。这同样也适用于灯珠封装的透镜材料。


五、深紫外UVC-LED的有效照射距离是多远?

深紫外UVC-LED的有效照射距离不是定值,取决于光功率、光传播介质、“有效”的定义标准。虽然没有定值,但可以根据应用场景已知信息去估计有效距离,距离1.22米下, 8.9×105 pfu/mL浓度MERS病毒的杀灭所需时间分别为5min。

常用紫外线杀菌照射剂量情况

深紫外UVC-LED的有效照射距离有多远?这是最经常会被问到的一个问题,如果直接回复一个距离,就显得有点不负责任了。一个比较可靠的回复是,根据客户关心的指示细菌种类对应的致死剂量,结合LED灯珠的光功率、所处介质环境、和“有效”这个标准的定义,来计算出有效照射距离是多远。

如果为了让客户快速定性理解UVC-LED的照射距离,是可以考虑估算出一个值的。例如5min杀灭8.9×105 pfu/mL浓度MERS病毒的有效距离是1.22米。  


六、深紫外UVC-LED在水中的传播距离?

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纯水及自来水对波长250~800 nm之间的光线均表现出了好的透射特性。5 mm厚度透过率均在80%以上。波长短于250 nm后,两者光吸收率均快速增加。特别是自来水对<250 nm光吸收更加强烈。2.4cm衰减至70%;8.5cm衰减至30%;16.3cm衰减至10%。

在有效距离话题基础上进一步延伸,就是UVC紫外线在水中的穿透距离有多远?一切还是回到键能这个概念,水分子中,H-O键的键能是485kJ/mol,对应4.98eV,也就是大约249nm。所以在测试纯水的透射光谱时,测出吸收边开始下降也是在249nm左右。基于这个数据,可以说正常的饮用水杂质比较少的自来水,对275 nmUVC-LED的吸收并不强,基于UVC杀菌原理的紫外杀菌装置是可以杀到很远的距离的。

最重要考虑的是,应该是光在传播过程中的快速发散,导致远端强度急剧下降。半球小角度封装其实在UVA行业是很普遍的,这同样适用于UVC封装,小角度出光可以让UVC传播的更远,非常适合类似水杯、长水箱、过流式水杀菌装置这样的厂家。

高的环境湿度,对UVC也没有造成明显的吸收,这意味着即便桑拿房里面,也可以利用UVC紫外线实时杀菌。


七、深紫外UVC-LED的有效杀菌范围?

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谈到有效杀菌范围,也要基于剂量这个概念。不幸的是,对于一颗点发光光源,平面的被照射面强度分布是与高斯分布近似的山峰形状,中心处和边缘处可以有数倍的强度差异。如果客户是严谨的在问这个问题,我们应该进行更为准确的光学仿真,计算平面上各处的强度分布。仿真可能不足够精确,但它为我们的方案设计提供了定性的参考。辐照面均不均匀,仿真工具可以算的比较清楚。

在定义灯珠发光角时,是用峰值强度的一半的夹角。建议我们在方案设计时也将平面上峰值强度一半的位置定义为有效范围,同时剂量的计算也按照半高的位置进行计算。

因为LED光型是类球面的原因,距离近的地方和远的地方,强度分布均匀性是有很大的差异。在20cm处,有效照射范围占整个被照射面的比例更大了。


八、有没有便捷的测试方法测试灯珠的发光角?

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如何快速测试发光角呢?在实验室环境可以借助角分布测试仪,普通环境下,就可以利用一个简单办法,即利用白纸对紫外线的荧光反应特点,将纸面垂直灯珠出光面并中心对齐。肉眼可见蓝白色区域的角度即是出光角。如下示意图,可以很容易看出半球透镜灯珠的发光角就是60°左右。


九、一定要用恒流IC驱动吗,电阻分压方案行不行?

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LED的非线性伏安特性将放大Vf的差异,体现为电流的较大波动。如果坚持不用恒流方案,是否可行?可以,至少串联一个电阻,并且这个电阻的阻值是有讲究的。LED正向偏压下的非线性整流特性会放大灯珠Vf的差异,体现为电流的波动。这个波动是可以通过串联电阻来抑制的。串联了一个电阻之后的IV曲线如下图,它在工作区间的斜率更小了,所以同样电压下,它们的电流差异也更小。


十、银月光科技实战工具

深紫外UVC-LED灯珠是银月光科技最主要的业务,目前聚焦270~280nm的UVC-LED研发生产。杀菌消毒是UVC最核心且最重要的价值,目前希望先聚焦做好一件事件,那就是量产中小光功率的275 nm UVC-LED。还有很重要的一点,深紫外科技不做例如静态水杀菌模块这样的组件和各类杀菌消毒应用品。公司始终坚信,练好内功被集成,是公司的价值所在。

1. 实战工具:深紫外UVC-LED杀菌方案深度设计

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2. 实战工具:表面杀菌模型

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在一个消毒包场景,或者长宽高明确的场景,可以方便地根据光功率计算出底面的光功率密度,再根据病菌的致死剂量,算出多长时间需要多少颗灯珠。利用有效照射范围的概念可以计算出来灯珠的物理分布。

总结:模型永远不会是准确的,就像计算机无法算出未来。但我们可以一起分享数据、方法,使其变成一个科学的、可用于定性预测的工具。也欢迎行业同仁分享更多杀菌测试数据,一起修正工具,使其变得更加准确和成熟。(还有更多实战工具,可以持续关注银月光科技)。

十一、UVC深紫外线杀灭新型冠状病毒剂量的调研综述

致死剂量是一切紫外杀菌消毒方案仿真、推测、演算的基础。当然工况中实测值跟理论值会有差异,理论模型也有误差,但理论值可以提供定型参考。

本月初疫情扩散,根据国内外几篇文献资料,综述了新型冠状病毒剂量的致死剂量,TCID50初始浓度约105.8 /mL的2019-nCoV新型冠状病毒NCP的99.99%紫外致死剂量为1445 mJ/cm2。但是通过光功率密度乘以时间计算出来的,Bolb的张剑平博士指出了一个重要的细节,那就是这个SARS的测试场景是高度1cm的水溶液,用表面的强度来计算整个溶液的照射剂量是不准确的。

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辐照强度跟距离的平方呈反比,那么溶液底部和顶部的辐照强度是不一样的,如果计算累积剂量,应该取线性平均值;LED是小平光源近似点光源,被照射面的分布也不是均匀的,但考虑到1cm范围内波动较小,影响不大, 这里可近似平均。水溶液对UVC的吸收,前面提到纯水对275nm的吸收是比较少的,病毒分散的密度也有限。先不考虑水的吸收,在对深度积分后,郑重地将致死剂量修正为1085mJ/cm2,供各位行业同仁参考使用。

需要注意的是,“致死剂量"的实验光源来源于低压汞灯,其值尚难以指导UVC LED灭菌实践。针对不同波长紫外线的致死剂量,是全行业面临且需要解决的问题,而不是看DNA吸收谱。

最后,非常感谢国家半导体照明工程研发及产业联盟指导中国半导体照明网和极智头条组织的直播活动。也欢迎行业同仁经常交流互动,携手开创UVC-LED新时代。2020年的新冠疫情只是长跑的开始,让我们共同见证UVC-LED的黄金时代,加油!

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