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本期，我们邀请到广东晶科电子股份有限公司项目总监陈海英带来了“紫外线消毒历史与消毒机理研究——UV消毒手册（1-3章节）”的精彩主题分享，以下为主要内容：
一、基本介绍
1.作者及版本
版本 2008 vs 2011
作者-加拿大 阿尔伯塔大学（University of Alberta）兼职教授
创立技术咨询公司：Bolton Photosciences Inc. https://boltonuv.com/store/contact_us.php
2.什么是紫外线消毒？
紫外线是波长范围在200- 400nm之间的，是整体光谱里的一小段。消毒机理是紫外线的光子被DNA，RNA 吸收，使得微生物的细胞不再复制，也就不繁殖，不再具有致病能力。
微生物包括细胞和病毒等，单个个体活着的意义就是繁殖，让群体不断增大，去感染更多的宿主，当群体大到一定程度，才具有致病的能力，所以每个单个个体存在的意义就是复制
紫外消毒本身是一种物理消毒，能否消毒或者消毒能力有多强，跟光的剂量相关。
微生物对哪一个波长的光更敏感呢？可以看到大概是在270nm左右是一个峰值，而传统汞灯的本征波长是253.7nm，所以传统汞灯的特征波谱对于消毒杀菌来说并不是最优的，这对于LED来说是更好的机会。
3.紫外线消毒与化学消毒相比如何？
化学消毒就是靠化学消毒剂，通常是用氯、氯胺、二氧化氯或是臭氧这种强氧化性物质，然后跟微生物相互作用，达到杀毒的目的。好处是杀毒效果很好，持续时间长。坏处是只部分有效，就是对细菌和病毒很有效，但是对原虫（隐孢子虫，贾第鞭毛虫等）的效率低。
此外，化学消毒本身有副产物，会带来一些不好的影响。比如化学消毒剂本身要放到水里，如果用量过大会带来污染，副产物也会影响水的口感，味道等。
紫外光消毒属于广谱有效，不论是细菌、病毒，还是原虫。都很有效，并且没有副产物，不改变水质。但是，紫外光消毒的效果维持有限，因为一定要有光，还要有足够的剂量才有效。
紫外光的功率要达到一定的门槛值,要杀灭细菌还需要有剂量的概念，等于把时间的概念引入，如果功率不是很高，就需要足够的时间。如果时间有限制，就要提高功率来达到相同的杀毒效果。
4.紫外消毒发展史
1801年 第一次“看见”紫外光 波兰的药剂师 氯化银被分解；
1877年 第一次 发现紫外光的消毒功能；
1904年 第一台汞灯，德国吹制；
1960年 第一次确认紫外消毒的分子机理T-T，胸腺嘧啶二聚体；
1975年 挪威启用紫外消毒，替代有副产物的氯消毒；
1998年 Bolton证明紫外消灭原生动物的有效性，推动了紫外用于饮用水消毒；
2003年 美国环保局发布了紫外消毒指导手册；
5.政府法规-紫外消毒
1996年，奥地利成为第一个引入紫外线法规的国家，要求使用生物剂量学测试对紫外线反应器进行认证，剂量 40 mJ cm-2（400 J m-2）；
1997年，德国又采用（DVGW 1997）最小剂量 40 mJ cm-2（400 J m-2）；
1998年，美国环保局发布紫外消毒指导手册；
2006年，美国地下水法（USEPA2006a）4 log病毒灭活的紫外线剂量为186 mJ cm-2；
2006年 地下水法（GWR）（USEPA 2006d）。
6.紫外线消毒的优点和缺点
（1）优点
有效：对隐孢子虫和贾第鞭毛虫非常有效的消毒技术；
无毒：不会明显改变水质； 没有副产物，不改变总有机物（TOC），pH值，腐蚀性；
便宜：与其他原生动物消毒方法相比，该技术相对便宜，具有较低的投资和运营成本；
易调：根据水流量，水质等的变化，操作（即调高或调低）紫外线设备相对容易；
易用：紫外线设备的占地面积相对较小，通常适合改装到现有的水处理厂中；
速度快：不需要化学试剂，消毒速度快；
（2）缺点
消毒能力不能维持：没有残留的消毒能力。因此，通常要添加一定水平的氯或氯胺以保持配水管我系统中的余氯，保证持续的抑菌能力。
难检测：目前，无法连续监测紫外线剂量，因此操作员必须依靠二次测量（传感器读数，紫外线透射率，水流量等）。
汞污染：大多数紫外线反应器都装有汞灯，因此，紫外线灯的破裂可能会造成汞污染。但是，计算（USEPA 2006b）似乎表明，即使灯中的汞完全进入水中，分配水中的汞含量仍将大大低于最大污染物含量。
断电：公用事业公司的电源供应可能会中断，这可能导致紫外线灯熄灭1-5分钟。除非将水转移到废水中，否则可能会导致某些水无法得到处理。
预热造成消毒不足：有时会因电源中断或灯泡预热而对水进行消毒不足。USEPA将这些情况视为不合规格的事件。
以上汞污染和需要预热都是汞灯才有的特点，而LED无毒，不需要预热，在UV消毒中应用前景更大。
二、紫外线和光化学基础知识
1.光和光子
光是电磁波的一段，电磁波有16个数量级；
光子的能量-普朗克常数 (6.63 e-34 J.s) ；
2.紫外线光谱范围
大多数光化学研究涉及紫外线范围（100-400 nm）。该区域分为三个子范围,与人类皮肤对紫外线的敏感性有关。
UVA范围（315–400 nm）引起皮肤变化，导致晒黑。
UVB范围（280–315 nm）可能引起晒伤，并最终诱发皮肤癌。
UVC范围（200–280 nm）被RNA，DNA和蛋白质吸收，并可能导致细胞突变，癌症或细胞死亡。
UVC 具有危险性，UVC会损失表皮细胞，当天就会脱落；眼睛曝光于UVC下，会引起白内障。使用UVC需要做好防护。
3.紫外线的发射，传播，吸收
（1）发射 效率
紫外线灯发出的光取决于许多因素，例如输入电压，辐射功率效率，灯的尺寸以及石英套管的特性。 效率表征：单位面积的辐射功率（W m-2）
（2）传播：紫外线也是光，光的定律适用
光速2.994×108 m s-1；折射定律 snell’s law；不同光介质界面，折射，反射。
（3）比尔.朗伯定律Beer-Lambert law. 光吸收计算基础；
（4）吸收率0 a（cm-1）；
4.几个概念
（1）透过率 UVT 100*T 百分数 =>100 制 95% -> 95, 1cm 厚度，其中，饮用水为75- 95；
（2）辐照度（irradiance) 单位 W/cm^2 (单位面积的光功率）；目的是考虑被照面上的光功率密度。
（3）通量率（fluence rate） 很小的单位截面积上通过的UVC能力dA ，单位 W/cm^2，通量率跟局部的形状相关，在光学建模模拟中，通量率更合适。
（4）线剂量或通量
辐照度/通量率对时间积分；
辐照度不变的情况，E*t ；
细菌，病毒的灭活或抑制，就需要一定的紫外线剂量完成；
（5）术语及单位 辐照度 剂量
单位面积的光功率 W/m^2,单位面积的光能量 J/m^2
5.紫外线照射后发生了什么？
紫外线从光源发射出来，在介质中传播，被物质吸收，之后其实是能量的转移，每个光子都带着自己的能量。被分子吸收以后，会发生一个从低能态到高能态的过程，有能量不同方向的转变。一部分变成光。如果有一些荧光、磷光物质会发出一些荧光、磷光。另外一部分可能内部耗散变成热。还有分子结构变化，发生光化学反应，有新的物质产生。
6.光化学定律
（1） 第一定律，光必须被物质吸收才会发生光化学反应。比如涂抹防晒霜保护皮肤，皮肤细胞没有吸收光，就不会发生化学反应，不易损伤。
（2） 第二定律，每个光子只能激活一个分子发生反应，光子数 µ 反应分子数 => 剂量 µ 杀菌量。
（3） 第三定律，被吸收的光子能量必须等于或大于分子中最弱的键--UVC封装材料。
（4） 吸收，1v1，光子能量大于分子最低键能
有助于UVC封装材料的选择；水污染物处理，光子能量大于被处理物质的键能，比如杀虫剂，抗生素，除草剂，帮助选择有效的合适的光波长。
7.先进的氧化技术
（1）用强大的氧化中间体（例如，羟基自由基·OH）来氧化受污染的空气和水中的主要有机污染物的技术；
（2） 羟基自由基·OH的产生，比如紫外光 +H2O2；O3+H2O2 ；
（3）水有机污染物处理；
（4）大多数有机污染物无害化降价，H2O, CO2, 无机矿物；
三、紫外线消毒机理
1.紫外线如何灭活微生物
灭活（inactivate vs kill），被UVC 灭活的微生物的表现是代谢存活，不能复制；细胞吃喝照旧，不能繁殖。
灭活/kill过程，从吸收光子开始，若是高剂量，细胞膜的蛋白质吸收后变性，细胞膜破裂，细菌死亡。若是低剂量，涉及到ATCG 等，两个胸腺嘧啶（T）绑定在一起形成二聚体 。
2.紫外线如何灭活微生物-谁吸收
紫外光被吸收--核苷酸，蛋白质<230nm，水也吸收这个波段。核苷酸>230nm, Peak 260-275nm。对于UVC LED是个好消息，可以不用像汞灯那么高的能量密度就可以达到比较好的消毒效果。
3.紫外线如何灭活微生物- DNA –RNA
DNA里的核苷酸吸收之后，作用于链，T-T，形成二聚体，正常的链条被破坏以后，就不能正常复制去达到繁殖目的了，这是微生物被灭活的本真机理。
问题是RNA没有T（胸腺嘧啶），代之以 U （尿嘧啶）， 只有RNA的病毒能否被灭活呢？有数据显示，RNA的病毒可以被灭活，而且不需要更高的剂量。
灭活程度中有抑菌概念，微生物灭活后还会活化，重新具有繁殖能力，但需要一定的条件，比如绕过T-T破坏点，利用宿主的酶活化。好消息是目前还未发现隐孢子虫能够活化 。
4.活化的暗机制和光机制
暗机制是细菌修复损坏的DNA，形成新的DNA链；光机制是利用UVA激活一种酶，把T-T二聚体解开。通常在曝光在太阳光里面的污水处理要考虑阳光中UVA的再活化。密闭环境水处理，通常不用考虑。
5.紫外光敏感性
敏感度排序，从最敏感到最不敏感依次为细菌≈原生动物>大多数病毒>细菌孢子>腺病毒>藻类。
腺病毒被单独列出，因为它在水性病毒中是独特的，因为它对UV光最不敏感，人们对这种不敏感的原因不明确。
大多数细菌会光活化，在可见光环境下需要加大剂量。
细菌/病毒/原生生物的灭活剂量-bench
USEPA2006 美环保局把UVC视为最佳技术
需要注意的是，很多数据都是实验室情况下得出的，实验室中各种条件都得到很好的控制，但实际UV发生设施中，温度等条件，UV光的均匀性等往往得不到保证，所以要在实际案例中具体考虑，而不能简单照搬实验室出来的数据。
需要说明的是，本书是2008年的版本，到现在已经过去了12年，期间可能很多东西发生了变化，也欢迎业界同仁多多交流指正，补充完善，共同进步。
也感谢联盟提供了本次机会，可以在极智课堂与大家交流，联盟组织大家分工合作解读本书是件非常好的事情，也希望可以给业界做产品有更多的理论依据，支持和帮助。以做出产品更多的人服务好。
问答环节
1听您讲到有和钟南山院士合作研究，目前针对UVC LED杀灭新冠病毒用有没有明确的剂量？
陈海英：实验是在钟院士的实验室里，彼时还没有新冠病毒。实验时主要是细菌，比如沙门氏菌，金黄葡萄球菌、大肠杆菌，军团菌等，并没有拿病毒来做，因为病毒实验要在比较好的控制条件才能做，新冠病毒比较新，目前没有数据。
2.依据UⅤC消毒原理，被紫外线消毒是静态物质，如果动态物质（流动空气、流动水体）怎样瞬间消毒？
陈海英：针对流动水体等要考虑到被消毒的或是被作用的物质，在流动过程中能吸收的光的能量，光的剂量到底是多少。最终还是要回到比如说细菌等物质，吸收的UV的剂量到底是多少才能实现消毒的目的，在光学模拟时，要考虑到流动速度和接受光照的时间。
3.有一些应用厂家为了使消费者能对UVC产品的工作状态可视化，采用了UVC+UVA的方案。根据您前面所提到的，UVA可能会使细菌病毒再活化，那是不是代表说UVC+UVA的方案杀菌效果反而不好？
陈海英：按照书里的说法，UVA是有机会使得细菌病毒活化，会起到不好的效果。刚才只是针对书的内容解读，我自己并没有什么数据，如果各位有类似的一些实际数据的，可以分享出来，看看UVA在什么样的情况下会有活化的可能，以致降低灭活的效率。
4. 流动空气中的含菌量？含病毒量？有没有相关标准？如何捕捉测试获得有效数据？
陈海英：对于空气消毒，有很多专门的监测机构，有标准规定，也有标准的检测方法。
5. UVC LED在封装时目前选用的基板是什么？有没有遇到什么问题，关注点是什么？
陈海英：目前UVC本身的光电转换效率非常低，大部分的电功能转换成了热，所以散热是UVC封装最主要考量的一个问题，基板方面，目前市面上看到的主要还是用氮化铝陶瓷，因为导热效率比较高。
氮化铝基板加铜杯的做法是目前业界采用比较多的做法，基板会有一些翘曲等问题，会对制程带来一些困难，每家企业都会有一些针对性的解决方案。
6. UVC LED 当前产业开发状态及实际应用普及情况是怎么样的？
陈海英：目前整个产业开发是迅速上升的状态。实际普及应用方面，有一些公司较早进入到这个市场，努力耕耘，努力跟消费者普及UV知识。不过，目前来讲整体是一个很有前景，但量还没有那么大，可以说是一个成长前景非常好的状态。
7. 想了解一下目前晶科在紫外领域有哪些尝试？
陈海英：晶科电子在紫外领域，UVC、UVA的产品都有，也跟一些车厂配合做一些方案和模组类的产品。目前在UVC的部分，是以光源加模组的形式在跟客户配合。
（文字根据直播内容编辑整理，略有删减）
