發布日期：2022-04-17 點擊率：42
新冠病毒的大流行激發工程師們考慮將紫外線 (UV) 用于消毒和滅菌產品，使 SARS-CoV-2（導致新冠病毒的病毒）“失活”。傳統的消毒和滅菌產品使用低壓汞蒸汽燈，用所需的 UV-A 光譜形式照射，從而消除病原體。但 LED 具有許多優勢，包括更高的效率、更大的光輸出、更長的壽命和更低的壽命成本。
UV-A LED 相對來說易于制造，通過將藍光 LED 改造成近可見光譜范圍，這在工業固化應用中已有十多年的歷史。但 SARS-CoV-2 滅活需要能量更高的 UV-C。
在過去幾年里，商用 UV-C LED 已上市。然而，我們不能被認為這些設備能直接替代傳統汞蒸氣燈，因為這樣會帶來許多新的設計挑戰。例如，為保證正常運行，消毒、殺菌產品對輻射通量的要求較高且控制嚴格。此外，UV-C LED 雖然殺滅細菌和病毒，但也對人體危害，所以充分的保護是整個設計的重要部分。
本文將簡要討論紫外線輻射的種類及其在消毒、控制病原體方面的作用。然后，介紹 LED 作為輻射源的優勢以及相關的設計挑戰。然后，文章將利用 OSRAM Opto Semiconductors, Inc.、Everlight Electronics 和 SETi/Seoul Viosys 的紫外光 LED 實例，介紹這些挑戰的解決方案。
紫外線輻射適合介于可見光和 X 射線之間的電磁波譜，包括相同能量的高能量短波長 (400 - 100 nm) 光子。輻射波長與頻率成反比：波長越短，頻率越高（圖 1）。
圖 1：在電磁波譜中，紫外線輻射僅低于可見光，波長在 100 至 400 nm 之間，分為 A、B、C 三種類型。（圖片來源：加拿大政府）。
根據紫外線輻射與生物材料的相互作用，紫外線被分為三種類型：UV-A（400 至 315 nm）、UV-B（314 至 280 nm）、UV-C（279 - 100 nm）。太陽會產生所有這三種紫外線，但人類接觸到的紫外線主要是 UV-A，因為穿透地球臭氧層的 UV-B 很少，而 UV-C 則不會穿透臭氧層。不過，有幾種人工方法可產生這三種紫外線，例如汞蒸汽燈以及最近出現的 UV LED。
UV-C 輻射早在目前的大流行之前就是一種成熟的病原體滅除技術了。傳統產品采用汞蒸汽燈作為 UV 光源。最近針對 SARS-CoV-2 的 UV-C 消毒效果研究表明，波長約為 250 - 280 nm 的紫外線優先被病毒的 RNA 吸收，總劑量為 17 焦耳/平方米（J/m2），病原體滅活率達到 99.9%。需要注意的是，這種程度的輻射雖不能直接殺死病毒，但能充分破壞病毒的 RNA，使其無法復制，所以能限制人受到的紫外線輻射，不會對人產生任何傷害。
傳統的紫外線光源是汞蒸氣燈。這是一種氣體放電裝置，當它受到放電激勵時，汽化金屬的等離子體會發光。有些產品采用了熔融石英弧管，激勵其在 185nm UV-C 波長時達到發射峰值（此外還有一些 UV-A 和 UV-B 發射），以達到消毒和滅菌目的（圖 2）。
圖 2：在 UV-C LED 出現之前，低壓汞蒸汽燈是最實用的紫外線燈光源。（圖片來源：JKL Components）
與傳統白熾燈相比，汞蒸汽燈效率高、使用壽命長；主要缺點是，如果燈泡在正常使用過程中破裂或廢棄，會向環境中釋放有毒的汞。
另一方面，UV-C LED 在消毒和滅菌應用方面的關鍵優勢就像 LED 之于普通照明，具體包括能效、更高的光輸出、更長的壽命和更低的壽命成本。此外，雖然在處理 LED 時仍然必須小心，但它們不會像汞基光源那樣造成環境造危害。
UV-C LED 基于藍色 LED 技術制造。這些產品使用氮化鋁鎵 (AlGaN) 基板作為比紅色 LED 具有更寬帶隙（更短波長）的發射器平臺。然而，UV-C LED 效率較低、成本高于藍光 LED，這主要是因為 UV-C 輻射無法穿過氮化鎵。因此，從芯片中逃逸的 UV-C 光子相對較少。
包括反射式 p 接觸金屬化、圖案化基材、紋理表面、微腔效應和體積塑形等在內的許多最新發展成果，現在都用來提升 UV LED 的功效，而且現在的商用產品也達到了合理的性能。但工程師們應該意識到，這種器件表現出比可見光 LED 更低的功效水平，而且因提取光子不僅造成更高的復雜性，同時也推高了成本。制造商通常在規格書中避免使用功效數字，而是詳細說明在給定驅動電流和電壓下的光通量，以毫瓦 (mW) 為單位。
市場上有幾種商用 UV-C LED 采用能以最佳波長輻射的專門設計，以使病原體失活。例如，OSRAM Opto Semiconductors, Inc. 提供的 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636 是一種發射波長為 275 nm 的 UV-C LED。該 LED 在 350 毫安 (mA)、5 至 6 V 正向電流/電壓下可提供 35 至 100 mW 的總輻射通量（取決于具體分檔的選擇）（圖 3）。
圖 3：UV-C LED 在 100 - 280 nm 范圍內達到峰值輻射。用于滅活 SARS-CoV-2 時，理想峰值在 250 - 280 nm 之間。這里顯示的 OSRAM OSLON UV-C LED 的輻射通量在 277 nm 時達到峰值。（圖片來源：OSRAM）
另一個實例器件是 Everlight Electronics 的 ELUC3535NUB，一個 270 至 285 nm 的 UV-C LED。該裝置以陶瓷為基礎，在 100 毫安、5 至 7 伏的正向電流/電壓下，輻射功率為 10 mW（圖 4）。
圖 4：Everlight Electronics 的 270 至 285 nm UV-C LED 安裝在一個陶瓷基體內。該 LED 尺寸為 3.45 x 3.45 mm。（圖片來源：Everlight Electronics）
對于 SETi/Seoul Viosys 來說，則提供了 CUD5GF1B。這款 LED 是一種 255 nm 發射器，安裝在陶瓷封裝中，用于表面貼裝，特點是低熱阻。該器件的輻射功率為 7 mW，采用 200 mA/7.5 V 驅動電流/電壓。隨著溫度的升高，LED 的發射波長只發生極小的偏差：50℃ 芯片溫度范圍內，與其 255nm 峰值輸出偏差僅為 1nm。對于一個需要嚴格控制輸出來確保良好的病毒滅活效果的設備來說，這是一個重要的考慮因素（圖 5）。
圖 5：SETi/Seoul Viosys 的 CUD5GF1B UV-C LED 在 50?C 芯片溫度范圍內與其 255 nm 的峰值輸出偏差僅為 1nm。（圖片來源：SETi/Seoul Viosys）
LED 本身也面臨設計挑戰，因此，為了適應 UV-C LED 而嘗試調整基于汞蒸汽光源設計的產品是不切實際的。所以，在消毒或滅菌應用中，用 UV-C LED 替換汞蒸汽燈并不只是簡單的光源替換。
當選擇 UV-C LED 用于消毒或滅菌時，設計期間應首先確定需要使用 UV-C 光的區域，以及在輻射區域內使目標病原體失活所需的輻射通量（“輻照度”），其單位為瓦特每平方米 (W/m2)。
例如，我們考慮對空調管道出來的空氣進行消毒的應用。根據上述 17 J/m2 的要求，就 0.25 m2 的面積而言，使氣流中的所有病毒在 5 秒內失活，就需要一個輻照度約為 4 W/m2 左右的系統（總功率為 1 W）。
一旦計算出所需的輻照度，工程師就知道如何進行設計和制造了。一個經驗法則是考慮每個 LED 的輻射通量，然后將總輻射通量除以該數字，得出每個產品所需的 LED 數量。
這是一種粗略的簡化計算法，因為它沒有考慮到這些輻射通量是如何分布的。兩個因素決定了輻射通量如何影響目標表面。首先，是 LED 到物體的距離，第二個是 LED 的“光束角”。
如果將 LED 視為點光源，則其輻照度按照平方反比律下降。例如，如果在距離發射點 1 cm 處輻照度為 10 毫瓦每平方厘米 (mW/cm2)，那么 10 cm 處的輻照度將下降到 0.1 mW/cm2。但是，這種計算假設 LED 在所有方向上的輻射都是相同的，但事實并非如此。相反，LED 的特點是一次光學元件將輻射通量引導至特定的方向。制造商通常會在規格書中列出 LED 光束角，具體定義是光線在原點兩側均達到 50% 輻照度峰值的角度。
前面提到的 OSRAM、Everlight Electronics 和 SETi/Seoul Viosys 的 UV-C LED 的光束角分別為 120、120 和 125 度。圖 6 顯示了 OSRAM 的 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED 的輻射形式。在圖中，0,4 和 0,6 之間的虛線表示達到峰值輻照度的 50% 的地方，定義了光束角（60+60 度）。
圖 6：對于 OSRAM 的 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED 的輻照模式，0,4 和 0,6 之間的虛線表示達到峰值輻照度的 50% 的地方，定義了光束角（60+60 度）。（圖片來源：OSRAM）
決定光束角的關鍵特性是 LED 芯片與一次光學器件的尺寸比例。因此，要產生更窄的光束就需要更小的發射器或更大的光學器件（或在兩者間進行適當平衡）。在設計方面的權衡是，芯片越小，排放越少，而光學器件則越大越難制造，從而推高了價格并限值了光束角控制。
商用 LED 通常在出廠時已配備了一次光學器件，因此確定芯片/光學比值的大小超出了設計工程師的控制范圍。所以，對入選產品光束角度的審核就非常重要，因為兩個由不同供應商提供且輸出相同的器件可能會有完全不同的發射模式。
雖然 LED 與被輻射物體的距離和光束角對輻射形式來說是一種很好的初始準則，但也會存在差異源。例如，來自同一制造商的 LED，理論上輸出和光束角相同，但對于不同的一次光學設計來說，其輻射強度和質量可能會有很大差異。只有測試入選產品的輸出，才能確定實際輻射模式。
掌握了 LED 輸出、LED 與待消毒物品表面之間的距離、光束角度和實際發射數據，工程師就可以計算出需要多少個 LED 以及它們應該如何定位，以便在活動區域內產生所需的輻照度。
LED 的最終選擇歸結為成本、能效和復雜性之間所需的權衡。UV-C LED 價格昂貴，因此一種方法是采用數量更少、功率更高的設備，而不是大量功率較低的設備。這種方案的好處是，LED 元件成本可能會減小，驅動器復雜性也會降低。其缺點是由于效率低，功能更強大的設備需要更好的熱管理來確保其長使用壽命（高溫會大大縮短 LED 壽命）。這就需要更大的散熱器，從而導致不能實現一些預期的成本節約目標。
增加 LED 和/或增加 LED 功率的另一種選擇是考慮使用二次光學器件。這些設備將 LED 輸出的 UV-C 光束進行準直（產生同等強度的平行光束），以便有效地消除任何光束角效應。理論上，使用準直時，在整個目標表面的輻照度應該是均勻的（與 LED 排列無關），給定的輻照度應該用較少的 LED 來實現，因為有很少一部分輸出將被浪費掉。另外，用相同數量的 LED 可以實現更高的輻照度，如同沒有采用二次光學器件的設計（350 mW/m2 對比 175 mW/m2）（圖 7）。
圖 7：與具有相同 LED 輸出但使用（未準直）一次光學器件系統相比，使用二次光學器件（左）的 UV-C 發射準直增加了目標區域的輻照度。（圖片來源：LEDiL）
在實踐中，使用二次光學器件的輻照度是不太均勻的，因為即使是最好的產品，其準直也會因為衍射而不完美（雖然 LED 越小，準直效果越好）。而且，與沒有二次光學器件的類似設計相比，通常需要對 LED 和二次光學器件的位置進行長時間的實驗，才能確保從較少的器件獲得所需的輻照度。
請注意，UV-C LED 的二次光學器件是由不同材料制造的，與可見光 LED 采用的材料不同。常見的解決方案是注塑硅膠部件，它能很好地反射 UV-C 波長并允許生產設計復雜的透鏡。鋁制反光板也可以用來準直 UV-C。使用二次光學器件時需要進行兩方面權衡，即因使用較少 LED 而節省的成本與因準直器設計而增加的復雜性。
紫外線雖然不能穿透人體皮膚很深，但被吸收后會造成如燒傷等短期傷害，產生如皺紋和皮膚過早老化等長期傷害。在極端情況下，紫外線照射會導致皮膚癌。紫外線對眼睛的危害特別大，可以損害視網膜和角膜。紫外線照射與空氣相互作用時，也會產生臭氧，而高濃度臭氧被認為會帶來健康風險。
為避免這些危害，設計能限制 UV-C 光暴露并使用戶無法直視 LED 的產品是一種良好的實踐。由于 UV-C 不可見，所以選擇 LED 時，特意加入一些可見的藍光發射也是不錯的做法。這樣做可以使 UV-C LED 在打開時變得明顯。
特別是對于 SARS-CoV-2 來說，將消毒裝置納入暖通空調裝置中，可以快速滅活空氣中的病毒，同時使 UV-C 遠離人們的視線。至于其他位置，正在研究可以安裝在燈具上的 LED，不僅能用對人體無害的、極低水平的 UV-C 照射表面，還能在長時間內提供足夠的照射，從而滅活桌椅、地板和門把手等表面上的任何病毒。
UV-C 輻射可用于使消毒和滅菌產品中像 SARS-CoV-2 這樣的病原體失活。然而，常見的人工 UV-C 光源是汞蒸汽燈，由于含有重金屬，所以處置時需要克服各種難題。UV-C LED 提供了一種更高效、更持久的替代方案，緩解了處置問題。一些 UV-C LED 已經上市，其發射峰值波長非常適合病原體滅活。
然而，這些 LED 并不是直接替代品，而是需要精心設計才能充分發揮其優勢。如上所述，設計者必須從作用面所需的輻照度切入，反過來再計算實現該輻照度所需的 UV-C LED 數量和排列形式。設計者還必須決定，是依靠 LED 的一次光學器件產生均勻的輻照度，還是利用二次光學器件對 UV-C 輸出進行準直，以獲得最佳形式，并同時考慮更高復雜性導致的更高成本。
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