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科普 | 除了UV,还有这些神奇的电磁波杀菌

日期: 2020-02-19
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近日,新型冠状病毒肺炎肆虐华夏,严重影响了我们的日常生活,对国民生产的各个方面都造成了很大的冲击。就目前情况看,新增确诊和疑似病例数量仍呈现上升趋势,全国多地进入一级响应。

在新型冠状病毒肺炎的防控方面,各方面专家都给了很多的意见,国家卫健委公布的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》明确指出,新型冠状病毒对紫外线和热敏感,紫外线是电磁波谱中波长介于100-400nm之间的辐射,紫外线杀菌已经为广大读者所熟知。

以下将盘点整个电磁波谱中具备杀菌作用的各波段辐射的杀菌原理及应用方向,为全民防控新型冠状病毒肺炎提供参考。

科普 | 除了UV,还有这些神奇的电磁波杀菌

图1 电磁波谱

电磁波谱中按波长从短到长的顺序依次是γ伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等,另外,比伽马射线更短波长的还有宇宙射线。整个电磁波谱中有多个波段具备杀菌作用,其中有部分方法已经广泛应用于各种生产生活中。

γ伽马射线

γ伽马射线,又称γ粒子流 ,是原子核能级跃迁退激时释放出的射线,是波长短于10-12米的电磁波。

γ伽马射线的杀菌原理有两方面:一是直接作用,即γ伽马射线直接破坏微生物的DNA、蛋白质和酶而致死;二是间接作用,γ伽马射线被微生物中的水吸收而激发或电离,产生激发的水分子(H2O)、电子(e-)、水离子(H20+)、或裂解为氢自由基(H+)、羟自由基(OH-),由此产生一系列与DNA、蛋白质、酶的氧化还原反应,致微生物死亡[1]。

科普 | 除了UV,还有这些神奇的电磁波杀菌

图2  γ伽马射线

γ伽马射线的辐射源通常为放射线同位素钴60(60Co)或同位素铯137(137Cs),通常用于对中成药进行灭菌处理,也有食品灭菌等应用,具有穿透力强,操作简便,速度快,可在常温下灭菌,辐射剂量适当,不会破坏药品的有效成分,亦不会对人产生伤害,且有灭菌后较长时间控制细菌的再增殖等优点。

在中成药灭菌应用中,采用不同的辐射剂量,通常可获得超过80%甚至达到100%的灭菌效果[2]。在食品灭菌应用上,可以在不破坏商品包装和保护食品原有性状的条件下,杀灭产品中的致病菌和寄生虫,消除在产品生产和制备过程中可能出现的交叉污染问题,且辐照处理是“冷加工”,在常温下进行,对产品不造成影响。

紫外线

紫外线是电磁波中波长介于100-400nm之间的辐射总称,其中包含200-280nm的深紫外线(UVC)、280-315nm的中紫外线(UVB)和315-400nm的近紫外线(UVA),另外,100-200nm的波段称作真空紫外线。

科普 | 除了UV,还有这些神奇的电磁波杀菌

图3 紫外线光谱

紫外线的杀菌原理有两方面,一是直接作用,即破坏细菌、病毒的DNA等遗传物质,改变细胞的遗传转录特性,使生物体丧失蛋白质的合成和复制繁殖能力,如图4所示。

科普 | 除了UV,还有这些神奇的电磁波杀菌

图4 紫外线杀菌原理

微生物细胞核中的DNA的紫外线吸收和光化学敏感性范围重合,为240-280nm,吸收峰在265nm左右[3]。通常认为,DNA的紫外线吸收峰在265nm左右,所以265nm左右的紫外线具有最高的杀菌效率,如图5所示。

科普 | 除了UV,还有这些神奇的电磁波杀菌

图5 DNA紫外线吸收曲线

二是间接作用,即一定波长的紫外线(通常采用UVA波段)照射纳米TiO2等光催化剂(光触媒),发生类似光合作用的光催化反应,产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧,具有很强的光氧化还原功能,可氧化分解各种有机化合物和部分无机物,能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质,可杀灭细菌和分解有机污染物,把有机污染物分解成无污染的水(H2O)和二氧化碳(CO2),因而具有极强的杀菌、除臭、防霉、防污自洁、净化空气功能。

紫外线杀菌最先由丹麦科学家Finsen提出,并在1903年因此获得了诺贝尔生理和医学奖。现今使用最广泛的紫外灯有传统的低压/中压汞灯、微波无极汞灯、氙灯等,以及新型基于宽禁带半导体材料的紫外LED/LD。

汞灯起杀菌作用的特征波长是253.7nm,其辐射功率达到瓦(W)量级,通常15m2的房间,采用30W的汞灯照射30min以上即可完成全屋消毒。目前汞灯在医院环境中有大范围应用,有良好的杀菌效果[4][5]。

紫外LED的主流产品特征波长为275-280nm,其辐射功率为毫瓦(mW)量级,主要应用在小空间、低能耗、环境友好的环境中。253.7nm和275nm分别在DNA吸收峰值波长265nm两侧,具有几乎相同的DNA吸收值,因此具有几乎相同的杀菌效率。

汞灯与紫外LED灯相比,尺寸大、能耗高、预热时间长、含汞等弱点,在国际性《水俣公约》影响下,将在较短的时间内退出历史舞台,未来紫外LED将有巨大的应用空间。

以上介绍的UVC和UVA紫外光在杀菌的同时,其射线可透过人体皮肤角质层,产生红斑、黑化及老化,长时间暴露会引起白内障、黄斑变性、角膜炎等眼部疾病甚至致盲,尤其UVC波段对人体伤害更大,所以在使用汞灯紫外灯杀菌时需清空人员和动物,以避免造成伤害。这里紫外LED因具备小尺寸、低功耗、即点即亮等优点,可将紫外线封闭在小空间中,紫外线泄漏易于防控,可做到人机共存,在实际应用中具备明显优势。

还有哪些波段的紫外线具有杀菌效果呢?哥伦比亚大学的研究人员发现,波长222nm的紫外线无法穿透人体皮肤角质层,对人体无害,且具有与传统紫外线灯同等的杀菌效果[6]。此工作尚处于实验室研究阶段,距离产业化应用还有很长的路要走。405nm的紫光(也可划入UVA范围)具备一定的杀菌能力,研究人员采用18150mW的405nm光源在50cm距离照射大肠杆菌9小时,获得99.9%的杀菌效率[7]。其原理为细菌细胞中的核黄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,使得细菌等细胞壁损伤,从而被杀灭。该种方式杀菌效率较低,所需的光源功率高,散热难,大大限制了其广泛应用。

红外线

红外线是波长在760nm-1mm之间的辐射统称,高于绝对零度(-273.15℃)的物质都可以产生红外线,现代物理学称之为热射线。

红外线因其出色的加热能力而获得良好的灭菌效果。红外线灭菌器[8]采用红外线热能灭菌,因其使用方便、操作简单、对环境无污染,无明火、不怕风、使用安全,可广泛应用于生物安全柜、净化工作台、抽风机旁、流动车上等环境中进行微生物实验。腔内温度达到900度,只需3-4秒即可杀灭所有的微生物。

微波

微波是波长介于1mm-1m之间的电磁波的统称。微波杀菌是微波热效应与非热效应协同作用的结果[9]。

微波热效应是由极性分子和非极性分子组成的介质材料在微波电磁场的作用下,其中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向,引起分子间激烈的摩擦。在这一微观过程中,微波能量转化为介质内的热量,使介质温度呈现为宏观上的升高。

微波非热效应表现为微波电场使细胞膜断面的电子分布发生改变,影响了细胞膜周围的电子和离子浓度,使细胞膜的通透性发生改变,细胞无法正常代谢,从而引起细胞功能紊乱。非热效应的另一种解释是蛋白质、核酸、水等极性分子在高频率、强电场的微波场中随着微波极性的改变而引起蛋白质分子团的旋转或振动,导致蛋白质分子变性。

微波杀菌具有时间短、速度快、低温、均匀彻底、低能耗、便于控制、设备简单等优点,广泛应用于食品工业、临床、组织培养、制药、中药生产等环节。

综合以上各种电磁波段的杀菌原理和应用分析,笔者认为最适合日常生活使用的杀菌方式是紫外线杀菌,紫外线杀菌具有广谱、高效、环保等优良特点,尤其基于宽禁带半导体材料的紫外LED光源将在未来的生活、生产中扮演重要角色。

参考文献

[1] 孙建宇.60Co-γ射线辐照灭菌在中药及制剂中的应用研究[J].中国药师,2006,9(5):464-465
[2] 苏德模,许华玉,王藏徐,等.60C0-γ射线辐照灭菌中成药的最佳辐照剂量选择[J].药物分析杂志,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] 苏德华,甘露,王惠萍,等.紫外线消毒方法的效果评价[J].白求恩军医学院学报,2007,5(1):56-57
[5] 王浣沙,张利峰,孙谈珍,等.医院室内空气紫外线消毒效果的实验观察[J].中国消毒学杂志,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]福建天电光电UV LED产品推荐-可见光杀菌. https://mp.weixin.qq.com/s/YW8bxPW2Hv_y7qh8sfX3kw
[8] 红外线灭菌器. 合肥艾本森科学仪器有限公司
[9] 杨莹,张学军,石灵. 微波灭菌技术的应用与发展[J]. 真空电子技术,2013,6:93-95

关于作者/公司

此篇为来自合肥彩虹蓝光科技有限公司的作者投稿。

合肥彩虹蓝光科技有限公司是CEC中国电子旗下彩虹集团控股的LED芯片制造商,拥有从外延、芯片到封装和应用的完整产品线。作为国内最早的一家从事GaN LED芯片的企业,依托北京大学强大的技术支持,是国家“863”项目成果转化示范基地。自2016年起潜心研发UVC-LED外延、芯片产品,目前可提供250nm-320nm UVC外延片,10*20mil 1.5-3mW和25*25mil 8-12mW UVC 芯片,中小功率、大功率UVC3535/5050封装产品,并且可提供UVC-LED应用模组、消费电子产品(杀菌消毒餐具套装、橱柜杀菌除味器、随身消毒柜、旅行分装消毒盒)等解决方案,目前已经与国内多家知名厂商建立合作伙伴关系。


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