紫外LED應(yīng)用于消毒領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和潛力

張連峰，宋葉葉,,張金松，張慶珮 ，童張法

(1.深圳清華大學(xué)研究院生態(tài)與環(huán)境保護(hù)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518057;2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004;3.深圳市水務(wù)(集團(tuán))有限公司，廣東 深圳 518031;4.深圳城市污水處理與再生利用工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518031)

引言

紫外線被推薦為化學(xué)消毒的替代消毒手段[1]。目前工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的紫外線光源是汞燈。汞是一種毒性很強(qiáng)的重金屬，一旦作為污染物進(jìn)入環(huán)境，將具有持久的影響。因此，汞污染受到了國(guó)際社會(huì)的關(guān)注[2]。2013年，國(guó)際公約《關(guān)于汞的水俁公約》(Minamata Convention on Mercury)在瑞士通過(guò)，2017年8月16日起在我國(guó)正式生效。根據(jù)該公約，自2021年1月1日起，禁止生產(chǎn)和進(jìn)出口所列含汞產(chǎn)品。公約對(duì)普通照明用的含汞燈的汞含量進(jìn)行了限制，控制汞的危害已是全球共識(shí)[3]，尋找紫外線汞燈的替代光源是必然趨勢(shì)。因此，紫外線發(fā)光二極管(UV-LED)在半導(dǎo)體照明和消毒殺菌兩個(gè)領(lǐng)域備受關(guān)注。

雖然UV-LED應(yīng)用于消毒領(lǐng)域已經(jīng)有了許多研究和產(chǎn)品[4-8]，但總體上還處在初級(jí)階段，UV-LED技術(shù)有待進(jìn)一步的發(fā)展。UV-LED消毒是將半導(dǎo)體發(fā)光二極管引入消毒領(lǐng)域的跨界應(yīng)用。目前的紫外線消毒理論、應(yīng)用都是基于傳統(tǒng)的紫外線燈，而UV-LED有其自身的特點(diǎn)。關(guān)于UV-LED的科研成果一般給出的是定性的、方向性的信息，和實(shí)際應(yīng)用之間存在距離。例如，文獻(xiàn)[9]中報(bào)道了210 nm UV-LED，但目前仍停留在研究領(lǐng)域。2014年，文獻(xiàn)[10]中預(yù)測(cè)：到2020年，UV-LED的光電轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到75%，壽命將延長(zhǎng)到10萬(wàn)小時(shí)。從目前來(lái)看，實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)測(cè)不是一件容易的事情。

1 紫外線消毒機(jī)理

紫外線消毒就是光子攻擊微生物的DNA，在其鏈上形成嘧啶二聚體，阻止DNA的復(fù)制，從而使微生物喪失繁殖能力[8, 11，12]。DNA吸收光譜在200～300 nm的范圍，吸收波峰在260 nm[12]，在這個(gè)波段的紫外線具有消毒效果。喪失繁殖能力的微生物具有自我修復(fù)功能，即在一定條件下，DNA可自我修復(fù)而出現(xiàn)細(xì)菌的復(fù)活。復(fù)活是紫外線消毒領(lǐng)域內(nèi)普遍存在的問(wèn)題。一般認(rèn)為高UV劑量可破壞修復(fù)酶[4]。另一方面，蛋白質(zhì)的吸收波峰在280 nm，發(fā)射280 nm波長(zhǎng)的UV-LED是否能協(xié)助破壞修復(fù)酶還有待探索。

真空紫外線或紫外線與其他技術(shù)結(jié)合可形成高級(jí)氧化技術(shù)，以反應(yīng)性很強(qiáng)的游離基與周圍物質(zhì)反應(yīng)。高級(jí)氧化技術(shù)研究和應(yīng)用的重點(diǎn)是對(duì)有機(jī)污染物的分解。如果將這些高級(jí)氧化技術(shù)應(yīng)用于消毒，在消毒機(jī)理上是對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行無(wú)差別的不可逆的氧化破壞。因此，高級(jí)氧化技術(shù)是能阻止復(fù)活的非常有效的消毒手段。但是，高級(jí)氧化消毒的反應(yīng)條件需求遠(yuǎn)高于UVC消毒。用高級(jí)氧化技術(shù)進(jìn)行消毒的討論超出了本文聚焦的UV-LED范疇。這里只對(duì)UV-LED作為光催化劑的光源進(jìn)行一些討論。光催化反應(yīng)是光催化劑接收能量大于自己帶隙的光子照射后，位于價(jià)帶的電子發(fā)生了能級(jí)躍遷，跳躍到了導(dǎo)帶，激發(fā)電子和在價(jià)帶留下的真空會(huì)誘發(fā)氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生活性游離基。游離基和周圍的化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，如果細(xì)菌出現(xiàn)在附近，游離基和細(xì)菌細(xì)胞的各成分進(jìn)行反應(yīng)，從而會(huì)破壞細(xì)胞而可以達(dá)到殺菌的目的。光催化劑是1972年日本學(xué)者提出的新技術(shù)[13]。當(dāng)時(shí)人們希望用光催化劑分解出的氫氣做新能源。經(jīng)過(guò)10多年的努力，人們發(fā)現(xiàn)，激活光催化劑消耗的費(fèi)用總是高于產(chǎn)生的氫氣的價(jià)格。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向?qū)⒐獯呋瘎┑幕钚詰?yīng)用于環(huán)境凈化，在21世紀(jì)初期相關(guān)研究和應(yīng)用探索達(dá)到了高峰。這些研究可分為兩大類：用光催化劑分解污染物；在材料方面改良光催化劑，提高效率。相對(duì)地，后者的技術(shù)突破有限。因此，對(duì)于光催化劑的實(shí)用性出現(xiàn)了爭(zhēng)論。由于發(fā)射UVA的LED的技術(shù)參數(shù)和價(jià)格已經(jīng)親近市場(chǎng)需求，利用UV-LED作光催化劑紫外光源在技術(shù)和市場(chǎng)兩方面都是很合理的技術(shù)組合設(shè)計(jì)。這種組合只是對(duì)光催化劑的紫外光源的變化，并沒(méi)有改變光催化劑自身。因此，“UV-LED+光催化劑”與“其他光源(如汞燈)+光催化劑”沒(méi)有質(zhì)的區(qū)別。光催化劑的效率與輻射照度有關(guān)，但和紫外線的來(lái)源即光源無(wú)關(guān)?！癠V-LED+光催化劑”的路還很長(zhǎng)[14],更多詳細(xì)討論可參考文獻(xiàn)[15]。

DNA的吸收光譜在波長(zhǎng)260 nm附近有最大吸收峰，偏離波峰的波長(zhǎng)的消毒效果會(huì)弱一些，大于300 nm波長(zhǎng)的紫外線沒(méi)有消毒效果。各波長(zhǎng)的有效消毒劑量率是其實(shí)際劑量率乘以消毒有效系數(shù)。如同時(shí)有多種波長(zhǎng)照射(例如中壓燈)，則總消毒劑量為[16]

(1)

表1 根據(jù)DNA吸收的消毒有效系數(shù)gi(λ)的每5 nm平均值[16, 18]

表2 不同微生物的最大吸收波峰(240～400 nm) [5]

2 UV-LED在消毒領(lǐng)域應(yīng)用的可行性

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管能夠發(fā)射的波長(zhǎng)已經(jīng)擴(kuò)展到了紫外區(qū)域(400 nm以下)。能夠發(fā)射出紫外線的LED稱為UV-LED，由于300 nm以下的紫外線具有消毒功能，落入此區(qū)域的UV-LED又稱為深紫外發(fā)光二極管(DUV-LED)。因此，UV-LED顯示了新的應(yīng)用突破點(diǎn)——消毒。UV-LED的規(guī)?；瘧?yīng)用取決于三個(gè)主要因素：價(jià)格、光電轉(zhuǎn)化效率和功率。

2.1 紫外線輻射與UV-LED光源

紫外線消毒效果是由微生物所接收到的紫外線總能量決定的。將微生物假設(shè)為球性，用紫外線總能量除以球截面的圓面積稱為“劑量”[12, 19]，即紫外線消毒只涉及紫外線光子的能量。紫外線消毒的動(dòng)力學(xué)公式只和光子數(shù)量和進(jìn)入方向有關(guān)，和光子的來(lái)源不關(guān)聯(lián)。因此，UV-LED進(jìn)入紫外線消毒領(lǐng)域，只是增加了一種可供選擇的光源。

在測(cè)量或定量從光源發(fā)射出的紫外線光子的數(shù)量(能量)以及入射到水體中的紫外線劑量方面，由于UV-LED具有和汞燈不同的幾何結(jié)構(gòu)，需要研究適合的測(cè)量和計(jì)算方法。有學(xué)者提出，類似于紫外線汞燈的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法，建立UV-LED的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[4，5]。我們贊同建立這樣的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，這只是幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的幾何光學(xué)計(jì)算，并不是UV-LED發(fā)射出的紫外光子與汞燈發(fā)射出的紫外光子有區(qū)別。UV-LED有別于汞燈，發(fā)出的波長(zhǎng)可以多種多樣。但那是設(shè)備特性，不是光子的特性。文獻(xiàn)[4]中提出 “相同的光子的消毒效果與光源的特征有關(guān)”，但給出的理論基礎(chǔ)是劑量率不同，并非光子的特征。Song等[4]還提出了以下兩個(gè)紫外線消毒的特性或許與UV-LED的優(yōu)勢(shì)相關(guān)聯(lián)，但只是討論：①紫外線劑量是輻射照度和時(shí)間的乘積，輻射照度很低時(shí)，很可能劑量和消毒效果的對(duì)應(yīng)偏離了現(xiàn)有理論；②細(xì)菌對(duì)波長(zhǎng)的吸收波峰偏離DNA的吸收波峰較遠(yuǎn)(見(jiàn)表2)。

2.2 UV-LED與紫外線汞燈的參數(shù)對(duì)比

紫外線是一種有效的消毒手段，在飲用水、市政排水、空氣消毒等方面已經(jīng)得到了廣泛使用。傳統(tǒng)的紫外線光源是低壓和中壓汞燈，前者放出單一波長(zhǎng)，后者放出多波長(zhǎng)[11]。表3是UV-LED和汞燈的一些參數(shù)的對(duì)比。汞燈具有含汞、易碎、啟動(dòng)電壓大等不足，UV-LED具有體積小、低啟動(dòng)電壓、無(wú)需鎮(zhèn)流器、抗沖擊和震動(dòng)的特點(diǎn)，且不含汞[5,20-24]。溫度影響UV-LED的紫外線輸出的研究，文獻(xiàn)中存在有影響[5，14]和無(wú)影響[6, 25]兩種對(duì)立的觀點(diǎn)。目前UV-LED在光電轉(zhuǎn)換效率、壽命、成本方面還落后于汞紫外線燈。有研究人員將高效率和長(zhǎng)壽命列為DUV-LED的優(yōu)勢(shì)[5，21，23]，以目前來(lái)看，這可能只是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

表3 汞燈和UV-LED參數(shù)對(duì)比(參考了文獻(xiàn)[5, 14]，本文做了補(bǔ)充和修改)

2.3 UV-LED獨(dú)有的特性

1)波長(zhǎng)特性。UV-LED的特點(diǎn)是發(fā)射光線的波長(zhǎng)范圍較窄，在10～15 nm(FWHM)，近似于單波長(zhǎng)紫外線發(fā)射[26，27]。不同規(guī)格的UV-LED發(fā)射特定的波長(zhǎng)。這有利于根據(jù)不同微生物的特征吸收波長(zhǎng)選擇特定波長(zhǎng)的UV-LED。有報(bào)告指出，對(duì)于MS2 colophages，在相同輻射劑量(60 mJ/cm2)照射下，265 nm、275 nm和285 nm的滅活率分別為5-log、4.2-log和2.8-log[24]。另一方面，理論上一般認(rèn)為中壓紫外線燈發(fā)射出的不同波長(zhǎng)的紫外線的聯(lián)合效應(yīng)有利于消毒效果。但由于其發(fā)射的光譜是固定的，很難研究、識(shí)別確認(rèn)波長(zhǎng)之間的協(xié)同作用。而UV-LED提供了不同波長(zhǎng)紫外線自由組合的空間。在研究和應(yīng)用兩方面，為紫外線消毒提供了新的潛力領(lǐng)域。Chevremont等[28]研究了組合多種UVA和UVC波長(zhǎng)的UV-LED對(duì)mesophilic細(xì)菌的滅活，Nakahashi[29]研究了280 nm/365 nm組合對(duì)Vibrio parahaemolyticus的滅活，Song等[30，31]研究了265 nm/365 nm組合對(duì)E.coli、MS2的滅活，均顯示了良好的協(xié)同效用。但Beck等[32]研究了260 nm/280 nm組合對(duì)E.coli、MS2、Adenovirus 2、Bacillus pumilus Spores的滅活，Li等[20]研究了260 nm/280 nm組合對(duì)E.coli 的滅活，Oguma等[33]研究了265 nm、280 nm、310 nm波長(zhǎng)UV-LED的組合對(duì)E.coli的滅活，Miklos等[24]也研究了不同波長(zhǎng)UV-LED的組合，都沒(méi)有觀察到協(xié)同作用，甚至有的組合會(huì)減弱消毒效果。Xiao等[34]研究了UVA和UVC組合消毒，不同的微生物有不同的反應(yīng)，消毒效果有增強(qiáng)也有減弱，他們的研究的最大增強(qiáng)達(dá)到了1.4倍，并且觀察到抑制光復(fù)活的效果。Li等[20]發(fā)現(xiàn)，和265 nm紫外線相比，280 nm滅活后的E.coli再?gòu)?fù)活明顯減弱。這可能是280 nm光子可以破壞修復(fù)酶。這顯示UV-LED提供的不同波長(zhǎng)組合的潛力還有待于進(jìn)一步研究。很可能特定微生物對(duì)特定波長(zhǎng)組合有較強(qiáng)反應(yīng)。

2)可脈沖照射特性。紫外線汞燈的開(kāi)燈需要預(yù)熱時(shí)間，而且頻繁性開(kāi)、關(guān)會(huì)影響燈的壽命。在這方面，UV-LED具有其優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)行脈沖照射。有很多研究報(bào)告證實(shí)紫外線脈沖照射可以增強(qiáng)消毒效果[35，36]。傳統(tǒng)的脈沖紫外線源是氙燈，對(duì)消毒有促進(jìn)作用。在這方面有許多研究報(bào)告[37-40]，但波長(zhǎng)和脈沖時(shí)間等參數(shù)都是相對(duì)固定的。而UV-LED可以自由調(diào)節(jié)。因此，UV-LED在這方面有很大的潛力[35, 38, 41-43]。脈沖照射有增強(qiáng)消毒效果[44，45]和沒(méi)有增強(qiáng)效果[46-48]，都有許多研究報(bào)告。有報(bào)告顯示脈沖照射可以減少熱量的釋放[47，48]。

3 紫外線消毒的微生物實(shí)驗(yàn)和消毒劑量

不同的微生物對(duì)于紫外線的抵抗性有所不同。表4給出了紫外線消毒的微生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示，在劑量上傳統(tǒng)汞燈和UV-LED在類似的數(shù)量級(jí)水平。這符合紫外線消毒只和接受到的光子的特性有關(guān)，與發(fā)射光子的光源自身并不關(guān)聯(lián)[20，32]。但是在劑量的計(jì)算方面，后文將要介紹，UV-LED的輻射輸出的計(jì)算是尚待解決的理論和測(cè)量問(wèn)題。相關(guān)文獻(xiàn)中計(jì)算和使用的劑量值可能涉及測(cè)量和計(jì)算方法，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的評(píng)估不一致[19，49，50]。例如，不同文獻(xiàn)報(bào)道的SARS冠狀病毒(SARS-CoV)的紫外線滅活劑量相差很大：162 mJ/cm2(6個(gè) log減少)[51]，1445.76 mJ/cm2(4.5個(gè) log減少)[52]和120.6 mJ/cm2(5個(gè) log減少)[53]。文獻(xiàn)[25]報(bào)道，發(fā)射266 nm紫外線的UV-LED消毒的效果達(dá)到了僅0.1 mJ/cm2即可使EscherichiacoliO157:H7 減少4個(gè)log。這個(gè)數(shù)據(jù)和表4中的數(shù)據(jù)相差很大。但該文中對(duì)消毒劑量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算過(guò)程沒(méi)有詳細(xì)的介紹。

表4 三種微生物的紫外線消毒劑量(mJ/cm2/減少1個(gè)log)

由于不同微生物對(duì)紫外線有不同反應(yīng)，理論上，應(yīng)以對(duì)紫外線抵抗力最強(qiáng)的病原菌確定消毒劑量。實(shí)際紫外線消毒反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，研究微生物數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，對(duì)于特定消毒對(duì)象，需要制定針對(duì)性的消毒效果指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于水體消毒，國(guó)家或行業(yè)組織根據(jù)水體特征設(shè)立了紫外線消毒劑量標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。對(duì)于空氣消毒，制定相應(yīng)的劑量標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)地較為困難。文獻(xiàn)[55]中列出了300多組微生物在不同生存環(huán)境中(水、空氣、表面)的紫外線消毒數(shù)據(jù)，但并沒(méi)有能夠?qū)諝夂捅砻嫦局贫ㄖ笇?dǎo)劑量。目前研究較多的是醫(yī)療機(jī)構(gòu)的空氣消毒[56]。文獻(xiàn)[57]中在討論醫(yī)療環(huán)境(空氣和表面)紫外線消毒時(shí)，認(rèn)為“需要多干凈”是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題。我國(guó)分別以細(xì)菌滅活及紫外線燈的空間的分布為指標(biāo)制定了一些紫外線空氣消毒的標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表6。

表5 各種標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置的紫外線消毒劑量

表6 紫外線空氣消毒相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)信息

4 UV-LED紫外輻射的測(cè)量與計(jì)算

1)測(cè)量方面。目前UV-LED消毒效果評(píng)估的主要瓶頸是沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的或標(biāo)準(zhǔn)的方法測(cè)量UV-LED的紫外線輸出量[4]。對(duì)于低壓紫外線汞燈，國(guó)際紫外線協(xié)會(huì)提出了燈的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[60，61]和劑量驗(yàn)證的平行光設(shè)備方法[62-63]。對(duì)于UV-LED紫外線輸出量，雖然有一些研究報(bào)告，例如， Kheyrandish等[64]以輻照計(jì)多角度測(cè)量的方法試圖建立一個(gè)UV-LED評(píng)估規(guī)程(protocol)，宋立等[65]提出了UV-LED紫外輻射通量測(cè)量解決方案。但目前還沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)去測(cè)量。在劑量的生物驗(yàn)證方面，對(duì)UV-LED的消毒效果，以汞燈為光源的平行光設(shè)備方法仍然是適用的[23]。本文建議對(duì)于非254 nm波長(zhǎng)的劑量驗(yàn)證可標(biāo)注為“相當(dāng)于254 nm的劑量”，也可以直接用UV-LED作為平行光設(shè)備的光源[66-69]，但相關(guān)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性需進(jìn)一步確認(rèn)，并得到領(lǐng)域的認(rèn)可。

2015年，國(guó)際紫外線協(xié)會(huì)開(kāi)始了建立UV-LED紫外線輸出量測(cè)量規(guī)程的工作[70]。2019年，Sholtes等[71]發(fā)表了相關(guān)規(guī)程的研究成果。在這個(gè)規(guī)程中，UV-LED被視為一個(gè)點(diǎn)源，四周各方向均勻發(fā)射，即

(2)

按照輻射強(qiáng)度的定義，有

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)，

I=Ed2

(4)

這里P是輻射的總紫外線能量，I是輻射強(qiáng)度，E是輻射照度，d是探頭和UV-LED之間的距離。式(4)是文獻(xiàn)[71，72]中的公式。通過(guò)測(cè)量一定距離處的輻射照度，即可計(jì)算出輻射強(qiáng)度。Sholtes等[71]提到：化學(xué)曝光計(jì)對(duì)于沒(méi)有濕化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，比較難以實(shí)現(xiàn)，因此尋求建立以光電測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量的規(guī)程。化學(xué)曝光計(jì)直接測(cè)量UV-LED應(yīng)該是優(yōu)選項(xiàng)[67，73-75]。化學(xué)曝光計(jì)是根據(jù)液體中化學(xué)成分在紫外線照射前后的變化確定紫外線劑量，常用的是KI/KIO3，相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍在330 nm以下[76，77]。

2)計(jì)算方面。UV-LED芯片發(fā)光面積很小，是從一個(gè)面上發(fā)光的點(diǎn)光源，遵循Diffuse輻射模型[78]。由于封裝結(jié)構(gòu)的不同，在芯片封裝后，UV-LED從發(fā)射窗發(fā)射出的紫外線的輻射模式也有所不同,差異也很大[5]。因此，在計(jì)算UV-LED周圍的輻射場(chǎng)時(shí)，必須針對(duì)具體的UV-LED結(jié)構(gòu)建立發(fā)射和計(jì)算模型。Sholtes等[71]提議的測(cè)量規(guī)程是以式(4)為基礎(chǔ)。但在理論上，它只是各種輻射模式之一，對(duì)于UV-LED，這一模式并不是所有學(xué)者都同意[79]。我們認(rèn)為作為點(diǎn)源的UV-LED只向表面以上的半球各向均勻發(fā)射，即式(2)中的右側(cè)的分母中的4應(yīng)該改成2。 文獻(xiàn)[73,74]中分別根據(jù)不同的輻射模式及幾何光學(xué)對(duì)UV-LED的輻射場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。Keshavarzfathy等[75]通過(guò)解輻射傳輸方程，對(duì)UV-LED的輻射場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并以輻照計(jì)和化學(xué)曝光計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。因此，在UV-LED計(jì)算領(lǐng)域亟需國(guó)際紫外線協(xié)會(huì)協(xié)調(diào)推出統(tǒng)一的規(guī)程[70]。在應(yīng)用中，UV-LED的功率很小，必須有多個(gè)燈珠合理排列。目前為止，在UV-LED的輻射模式和優(yōu)化排列方面的計(jì)算研究很少[5]。

5 UV-LED在消毒領(lǐng)域的應(yīng)用潛力

雖然目前UV-LED的輸出功率和光電轉(zhuǎn)化效率有待提高，由于其電學(xué)特性、體積小、光源的非中心化、不含有害物質(zhì)，在消毒領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。在水消毒方面，應(yīng)用于家庭或交通工具(航天器、潛艇、探險(xiǎn)船只)的小規(guī)模水量消毒是可期待的，可以通過(guò)增加照射時(shí)間達(dá)到需要的劑量[80-84]。在空氣消毒方面，由于UV-LED功率小，不適合布局室內(nèi)直接照射[59](見(jiàn)GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》)?？梢詫V-LED應(yīng)用于空氣消毒機(jī)，強(qiáng)制空氣從UV-LED附近流過(guò)。目前的GB 28235—2011《紫外線空氣消毒器安全與衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》是以白色葡萄球菌的殺滅率作為紫外線空氣消毒器的效果指標(biāo)。但這個(gè)指標(biāo)對(duì)空氣消毒器設(shè)計(jì)不具有直接的指導(dǎo)意義。在表面消毒方面，UV-LED與傳統(tǒng)紫外線燈不是互相替代的關(guān)系，而是由于其體積小、低電壓及低能耗的特點(diǎn)，在新的消毒領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，如餐具、智能門指紋識(shí)別窗、電梯和門鈴按鈕，或便攜式紫外消毒器等。

在技術(shù)上，一方面半導(dǎo)體照明領(lǐng)域?qū)V-LED深入研究，提高其性能，降低其價(jià)格。另一方面，在紫外線消毒領(lǐng)域，UV-LED紫外線輸出量和周圍輻射場(chǎng)的測(cè)量和計(jì)算方法亟待技術(shù)突破。消毒效果取決于到達(dá)微生物身體的光子數(shù)量。因此，劑量率是紫外線消毒器的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)。例如，在空氣消毒時(shí)，為達(dá)到GB 28235—2011的要求，可實(shí)驗(yàn)測(cè)量劑量與白色葡萄球菌殺滅率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而計(jì)算出空氣消毒器需要提供的劑量率。技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)于空氣消毒器內(nèi)部輻射場(chǎng)的測(cè)量和計(jì)算，定量地了解UV-LED發(fā)出的紫外線的特性。更廣泛地，紫外線消毒是傳統(tǒng)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，積累有各種微生物與消毒劑量的關(guān)系數(shù)據(jù)，消毒理論已經(jīng)相對(duì)完善。UV-LED進(jìn)入消毒領(lǐng)域，只是對(duì)紫外消毒光源的一次變更。只要了解了UV-LED提供的輻射場(chǎng)，即可根據(jù)已有的理論和紫外線消毒數(shù)據(jù)進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)消毒反應(yīng)器。目前，《關(guān)于汞的水俁公約》對(duì)含汞燈只是限制了含汞量，紫外線汞燈并沒(méi)有列入實(shí)質(zhì)性的限制清單。如果UV-LED僅以替代汞燈為目的，將很難替代汞燈。現(xiàn)階段，UV-LED的研發(fā)和應(yīng)用要以發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)為重點(diǎn)。例如，單顆UV-LED的發(fā)射功率很小，但發(fā)光面積也很小，單位面積上發(fā)射出的紫外線能量和傳統(tǒng)紫外線汞燈是相當(dāng)?shù)摹?yōu)化排列UV-LED燈珠，在小規(guī)模消毒方面有優(yōu)勢(shì)。波長(zhǎng)的多樣性和可脈沖照射是UV-LED特有的屬性，為消毒領(lǐng)域提供了可選擇的新手段。

UV-LED的主要增長(zhǎng)點(diǎn)將在表面/空氣殺菌凈化、靜止水殺菌、流動(dòng)水殺菌等領(lǐng)域。紫外線消毒只是UV-LED的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)UV-LED在粘結(jié)、印刷涂層[85]、DNA分析[86]、光譜傳感器[87]、氣體傳感器[88]、半導(dǎo)體工業(yè)的計(jì)量和過(guò)程控制[89]等方面都有應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，UV-LED的成本不斷下降，但當(dāng)前仍需提高性能、降低成本，才能滿足更多市場(chǎng)應(yīng)用的需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，UV-LED最主要的技術(shù)障礙是外量子效率(EQE)過(guò)低，閆建昌等[90]認(rèn)為其“有望進(jìn)一步提升到25%”。EQE達(dá)到這個(gè)數(shù)值，且電功率提升、價(jià)格降低后，UV-LED在紫外線消毒領(lǐng)域內(nèi)，將成為小規(guī)模消毒的主要光源。UV-LED提供了新的光源，但紫外線消毒現(xiàn)有的理論和應(yīng)用體系并沒(méi)有發(fā)生太多的改變。因此，從研究方向上，沒(méi)有必要用UV-LED光源重復(fù)研究紫外線滅菌消毒的劑量曲線，而只需深入研究測(cè)量評(píng)估UV-LED的紫外線輸出量的方法，準(zhǔn)確掌握UV-LED的紫外線輸出量和環(huán)境接收到的紫外線劑量。