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新冠病毒的大流行激發(fā)工程師們考慮將紫外線(xiàn) (UV) 用于消毒和滅菌產(chǎn)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(chǎn)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(yōu)勢，包括更高的效率、更大的光輸出、更長(cháng)的壽命和更低的壽命成本。 UV-A LED 相對來(lái)說(shuō)易于制造，通過(guò)將藍光 LED 改造成近可見(jiàn)光譜范圍，這在工業(yè)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(guò)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(huì )帶來(lái)許多新的設計挑戰。例如，為保證正常運行，消毒、殺菌產(chǎn)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(gè)設計的重要部分。 本文將簡(jiǎn)要討論紫外線(xiàn)輻射的種類(lèi)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(yōu)勢以及相關(guān)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(shí)例，介紹這些挑戰的解決方案。 為什么要用紫外線(xiàn)來(lái)滅除病原體？ 紫外線(xiàn)輻射適合介于可見(jiàn)光和 X 射線(xiàn)之間的電磁波譜，包括相同能量的高能量短波長(cháng) (400 - 100 nm) 光子。輻射波長(cháng)與頻率成反比：波長(cháng)越短，頻率越高（圖 1）。 
圖 1：在電磁波譜中，紫外線(xiàn)輻射僅低于可見(jiàn)光，波長(cháng)在 100 至 400 nm 之間，分為 A、B、C 三種類(lèi)型。（圖片來(lái)源：加拿大政府）。 根據紫外線(xiàn)輻射與生物材料的相互作用，紫外線(xiàn)被分為三種類(lèi)型：UV-A（400 至 315 nm）、UV-B（314 至 280 nm）、UV-C（279 - 100 nm）。太陽(yáng)會(huì )產(chǎn)生所有這三種紫外線(xiàn)，但人類(lèi)接觸到的紫外線(xiàn)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(huì )穿透臭氧層。不過(guò)，有幾種人工方法可產(chǎn)生這三種紫外線(xiàn)，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(shù)了。傳統產(chǎn)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(cháng)約為 250 - 280 nm 的紫外線(xiàn)優(yōu)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(wú)法復制，所以能限制人受到的紫外線(xiàn)輻射，不會(huì )對人產(chǎn)生任何傷害。 UV 光源 傳統的紫外線(xiàn)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(shí)，汽化金屬的等離子體會(huì )發(fā)光。有些產(chǎn)品采用了熔融石英弧管，激勵其在 185nm UV-C 波長(cháng)時(shí)達到發(fā)射峰值（此外還有一些 UV-A 和 UV-B 發(fā)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(shí)用的紫外線(xiàn)燈光源。（圖片來(lái)源：JKL Components） 與傳統白熾燈相比，汞蒸汽燈效率高、使用壽命長(cháng)；主要缺點(diǎn)是，如果燈泡在正常使用過(guò)程中破裂或廢棄，會(huì )向環(huán)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(guān)鍵優(yōu)勢就像 LED 之于普通照明，具體包括能效、更高的光輸出、更長(cháng)的壽命和更低的壽命成本。此外，雖然在處理 LED 時(shí)仍然必須小心，但它們不會(huì )像汞基光源那樣造成環(huán)境造危害。 UV-C LED 基于藍色 LED 技術(shù)制造。這些產(chǎn)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(cháng)）的發(fā)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(wú)法穿過(guò)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(fā)展成果，現在都用來(lái)提升 UV LED 的功效，而且現在的商用產(chǎn)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(jiàn)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(shí)也推高了成本。制造商通常在規格書(shū)中避免使用功效數字，而是詳細說(shuō)明在給定驅動(dòng)電流和電壓下的光通量，以毫瓦 (mW) 為單位。 UV-C LED 解決方案示例 市場(chǎng)上有幾種商用 UV-C LED 采用能以最佳波長(cháng)輻射的專(zhuān)門(mén)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(fā)射波長(cháng)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(shí)，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(shí)達到峰值。（圖片來(lái)源：OSRAM） 另一個(gè)實(shí)例器件是 Everlight Electronics 的 ELUC3535NUB，一個(gè) 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(gè)陶瓷基體內。該 LED 尺寸為 3.45 x 3.45 mm。（圖片來(lái)源：Everlight Electronics） 對于 SETi/Seoul Viosys 來(lái)說(shuō)，則提供了 CUD5GF1B。這款 LED 是一種 255 nm 發(fā)射器，安裝在陶瓷封裝中，用于表面貼裝，特點(diǎn)是低熱阻。該器件的輻射功率為 7 mW，采用 200 mA/7.5 V 驅動(dòng)電流/電壓。隨著(zhù)溫度的升高，LED 的發(fā)射波長(cháng)只發(fā)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(gè)需要嚴格控制輸出來(lái)確保良好的病毒滅活效果的設備來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)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(lái)源：SETi/Seoul Viosys） 使用 UV-C LED 進(jìn)行設計 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(chǎn)品是不切實(shí)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(jiǎn)單的光源替換。 當選擇 UV-C LED 用于消毒或滅菌時(shí)，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(lái)的空氣進(jìn)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(gè)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(jìn)行設計和制造了。一個(gè)經(jīng)驗法則是考慮每個(gè) LED 的輻射通量，然后將總輻射通量除以該數字，得出每個(gè)產(chǎn)品所需的 LED 數量。 這是一種粗略的簡(jiǎn)化計算法，因為它沒(méi)有考慮到這些輻射通量是如何分布的。兩個(gè)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(gè)是 LED 的“光束角”。 如果將 LED 視為點(diǎn)光源，則其輻照度按照平方反比律下降。例如，如果在距離發(fā)射點(diǎn) 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(shí)并非如此。相反，LED 的特點(diǎn)是一次光學(xué)元件將輻射通量引導至特定的方向。制造商通常會(huì )在規格書(shū)中列出 LED 光束角，具體定義是光線(xiàn)在原點(diǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(lái)源：OSRAM） 決定光束角的關(guān)鍵特性是 LED 芯片與一次光學(xué)器件的尺寸比例。因此，要產(chǎn)生更窄的光束就需要更小的發(fā)射器或更大的光學(xué)器件（或在兩者間進(jìn)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(xué)器件則越大越難制造，從而推高了價(jià)格并限值了光束角控制。 商用 LED 通常在出廠(chǎng)時(shí)已配備了一次光學(xué)器件，因此確定芯片/光學(xué)比值的大小超出了設計工程師的控制范圍。所以，對入選產(chǎn)品光束角度的審核就非常重要，因為兩個(gè)由不同供應商提供且輸出相同的器件可能會(huì )有完全不同的發(fā)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(lái)說(shuō)是一種很好的初始準則，但也會(huì )存在差異源。例如，來(lái)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(xué)設計來(lái)說(shuō)，其輻射強度和質(zhì)量可能會(huì )有很大差異。只有測試入選產(chǎn)品的輸出，才能確定實(shí)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(shí)際發(fā)射數據，工程師就可以計算出需要多少個(gè) LED 以及它們應該如何定位，以便在活動(dòng)區域內產(chǎn)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(jià)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(huì )減小，驅動(dòng)器復雜性也會(huì )降低。其缺點(diǎn)是由于效率低，功能更強大的設備需要更好的熱管理來(lái)確保其長(cháng)使用壽命（高溫會(huì )大大縮短 LED 壽命）。這就需要更大的散熱器，從而導致不能實(shí)現一些預期的成本節約目標。 二次光學(xué)器件的設計導入 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(xué)器件。這些設備將 LED 輸出的 UV-C 光束進(jìn)行準直（產(chǎn)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(shí)，在整個(gè)目標表面的輻照度應該是均勻的（與 LED 排列無(wú)關(guān)），給定的輻照度應該用較少的 LED 來(lái)實(shí)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(shí)現更高的輻照度，如同沒(méi)有采用二次光學(xué)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(xué)器件系統相比，使用二次光學(xué)器件（左）的 UV-C 發(fā)射準直增加了目標區域的輻照度。（圖片來(lái)源：LEDiL） 在實(shí)踐中，使用二次光學(xué)器件的輻照度是不太均勻的，因為即使是最好的產(chǎn)品，其準直也會(huì )因為衍射而不完美（雖然 LED 越小，準直效果越好）。而且，與沒(méi)有二次光學(xué)器件的類(lèi)似設計相比，通常需要對 LED 和二次光學(xué)器件的位置進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的實(shí)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(xué)器件是由不同材料制造的，與可見(jiàn)光 LED 采用的材料不同。常見(jiàn)的解決方案是注塑硅膠部件，它能很好地反射 UV-C 波長(cháng)并允許生產(chǎn)設計復雜的透鏡。鋁制反光板也可以用來(lái)準直 UV-C。使用二次光學(xué)器件時(shí)需要進(jìn)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。 安全預防措施 紫外線(xiàn)雖然不能穿透人體皮膚很深，但被吸收后會(huì )造成如燒傷等短期傷害，產(chǎn)生如皺紋和皮膚過(guò)早老化等長(cháng)期傷害。在極端情況下，紫外線(xiàn)照射會(huì )導致皮膚癌。紫外線(xiàn)對眼睛的危害特別大，可以損害視網(wǎng)膜和角膜。紫外線(xiàn)照射與空氣相互作用時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生臭氧，而高濃度臭氧被認為會(huì )帶來(lái)健康風(fēng)險。 為避免這些危害，設計能限制 UV-C 光暴露并使用戶(hù)無(wú)法直視 LED 的產(chǎn)品是一種良好的實(shí)踐。由于 UV-C 不可見(jiàn)，所以選擇 LED 時(shí)，特意加入一些可見(jiàn)的藍光發(fā)射也是不錯的做法。這樣做可以使 UV-C LED 在打開(kāi)時(shí)變得明顯。 特別是對于 SARS-CoV-2 來(lái)說(shuō)，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(shí)使 UV-C 遠離人們的視線(xiàn)。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(wú)害的、極低水平的 UV-C 照射表面，還能在長(cháng)時(shí)間內提供足夠的照射，從而滅活桌椅、地板和門(mén)把手等表面上的任何病毒。 結語(yǔ) UV-C 輻射可用于使消毒和滅菌產(chǎn)品中像 SARS-CoV-2 這樣的病原體失活。然而，常見(jiàn)的人工 UV-C 光源是汞蒸汽燈，由于含有重金屬，所以處置時(shí)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(wèn)題。一些 UV-C LED 已經(jīng)上市，其發(fā)射峰值波長(cháng)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(fā)揮其優(yōu)勢。如上所述，設計者必須從作用面所需的輻照度切入，反過(guò)來(lái)再計算實(shí)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(xué)器件產(chǎn)生均勻的輻照度，還是利用二次光學(xué)器件對 UV-C 輸出進(jìn)行準直，以獲得最佳形式，并同時(shí)考慮更高復雜性導致的更高成本。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Steven Keeping |
