非典時期，中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所的專家發(fā)現(xiàn)，使用強度大于90μW／cm2的紫外線照射冠狀病毒30分鐘，可以殺滅SARS病毒。《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》中指出，新型冠狀病毒對紫外線敏感。近期研究發(fā)現(xiàn)，新型冠狀病毒與SARS冠狀病毒存在相關性。因此理論上科學合理使用紫外線可有效滅活冠狀病毒。
相比化學殺菌消毒，紫外線的優(yōu)勢是殺菌效率高，滅活一般在幾秒內(nèi)完成，而且不產(chǎn)生其它化學污染物。正因為操作方便，可適用于所有空間，紫外殺菌燈在各大電商平臺成為搶手貨。在一線醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)，它也是重要的殺菌消毒設備。
一般情況下紫外光可被劃分A射線，B射線和C射線(簡稱UVA、UVB和UVC)，波長范圍分別為400-315nm、315-280nm、280-190nm。由于UVA的波長較長，技術門檻較低，UVA-LED首先被用作光固化、印刷等領域。而UVB和UVC則需要更加昂貴和耗時的開發(fā)。目前UVB正在結(jié)合醫(yī)療進行創(chuàng)新，UVC在殺菌和抑菌應用市場受到了極大的認可。
UVC紫外線殺菌消毒的工作原理是破壞微生物細胞的DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）的分子結(jié)構(gòu)，造成生長性細胞和（或）再生性細胞死亡，達到除菌消毒的效果。尤其是240nm-280m波段的紫外線是最有效的除菌消毒波段。所有冠狀病毒都屬于單鏈正鏈RNA病毒。消毒使用的紫外線是UVC，是殺菌作用最強的波段。根據(jù)這一特性，UVC被廣泛應用到空氣、水、物體表面殺菌消毒。
近年來我國紫外LED(UV-LED)技術應用發(fā)展相對迅速，目前深紫外LED(UV LED)在主要應用在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化(水、空氣等)領域、計算機數(shù)據(jù)存儲和軍事等方面。而且隨著技術的發(fā)展,新的應用會不斷出現(xiàn)以替代原有的技術和產(chǎn)品,紫外LED有著廣闊的市場應用前景,如紫外LED光療儀是未來很受歡迎的醫(yī)療器械,但是目前技術還處于成長期。
目前國內(nèi)在研發(fā)及推廣應用深紫外LED存在的問題之一是沒有適用于大規(guī)模生產(chǎn)深紫外LED材料生產(chǎn)的專用設備，即外延生長設備。而深紫外LED電光轉(zhuǎn)換效率過低也是制約其發(fā)展的瓶頸之一。UVC波段深紫外LED商業(yè)化產(chǎn)品的電光轉(zhuǎn)化效率基本在4%以下。導致這一問題從根本上來說是材料限制了發(fā)光效率，主要因素包括外延材料質(zhì)量差、光吸收大、電注入效率低、光提取效率低等。他認為，從材料入手是解決深紫外LED問題的根本，深紫外LED效率提升的空間還很大，需要大量研發(fā)工作的支撐。
深紫外LED要想規(guī)模化商用，務必先提升產(chǎn)品的性能，最關鍵的參數(shù)是輻射效率，10%是第一道門檻。只有商用深紫外LED的輻射效率達到10%以上，才會真正啟動規(guī)模應用；輻射效率達到20%，具備替代低壓汞燈的能力。深紫外LED的輻射效率太低，只有低壓汞燈的1/10，而單位電功率的價格為低壓汞燈的20倍，所以要獲得相同的輻射功率，深紫外LED的成本是低壓汞燈的200倍，在大功率殺菌場合完全無法使用。比如電功率為320W的低壓汞燈，輻射效率30%，紫外功率96W，價格500～1000元。深紫外LED的輻射效率3%，在紫外功率為96W時，需要電功率3200W，封裝器件成本16萬元，加上光學、驅(qū)動和散熱，估計要20萬元，成本是低壓汞燈的200～400倍。
深紫外LED的產(chǎn)品行業(yè)標準遲遲未出也是影響其前行的因素，就如同一個新開放的自由市場，進入的人員很多，賣什么的都有，魚目混珠，產(chǎn)品參差不齊，沒有標準的約束是不可想象的，而擺在自由市場門口的公平秤是保證優(yōu)勝劣汰的有效方式。因此，期望行業(yè)標準盡快出臺。
深紫外LED作為LED家族制造難度非常大的一個門類，需要國家繼續(xù)支持解決關鍵技術問題，鞭策企業(yè)開發(fā)出高輻射效率的產(chǎn)品。如果深紫外LED的效率能做到10%以上，應用會逐漸擴大，特別在食品、小型飲用水設備上，形成技術進步促進應用擴大，從而再推動技術繼續(xù)進步的良性循環(huán)。作為一項新興的技術，市場的需求是技術發(fā)展的最大驅(qū)動力和加速器。目前生產(chǎn)企業(yè)傳來的好消息是產(chǎn)品訂單大幅增加，因此，深紫外LED的上下游企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)應緊緊抓住人們對消毒產(chǎn)品和衛(wèi)生產(chǎn)品需求巨大的機會，利用一切可以利用的資源，實現(xiàn)快速發(fā)展，將深紫外LED做大做強。
日本憑借其在藍光LED領域的先發(fā)優(yōu)勢,在UV-LED方面的進展舉世矚目。尤其是日亞公司,在365nmUV-LED的研究上遙遙領先；美國在深紫外的研究方面領先,但是近年已經(jīng)被日本超越；我國臺灣和韓國起步相對較晚,在該領域也取得了一些進展；國內(nèi)在該領域近年來發(fā)展很快。與藍光不同,目前紫外LED正處于技術發(fā)展期,在專利和知識產(chǎn)權方面限制較少,有利于占領、引領未來的技術制高點。國內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積累,目前正在積極的向應用模塊發(fā)展。在UV-LED形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前,還需要國家的引導和支持,以便在核心技術方面取得先機。
深紫外LED可以廣泛應用于殺毒、消菌、印刷和通信等領域，國際水俁公約的提出，促使深紫外LED的全面應用更是迫在眉睫，但是商業(yè)化深紫外LED不到10%的外量子效率嚴重限制了深紫外LED的應用。AlN材料質(zhì)量是深紫外LED的核心因素之一，AlN薄膜主要是通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的方法異質(zhì)外延生長在c-藍寶石、6H-SiC和Si（111）襯底上，AlN與襯底之間存在較大的晶格失配與熱失配，使得外延層中存在較大的應力與較高的位錯密度，嚴重降低器件性能。與此同時，AlN前驅(qū)體在這類襯底上遷移勢壘較高，浸潤性較差，傾向于三維島狀生長，需要一定的厚度才可以實現(xiàn)融合，增加了時間成本。
從光源來看，目前市場主要以紫外汞燈和深紫外LED為主。紫外汞燈的殺菌原理和三種主流形式
紫外汞燈形式多種，如低壓汞燈，高壓汞燈，無極汞燈等，從波長的角度劃分，其殺菌原理不外乎3種，一種是185nm的汞燈，其可將空氣中的氧氣變成臭氧，利用臭氧的強氧化作用無死角、有效地殺滅細菌，但同時其缺點十分明顯，185nm紫外線殺菌燈產(chǎn)生的臭氧會強烈刺激人的呼吸道，可能會造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽、引發(fā)支氣管炎和肺氣腫等。第二種是254nm的汞燈，主要利用直接照射微生物的DNA和RNA，運UVC波長能破壞微生物染色體的原理來殺菌；第三種是采用UVA波段的紫外線的光觸媒技術。
目前，超五千臺紫外燈具已送達雷神山和火神山醫(yī)院，據(jù)悉，首批紫外燈具包括了數(shù)百臺消費車以及上千支紫外線消毒燈，紫外線消毒車將用于病人的轉(zhuǎn)運，紫外線消毒燈則可應用于手術后各種消毒場景。
而在此次疫情中，除了紫外線消毒車和燈具直擊疫情現(xiàn)場，購買紫外汞燈進行室內(nèi)消毒外，由于口罩緊缺，與公眾相關的、且最多被提及的則是通過紫外線燈法來消毒口罩以延長口罩壽命。
因為價格低廉，技術成熟等因素，目前市場上大部分的水處理，工業(yè)殺菌，醫(yī)院殺菌，室內(nèi)殺菌等產(chǎn)品還主要是汞燈的市場，但從長遠的角度來看，由于《水俁公約》生效，紫外汞燈含汞，未來依然會漸漸退出歷史舞臺。
深紫外LED的消毒體驗現(xiàn)況及與疫情的結(jié)合點
與254nm汞燈的殺菌消毒同理，深紫外LED（UVC LED）主要利用200nm－280nm波段對微生物(細菌、病毒、芽孢等病原體) 的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達到消毒的目的。盡管目前UVC LED還處于剛剛起步階段，其性價比和發(fā)光效率與汞燈相比還有一定距離，但UVC LED憑借安全、環(huán)保、小巧、高效、低耗等性能以及無化學殘留的特性，已經(jīng)在表面便攜式殺菌、母嬰市場、靜態(tài)水處理上得到了比較多的應用。
目前公共場所以及生活用品對健康衛(wèi)生的要求正在不斷提高，而UVC LED正可以在這領域發(fā)揮重要的作用。比如說國星UVC LED與國際知名家電企業(yè)合作的加濕器案例，把UVC LED模組應用在加濕器上，避免了水放置長時間后細菌滋生的情況，確保了家用環(huán)境衛(wèi)生。同時，在餐具、母嬰袋等生活用品，也有不少UVC LED便攜式殺菌消毒產(chǎn)品。而在醫(yī)院，如醫(yī)護人員用到的紅外線體溫計、聽診器、血壓計袖套、手機、眼鏡等也可以通過UVC LED消毒器來完成消毒。
值得關注的是，大部分病毒的RNA結(jié)構(gòu)相對簡單，運用相應劑量的UVC LED可有效殺滅相應的病菌（2019-nCov是由RNA復制，更難處理），尤其是在醫(yī)療環(huán)境下，UVC LED屬于廣譜殺菌，能有效殺滅常見的病毒細菌，是高效便捷的殺菌消毒方案?；旧铣Ｒ姷幕铙w病毒都能高效滅殺，達到相應的照度或者光功率后，幾秒內(nèi)就能滅殺了。但醫(yī)院的紫外燈對于大空間空氣殺毒相對比較慢，但應也不會超過兩個小時。此前非典時期中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所的專家董小平所在的研究小組發(fā)現(xiàn)，SARS病毒對熱輻射和UVC敏感，研究人員應用強度大于90μW／cm2的UVC照射冠狀病毒，30分鐘就可以殺滅SARS病毒。這也是為什么這幾年，更多UVC用在醫(yī)療衛(wèi)生殺毒領域，以及水、空氣處理等方面。
也能很好地解釋，為什么當再次出現(xiàn)重大疫情時，會有那么多和您一樣關注紫外線消毒方法及UVLED在公眾防護方面的作用。根據(jù)新發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎診療快速指南》，75%酒精、乙醚、氯仿、甲醛、含氯消毒劑、過氧乙酸和紫外線均可滅活病毒。
相信在結(jié)合其他防護措施下，UVC能在一定程度上有效防控此次新型冠狀病毒2019-nCov疫情擴散。而UVC LED整個產(chǎn)業(yè)鏈勢必也會加快新型冠狀病毒紫外照射滅菌試驗及研究。
目前來看，針對便攜式殺菌、小家電殺菌產(chǎn)品等，不同的使用環(huán)境，對應UVC LED的光功率、作用時間、以及發(fā)射角度會有所不同，比如對于一些便捷式的小殺菌產(chǎn)品，這類產(chǎn)品主要使用與日常生活的接觸比較多的工具，比如手機餐具等等，這種在使用前采用低光功率的UVC LED（2-5mW）照射幾秒-幾十秒就可以使用；而對于一些殺菌水杯，由于其存在細長型結(jié)構(gòu)，所以UVC LED要設計成60或者30度的發(fā)光角度，以使其照射距離更遠，同時考慮UVC波段在水中的衰減，這種產(chǎn)品，一般均會采用10mW左右的光功率產(chǎn)品；另外在低流速的飲水機上，則光功率基本均需要50-100mW甚至更大，而由于功率越大，成本更高，目前部分廠家會結(jié)合集中手段進行過濾殺菌，只在出水口的最好階段增加UVC LED的殺菌模組，這樣會降低不少成本。
所以，僅從當前來看，在水處理，工業(yè)殺菌，醫(yī)院殺菌，室內(nèi)殺菌等方面仍以紫外汞燈為主，UVC LED則可以在家電、便攜式殺菌消毒上發(fā)揮重要作用，將非常有利于降低和隔離居家、公共場所病毒細菌的擴散。
UVC LED會繼續(xù)往高功率，高光效發(fā)展，波長也會繼續(xù)往低波段的發(fā)展。而對于UVC LED的封裝也提出更高的要求，如何進一步提升散熱和抗紫外特性將會是重要的挑戰(zhàn)。
深紫外LED消殺技術標準體系亟待完善
新冠肺炎疫情讓“消毒”成為高頻詞匯，75%濃度的酒精、84消毒液、免洗洗手液等一度成為緊缺物資。而深紫外LED作為新的消毒方式，也一躍成為當前的熱點。
新冠肺炎疫情的防控中，紫外殺毒是被廣泛認可的一種方式，深紫外LED在公共衛(wèi)生方面的應用前景也受到廣泛關注。
紫外殺菌技術迄今為止已有百余年歷史。據(jù)了解，除了真空紫外，深紫外是紫外波段中波長最短、能量最高的一個波段，具有直接殺菌消毒能力，主要用在水和空氣的凈化、殺菌消毒以及生物探測等方面。
民用和工業(yè)領域消毒殺菌應用的深紫外光源大多是汞燈。由于汞對人類社會和環(huán)境的影響，從今年開始，限定汞使用和排放的國際《水俁公約》正式生效，傳統(tǒng)汞燈將被限制、禁止生產(chǎn)和使用，并逐步退出市場。開發(fā)出一種全新的環(huán)保、高效紫外光源，成為擺在人們面前的一項重要挑戰(zhàn)。
基于氮化鎵第三代半導體材料的深紫外LED成為這一新應用的不二選擇，這一全固態(tài)光源體積小、效率高、壽命長，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。
據(jù)了解，中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所在非典時期就發(fā)現(xiàn)，使用強度大于90μW/cm2 （微瓦特/平方厘米） 的紫外線照射冠狀病毒30分鐘，可以殺滅SARS病毒?！缎滦凸跔畈《靖腥镜姆窝自\療方案（試行第六版）》中指出，新型冠狀病毒對紫外線敏感。吳玲介紹道，在此次疫情防控中，大致有三類深紫外LED產(chǎn)品被廣泛應用：表面殺菌消毒用具，如多功能殺菌儀等；生活類便攜式殺菌器具，如便攜式殺菌棒、殺菌盒等；深紫外LED空氣殺菌凈化類產(chǎn)品，如加濕器、除濕器、壁掛式紫外線消毒殺菌器等。
深紫外LED如果實現(xiàn)對汞燈的替代，就意味著在未來十年，深紫外產(chǎn)業(yè)將會發(fā)展成為一個像LED照明一樣的新的萬億產(chǎn)業(yè)。
但挑戰(zhàn)與機遇同在。深紫外LED是本世紀初才發(fā)明的一項技術，目前還處于產(chǎn)品導入初期，輻射功率、輻射效率、壽命等方面都不盡如人意。產(chǎn)品應用和推廣受限于殺菌消毒效果不直觀，替換現(xiàn)有低壓汞燈產(chǎn)品又受到技術發(fā)展階段的限制，普及起來并不容易。深紫外LED在技術層面仍面臨從核心材料到器件工藝的許多挑戰(zhàn)，技術的突破和進步是市場發(fā)展的根基。
當前迫切需要補齊的是標準缺失短板?，F(xiàn)有的紫外標準都是基于傳統(tǒng)汞燈制定的，紫外LED光源迫切需要從測試到應用的一系列標準。
產(chǎn)業(yè)上下游的團結(jié)協(xié)作才能把深紫外LED這塊“蛋糕”做大。除了完善技術標準體系外，今后還要不斷加大產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)“產(chǎn)學研用”協(xié)同技術攻關力度，從深紫外LED產(chǎn)業(yè)的源頭，層層突破，把產(chǎn)品的性能、可靠性等持續(xù)提升，逐步滿足各種應用的需求，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎技術瓶頸問題。
