⚾️ 🔠 🏹 紫外线：有效的消毒和安全性 👨🏾‍🔧 👨🏼‍🎓 👢

紫外线的性质取决于波长，不同来源的紫外线的光谱也不同。我们将讨论哪些紫外线辐射源以及如何使用，以最大程度地发挥杀菌作用，最大程度地降低不良生物效应的风险。

图。 1.该照片并未像您想象的那样显示对UVC的消毒，而是对使用防护服的训练以及对UVA射线中训练体液的发光点的检测。 UVA是一种柔和的紫外线，不具有杀菌作用。闭眼是安全的措施，因为使用的各种UVA荧光灯都与UVB相交，这对视力有害（来源Simon Davis / DFID）。

可见光的波长对应于量子的能量，在该能量处光化学作用正变得可能。可见光的量子激发特定光敏组织-视网膜中的光化学反应。
紫外线是不可见的，它的波长更短，量子的频率和能量更高，辐射更硬，光化学反应和生物学效应的多样性更大。

紫外线的不同之处在于：

与可见光，长波/柔和/接近UVA（400 ... 315 nm）的性质接近；
中等硬度-UVB（315 ... 280 nm）;
短波/远/硬-UVC（280 ... 100 nm）。

紫外线的杀菌作用

杀菌作用是由硬紫外线-UVC施加的，在较小程度上是中等硬度的紫外线-UVB施加的。杀菌效果曲线表明，清晰的杀菌效果只有230 ... 300 nm的狭窄范围，即所谓的紫外线范围的四分之一。

图。2 [ CIE 155：2003 ]的杀菌效率曲线

波长在此范围内的量子被核酸吸收，从而导致DNA和RNA结构的破坏。除了具有杀菌作用（即杀死细菌）之外，该范围还具有杀病毒（抗病毒），杀真菌（杀真菌）和杀孢子（杀灭孢子）作用。这包括杀死2020年引起大流行的RNA病毒SARS-CoV-2。

阳光的杀菌作用

阳光的杀菌作用相对较小。让我们看一下大气之上和之下的太阳光谱：

图。3.大气层上方和海平面的太阳辐射光谱。紫外线范围中最困难的部分没有到达地球表面（从维基百科借来的）。

值得关注的是黄色突出显示的高于大气的光谱。波长小于240 nm的高于大气的太阳光光谱的左边缘的量子能对应于O2氧分子中的5.1 eV的化学结合能。分子氧吸收这些量子，化学键断裂，形成原子氧“ O”，再结合回氧分子“ O2”，并部分结合成臭氧“ O3”。

太阳大气层上方的UVC在高层大气中形成臭氧，称为臭氧层。臭氧分子中的化学键能低于氧分子中的化学键能，因此，臭氧吸收的量子量少于氧气。如果氧气仅吸收UVC，则臭氧层吸收UVC和UVB。事实证明，太阳在光谱的紫外线部分的最边缘处产生臭氧，然后该臭氧吸收大部分坚硬的太阳紫外线辐射，从而保护地球。

现在，注意波长和规模，太阳光谱与杀菌作用的光谱兼容。

图。 4杀菌作用的光谱和太阳辐射的光谱。

可以看出，日光的杀菌作用可忽略不计。能够发挥杀菌作用的光谱部分几乎完全被大气吸收。在一年中的不同时间和不同的纬度，情况略有不同，但在质量上相似。

紫外线危害

一个主要国家的负责人建议：“要治愈COVID-19，您需要将阳光传递到体内。” 但是，杀菌紫外线会破坏包括人类在内的RNA和DNA。如果您“将阳光传递到体内”-一个人将会死亡。

表皮主要是死细胞的角质层，可保护活组织免受UVC侵害。在表皮层之下，只有不到1％的UVC辐射穿透[WHO]。较长的波UVB和UVA可以穿透到更大的深度。

如果没有太阳紫外线，也许人们将没有表皮和角质层，并且身体表面就像蜗牛一样粘液。但是由于人类是在阳光下进化的，因此只有免受阳光照射的表面才是粘液。最易受伤害的是眼睛的粘液表面，有条件地保护其免受紫外线的侵害，持续了几个世纪，睫毛，眉毛，面部运动以及不看太阳的习惯。

当他们第一次学会用人工眼镜代替镜片时，眼科医生面临着视网膜灼伤的问题。他们开始了解原因，并发现用于紫外线辐射的活人晶状体是不透明的，可以保护视网膜。之后，使人造透镜对紫外线不透明。

紫外线中的眼睛图像说明了镜片对于紫外线的不透明度。用紫外线照亮自己的眼睛是不值得的，因为随着时间的流逝，镜片会变得浑浊，包括由于多年积累的紫外线辐射剂量而需要更换。因此，我们将利用勇敢的人们忽略安全，在365 nm处发出紫外线手电筒并将其结果发布到YouTube上的经验。

图。 5来自YouTube频道“ Kreosan”的视频中的帧。

365nm发光紫外线手电筒（UVA）很受欢迎。成人买的，但不可避免地落入儿童的手中。孩子们会小心地照亮这些灯笼，并长时间检查发光的晶体。需要采取这样的措施来防止。如果发生这种情况，可以使人放心，小鼠研究中的白内障肯定是由UVB透镜的照射引起的，但是UVA的致癌作用是不稳定的[ WHO ]。
然而，尚不清楚镜片上紫外线辐射的确切光谱。而且，如果您认为白内障是一种非常延迟的效果，则需要一定的头脑，以免提前发出紫外线。

眼睛的粘膜在紫外线下相对较快地发炎，这被称为光性角膜炎和光性结膜炎。粘膜变成红色，并出现“眼中的沙”感。几天后效果消失，但是反复灼伤会导致角膜混浊。

引起这些效应的波长大约与光生物学安全标准[IEC 62471]中给出的加权紫外线危害函数相对应，并且与杀菌作用范围大致重合。

图。 6源自[ DIN 5031-10 ]的引起光结膜炎和角膜炎的紫外线辐射光谱，以及来自[ IEC 62471 ] 的光化性紫外线对皮肤和眼睛的危害的加权函数。

光性角膜炎和光性结膜炎的阈值剂量为50-100 J / m ²，该值不超过用于消毒的剂量。用紫外线消毒眼睛的粘膜，而不引起发炎，将不会起作用。

红斑，即“晒伤”是危险的紫外线，波长范围最大为300 nm。根据某些资料，在约300 nm波长处红斑的最大光谱效率[ WHO ]。对于不同皮肤类型，引起几乎没有明显红斑的MED（最小红斑剂量）的最小剂量范围为150至2000 J / m²。对于中频带的居民，典型的MED可以认为约为200 ... 300 J / m ²。

UVB在280-320 nm范围内，最大约300 nm，会引起皮肤癌。没有阈值剂量，更多的剂量-更高的风险，并且效果被延迟。

图。7紫外线曲线导致红斑和皮肤癌。

光诱导的皮肤衰老是由200至400 nm整个范围内的紫外线辐射引起的。有一张众所周知的卡车司机的照片，他的车轮主要从左侧受到紫外线辐射。驾驶员习惯于将驾驶员的车窗朝下驾驶，但挡风玻璃可保护面部右侧免受太阳紫外线的伤害。左右两侧的皮肤年龄差异令人印象深刻：

图。8驾驶员驾驶窗户[ Nejm ] 向下行驶28年的照片。

如果我们粗略估计此人面部两边的皮肤年龄相差二十年，并且这是由于以下事实：在大约同一二十年中，面部的一侧被太阳照亮，而另一侧没有被阳光照亮，我们可以得出谨慎的结论，即公开的一天是一天老皮肤。

根据参考资料[ WHO ]，已知在夏季中纬度地区，在直射阳光下，夏季的最小红斑剂量为200 J / m ^2。打字速度超过一个小时。将这些数字与得出的结论进行比较，我们可以得出另一个结论-使用紫外线灯进行定期和短期的皮肤老化不会带来重大危险。

消毒需要多少紫外线

随着紫外线辐射剂量的增加，表面和空气中存活的微生物数量呈指数下降。例如，杀死90％的结核分枝杆菌的剂量为10 J / m ²。这样的两剂杀死99％，三剂杀死99.9％，依此类推。

图。 9存活的结核分枝杆菌的比例取决于波长为254 nm的紫外线辐射的剂量。

指数关系值得注意，因为即使是小剂量也能杀死大多数微生物。

在[ CIE 155：2003 ]中列出的病原微生物中，沙门氏菌对紫外线具有最强的抵抗力。杀死90％细菌的剂量为80 J / m ²。根据综述[Kowalski2020]，杀死90％冠状病毒的平均剂量为67 J / m ²。但是对于大多数微生物来说，该剂量不超过50 J / m ²。出于实际目的，您可以记住，以90％的效率进行消毒的标准剂量为50 J / m ²。

根据俄罗斯卫生部当前批准的使用紫外线进行空气消毒的方法[ R 3.5.1904-04 ]，手术室，妇产医院等的最高消毒效率要求为“ 三九 ”或99.9％。用于学校课程，公共建筑等足够的“九分之一”，即90％的被破坏微生物。这意味着根据场所的类别，一到三个标准剂量的50 ... 150 J / m ²足够了。

评估所需暴露时间的示例：例如，有必要在5×7×2.8米的房间中对空气和表面进行消毒，为此使用了一个Philips TUV 30W开灯。

在灯的技术说明中，指示的杀菌通量为12 W [ TUV]。在理想情况下，整个流严格地流向已消毒的表面，但是在实际情况下，流的一半将无益地损失，例如，它将过度强烈地照亮灯后的墙。因此，我们将依靠6瓦的有用电流。房间地板中被辐照表面的总面积为35 m ² +天花板² m为35 m +墙壁为67 m ²，总计为137 m ²。

平均而言，杀菌辐射的通量为6 W / 137 m ² = 0.044 W / m ²落在表面上。在一个小时（即3600秒）内，这些表面上必须发生0.044 W / m ² ×3600 s = 158 J / m ²或圆形150 J / m ²的剂量。这相当于三个标准剂量的50 J / m ²或“三个九” – 99.9％的杀菌效力，即操作要求。而且，由于计算出的剂量在掉落到地面之前已经穿过房间的整个空间，因此空气的消毒效率也不低。

如果无菌要求很小，并且“九分之一”就足够了，那么考虑的示例要求的暴露时间要短三倍-向上舍入到20分钟。

防紫外线

紫外线消毒过程中的主要保护措施是离开房间。靠近工作中的紫外线灯，但视线无济于事，无论如何，都会照射粘膜眼睛。

保护玻璃的部分措施可能是保护眼睛的粘膜。明确的说法“玻璃不通过紫外线”在某种程度上是不正确的，并且不同品牌的玻璃也不同。但是通常，随着波长的减小，透射率降低，UVC仅通过石英玻璃有效地透射。眼镜在任何情况下都不是石英。

我们可以自信地说，它们不会进入标有UV400的眼镜的紫外线镜片中。

图。10折射率为UV380，UV400和UV420的眼镜玻璃的透射光谱。现场图片[ Mitsuichemicals ]

也是一种保护措施，即使用不会释放潜在危险但对消毒无效的UVC范围的UVC和UVA。

紫外线源

紫外线二极管

最常见的365 nm紫外线二极管（UVA）用于“警察手电筒”，该二极管会发光以检测没有紫外线的情况下不可见的污染物。不能用这种二极管消毒（见图11）。
为了进行消毒，可以使用波长为265 nm的短波UVC二极管。代替汞杀菌灯的二极管模块的成本比灯的成本高三个数量级，因此在实践中不使用这种大面积消毒的解决方案。但是紫外线二极管上有紧凑型设备，可对小区域进行消毒-工具，电话，皮肤受损的地方等。

低压汞灯

低压汞灯是比较所有其他来源的标准。
放电中低压汞蒸气的辐射能大部分位于254 nm的波长下，非常适合消毒。一小部分能量以185 nm的波长发射，从而大量产生臭氧。并且在其他波长（包括可见光范围）内发射的能量非常少。

在普通的白光汞荧光灯中，灯泡的玻璃不传输由汞蒸气发出的紫外线。但是荧光粉是烧瓶壁上的白色粉末，在紫外线的影响下会在可见光范围内发光。

UVB或UVA灯的排列方式类似，玻璃灯泡不会通过185 nm的峰值和254 nm的峰值，但是磷光体在短波紫外线辐射的作用下不会发出可见光，而会发出长波紫外线。这些是技术灯。而且，由于UVA灯的光谱类似于太阳能，因此此类灯也用于鞣制。光谱与杀菌效率曲线的比较表明，使用UVB灯，尤其是UVA灯进行消毒是不切实际的。

图。 11杀菌效率曲线，UVB灯光谱，UVA鞣制灯光谱和365 nm二极管光谱的比较。灯的光谱取自美国涂料制造商协会[ Paint ]的网站。

请注意，UVA荧光灯的光谱很宽，可以捕获UVB范围。 365 nm二极管的光谱要窄得多，是“诚实的UVA”。如果需要UVA来诱导发光以进行装饰或检测污染，则使用二极管比使用紫外线荧光灯更安全。

UVC低压汞杀菌灯与荧光灯的不同之处在于，烧瓶壁上没有荧光粉，灯泡通过了紫外线。始终跳过254 nm的主线，可以将185 nm的臭氧发生线留在灯的光谱中，或通过具有选择性透射率的玻璃烧瓶将其除去。

图。 12发射范围显示在UV标记上。 UVC杀菌灯可通过灯泡上不存在荧光粉来识别。

臭氧具有附加的杀菌作用，但它是一种致癌物质，因此，为了在消毒后不等待臭氧老化，请使用光谱范围不超过185 nm的非臭氧形成灯。这些灯具有近乎完美的光谱-主线具有254 nm的高杀菌效率，在紫外线的非杀菌范围内非常弱的辐射以及在可见范围内很小的“信号”辐射。

图。 13. UVC低压汞灯的光谱（由lumen2b.ru提供）与太阳辐射的光谱（来自Wikipedia）和杀菌功效曲线（来自ESNA照明手册[ ESNA ]）结合在一起。

杀菌灯发出的蓝色光使您可以看到水银灯已打开并且正在工作。辉光微弱，这会产生误导性的印象，即可以安全地查看灯泡。我们不认为UVC范围内的辐射是灯消耗的总功率的35％... 40％。

图。 14汞蒸气的辐射能的一小部分在可见范围内，可见为淡蓝色。

低压杀菌汞灯具有与常规荧光灯相同的灯头，但是长度不同，因此杀菌灯不会插入普通灯中。除尺寸外，用于杀菌灯的照明灯的特征在于，所有塑料部件均具有抗紫外线辐射的能力，来自紫外线的导线是封闭的，没有漫射器。

为了满足家庭杀菌需求，作者使用了15 W杀菌灯，该灯以前用于对水培植物的营养液进行消毒。可根据要求“ Aquarium uv sterilisator”找到其类似物。灯泡工作时，会释放出臭氧，虽然不好，但可用于消毒鞋子等。

图。15低压汞灯，带有各种类型的鞋底。来自Aliexpress网站的图像。

中高压汞灯

汞蒸气压的增加使光谱复杂化，光谱扩大并且其中出现更多的线，包括在产生臭氧的波长处。在汞中引入添加剂会导致光谱更加复杂。这种灯的种类很多，并且每种的光谱都是特殊的。

图。16中高压汞灯的光谱示例

压力升高会降低灯效率。以Aquafineuv品牌为例，UVC区域中的中压灯已经发出了15-18％的功耗，而不是低压灯的40％。而且，每1瓦UVC助焊剂的设备成本更高[ Aquafineuv ]。
紧凑性抵消了降低的效率和增加的灯成本。例如，对流水进行消毒或在印刷中高速应用的清漆干燥需要紧凑且功能强大的源，单位成本和效率并不重要。但是使用这种灯进行消毒是不正确的。

来自DRL燃烧器和DRT灯的紫外线辐射器

有一种“流行的”方法可以相对便宜地获得强大的紫外线源。停用，但仍出售DRL灯白光125 ... 1000瓦。在这些灯中，外灯泡内有一个“燃烧器”-高压水银灯。它会发出宽带紫外线，该紫外线会被外部玻璃灯泡延迟，但会使壁上的荧光粉发光。如果您打破了一个外部烧瓶，并通过标准扼流圈将燃烧器连接到网络，您将获得一个功能强大的宽带紫外线发射器。

这种临时组装的发射器具有以下缺点：与低压灯相比效率低，杀菌范围之外的紫外线辐射很大，并且在关掉灯后直到臭氧腐烂或消失之前，您不能在房间里呆一段时间。

但是优势无可争辩：低成本，高功率，紧凑的尺寸。优点包括产生臭氧。臭氧可以消毒不会暴露在紫外线下的阴影表面。

图。 17由DRL灯制成的紫外线照射器。除标准飞利浦TUV 30W杀菌灯外，该照片还得到保加利亚牙医的作者的许可使用。

OUFK-01“ Sun”类型的辐照器使用高压汞灯形式的类似紫外线消毒源。

例如，对于流行的“ DRT 125-1”灯，制造商未发布光谱，但文档提供了以下参数：距UVA灯1 m处的辐射强度为0.98 W / m ²，UVB为0.83 W / m ²，UVC-0.72 W / m ²，杀菌通量为8 W，使用后需要使用臭氧进行室内通风[ Lisma]。关于DRT灯和DRL燃烧器之间的区别的直接问题，制造商在他的博客中回答说DRT在阴极上有绿色的绿色涂层。

图。 18宽带紫外线光源是DRT-125灯。

根据已宣布的特性，可以看到宽带光谱在软，中和硬紫外线中具有几乎相等的辐射份额，其中包括捕获产生臭氧的硬UVC。杀菌流量占功耗的6.4％，即效率是低压管灯的6倍。

制造商未发布此灯的光谱，但与某些DRT光谱相同的图像在Internet上流通。原始光源未知，但是UVC，UVB和UVA范围内的能量比与DRT-125灯声明的能量比不符。 DRT的比率大致相等，光谱显示UVB能量是UBC能量的倍数。而且在UVA中它远高于UVB中。

图。 19.弧形高压水银灯的光谱，最经常显示出广泛用于医疗目的DRT-125的光谱。

显然，压力和汞中的添加剂不同的灯发出的光有些不同。同样清楚的是，不知情的消费者倾向于想象产品所需的特性和属性，根据自己的假设获得信心，然后购买商品。特定灯的光谱的公开将引起讨论，比较和结论。

作者曾经购买了带DRT-125灯的OUFK-01装置，并用了几年时间来测试塑料产品的抗紫外线性。他同时照射了两种产品，其中一种是防紫外线塑料的对照，看上去泛黄的速度更快。对于这样的应用，不需要知道确切的频谱形状，仅发射器是宽带才很重要。但是，如果需要消毒，为什么要使用宽带紫外线呢？

OUFK-01的任命表明该辐射器用于急性发炎过程。即，在皮肤消毒的积极作用超过宽带紫外线辐射可能带来的危害的情况下。显然，在这种情况下，最好使用窄带紫外线，在光谱中没有杀菌作用的波长没有其他作用。

空气消毒

紫外线被认为不足以对表面进行消毒，因为光线无法穿透例如酒精穿透的地方。但是紫外线可以有效地消毒空气。

当打喷嚏和咳嗽时，会形成几微米大小的液滴，这些液滴会在空气中悬浮几分钟至几小时[ CIE 155：2003 ]。结核病的研究表明，一滴气雾剂足以感染。

在大街上，由于空气的大量流通和流动，我们处于相对安全的状态，可以驱散并消毒任何人以及任何有时间和太阳辐射的人。即使在地铁中，虽然感染者的比例很小，但每个人的空气总量却很大，良好的通风条件也使感染传播的风险很小。在空气传播疾病大流行中最危险的地方是电梯。因此，应该隔离打喷嚏，并且需要对通风不足的公共区域的空气进行消毒。

循环器

封闭式紫外线再循环器是空气消毒的一种选择。我们将讨论其中一种再循环器-“ Dezar 7”，该再循环器甚至在该州第一个人的办公室就曾被发现。

再循环装置的描述说，它吹百米³每小时并且旨在用于处理与100μm的容积的室³（约5×7×2.8米）。
但是，每小时对100 m ³空气进行消毒的能力并不意味着每小时100 m ³的房间中的空气将得到同样的处理。处理过的空气稀释了脏空气，并以这种形式一次又一次进入再循环器。建立数学模型并计算此过程的有效性很容易：

图。 20紫外线再循环器对没有通风的房间空气中微生物数量的影响。

为了将空气中的微生物浓度降低90％，再循环器需要工作两个小时以上。如果房间没有通风，这是可能的。但是，没有普通的房间里有人和没有通风。例如，[ SP 60.13330.2016 ]规定了每1 m ²的公寓区域每小时通风3 m ³的最低外部空气消耗量。这相当于每小时更换一次完整的空气，从而使再循环器无用。

如果我们考虑的不是完全混合的模型，而是层流射流经过房间中已建立的复杂路径并进入通风的模型，则对其中一种射流进行消毒的使用甚至比完全混合的模型要少。

在任何情况下，UV再循环器仅比打开的窗口有用。

再循环器效率低的原因之一是，每瓦紫外线通量的杀菌作用极小。光束在设备内部通过约10厘米，然后以约k = 0.7的系数从铝反射。这意味着设备内部光束的有效范围约为半米，之后光束将被吸收而无益。

图。21. Youtube上的视频中的一个帧，在该帧上拆卸了再循环器。可见杀菌灯和铝反射表面，其反射紫外线比可见光差很多[ Dezar ]。

在诊所办公室的墙上公开悬挂的杀菌灯，按照医生的时间表打开，效果更好。敞开的灯发出的光线经过几米，首先对空气进行消毒，然后对表面进行消毒。

房间上部的空气辐射器

在经常卧床不起的患者所在的医院病房中，有时会使用紫外线设备，这些设备会辐射天花板下方的循环空气。这种装置的主要缺点是关闭灯的格子，它仅允许沿正好一个方向传播的光线通过，吸收了其余流的90％以上而没有任何好处。

您还可以通过这种辐射器吹入空气，以便同时获得一个再循环器，但是这样做可能不可行，这可能是因为不愿在房间中安装集尘器。

图。 22吸顶式紫外线辐射器，图片来自[ Airsteril ]。

格子保护室内的人免受紫外线的直接照射，但是穿过光栅的水流撞击天花板和墙壁并漫反射，反射系数约为10％。房间里充满了全方位的紫外线辐射，人们收到的紫外线辐射剂量与在房间中度过的时间成正比。

审稿人和作者

审稿人：
Artyom Balabanov，电子工程师，紫外线固化系统开发商；
Rumen Vasilev博士，保加利亚OOD Interluks照明工程师。
Vadim Grigorov，生物物理学家；
集成系统有限责任公司照明工程师Stanislav Lermontov；
Alexey Pankrashkin博士，半导体照明和光子学有限公司“ INTECH Engineering”副教授；
医疗设施照明设计专家Andrey Khramov；
白俄罗斯国家科学院科学与技术研究中心照明测试实验室负责人Vitaliy Tsvirko
作者： Anton Sharakshane博士，第一届MGMU照明工程师兼生物物理学家他们。舍切诺娃

参考文献

参考文献

[Airsteril] www.airsteril.com.hk/en/products/UR460
[Aquafineuv] www.aquafineuv.com/uv-lamp-technologies
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 ULTRAVIOLET AIR DISINFECTION
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Optical radiation physics and illuminating engineering. Part 10: Photobiologically effective radiation, quantities, symbols and action spectra. . . ,
[ESNA] ESNA Lighting Handbook, 9th Edition. ed. Rea M.S. Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000
[IEC 62471] 62471-2013 .
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski et al., 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma] lisma.su/en/strategiya-i-razvitie/bactericidal-lamp-drt-ultra.html
[Mitsuichemicals] jp.mitsuichemicals.com/en/release/2014/141027.htm
[Nejm] www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMicm1104059
[Paint] www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/analytical-series-principles-of-accelerated-weathering-evaluations-of-coatings
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[] youtu.be/u6kAe3bOVVw
[ 3.5.1904-04] 3.5.1904-04
[ 60.13330.2016] 60.13330.2016 , .

UPD：实验性发布的视频文章

紫外线：有效的消毒和安全性