紫外线杀菌装置在教室消毒中的应用初探

2022.08.14

张德保　秦碧芳

摘? 要紫外线杀菌具有高效、无二次污染等优势，2019新型冠状病毒疫情发生以来，紫外线杀菌装置开始应用于教室等公共场合，但是如果使用不当，不但不能有效杀菌消毒，而且可能对人的身体健康产生危害。通过对紫外线杀菌原理和产品进行分析，对紫外线杀菌装置在教室中的应用进行讨论，旨在为紫外线杀菌装置正确使用提供参考。

关键词紫外线杀菌装置;新型冠状病毒;教室;紫外线杀菌汞灯;UV-A;UV-B;UV-C;TC224;紫外线杀菌灯;紫外LED

中图分类号：G478.1? ? 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）17-0032-05

1 前言

紫外线存在于太阳光中，但自然光中的紫外线辐照能量有限。人工方式获得的紫外辐射（ultraviolet radia-tion，简称“UVR”）是通过等离子体发光或者固体发光产生的位于紫外波段的电磁波。紫外杀菌技术是医学上最常用和最古老的杀菌消毒技术之一，是用于灭活固体表面、水和空气中病毒和细菌的有效方法，迄今为止已有百余年的历史。早在19世纪，在Downes和Blunt[1]的研究中就提及了紫外线具有消毒杀菌的作用。丹麦科学家Niels Ryberg

Finsen将紫外线应用于医疗健康领域，利用紫外线杀菌实现治疗皮肤病。1903年，他被授予诺贝尔生理学或医学奖。2003年，中国疾病预防控制中心专家研究发现，使用强度大于90 μW/cm2的紫外线在80 cm处照射冠状病毒60 min，可以有效杀灭病毒[2]。

随着2019新型冠状病毒病（Corona Virus Disease 2019，简称“COVID-19”）在全球范围内的扩散，各种防护手段和消毒技术备受关注。与医用酒精、消毒液等消毒方式相比，紫外线消毒技术是一种物理消毒方法，具有高效、快速便捷、无二次污染、简单实用、易于操作等优势[3]。《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案（试行第五版）》中提到，新型冠状病毒属于β属的冠状病毒，并对紫外线和热敏感[4-5]。近期，美国哥伦比亚大学、波士顿大学，意大利米兰大学等知名院校相继证实紫外光可有效抑制新型冠状病毒[6]。

随着国内新冠疫情好转，国内学校陆续开学，如何保障师生健康安全，如何有效地做好学校公共场所卫生消杀，受到学校和社会的高度关注。本文将从紫外线杀菌原理出发，对紫外线杀菌装置在教室中的应用作初步探讨。

2 紫外线杀菌原理及主要产品

紫外辐射通常按波长分为三种：波长为315～400 nm的紫外线辐射称为紫外辐射A波段（简称“UV-A”）;波长为280～315 nm的紫外线辐射称为紫外辐射B波段（简称“UV-B”）;波长为100～280 nm的紫外线辐射称为紫外辐射C波段（简称“UV-C”）[7]。其中，UV-C波段的紫外线能量最高，但由于其波长最短，在大气中容易被吸收，导致衰减严重，在近地太阳光谱中几乎不含该波段的紫外光，因此也被称为“日盲”紫外波段[8]。

通过破坏核酸杀菌? 紫外线对微生物的灭活机理主要是利用了微生物的核酸（DNA和RNA）对紫外线的吸收，破坏其核酸功能，从而实现消毒净化。当核酸被紫外线照射时会大量地吸收紫外光，从而就会在体内形成一部分的间二氮杂苯（主要构成为蛋白酶）和间二氮杂苯的异构体。这种物质会使细菌自身的新陳代谢机能出现障碍，并且会导致细菌的遗传性出现问题，而持续的紫外线照射，最后就会导致因为上述原因所造成的细菌群体的死亡[9]。DNA对波长为265 nm的紫外线吸收最强。图1是紫外线标准杀菌消毒响应曲线，表明当光的波长在300 nm以下时，会有杀菌的效果;而在265 nm附近时，杀菌效果最明显[10]。

产生臭氧杀菌? 低气压汞蒸气放电可产生254 nm和185 nm的紫外线，紫外线从玻璃管射出后，254 nm的紫外线被微生物吸收，而185 nm的紫外线与空气作用可产生臭氧。当空气中的氧气分子在吸收杀菌灯的中心波长为185 nm的紫外光后，光敏作用利用高能高臭氧紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧（即活性氧），因游离氧所携正负电子不平衡，所以需与氧分子结合，进而产生臭氧。

臭氧具有强氧化性，可杀灭细菌繁殖体、芽孢、病毒和真菌等，并可破坏肉毒杆菌毒素，靠强大的氧化作用使酶失去活性致微生物死亡。臭氧对空气中的微生物有明显杀灭作用，采用30 mg/m3浓度的臭氧作用15 min，对自然菌的杀灭率可达到90%以上，而且可以除异味、净化环境和清新空气[11]。

紫外线杀菌灯分类? 目前市场上销售的紫外线杀菌灯大部分是汞灯，而汞灯根据启动后灯管内汞蒸气压大小，分为低压汞灯和高压汞灯。其中高压汞灯内汞蒸气压强可以达到几个大气压强，发出的有效杀菌波段含量很少，因此，紫外线杀菌汞灯主要是低压汞灯。低压汞灯根据发光原理，可以分为热阴极低压汞灯、冷阴极低压汞灯。

低压汞灯根据灯的外形结构，可以分为直管式低压汞灯、U型低压汞灯和H型低压汞灯，其中直管式紫外线杀菌灯是最经典的结构。此外，根据产生臭氧的情况，可以分为低臭氧紫外线灯和高臭氧紫外线灯[12]。

紫外线杀菌汞灯与照明用荧光灯的物理结构基本相同，主要区别是不使用荧光粉。产品由灯头、电极和玻璃管等主要部件构成，其结构及工作原理如图2所示。当灯管接通额定电压工作时，灯丝构成的电极形成高压电场，汞蒸气受到激发跃迁至激发状态，由激发态回到基态时发射出紫外线，还有部分可见蓝光[11]。

随着氮化物半导体材料技术的不断发展，紫外线LED在部分特定波长的辐射效率有所突破，UV-C LED杀菌产品开始出现，目前主要应用在便携式紫外线杀菌装置中。与汞灯相比，紫外LED具有寿命长、开启速度快、辐射强度可控、光谱可定制等优势，未来紫外LED杀菌灯在公共卫生领域应用前景广阔。但是目前国内外紫外LED技术水平尚不成熟，在技术层面仍面临从核心材料到器件工艺的诸多挑战，远达不到杀菌消毒使用的水平。目前国内外主要研究机构和公司在紫外LED领域开展了大量的研究工作（见图3），但是深紫外LED的外量子效率（EQE）基本不超过10%，大部分量子效率在5%以下。实际上，目前可购买的UV-B、UV-C波段LED产品的量子效率往往只有1%～2%，难以满足杀菌消毒应用的需求[13]。

此外，除了上述提到的低压汞灯、LED紫外线杀菌灯以外，还有少量的氙灯等，因为市场上应用较少，本文不再赘述。

小结? 紫外线杀菌属于纯物理消毒方法，具有操作方便、杀菌效果好、无二次污染等优势，紫外线杀菌灯广泛应用于消毒杀菌领域。目前市场上主要的紫外线杀菌灯为低压汞灯，同时随着半导体技术的发展，陆续有UV-C LED产品上市。

根据联合国环境规划署发布的《关于汞的水俣公约》的约定，各缔约国自2020年起禁止生产及进出口含汞量较高的照明产品，对于荧光灯等产品汞含量进行了限制。目前，我国荧光灯等产品生产处于世界先进水平，完全能够达到《关于汞的水俣公约》的要求。同时，紫外线杀菌灯为特殊领域应用，不在《关于汞的水俣公约》限制产品名录之内，但是从环保方面来讲，也应该加以控制。另外，紫外线LED替代紫外线汞灯是未来的趋势，但关键指标如辐射通量和辐射效率是目前的重要突破方向，技术的突破和进步是应用市场发展的根基。

3 紫外线杀菌在教室中的应用

在国内新冠疫情得到有效控制的情况下，全国大中小学陸续开学复课，学校的疫情防控工作受到学校和社会的高度关注。紫外线杀菌装置开始在学校教室大量使用，助力推动校园感染防控工作。尽管紫外线有助于遏制病毒，但如使用不当，则会对人体健康造成伤害。国际照明委员会（International Commission on Illumination，简称“CIE”）和全球照明协会（Global Lighting Association，简称“GLA”）担心随着消毒杀菌紫外线设备的大规模使用，会导致安全问题的发生，分别对紫外辐射技术和产品安全使用发表了立场性文件[14-15]。

学校教室具有人口密度大、中小学生免疫力低与自我防护意识相对薄弱等特点，紫外线杀菌装置在教室中使用需要从下面几个方面考虑。

安全使用? 自然条件下，地面上接收到的紫外线大部分为UV-A，少部分为穿透能力较弱的UV-B，而阳光中的UV-C成分在大气臭氧层中被吸收，无法到达地面。因此，即使在高海拔地区，人们一般也不会暴露于UV-C下。即使有少量的UV-C照射在人体上，UV-C也只能穿透皮肤的最外层，几乎不能达到表皮的基底层，也不会穿透眼睛角膜的表层到达更深层[16]。但是在使用紫外线杀菌装置时，由于紫外线杀菌产品的辐射光在不可见光波段，如果操作不当，人会比较容易无意识暴露于紫外辐射下，高强度的紫外辐射能量对人的眼睛和皮肤会产生灼伤，皮肤会产生红斑。皮肤如果反复暴露在引起红斑的UV-C水平下，会损伤人体免疫系统[17]。

部分紫外线杀菌装置发出少量185 nm的紫外线与空气作用可产生臭氧，臭氧具有强氧化性，人体长时间处于高浓度臭氧环境下，会造成细胞的损伤，甚至引起癌变。臭氧对眼睛和呼吸道都有刺激作用，会导致肺功能减弱和肺组织损伤。同时，臭氧对多种物品有损坏作用，且浓度越高，对物品损坏越严重，典型后果是可以让织物漂白褪色，使铜片出现绿色锈斑，使橡胶老化、变色、弹性降低和变脆断裂[18]。

因此，在紫外线杀菌装置使用安全方面，建议从以下几个方面重点考虑。

1）完善紫外标准体系建设，引导紫外线杀菌技术健康发展。早在2003年非典型肺炎爆发时期，应市场发展需求，全国照明电器标准化技术委员会（简称“TC224”）组织制定了我国首份也是全球首份紫外线杀菌产品标准GB 19258—

2003《紫外线杀菌灯》，为紫外线杀菌产品的发展以及非典疫情防控贡献了重要力量。此份标准于2012年根据产业发展情况进行了修订。同时，TC224组织发布了GB/T 28795—

2012《冷阴极紫外线杀菌灯》。2020年初，TC224向国标委提出《紫外线杀菌灯》修订立项申请，目前处于国标委立项计划审批阶段。此外，在紫外线杀菌装置使用方面，国家卫生健康委员会组织制订了GB 28235—2020《紫外线消毒器卫生要求》、GB 15981—1995《消毒与灭菌效果的评价方法与标准》和GB 15982—2012《医院消毒卫生标准》。

2）在团体标准方面，为了确保新版的紫外线杀菌灯方面标准尽快在产业中得到应用，在国家标准立项修订GB/T 19258—2012《紫外线杀菌灯》的同时，中国照明学会标准化工作委员会开始经过广泛调研，组织国内主要紫外线产品生产企业、学校等用户、国内卫生领域专家等相关利益方和专家启动制定“紫外线杀菌装置”系列标准。系列标准中优先针对教室用紫外线杀菌装置制订团体标准。此外，照明电器领域的其他国家或地方行业组织也在分别开展紫外辐射技术、产品、应用方面的团体标准研制工作。

国际标准方面，目前国际上还没有形成统一的技术标准，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，简称“IEC”）也开始研究紫外杀菌消毒灯具相关标准的立项工作，全球照明协会（GLA）也正在准备制定关于紫外发生装置、产品与应用的件。

在紫外线杀菌装置标准建设方面建议，以技术标准促进科技成果转化应用，规范新兴市场发展;以标准推动产业链之间企业的技术合作，共同拓展市场，可以保障产品质量，提高消费者信心;以标准研制为契机，加强与计量、测试等单位合作，推动标准的实施与应用。先通过团体标准制定，推动技术的交流、产业的合作。条件允许的情况下，可以按照先基础标准、测试标准，后产品标准、应用标准的顺序，逐步推动不同标准化组织的国家/国际标准制定。

在标准内容方面建议，在制订针对生产企业基础标准、产品标准的同时，也制订针对终端用户的应用标准，标准内容应实用易懂，能为用户的正确使用提供指导。标准内容应重点强调产品的标志、防止误操作的解决办法等。

2）加强市场监管，不断规范紫外线杀菌装置市场。在紫外线杀菌装置企业生产许可方面，2009年，原卫生部发布《消毒产品生产企业卫生许可规定》，规定紫外线杀菌灯生产企业必须向生产场所所在地省级卫生行政部门提出申请，申领《消毒产品生产企业卫生许可证》。2018年6月，原国家卫计委发布的《消毒管理办法》规定，紫外线杀菌消毒灯产品上市时需将卫生安全评价报告向省级卫生计生行政部门备案。在产品认证方面，紫外线杀菌灯与照明荧光灯的工作原理相同，但其技术和标准要求是有区别的，目前紫外线杀菌产品未列入我国强制性认证目录。

鉴于以上情况，为了规范紫外线杀菌装置市场，避免影响消费者信心，一方面建议政府市场监管部门在完善相关标准的基础上，加强对市场产品的监督和管理;另一方

面，照明相关权威组织逐渐尝试开展产品评价工作，帮助用户选择合适的产品。此外，用户在选择杀菌产品时一定要了解相关知识并提高辨别能力，注意产品是否声明符合相关标准，确认产品辐射照度的大小以及适用空间等重要信息，并严格遵照产品使用说明书及警告语进行操作与使用，有效做好相关防护，避免对人造成伤害。

3）对安装和管理维护人员进行专业培训。紫外线杀菌装置因是特殊的照明系统，如果安装不当，杀菌装置在后期的使用中可能存在安全隐患，安装人员在安装调试过程中也有可能存在安全隐患。在使用过程中，管理维护人员如果操作不当，也有可能对自身和其他使用人员造成危害。因此，为保证紫外线杀菌装置安全使用，同时保障安装人员和管理维护人员的安全，建议安装人员、使用人员、维护维修和相关管理人员需通过紫外安全防护和相关操作知识培训，通过考核后持证上岗。同时，制造商应提供相关培训资料或安装说明和用户手册等，必要时需派专业技术人员到达现场指导或培训。

4）加强对紫外线杀菌装置的日常维护和管理。教室等特殊场地用的紫外线杀菌装置需指定专人负责管理，每套设备应指定日常使用人员，对于可移式紫外线杀菌装置使用后应妥善保存于儿童触及不到的地方，并且配置安全锁。紫外线杀菌装置一般都设有物理功能按键，对装置进行设定控制，为了避免误操作及功能控制失控导致被辐射，装置建议同时设计带智能控制等遥控操作来确保安全性，同时设置人体感应装置，保证在有人进入时自动停止杀菌工作。为防止开关时操作人员被紫外线伤害，采用开机延时和自动关机设计或室外控制开关。

为了不影响学校正常日常教学任务，杀菌时间应安排在放学时间或课间休息，开启杀菌装置前应确认教室内已无人员。在杀菌过程中，教室所有门、窗应保持关闭状态，并在必要位置标出类似于“紫外线杀菌中禁止进入”的警示标识。工作人員如需进入正在杀菌区域，可以考虑利用紫外线穿透性弱的特性，采用一定的防护措施进行有效隔绝以实现保护，穿戴好个人防护用品，如护目镜、防护服、手套、口罩等，避免眼睛和皮肤受到紫外线伤害。杀菌达到预定时间后，应先关闭装置电源开关，通风一定时间后，人员方可入内。

杀菌效果? 紫外线杀菌装置是靠紫外线照射杀灭病原微生物，对紫外线照射范围内的空气和物体表面进行杀菌。杀菌效果取决于紫外线能量即紫外线剂量。紫外辐射剂量是指单位面积上接收到的紫外线能量，是紫外辐射照度与时间的积分值，单位为焦耳每平方米（J/m2），通常写为mJ/cm2。

不同的细菌种类对紫外线的吸收峰值不同，如大肠杆菌的最大吸收波长均为265 nm，隐孢子菌、噬菌体的最大吸收波长分别为261 nm和271 nm，因此，每种细菌等微生物都有其特定的紫外线死亡剂量阈值[19]。紫外线对微生物的杀灭效果也与微生物存在的环境和是否存在变异体有着直接的关系。例如，在对枯草芽孢杆菌的紫外线照射杀菌中，对一般的枯草杆菌要达到99.9%的杀菌效果只需要21.6 mJ/cm2，

而对掺杂变异体的枯草芽孢杆菌就需要33.3 mJ/cm2。

紫外线除了具有杀菌的用途外，也可用于让微生物降低自身的活动性。有些微生物在受到紫外线照射后，部分功能会丧失，但是当受损的微生物恢复到可见光的照射下时，会利用自身的光复活机制对紫外线损伤进行逆转，发生“光复活作用”。反应过程遵循酶催化动力学原理，光强度增大，光复活作用则增强[20]。

因此，在使用紫外线杀菌装置时，为了保证能够有效杀菌消毒，重点需要从以下几个方面考虑。

1）合理的安装设计。相对于某一紫外辐射源，紫外辐射照度并不是一成不变的，通常会随着距离的变大而逐渐减弱。因此，在测试紫外杀菌装置的辐射照度或者辐射剂量时，必须要明确测量仪表与紫外辐射源的位置，并记录辐射照度与时间的变化关系。在设计紫外线杀菌系统时，必须根据每套杀菌装置的紫外剂量和细菌灭活率，进而推算出所需要的紫外线杀菌装置数量。在有条件的情况下，建议采用照明设计软件建立教室紫外线照明模型，通过调整灯具配置方案，达到相应的紫外线辐射照度和均匀度要求，从而实现有效杀菌的目的。在无法建立教室紫外线照明模型的情况下，应根据所选择紫外线照明灯具的相关参数进行照明计算，得到合理的灯具配置方案。

在安装时应保证紫外线杀菌装置的出光口尽量不被室内其他设备、设施遮挡，并保证其均匀度。同时，安装位置应根据实际情况，考虑和现有灯具、设备设施的协调，在保障安全和杀菌效果的情况下，尽量做到改动最小。在批量安装前，应先选择一间标准教室按灯具配置方案进行紫外线杀菌装置安装，并对其紫外线照度和均匀度进行测量，验证灯具配置方案的合理性。如实测数据偏离设计值大于±10%，应进一步优化灯具配置方案，直至满足相应的紫外线照度和均匀度要求。优化后的灯具配置方案作为批量安装的依据。

2）有效的消杀时间。杀菌效果由紫外线辐照度和曝光时间决定。对于同一菌种来讲，为了达到相同的杀菌效果，紫外线辐照度越小，所需的曝光时间越长。不同波长的紫外线杀菌效果不同，如UV-A和UV-C照射非典病毒存活量与照射时间关系，UV-A对非典冠状病毒几乎没有灭活作用，而在特征波长254 nm、辐射强度4016 μW/cm?的深紫外光源照射下，病毒的杀灭率LOG值与剂量（时间）呈线性关系（图4）[21]。

在使用紫外线杀菌装置时，需要根据平均有效紫外线辐照度确定有效杀菌时长，以达到足够的杀菌剂量。在紫外剂量充足的条件下，失活的病毒细菌不会复活，但剂量不足时，许多被紫外线照射损伤的病毒细菌可通过“光复活作用”复活。因此，为了保证能有效杀菌，避免“光复活作用”发生，需要根据菌种、辐射照度等情况确定有效杀菌时间。在学校教室安装时，需要同时考虑课间休息和放学时间，避免影响正常的教学作息。

3）定期的装置维护。紫外线杀菌装置如果光源、灯具等出光口有污垢，会影响紫外线的穿透力，从而影响杀菌效果。空气中灰尘颗粒比较多，随着使用时间加长，灰尘颗粒会大量覆盖在装置表面，导致紫外线灯杀菌效果减弱，因此需要进行定期维护，或者开发研制具有自动清洗功能的紫外线杀菌装置。随着累积使用时间的加长，紫外线杀菌灯管的紫外线辐射强度也会逐渐下降，当灯管使用达到有效寿命时，应及时更换新灯管。

4 结语

紫外杀菌技术具有杀菌效率高，不产生有毒害的副产物，系统运行安全，设备维修简单，投资及运行维修费用低等特点。但是紫外线杀菌装置如果操作不当，不仅达不到预期的杀菌效果，还可能对用户、安装人员、维护人员等产生危害，因此，相关人员需要按照规定进行正确操作。相关的标准化组织或者管理部门需要根据紫外线杀菌装置在不同领域的应用，制定专门的指导文件、标准或者操作规范。

随着紫外LED技术的不断突破，紫外LED开始逐步应用于紫外线杀菌领域。但是目前紫外LED的外量子效率较低，还未开始大规模产业化应用，因此，在紫外LED方面还需要进一步加大对新型固态紫外光源技术的研发，突破大功率紫外固态光源从材料、芯片到封装应用中的科学问题和关键工艺，形成具有自主知识产权的成套产业化技术。

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作者：张德保，国家电光源质量监督检验中心（北京）、全国照明电器标准化技术委员会秘书处标准室主任，工程师，研究方向为照明电器标准化研究、标准化管理;秦碧芳，國家电光源质量监督检验中心（北京），高级工程师，研究方向为照明产品、照明标准研究（100022）。