淺談深紫外技術在產品設計中的應用與發展

張穎 蘭玉琪

摘要：紫外線可以通過對細胞、病毒等單細胞微生物的照射，以破壞失去繁殖能力。利用紫外線殺菌具有安全、方便、無殘留等優點，故應用范圍相當廣泛。本文以紫外線中深紫外技術為切入點，對深紫外殺菌進行了研究。結合目前的深紫外在產品設計中的應用進行分析與調研，對深紫外技術在產品設計的應用與擴展進行預測與建議。

關鍵詞：深紫外;殺菌;LED;產品設計;應用

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0132-02

Abstract：Ultraviolet radiation can destroy the ability of reproduction by irradiating single-cell microorganisms such as cells and viruses.Ultraviolet sterilization has the advantages of safety， convenience and no residue， so it is widely used.In this paper， deep ultraviolet sterilization was studied by using ultraviolet medium and deep ultraviolet technology as a starting point.Based on the analysis and investigation of the application of deep ultraviolet technology in product design， the application and expansion of deep ultraviolet technology in product design are forecasted and proposed.

Key Words：Deep ultraviolet;Sterilization;LED;Product design;Application

太陽光是地球上一切生物所需能量之源，分為可見光和不可見光兩種。可見光是指肉眼看到的，如紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色彩虹光;不可見光是指肉眼看不到的，如紫外線、紅外線等。紫外線光具有很強的殺菌能力，一般普通細菌和一些病毒在陽光下晾曬半小時或著數小時，細菌和病毒就會被殺死。但是，如果經常暴露在紫外線下，皮膚容易被燒傷，更加大患皮膚癌的概率。但是，紫外線中的深紫外可以很好減少紫外線的使用弊端，因此，如何合理利用深紫外殺菌能力與產品設計結合成為一個待解決的重要課題。

1紫外線的種類

紫外線（簡稱uv）根據波段的不同可分為UVA、UVB和UVC三種。其中UVA波段是指生活紫外線，指波長在320～400nm，又稱之為長波黑斑效應紫外線。它具有很強的穿透能力，可以穿透大多數透明性質的材料，UVA可以直達皮膚的真皮層，損害皮膚內細胞基質中的彈性纖維（elastic ?ber）和真皮中的膠原蛋白纖維（collagenous?ber），從而使我們的皮膚變黑。UVB波段是戶外紫外線，指波長為275—320nm，又稱為中波紅斑效應紫外線。穿透力適中，有不到2%可以抵達地球表面，全年都對皮膚有傷害，UVB紫外線會對人體產生紅斑作用，可以促進人體礦物質代謝以及維生素D的產生，不過長期或著大量照射會導致皮膚變紅、變黑出現黑斑，老化。嚴重會導致皮膚癌。UVC波段是短波紫外線，波長在200～275nm之間，又稱為短波滅菌紫外線。它的穿透能力幾乎為零，基本被臭氧層吸收。目前市場上的紫外線殺菌燈發出的就是UVC短波紫外線。

2深紫外的定義、功能與優勢

2.1深紫外的定義

深紫外是指紫外線中波長在200-350nm的光線。

2.2深紫外的功能

深紫外線可以直接對于生命的基礎—DNA產生作用，從根本上解決細菌繁殖增長。經過研究證明，波長在260nm的深紫外線便于被DNA吸收，具有消滅DNA遺傳信息的效果，成為重要的物理殺菌方式之一。深紫外線的殺菌能力很早之前就得到證名。

2.3深紫外的優勢

深紫外殺菌是一個物理破壞的過程，直接作用于細菌的根本，整個殺菌過程不會產生毒素，無任何殘留并且不會產生異味。與化學成分藥劑差距很大，不會受化學平衡條件的影響，時間、溫度、濃度、活性等一切因素都不會影響殺菌效果。深紫外可以直接穿破細胞壁和病毒蛋白質外殼，幾乎可以在幾分鐘內影響微生物機體（細菌、病毒或者芽孢等病原體）細胞中的DNA或著RNA（核糖核酸）的分子結構，并且破壞分子鏈的化學鍵，從而破壞或修改細胞的化學結構，細胞無法再生，細菌病毒喪失自我復制的繁殖能力，達到殺滅病菌的作用。深紫外光線的工作區間外，對人體的影響幾乎可以忽略不計。可應用于對自然空氣、水和物體進行消毒。

3深紫外發光媒介

3.1深紫外兩種發光媒介

深紫外的發光媒介可以分成兩種，一種是高壓UV汞燈，有單端和雙端兩種，其中以365nm是光譜分布的中心，在350-450nm都有輻射，燈管的材料采用石英玻璃，紫外線的有用波長和功率密度都極高，可應用于印刷制版、油墨干燥、光固化、高分子化合物老化和半導體元件制作等光化學研究領域，也可用在光化學教學試驗中;另外一種是深紫外LED（Deep UV LED），目前是形容波長在240—320nm的發光二極管，包括UVC LED和UVB LED，是目前LED領域最尖端的技術成果。能夠釋放肉眼無法觀察到的光線，這種光線能夠有效的殺滅細菌。

3.2深紫外LED相比高壓UV汞燈的優勢

深紫外LED擁有體量小巧、實用耐磨、高效、無污染、耗能低、可靠等優勢。同等功率下LED尺寸要遠遠小于汞燈尺寸，單位面積（長寬均為1m的正方形）LED光要超過汞燈光的1000倍。因為LED的發光特性不同于汞燈，發出紫外線光僅需要6v即可。綜合所有優勢，十分有利于在日常家電產品中應用，例如：牙刷殺菌、坐便器、碗筷盒、奶瓶、嬰兒衣物、除螨儀、水殺菌等領域。

4紫外線LED現有應用領域

隨著紫外線LED逐漸進入我們的視野，其應用領域也也逐步擴展。目前應用領域大致分為五大類。

1）水凈化領域。因為深紫外在水中擁有極高的穿透性，不會產生二次污染，并且可以快速地消滅水中病毒和細菌，并且對水中有益礦物質不會產生影響，從而確保水的安全健康，故廣泛應用于飲用水凈化、日常用水消毒、污水消毒降解（二惡英Dioxin）、醫院用水消毒、家庭魚缸和水族館凈化、淡水和海水養殖凈化等。

2）空氣凈化領域。深紫外空氣凈化在“非典”期間就開始作用于各公共場所和日常家庭，由于近幾年北方空氣污染嚴重，除粉塵外，病毒也很活躍，不少家庭都會采用深紫外燈消毒家庭空氣，深紫外光線目前是世界上公認最有效最便捷的消毒手段之一，在對于環境要求較高的場所被廣泛應用，例如醫院、實驗室、無菌室等。

3）國防與安全領域。因為紫外線在不同礦石照射下會發出不同的光，所以紫外探測成為很重要的一種方式，紫外通訊也有很重要的作用，作為一種新型的通信方式，比常規通訊具有更多的優勢，例如靈活，防竊聽，因為采用散射方式傳播，減少障礙物阻擋，特別適合近距離，保密需求高，有干擾情況下使用。

3）國防與安全領域。因為紫外線在不同礦石照射下會發出不同的光，所以紫外探測成為很重要的一種方式，紫外通訊也有很重要的作用，作為一種新型的通信方式，比常規通訊具有更多的優勢，例如靈活，防竊聽，因為采用散射方式傳播，減少障礙物阻擋，特別適合近距離，保密需求高，有干擾情況下使用。

5）醫療領域。利用深紫外的殺菌功能，可以對傷口進行快速消炎、減少疼痛、輔助抗體生長加快傷口愈合等，并且也可以通過光照來物理輔助皮膚病的治療，透過皮膚表層作用真皮層，抑制朗格漢斯細胞（Langerhans cell）活性，緩解皮膚炎癥，提升人體代謝功能和免疫系統。目前公認308nm紫外線波段對于白癜風的治療效果最好，并且對于神經性皮炎、潰瘍、痤瘡等也有顯著療效。

5深紫外LED在產品設計中的發展

5.1深紫外LED市場現狀態分析

國內目前僅有格力、美的、海爾、安吉爾等大型家電廠家選用深紫外LED在冰箱、凈水機器上做產品研發設計，終端產品還未正式推廣。國外有歐美RayVio公司、美國康乃爾大學、歐司朗等公司都涉及深紫外LED產品研發。國內部分企業還推出深紫外LED小家電。

5.2深紫外LED市場前景目前，深紫外LED因其顯著效果，將會成為全球新研究與投資熱點，在市場被廣泛應用，逐漸增加在半導體殺菌領域占比。以母嬰類型中的奶瓶消毒器為例，在線上12個月的銷售總額約6.7千萬元，僅2017年8月的銷售總額就達到760萬元，在整個奶瓶殺菌市場占有41%左右，相比去年同月份增長91.9%，可見巨大潛力。

5.3結合其優勢可以進行的發展方向

優勢：無二次污染，環保、節能，體積小，不受環境影響。

1）無二次污染。小的時候媽媽常常把被子放到到陽光下晾曬，就是利用太陽光中的紫外線進行殺菌，后來人們采用汞燈殺菌，但是汞燈會產生臭氧，對人體呼吸有害。并且易碎、開啟慢、電壓需求高。而深紫外LED很好的解決了這些問題，并且工作原理是光照殺菌，不以貢為媒介，不用添加任何東西，純綠色無污染，并且不受條件制約操作便捷。可以在空間殺菌領域進行深入產品設計研究。

2）環保節能。傷口消毒產品是家庭的必備藥品，所以有巨大的消費市場。目前現有市面上的傷口消毒類型產品大都是化學藥劑產品。屬于消耗品，使用后處理不當還會造成污染。光消毒傷口產品相對是個空白。例：日常擦傷、殺菌則需要碘伏、酒精等，但是這類產品對傷口會有刺激。而且也需要輔助工具，而且日常出門在外，很少有人會攜帶這類東西，故在室外意外受傷時，很難得良好的處理。容易造成其他并發癥。深紫外LED殺菌、光照殺菌，無刺激，重復使用，并且不需要任何輔助工具，消耗小。因此小型便攜殺菌產品將會有很大的發展空間。

3）體積小。現有深紫外LED體積小，一顆LED消毒芯片體積只有0.5mmx0.5mm，相當于筆芯在白紙上輕輕一點的痕跡，例如：日常很多人受鼻炎中耳炎的困擾，目前鼻炎中耳炎的治療多依靠藥物和大型醫用器械，操作復雜，費用高額，而且沒有光治療的儀器。由于芯片體積小，可以設計一款針對鼻炎中耳炎的產品，塞入鼻腔內部，輔助鼻炎中耳炎的治療，直接作用于炎癥處，加快病情好轉。因此在家用醫療器械領域有很大的發展空間。

4）不受環境影響。因深紫外LED開啟便捷，功率需求低，溫度、濕度、場地等對其效果無任何影響，可以有很大研發空間。例如嬰兒腸胃和免疫系統脆弱，又天生好奇愛動，什么都喜歡放到嘴里，帶有細菌的奶嘴、玩具上的細菌，都用易引發嬰兒各種疾病，所以消毒殺菌是每個媽媽的必修課。但是當出門在外，沒有在家里的便捷條件，殺菌非常不便利。如有一個便攜的嬰兒用品殺菌器，則會很好的解決這一難題。

6結論

深紫外LED結合產品設計具有極大的開發空間，合理利用深紫外技術，使紫外線LED成為民用日常產品，形成一個真正的產業生態。對人們的生活影響產生潛移默化的影響，引領出一種新的生活方式。作為制造大國中國來說，高端技術深紫外線LED很可能促進產業升級。不僅僅是消毒柜可以應用深紫外LED，在冰箱、飲水器、洗衣機都可以采用深紫外LED，在我們日常生活用品上，很多都可以添加深紫外LED殺菌功能，這將是一個數百億的巨大市場。

在不久的未來，無論大品牌，還是小品牌;公共場所還是家庭;大型電器還是便攜電器也許都會涉及到紫外線LED的技術，它將與我們生活息息相關。

參考文獻

[1]肖漢光，蔡從中.醫護人員的火眼金睛[M].重慶大學出版社，2009，7：205.

[2]牟強善，朱繼軍，孫濤，李銀葉，曹磊一種新型遙控紫外線消毒車的研制[J].中國醫學裝備，2012，9（12）：15-16.

[3]吳玉麒.自動紫外線固化設備的設計[D].蘇州大學，2012.

[4]孔繁負，馮建萍，魏紹振，熊浩明，趙海紅，李勝，辛有全，柏吉祥，張琪.紫外線對微生物消毒效果的影響因素及質控措施[J].青海畜牧獸醫雜志，2017年，47（2）：64-66.