KrCl準分子燈的殺菌應用及其光生物安全性

劉超群，朱倩文，韓秋漪，張善端，

(1.復旦大學工程與應用技術研究院，上海 200433；2.復旦大學電光源研究所，上海 200438)

引言

新冠病毒最主要的傳播方式是空氣傳播。截斷傳播途徑的通常做法是定期進行大掃除、噴灑消毒液，封閉的空間經常保持通風。針對人流量很大的公共場所空氣中的病毒，目前缺乏安全有效的方法來及時滅活。KrCl準分子燈因為良好的光生物安全性，可以用于公共場所的空氣消毒。

目前UVC紫外殺菌技術普遍采用輻射254 nm單波長或254/185 nm雙波長的低壓汞燈作為紫外殺菌光源。低壓汞燈的254 nm輻射效率在原子輻射中是最高的，是最重要的殺菌譜線。185 nm的譜線會被空氣中的氧氣吸收而產生臭氧，也能起到殺菌作用。254 nm輻射會被脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)吸收，導致DNA和RNA損傷[1, 2]。近期研究表明，遠紫外光(光譜范圍200～230 nm)能夠殺菌消毒，卻不會對人的眼睛和皮膚造成傷害[1,3]。

1 KrCl準分子燈的特性

KrCl準分子燈輻射出的譜帶很窄(半寬度<3 nm)，大部分輻射能量集中在222 nm，因為沒有基態自吸收，所以燈的功率密度可以做到很大。而傳統使用的紫外光源低壓汞燈因為基態原子對輻射的自吸收問題，所以輻射功率較小。準分子燈不含汞，對環境友好。另外，準分子燈應用靈活性非常高，其結構多樣簡單，可以做成體放電的圓柱形或面放電的平板型，尺寸可變，可以滿足多樣的實際應用需求。

2 222 nm遠紫外殺菌效果

KrCl準分子燈發出的222 nm輻射屬于200～230 nm的遠UVC波段(簡稱遠紫外)，也具有殺菌效果，如圖1所示。但由于準分子燈的輻射效率相對較低、而成本很高，因此一直以來并未能得到消殺市場的接受。

圖1 不同微生物的紫外作用光譜或DNA吸收譜[4]Fig.1 UV action spectrum or DNA absorbance of different microorganisms

美國哥倫比亞大學在2017年發表的文章中證實KrCl準分子燈的222 nm具有良好的殺菌效果，且對于皮膚幾乎沒有傷害[5]。這隨即使KrCl準分子在殺菌領域成為研究熱點[6-12]。

表1列舉了不同課題組采用KrCl準分子燈進行的殺菌實驗結果。從表中可以看到，222 nm確實能夠通過破壞DNA殺滅細菌、真菌和病毒。其中，日本弘前大學的Kitagawa等[13]采用5 min持續照射方式和不同輻照度的間歇照射方式，對受到新冠病毒(SARS-CoV-2)污染的表面進行滅活實驗。研究發現，相同輻照度下，持續照射模式和間歇照射模式下的病毒滅活曲線沒有明顯區別；相同輻射劑量下，不同輻照度對滅活曲線沒有明顯影響。在輻射劑量為3 mJ/cm2時，滅活即可達到3-log；劑量15 mJ/cm2可以實現4-log以上的滅活效果。

表1 222 nm輻射的殺菌效果

此外，日本弘前大學還采用KrCl準分子燈和低壓汞燈對一系列細菌、病毒和真菌進行了滅活實驗[14]。實驗涉及的微生物種類、劑量以及殺菌效果如表2所示。該研究結果表明，222 nm殺滅細菌營養細胞、酵母和病毒的效果與254 nm相當，殺滅細菌孢子的效果更佳，但是對真菌孢子和菌絲的滅活效果不如254 nm。

表2 KrCl準分子燈(222 nm)和低壓汞燈(254 nm)對不同微生物的殺菌效果[14]

3 222 nm遠紫外的生物安全性

遠紫外輻射不僅具備殺菌效果，而且基本上不會對皮膚和眼睛造成傷害[5,9,15-21]。哥倫比亞大學的Buonanno等采用帶低通濾光片的KrBr準分子燈，研究耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)滅活率與UV劑量關系，并測量了3D人體皮膚模型內的DNA損傷[22]。實驗發現，相比于低壓汞燈的254 nm輻射，207 nm遠紫外輻射不僅能夠有效滅活MRSA細胞，而且對人體正常的成纖維細胞沒有引起明顯的毒性或致變形。分別用254 nm和207 nm輻射對無毛小鼠進行157 mJ/cm2劑量照射，并于輻照48 h后評估其皮膚傷害終點，證實在相同劑量下，254 nm會對被照皮膚產生嚴重影響，而207 nm輻照下的皮膚幾乎沒有什么變化[16]。隨后采用輻射效率更高的KrCl準分子燈重復了上述兩項實驗，證實了222 nm輻射同樣兼具可靠的殺菌效果和良好的生物安全性[5]。更進一步地，在小鼠表皮灑落MRSA細菌后分別用254 nm和222 nm輻照，然后制造淺切傷口并迅速縫合，在第2天和第7天進行后續處理并測量MRSA菌落數、表皮厚度和DNA光損傷情況。該研究表明，222 nm輻射可以有效防止耐藥菌的傳播，避免傷口感染。

日本牛尾(USHIO)公司也聯合弘前大學、島根大學、神戶大學等進行了大量222 nm輻射安全性實驗研究，包括對小鼠的皮膚和眼睛角膜進行了輻射損傷研究[17-20]，同樣證實了遠紫外輻射在殺菌應用領域的生物安全性。

222 nm對皮膚和眼睛的傷害非常小，主要的原因是由于其波長較短，更容易被蛋白質等吸收，如圖2所示。紫外輻射照在皮膚上時，254 nm能夠穿透角質層，引起真皮細胞的損傷；而222 nm則完全被角質層吸收，如圖3所示。同樣地，紫外輻射照到眼睛時，254 nm能夠穿透角膜，而222 nm完全被淚液層和角膜吸收。因此，222 nm遠紫外輻射相比普通的254 nm輻射更加安全。

圖2 8種常見蛋白的平均紫外吸收系數曲線[15]Fig.2 Average UV absorption coefficient curve of eight common proteins

圖3 222 nm和254 nm紫外輻射的穿透能力對比[22]Fig.3 Comparison of penetration ability of 222 nm and 254 nm ultraviolet radiation

最近，神戶大學的Fukui等對20名志愿者進行了222 nm輻照人體實驗[23]。采用50～500 mJ/cm2的輻射劑量照射被試者的背部皮膚，評估其皮膚紅斑情況，檢測環丁烷嘧啶二聚體(CPD)來評價DNA損傷情況，并用皮膚拭子采集背部的細菌以評價輻射殺菌效果。研究結果發現，在該劑量范圍照射下所有被試者都沒有出現皮膚紅斑，且222 nm可以有效滅菌。相比于未受到輻照的區域，皮膚上被500 mJ/cm2劑量照射區域明顯產生了CPD，但總體數值還是很小的。

4 濾光片對KrCl準分子燈的生物安全性影響

222 nm具有良好的安全性，但是KrCl準分子燈發射的光譜除了峰值波長為222 nm的主波長外，還包括兩個波長較長、強度非常小的次峰。根據圖4所示的光化學紫外傷害作用曲線可以看到，222 nm的作用系數遠小于254 nm的，因此222 nm對皮膚和眼睛的傷害更小。而KrCl準分子燈的次峰盡管強度很低，但對應的作用系數較大，還是會對眼睛和皮膚產生影響。因此KrCl準分子燈用作人機共存的殺菌光源時，必須采用濾光片來濾除長波紫外輻射。本文探討濾光片對KrCl準分子燈的生物安全性影響。

圖4 皮膚和人眼的光化學紫外傷害作用光譜[24]Fig.4 Photochemical UV hazard action spectrum of skin and human eyes

用KrCl準分子燈(廣明源，120 W)作為樣品來進行測試評估。該燈總長45 cm，放電長度37 cm，放電氣隙10.5 mm，充氣壓200 mbar。工作狀態下系統功率為146.7 W，燈功率為119.4 W。

采用光纖光譜儀(HR4000 CG-UV-NIR)測得的相對輻射光譜為SR(λ)，用紫外功率計(Hamamatsu C8026/ H8025-222M)在距離燈1 m處測得的輻照度Edet為49.3 μW/cm2，則該距離處的絕對輻射光譜可以表示為

SA(λ)=k·SR(λ)

(1)

其中

(2)

為定標系數，R(λ)為功率計探頭的光譜響應曲線。由此計算得到的準分子燈在1 m處的絕對輻射光譜如圖5中大圖所示。

圖5 增加濾光片前(大圖)和后(小圖)的KrCl準分子燈光譜Fig.5 Spectrum change of KrCl excilamp before and after adding filter

在KrCl準分子燈前增加一片低通濾光片1#，其測得的光譜透過率τ(λ)如圖6所示。則通過濾光片后的輻射光譜SF(λ)如圖5中小圖所示。

圖6 低通濾光片1#的光譜透過率Fig.6 Spectral transmittance of low pass filter 1 #

SF(λ)=τ(λ)·SR_222(λ)

(3)

根據《燈和燈系統的光生物安全性》(IEC 62471—2006)要求，KrCl準分子的使用劑量必須低于最大有效曝輻限值30 J/m2，即

(4)

其中Es為等效輻照度(W·m-2)，E(λ,t)為光譜輻照度(W·m-2·nm-1)，SUV(λ)為圖7所示的皮膚和眼睛的紫外傷害權重函數，Δλ為波長寬度(nm)，t為曝輻時間(s)。圖7的縱軸為線性坐標，與縱軸為對數坐標的圖4相同。

圖7 紫外傷害權重函數[24]Fig.7 UV hazard weight function

由此可以得到

(5)

則最大允許曝輻時間為

(6)

定義紫外傷害系數為

(7)

帶濾光片和無濾光片的KrCl準分子燈的相關參數如表3所示。可以看到，采用了濾光片1#后KrCl準分子的輻照度降低了50%，但是210～230 nm的低風險波段輻射比例增加，紫外傷害系數減少。在相同距離處，帶濾光片1#的準分子燈的最大允許曝輻時間是無濾光片的2.5倍。由此可見，濾光片可以有效提高KrCl準分子燈的生物安全性。

在距離被測燈1 m處，帶濾光片的KrCl準分子燈的最大允許曝輻時間達到了1 005.9 s。換言之，該條件下人體被照射15 min內不會對眼睛和皮膚產生危害。這就為準分子燈在“殺菌門”等快速通道的殺菌應用提供了可能性。而在燈具固定的人機共存應用場合，燈具與人體的距離至少在2 m以上，輻照度更低，則安全使用的允許曝輻時間更長。

此外，由于KrCl準分子燈的輻射波長窄，輻射能量比較集中，因此選擇了幾種不同類型的濾光片，對比計算了濾光后的效果。用氘燈作為光源，測得的濾光片的光譜透過率曲線如圖8所示。

圖8 不同類型濾光片的光譜透過率Fig.8 Spectral transmittance of different types of filters

濾光片2#在235～265 nm有相對較好的截止效果，265 nm以后透過率較高，但由于該波段KrCl準分子燈基本無輻射，因此影響不大。從表3可以看到，濾光片2#和濾光片1#的紫外加權輻射比例相差不大，紫外傷害系數也基本一致。2#濾光片的最大曝輻時間為1#濾光片的75%，主要是由于該濾光片透過率較高，經過2#濾光片后燈的輻射功率較大。

表3 帶濾光片和無濾光片的KrCl準分子燈的輻射特性和光生物安全參數

濾光片3#在230～250 nm仍然有較高的透過率，因此對應的230～280 nm紫外加強輻射比例較高，紫外傷害系數也較大。盡管相同準分子燈透過3#的輻射功率比透過2#的要小，但是3#的最大曝輻時間比2#的要略小。

由此可見，濾光片的選擇對于KrCl準分子燈的應用還是有著重要的影響，關鍵在于對230～280 nm范圍內的輻射的濾除效果。綜合過濾效果和成本，2#濾光片可能是一個不錯的選擇。

5 結論

KrCl準分子燈產生的222 nm遠紫外輻射，在殺滅細菌、病毒等微生物的同時，具有良好的生物安全性，幾乎不會造成皮膚和眼睛的傷害。眾多研究報告已經證實了遠紫外殺菌應用的可靠性和安全性。新冠病毒繼續在全球的肆虐，且極可能與人類長期共存，KrCl準分體燈提供了人機共存的殺菌應用可能，為全球公共衛生防疫系統提供了新的技術手段。

對帶濾光片和無濾光片的KrCl準分子燈的分段光譜進行分析，計算其對應的紫外傷害系數，并根據IEC 62471—2006標準計算了對應的最大允許曝輻時間。結果表明，選擇合適的濾光片可以有效提高KrCl準分子燈的光生物安全性，更有利于KrCl準分子燈在公共場所殺菌應用的推廣。