UVC波段光源設備的發展現狀及醫用前景分析

楊晰雅，魏嘉麗，呂毅，吳榮謙，宋承華

西安交通大學第一附屬醫院 a.陜西省再生醫學與外科工程研究中心；b.精準外科與再生醫學國家地方聯合工程研究中心，陜西 西安 710061

引言

作為一種廣譜的殺菌消毒技術，紫外線殺菌已被廣泛應用于日常生活的各個方面，如醫院、學校、機場等公共場所殺菌、污水處理、食品衛生等領域[1-3]。近年來，隨著對殺菌消毒裝置需求的激增，對紫外光光源設備和光生物效應的研究也重新獲得關注[4-5]。

現在普遍將紫外光輻射按照波長的不同分為3 類：A波段紫外線（315～400 nm）、B 波段紫外線（280～315 nm）和C 波段紫外線（Ultraviolet C，UVC）（200～280 nm）（圖1）[6]。其中，波長在200～280 nm波段的UVC光由于波長短、能量高，可在短時間內破壞微生物（細菌、真菌、病毒等病原體）中DNA或RNA分子的結構，使其喪失自我復制的能力，從而廣泛應用于殺菌領域[7]。同時，有研究報道UVC光照射可以殺滅傷口處的細菌/真菌、抑制成纖維細胞過度產生，從而利于患處干燥、抑制傷口感染、促進傷口愈合[8-9]。因此，其在手術切口感染、皮膚及軟組織感染以及糖尿病足感染等皮膚感染相關領域有一定的醫療應用前景[10-11]。本文綜述發射UVC光的不同光源發生設備的發展現狀及其光生物效應研究的相關進展，包括汞蒸氣紫外燈、UVC-LED紫外燈、準分子紫外燈、微波等離子體紫外燈以及激光紫外發射器5類可發射UVC光的光源發生設備的構造、發光原理、優缺點、可發射波長、光生物效應及潛在醫用場景等。

圖1 紫外光輻照光譜[6]

1 汞蒸氣紫外燈

汞蒸氣紫外燈是現階段使用最為廣泛的UVC 波段的紫外設備。按照石英燈管內汞蒸氣壓力的不同，可以將汞燈分為低壓汞燈、中壓汞燈和高壓汞燈[12]，本文主要關注能夠發射253.7 nm 中心波長紫外光的低壓汞燈。日常生活中將該波段通俗稱為254 nm。現階段常見的波長為254 nm 的紫外光所采用的發光光源幾乎均為低壓汞燈。

1.1 汞蒸氣紫外燈的構造、發光原理及優缺點

如圖2所示，汞蒸氣紫外燈主要是將汞蒸氣封裝在兩端有電極的透明石英管中。其發光原理是當通電加熱燈絲時，石英管內的汞蒸氣受到激發躍遷到激發態，再由激發態回到基態時會發射紫外光[13]。低壓汞燈有功率高、制造技術成熟、制造成本低、可以對燈管形狀進行個性化定制等優點，在學校、醫院、辦公室、實驗室等公共場所采用的滅菌紫外燈幾乎均是低壓汞燈[14]。但其也存在使用一段時間后功率遞減、使用壽命有限等缺點。更重要的是，人體細胞暴露于254 nm UVC 光下會誘導基因突變，還會引起細胞毒性DNA 病變，如果將皮膚在UVC 光下長時間重復暴露，甚至會誘導皮膚癌的發生。此外，254 nm 的UVC 光直接照射眼睛會對眼角膜造成嚴重的損傷[10]。

圖2 低壓汞燈的構造及其工作原理示意圖[13]

1.2 汞蒸氣紫外燈的可發射波長、光生物效應及潛在的醫用場景

低壓汞蒸氣紫外燈最常見的發射波長是185 nm 和254 nm。其中，254 nm 的UVC 光照射可誘導生物體內產生嘧啶二聚體，如環丁烷嘧啶二聚體（Cyclobutane Pyrimidine Dimer，CPD），大量產生的嘧啶二聚體可以直接作用于DNA，造成DNA 損傷，從而使細菌、病毒等失去自我復制能力進而失活[11]。低壓汞燈照射不到1 s 即可滅活99%以上的冠狀病毒，說明低壓汞燈發射的UVC 光滅活表面病毒效率極高[15]。其對細菌、真菌等的殺傷作用更是毋庸置疑。因此，254 nm UVC 光可用于滅活多種微生物，其最重要的應用場景是物體的表面消毒[16]，但是依然有一些其在醫學領域的應用場景。

血液病原體滅活技術是低壓汞燈在臨床上的一個重要的應用方向。其中對全血、白細胞、紅細胞以及血小板中的病原體的滅活均有相關研究和實體產品的報道（如基于254 nm UVC 光的THERAFLEX 系統[17]），但大部分還處于臨床早期嘗試及安全性和有效性評估階段。THERAFLEX 系統主要是利用254 nm UVC 光的殺菌作用，對全血或者分離出來的紅細胞或者血小板進行照射，照射后產生的CPD 會阻斷核酸轉錄物的延伸，達到滅活微生物的目的[18-19]。由于254 nm 的UVC 光在保持蛋白質質量的同時主要破壞的是病原體和白細胞的核酸，其滅活具有選擇性，因此，可將其用于滅活血漿和血小板中的病原體[20]。THERAFLEX 系統滅活原理如圖3a所示，THERAFLEX 系統照射過程如圖3b所示。UVC 病原體滅活系統可替代γ射線照射預防血小板輸注中的輸血相關性移植物抗宿主病。此外，通過UVC 光照射可抑制血小板濃縮物儲存過程中抗原呈遞和細胞因子的積累，對輸血接受者有潛在益處[21]。也有文獻指出采用THERAFLEX 系統處理后SARS-CoV-2 傳染性大幅度下降，可以將輸血傳播感染的風險降至最低[22]。

圖3 兩種用于醫療場景的254 nm UVC波段光源設備的原理及設備圖

雖然研究表明254 nm UVC 光照射下會誘導皮膚病變以及角膜損傷，但一定劑量的照射可殺滅患處的病原體，并具有促進組織生長、加速傷口恢復的功能，因此其可被用于口腔潰瘍[23]、褥瘡、糖尿病足[24-25]、皮膚損傷[26]、皮膚感染[27]、體表傷口感染以及術后傷口[28]等的恢復治療。在整形外科手術過程中，用UVC 光照射手術傷口可降低手術傷口感染的發生率。有研究使用發射波長為254 nm 的低壓汞燈照射3 例患者的潰瘍，患者潰瘍直徑及深度明顯縮小。且其中一例患者患有褥瘡，在常規治療下恢復緩慢，經UVC 光照射后，褥瘡的愈合速度也明顯增加[11]。在一些國家，使用（253.7±10.0）nm UVC 光照射的短波紫外線治療設備已獲批用于臨床。目前北京君樂寶醫療設備有限責任公司、北京君德醫療設備有限公司[29-30]、廊坊市天月醫療器械有限公司等公司均有短波紫外線治療設備投入市場[31]，用于傷口的殺菌治療。北京君德醫療設備有限公司研發的短波紫外線治療儀實物圖如圖3c所示，所采用的波長幾乎均是253.7 nm。因此，基于UVC 光的醫療設備波長的優化、治療效果及其安全性的優化還在不斷進行。

2 UVC-LED紫外燈

隨著光源技術的不斷進步和發展，出現了連續可調發射UVC 光波長的LED 光源。和傳統汞蒸氣燈一樣，UVC-LED 光源目前最重要的一個應用方向是殺菌消毒。

2.1 UVC-LED紫外燈的構造、發光原理及優缺點

UVC-LED 光源主要由n 型半導體、p 型半導體、中間的活性層以及襯底組成，其發光原理是基于半導體材料特性，電流通過半導體材料使電子實現能級躍遷，電子躍遷至較低能級，這一過程會釋放光子產生紫外光[32]。UVC-LED 光源襯底材料的選擇對其外延質量具有重要意義。考慮到晶體結構相似、晶格失配和熱膨脹系數差異小等因素，目前常用的襯底材料主要有Al2O3、SiC、Si、GaN 和AlN 等[33]。此外，相比于傳統汞蒸氣燈，UVC-LED 光源具有體積小、直流驅動、便攜、不產生臭氧、無環境污染、使用壽命長以及工作環境溫度范圍廣等優點[34-36]，被認為是有望取代傳統汞蒸氣燈的下一代紫外發光光源，在殺菌、生物監測以及醫療等方面有著廣闊的應用前景。近年來，隨著UVC-LED 逐漸進入商業化量產階段，芯片的外量子效率低、封裝材料易老化、散熱等問題成為阻礙其快速發展的3 個主要技術瓶頸[37]。同時，其也存在功率低、產熱嚴重等缺點[32]。隨著發射波長的減小，UVC-LED 的輸出功率更是嚴重降低，且目前其價格相對昂貴。因此，探索新的襯底和半導體材料，提高UVC-LED 的輸出功率的同時，降低價格是科學家們一直努力的方向。

2.2 UVC-LED紫外燈的可發射波長、光生物效應及潛在的醫用場景

通過向半導體材料中摻雜不同組分、改變外部電流大小、改變發光二極管溫度等條件，可調控UVC-LED 光源發射不同波長的UVC 光[37]。現已有應用的UVC-LED 光源發射波長主要有：265[38-39]、275[8]以及280 nm[40-41]等。已有文獻報道證實265、275 或280 nm 波長的UVC-LED光照射幾秒到幾十秒的時間即可殺死包括金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌、白色念珠菌等數十種細/真菌[42-43]，此外，其對新冠病毒、艾滋病毒等的殺傷作用也已經被證實[39,44]。由于光源體積小，UVC-LED 可被做成各種手持式、便攜式的殺菌裝備，同時也能滿足不同要求和形狀光源設計的要求。已有公司推出便攜式UVC-LED 消毒燈、消毒筆、手持式殺菌儀、殺菌盒、包裹消毒機等應用于日常生活的各個方面。現有設備包括：優威芯電子科技有限公司推出的波長為265 nm 的紫外消毒筆、山西中科潞安紫外光電科技有限公司推出的波長為275 nm 的手持式深紫外殺菌儀等。但其在光生物學效應和醫用方面的研究還處于早期階段。有研究采用自主設計的點狀排布 275 nm的深紫外發光裝置，首次探究了275 nm UVC-LED 光殺菌的量效關系和安全性，裝置實物圖如圖4所示。研究證明了275 nm UVC-LED 光對細菌和真菌有較強的殺滅作用，并首次證明其在一定劑量下具有較高的皮膚安全性[8]。此外，其還探索了在不同照射劑量下，275 nm UVC-LED 光對燒傷合并皮膚細菌/真菌感染小鼠傷口愈合時間的影響，證明 275 nm UVC 光可以通過殺滅感染傷口處的細菌/真菌進而縮短傷口愈合時間。265 nm和280 nm UVC 光在活體上的應用目前幾乎無相關文獻報道，關于其具體的作用機制也尚無準確定論。因此，UVC-LED 在生物和醫用方面具有很大的應用潛力。

圖4 UVC-LED光源的實物圖[8]

3 準分子紫外燈

準分子紫外燈是一類新型的準單色紫外燈光源。現有可發射波長在UVC 范圍內的準分子紫外光源有KrBr準分子燈、KrCl 準分子燈、KrF 準分子燈等[45]。

3.1 準分子紫外燈的構造、發光原理及優缺點

準分子紫外燈的結構如圖5所示，將兩根普通石英管燒紙拼接成的同軸結構放電管連到真空系統，內部電極為高壓電極（金屬箔電極），外部電極貼在石英管外表面（金屬網電極）[46]。在內外管之間的環形空腔內按比例填充不同氣體（KrBr、KrCl、KrF），即可制造不同發射波長的準分子紫外發射光源。與傳統254 nm 的低壓汞蒸氣燈相比，準分子燈具有安全性更高、可選功率范圍大、結構簡單、工作壽命更長的優點。此外，準分子燈可以將多種工作準分子同時激發，使多波紫外光照射成為可能。同時由于準分子燈是冷源，與傳統的汞蒸氣紫外燈相比，準分子燈的輻射表面保持在相對較低的溫度，且介質不需要加熱，準分子燈在打開后可以立即達到輸出峰值，消殺所需時間較短，使用更加方便[47]。此外，現有準分子紫外燈的發射波長已被證實對皮膚和眼睛的傷害較小[48-49]，因此，有望應用于人體治療。但是，目前對準分子燈發射UVC 波長的研究相對較少，且主要集中在222 nm。這主要是因為現有可供使用的等分子燈裝置少，如現有的222 nm 準分子燈裝置是日本東京Ushio Inc.的KrCl 準分子燈，型號為SafeZoneUVC，該裝置正在商標注冊過程中，暫時不能廣泛使用[50]。

圖5 準分子紫外燈的結構示意圖[46]

3.2 準分子紫外燈的可發射波長、光生物效應及潛在的醫用場景

不同填充氣體的準分子燈可以發射不同波長的紫外光，KrBr 準分子燈可以發射波長為207 nm 的紫外光，KrCl 準分子燈可以發射波長為222 nm 的紫外光，KrF準分子燈可以發射波長為248 nm 的紫外光[45]。長時間暴露在紫外光下可能會導致人體細胞中的DNA 損傷，波長更短的UVC 光在生物樣品（如角質層）中的穿透距離與254 nm UVC 光相比更加有限[49]，同時相比于常見的254 nm UVC 光，準分子燈發射的UVC 波長更短，其會被細胞膜和細胞質中的蛋白質吸收，不能到達細胞核[51-53]，對細胞DNA 造成較低損害或不造成損害。因此，準分子燈在未來可能是更安全有效消毒殺菌的選擇，由此研究者對其展開多項研究。Ma 等[54]的研究證明KrCl準分子燈可用于滅活大多數常見細菌和病毒，是有效的細菌和病毒消毒裝置，大多數微生物在10 mJ/cm2的照射劑量下滅活率可達到99.99 %以上。與傳統紫外燈相比，KrCl 準分子燈對病毒的消毒效果更好，但對細菌的消毒效果略差，這是由于細菌對222 nm 的紫外光敏感性較低，而病毒對222 nm 的紫外光敏感性較高，造成這一結果的原因是病毒和細菌大小、形態、組成和分子結構存在差異。Shin 等[41]使用222 nm 和280 nm UVC聯合對鼠傷寒沙門菌和單核增生李斯特菌滅活實驗證明了不同波長紫外光聯合治療可以增加滅活效率，但該實驗中聯合紫外光會降低細胞恢復速度，接下來可更換不同波長UVC 進行研究，尋找既有更高滅活效率同時也不會對細胞膜造成損傷、降低細胞恢復速度的UVC 光組合。Kitagawa 等[50]對SARS-CoV-2 病毒的滅活研究中，使用SafeZoneUVC 型號準分子燈發射222 nm UVC 對病毒照射1 mJ/cm2（0.1 mW/cm2，照射10 s）和3 mJ/cm2（0.1 mW/cm2，照射30 s）時，SARS-CoV-2 活性分別降低88.5 %和99.7%，且隨著照射時間增長，病毒的活性逐漸下降，由于UVC 良好的消毒特性，可用于預防和控制感染。

2023年，Tavares 等[55]首次將222 nm UVC 直接照射人造皮膚模型，以評估其安全性。與常用的254 nm的UVC 光相比，KrCl 準分子燈發射的222 nm UVC 光照射產生的CPD 更少，皮膚安全性更高。這一發現驗證了準分子燈可應用于臨床治療。Ha 等[56]發現間歇性照射所帶來的滅活效應比相同劑量的連續照射更好，這一發現為臨床治療提供新的治療思路。在未來如果能研制出更多不同的準分子燈設備，打破光源壟斷，有望將發射UVC 光的準分子燈技術真正應用于臨床。

4 微波等離子體紫外燈

微波等離子體紫外燈是另外一種有前景的新型紫外燈光源。截至目前，對微波等離子體紫外燈光生物效應的研究相對較少，可研究范圍廣闊。

4.1 微波等離子體紫外燈的構造、發光原理及優缺點

如圖6所示，微波等離子體紫外燈主要由微波源、可調諧振腔和紫外燈管3 部分組成。它的發光原理是通過共振器將電磁波能量導入石英玻璃發光體中，激發內部的等離子體物質，使等離子體產生連續可見的廣譜。與傳統需要使用電極的汞蒸氣燈相比，電極會限制紫外燈使用壽命并且將單位長度的輸出功率限制在30 W 左右[57]，而微波等離子體紫外燈能量源為微波，微波能量很容易通過介電管，不需要使用電極。因此微波等離子體紫外燈有更長的使用壽命、更高的輸出功率，單位長度的功率可以高達250 W[58]。此外，微波等離子體紫外燈的制造成本也相對較低，燈管可以做成任意形狀、長度、直徑，可以適用于一些對燈管形狀有特殊要求的實驗研究。同時微波等離子體紫外燈使用前不需要任何清潔程序清潔放電管，也不需要預熱，使用所需要的準備時間短，更加方便迅速。因此，其在殺菌領域也有一定的應用前景。

圖6 微波等離子體紫外光系統[59]

4.2 微波等離子體紫外燈的可發射波長、光生物效應及潛在的醫用場景

通過調節微波等離子體紫外燈諧振腔的耦合比、諧振腔長度等參數可以實現濾波功能，獲得特定波長的紫外光[59]。其最常見的發射波長也是254 nm。微波等離子體紫外燈可以單獨使用，也可以與其他可用的紫外線源（如UVC-LED）結合使用，定制不同波長的消毒系統，增強消毒效應。同時，Ortoneda 等[59]建立了一種實驗系統如圖7所示，該系統可以在減少對人體傷害的情況下對細菌和病毒進行滅活。研究證明了254 nm 和臭氧形成區（185 nm）同時產生的紫外光在發出紫外光的同時產生臭氧，沒有二次污染且臭氧與紫外光結合的殺菌效果更好。

圖7 微波等離子體紫外光殺菌實驗系統[59]

Raeiszadeh 等[60]研究表明微波等離子體紫外線有獨特的光譜功率，其光譜功率分布在蛋白質的紫外線吸收和分解峰周圍。研究證實波長在240 nm 以下的微波等離子體紫外燈可以誘導核酸修復缺陷功能紊亂，使病毒傳染性下降。因此，微波等離子體紫外燈在未來可能應用于人體，有一定的應用前景。考慮到汞蒸氣自身的危害性，Mayor-Smith 等[61]開發出了一種無汞碲高壓等離子體，它的出現使紫外光源快速、低成本地過渡到無汞光源成為可能，目前暫無其他替代品出現。因此，微波等離子體紫外燈可以成為傳統紫外線照射系統的替代方案，實現紫外光源的去汞化。

5 激光紫外發射器

激光紫外發射器可以產生紫外光束，具有殺菌消毒特性，可用于激光手術、皮膚治療等領域。其按結構的不同可分為光纖紫外激光器（固體紫外激光器）、半導體紫外激光器和氣體紫外激光器。本文著重于介紹生物醫用中常用的光纖紫外激光器。

5.1 光纖紫外發射器的構造、發光原理及優缺點

光纖紫外激光器的基本結構有泵浦源、激光介質、諧振腔、輸出耦合器以及光纖[62]。其發光原理為原子或離子的能級躍遷。最常用的激光二極管（Laser Diode,LD）泵浦源是Nd:YAG 晶體，其結構如圖8所示。

圖8 光纖紫外激光器的構造圖[63]

產生紫外激光的主要步驟首先是激光器內的泵浦光源照射到增強介質上從而實現粒子數反轉，之后基波紅光在諧振腔內形成并且振蕩，再通過一次或多次非線性晶體腔內倍頻，在經過透射、反射后最終從諧振腔輸出所需的紫外激光[63]。

光纖紫外激光器有良好的光電轉換效率，光束質量好、穩定性強、設備體積小且性能可靠性高[64]。目前，國外有關光纖紫外激光器技術以及應用設備已趨向成熟，但是價格相對昂貴并未廣泛使用。國內的光纖紫外激光器的研究方向根據功率大小的不同有一定區別，中小型功率器件逐漸向多樣化、智能化、產業化發展，大功率器件向高平均功率、高光束質量發展[65]。

5.2 光纖紫外發射器的可發射波長、光生物效應及潛在的醫用場景

由于光纖具有柔性可彎折特性，光纖紫外激光器可以適用于很多特定的使用環境，如導管消毒。同時大面積的激光輸出的能力使其成為消毒易感染組織（如導管或其他穿透皮膚的醫療設備周圍）的可行解決方案。現已有中心波長為266 nm 和224 nm 的光纖紫外激光器。

光纖紫外激光器用于殺菌消毒已有一些研究。Lin等[62]用波長為266 nm 的紫外光處理涂敷了凝固酶陰性葡萄球菌（60%）和金黃色葡萄球菌（33%）的導管，導管置于紫外線下的紫外線光纖傳輸概念示意圖及光纖紫外激光器實物圖如圖9所示。結果發現每根感染導管經紫外線處理段與未經紫外線處理段相比活菌顯著減少，57%的導管樣品中最終沒有活菌殘留。結果證明了利用光纖將紫外光輸送到透析導管的腔內并滅活腔內表面細菌病毒的可行性，有望未來在臨床應用，減少患者術后感染。

圖9 光纖紫外激光器

Welch 等[66]對比了KrCl 準分子燈發射的222 nm紫外光與光纖紫外激光器發射的224 nm 紫外光消毒性能，實驗證明兩者之間沒有顯著差異，且光纖紫外激光器發射出紫外光的殺菌消毒能力很強，準分子燈光源與激光光源的消毒性能區別不大。此外，用光纖紫外激光器發射的224 nm 紫外光對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌進行照射實驗，結果顯示使用紫外激光器能夠有效擴大殺菌區域。該波長的紫外光可以防止細菌從皮膚穿透裝置周圍入侵，可用于消毒導管、輸液管或其他皮膚穿透性醫療器械周圍等易感染區域。以上研究表明光纖紫外激光器有一項獨特的應用是用于導管殺菌消毒，該應用可以有效預防感染，在臨床醫療領域潛力巨大。

6 總結與展望

紫外光在臨床上目前主要有兩方面的應用：① 基于308 nm 的準分子光療儀可有效用于白癜風、銀屑病和過敏性皮炎等皮膚疾病的精確治療，目前技術已相對成熟穩定；② 基于405 nm 紫外光的光動力療法，用于治療痤瘡等皮膚表皮疾病。除以上兩個主要應用方向，基于254 nm UVC 光的臨床設備也有多年的研發和應用歷史，其已在包括口腔潰瘍、褥瘡、糖尿病足以及皮膚感染等的治療以及血液滅菌領域有所應用，但一直未有進一步的發展。這些臨床醫療設備所采用UVC 光光源幾乎無一例外為傳統價格低廉的汞蒸氣紫外燈，且波長為254 nm。而該波長被證實可誘導皮膚疾病甚至皮膚癌變，并且對角膜也不友好。根據全球照明協會（Global Lighting Association）2020年5月公布的紫外線輻照安全指南，采用180～400 nm 波段的UVC 光，在＜1 mW/m2的輻照劑量下照射小于8 h 對人體造成的危險可忽略，采用＜3 mW/m2輻照劑量照射小于10000 s 對人體造成的危險為第一危險等級，說明在安全輻照劑量允許范圍內還有一定的操作空間[67-68]。且日常照明安全輻照劑量與臨床醫用還有顯著差異，說明UVC 光輻照仍具有一定的醫用前景。此外，近年來隨著各種不同新型紫外光源的不斷涌現，主要吸收峰的更短UVC 波長和更長UVC 波長的紫外發射光均可獲得。部分UVC 波段的光已被證實對人體皮膚組織和眼睛損傷較小，更加安全。但由于不同波長紫外光的生物安全性需要進一步驗證，其用于人體和臨床仍處于早期研發階段，距離實際投入醫療使用還有一定距離。此外，這些波段的UVC 光源相比于傳統廉價且易于獲得的汞燈而言，往往價格更昂貴，有些處于研發早期，這也是阻礙其快速發展的一個重要原因。尋找成本低、易得、殺菌效率高且安全性強的UVC 光源有利于找到治療效果更好的應用于臨床醫學的UVC 光。UVC 光的應用推廣使得紫外光照射的安全性得到了提升，如何提高紫外光的滅活效率、研發出新型環保紫外光光源、找尋合適的可應用于治療的紫外光波長是未來重要的研究方向。隨著技術的發展，期望UVC 光源能實現突破，在安全性高的同時有更高的發光效率，最終實現汞光源的淘汰。紫外光照射在未來有望成為一種長期有效、安全的治療人類傳染病的方法，并能很好地應用于不同的臨床場景。