實現“人機共存”的上層空間紫外輻照系統的應用及研究進展

季耀洲，何張衛，葉新建，羅美林，曹承福，袁文涵，朱鳳一，俞容文，宋承華，吳榮謙，李虞鋒,3

1.國科溫州研究院，浙江 溫州 325001；2.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；3.陜西省信息光子重點實驗室，陜西 西安 710049

引言

肺結核是由結核分枝桿菌引起的傳染病，主要通過空氣飛沫傳播。感染結核分枝桿菌的人可能在無癥狀或輕微癥狀時將細菌釋放到空氣中，而他人在吸入空氣中的結核分枝桿菌時可能被感染。肺結核每年導致數百萬人感染或死亡。因此對空氣傳播類傳染病的控制和防止蔓延變得尤為重要。針對此類傳染病，建議采取一些預防措施，如保持社交距離、良好的衛生習慣和避免前往擁擠的地方。然而，通過空氣傳播的病原體可能會在空氣中存活較長時間，存在傳播的風險。有實驗發現紫外線可以有效滅活微生物，如甲型流感、李斯特菌、大腸桿菌及嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒-2（Severe Acute Respiratory Syndrome Associated Coronavirus，SARSCoV-2）[1-3]等。

但過度暴露于254 nm 紫外線輻射會導致人體皮膚變紅以及眼睛結膜發炎，這成為紫外線普及應用的障礙，因此，在使用紫外線殺菌消毒時往往需要人員回避。通常使用專門設計的設備和防護措施來執行紫外線消毒任務，以確保操作者和周圍人員的安全。但如果設計和安裝得當，精確地將紫外線照射到上層空間或消毒區，紫外線設備的使用并不需要室內人員回避，保證處于較低空間或非消毒區的人員不會暴露在紫外線下，實現“人機共存”，上層空間紫外輻照技術作為一種有效的防控措施變得越來越重要。世界衛生組織最新結核病感染預防和控制指南指出：建議使用上層空間紫外線殺菌（Upper-Room Ultraviolet Germicidal Irradiation，UVGI）系統，以減少結核分枝桿菌向衛生工作者、衛生保健機構就診者或高傳播風險場所內的其他人的傳播[4]。本文旨在綜述上層空間紫外輻照系統的發展現狀，包括紫外光源種類、紫外線殺菌原理、應用概述、技術原理、國內外的研究現狀等，為應對傳染病和提高室內空氣質量方面的應用提供理論和實踐支持。

1 紫外光源與紫外消殺原理

目前，可以產生紫外線的光源一共有5 種，分別是低壓汞燈、中高壓汞燈、脈沖氙燈、紫外LED 和準分子燈。以上5 種光源的工作原理各不相同，因此在效率、光譜和光源體積方面也存在較大差異。其中，低壓汞燈的系統輻射效率可達30%，是目前室內消毒的主力光源[5]。中高壓汞燈波長范圍廣泛，但其中具有消毒功能的C 波段紫外線（Ultraviolet C，UVC）較少[6]。而紫外LED 體積小、壽命長、綠色環保的優勢促進了其應用于系統的設計創新[7]。有報告稱準分子燈所發射的222 nm 附近的窄帶光譜對人的皮膚和眼睛會造成極小傷害[8]，但由于此種光源成本較高，并且該波段紫外線在空氣中的傳播效率極低[9-10]，因此低壓汞燈與紫外LED 逐漸成為新一代紫外殺菌輻照系統所青睞的光源。

根據紫外LED 標準化體系分析報告規定，紫外光根據波長通常分為315～400 nm（A 波段紫外線）、280～315 nm（B 波段紫外線）和200～280 nm（UVC）。波長短、能量高的UVC 能夠穿透微生物的細胞壁和細胞膜，進入細胞內部，短時間內破壞微生物機體（細菌、病毒等病原體）細胞中分子結構，損害其遺傳物質，使細胞無法再生（圖1），因此廣泛應用于水、空氣、物體表面的殺菌消毒。

圖1 UVC殺菌的原理

UVC 光已被證實可廣泛應用于滅活所有經過測試的微生物和病毒，其中包括引起結核病、流感和SARSCoV-1 的微生物和病毒[11-12]。SARS-CoV-1 滴度為1×106TCID50/mL 的病毒母液在1446 mJ/cm2UVC 照射劑量下幾乎可以完全滅活，完全滅活SARS-CoV-2 所需的發射劑量為1048 mJ/cm2[13]。滅活1×106TCID50/mL H1N1 流感病毒的病毒載量也需要類似的1000 mJ/cm2劑量[14-15]。

2 上層空間紫外輻照系統的技術原理

鑒于上層空間紫外輻照系統在預防氣溶膠傳播疾病方面的高效性，以及其在結核病方面的廣泛應用，美國疾病預防控制中心和世界衛生組織等機構已認可其用于疾病的環境控制，并發布了其安裝、使用和維護的技術指南[4]。

通過在天花板上安裝紫外線上層空間固定消殺裝置，將紫外光線直接投射到空氣中。在使用裝置時，將房間分為上層空間（或消毒區，即人的頭頂與天花板之間的空間）和下層空間（或呼吸區，即人們生活、工作、學習的地方）。利用空氣上下流動原理殺滅空氣中的微生物[16]。人們呼出的氣體中的氣溶膠比房間內的空氣溫度更高，因此會上升并集中在天花板上，當氣溶膠上升至天花板并逐漸分布到整個房間內時，可以在上層空間滅活氣溶膠，短時間內對其進行消毒并達到較高的消毒率，避免了氣溶膠冷卻并下降時對居住該空間的人產生傳染的風險。含有感冒或流感患者傳染性病原體的空氣飛沫可以在室內空氣中停留6 min 或更長時間，而上層空間紫外線裝置可以在幾秒鐘內消滅這些微生物，并且每天24 h 運行以進行持續凈化。隨著空氣再循環，后續每次通過“多次給藥”使得空氣中病原體濃度進一步降低。病原體不斷在房間里漂浮，最終會飄到上層空間進行消毒，然后回到下層空間，被吸入時不會傳染給其他人。該技術在實際測試中被證明避免氣溶膠引起的傳染（流感、麻疹、結核?。┑淖畹陀行詾?0%。同時，UVGI 設備操作時幾乎沒有噪音，設備的使用與人員相適應，可連續、無噪音、自動地對室內環境中的空氣進行消毒，直至達到期望期望滅菌水平，無須將人員帶出房間或改變設施內的正?；顒?，可以在任何人員聚集的室內環境中使用，實現真正的“人機共存”[17]。

3 上層空間紫外輻照系統的應用概述

相對于機械通風或空氣凈化器，上層空間紫外輻照技術有明顯優勢，其操作成本更低，且不使用化學消毒劑，減少了對環境的負面影響。機械通風或凈化器需要捕獲/吸入氣溶膠才能使其失活，因此清除房間內的傳染性氣溶膠需要更長時間，同時，這些方法會產生更大氣流，帶來更多的噪音和更高的能源成本。上層空間紫外輻照技術對于防控空氣傳播疾病、提高室內空氣質量、保護公眾健康以及環境保護都具有重要的意義。

Escombe 等[18]使用上層空間UVC 作為一種有效、低成本的干預措施，以預防高風險臨床環境中的結核病傳播。Mphaphlele 等[19]研究結果表明上層空間殺菌紫外線空氣消毒與空氣混合對于減少醫院結核病傳播非常有效，并報道了針對性的輻照劑量指南。有研究證明UVGI 系統可在不考慮其他傳染病預防措施的情況下有效預防至少80%經空氣傳播的疾病（如結核病,麻疹）進行傳播[19]。在秘魯和南非的結核病病區進行的關于紫外線殺菌有效性研究發現當地結核傳播風險降低了70%～80%[18-20]。以下為具體應用案例：1997—2004年，哈佛大學醫學院和公共衛生學院與其他醫院合作，在美國6 個城市的14 個收容所進行了UVGI 照射實驗。共收集到3611 名工作人員和流浪漢的測試數據，有223 份眼睛或皮膚出現癥狀的報告。其中，紫外照射組的受試者中有95 份癥狀報告；安慰劑對照組的受試者中有92 份癥狀報告。在紫外照射組和安慰劑組之間，癥狀報告的數量沒有統計學上的顯著差異。表明在不明顯增加紫外線意外暴露的情況下，可以放心使用上層空間紫外輻照系統[21]。

有研究探討上層空間紫外輻照燈具在學校教室的空氣照射對飛沫傳播的影響，結果表明上層空間紫外消殺對麻疹、腮腺炎和水痘等傳染病有著很強的阻斷傳播的作用[22-23]。印證了上層空間紫外輻照燈具在學校教室的空氣照射對飛沫傳播的阻斷作用。

2020年， AeroMed 公司在劍橋友誼學校內所有教室安裝和調試了近60 盞254 nm 的上層空間紫外燈具，并在后面的幾周全部投入了使用[24]。羅馬尼亞Forte Partners 等公司在其辦公室和會議室安裝了6 個吊頂式紫外燈具；德國漢堡EDEKA Clausen 超市安裝了31 臺帶有屏蔽和光學裝置的UVC 上層空氣消毒燈具，防止人員暴露于UVC 輻射下[25]。這些應用案例都表明，紫外線殺菌在預防病原體的傳播方面也展示不同程度的輻照效力。除了紫外線的殺菌作用，上層空間輻照系統還需要與室內空氣流動原理相結合實現室內細菌病毒全方位輻照，以最終達到室內空氣凈化效果。

4 國內外研究現狀

4.1 汞燈紫外光源的設備方案

在許多常規建筑的空間中，人頭頂與天花板之間的距離為1 m 以上。為了確保紫外線不泄漏到下層空間，正確設置紫外線燈非常重要。上層空間紫外輻照系統可以按安裝方式以及設計結構進行分類：壁掛式與吊頂式，百葉窗式和開放式（無百葉窗）。AeroMed?公司的壁掛式UVGI 設備LEXUS?如圖2所示。設備安裝在距離地面約2.1 m 的高處。它是基于Riley 等[26]提出的一種用于天花板較低的房間的固定裝置設計，其中包括約15 cm 深的百葉窗。在百葉窗背后配備一根或多根水銀燈管（亦稱汞燈）。水銀燈管位于焦點處，而后面的拋物面反射器反射并聚焦燈管發出的紫外線。拋物面反射器可確保一小半的輻射以平行或準直光形式發射，使從設備出口發射的光線限制在與設備幾乎同一水平面的窄帶內[27-28]（圖3）。

圖2 AeroMed?公司的產品LEXUS? 拆解圖[28]

圖3 AeroMed?公司的產品LEXUS? 光束整形原理圖[27]

圖4 為另一種類似的設備Hygiene LIND-24 EVO的紫外線輻射強度在輻照射程和寬度上的分布[28]。紫外線強度在接近設備端時達到最大值，距離設備1 m時約為200 μW/cm2。隨著距離增加到5 m，強度降至約10 μW/cm2（空氣對紫外線吸收率隨波長減小而增強），確保殺菌區域的最小強度為10 μW/cm2。該設備在豎直方向上呈現出高度集中和約束的紫外線輻射分布。設備能夠在較窄空間內保持高強度的紫外線輻射，這對于有效完成消毒和殺菌任務至關重要。而距離地面約1.8 m 的位置，強度迅速降低至約0.2 μW/cm2。在這個高度以下，可以近似認為紫外線無泄漏，是安全的工作和生活區域。在水平方向上，紫外線輻照強度以設備中心為原點呈現朗伯（Lambertian ）分布。

圖4 上層空間紫外線設備Hygiene LIND-24 EVO

由于水銀燈管有一定體積（直徑1 cm 以上），有大量光線實際上是無法平行射出百葉窗的。因此，為了防止機殼內的紫外線經過百葉窗之間多次反射后進入下層空間而造成人員暴露，平行百葉窗涂有減反材料來吸收不平行的一部分光線，造成了不少紫外線能量的損失和浪費。另外，吸光的百葉窗并不能完全避免進入下層空間的紫外線，因此這種設備安裝時通常向上微翹，以小角度向上引導紫外線，如Riley 等[30]建議的3°～5°。

由于只有10%～20%的電能轉換成了紫外線并在設備表面輸出。當百葉窗被拆除時，上層空間的輻照度水平可能增加2～4 倍[31]。與百葉窗不同的是，開放式燈的反射表面并不在燈管背后，其目的是防止光線泄漏到下層空間，同時向上反射盡可能多的光線。UVC 通過UVGI 設備上部的“槽”發射，上擋板被移動以發射更多或更少的紫外光線[32-33]（圖5）。而非屏蔽燈（完全沒有遮擋或者反射的燈管）只能在無人居住的區域使用，通過智慧物聯網搭配人在傳感器進行智能控制，確保有人在房間時,設備保持關閉狀態，沒有人時設備才可以工作。盡管不少設備都通過這種方式增加了輻照強度，但實際上大大降低了設備的利用率。在很多場景中，往往是有人在不通風的房間內，反而更需要紫外線設備處于工作狀態。

圖5 ladimir公司的開放式上下層交替紫外線輻照設備側視示意圖[33]

目前上層空間UVGI 照射的標準“經驗法則”是每18.6 m2的面積使用一盞30 W 或兩盞15 W 燈。在擁擠的情況下，Riley 等[30]建議每7 人使用一盞30 W 的燈。從有效性的角度來看，最好將光線暴露在盡可能多的空氣中，這意味著設備與光線照射到的任何表面（如墻壁）之間保持最遠的距離。

4.2 固態紫外光源的設備方案

UVGI 系統的主要挑戰是光束整形。與汞燈管加反射器和百葉窗的方案相比，UVC-LED 可以提供易于控制的光源，輕松優化和調整所需的亮度。LED 允許使用輔助光學器件，能更好地防止光線泄漏到較低的空間。汞燈壽命在幾千到一萬五千個小時左右不等，而UVCLED 的使用壽命更長。其越來越便宜的價格進一步增加了其優勢。Luminii 公司的產品Purifii AER W 將LED （波長260～280 nm）上搭配多個凸石英透鏡，再與定制的PVD 鋁反射器光學耦合。借助這種折射加反射的系統，Purifii AER W 能夠精確控制光線路徑，提供約10°的高強度窄光束（圖6）。集中殺菌區域使系統既安全又高效，并且造型簡約美觀[33]。

圖6 Luminii公司的產品Purifii AER W光線示意圖

LEDiL 公司采用LED 和獨特的二次光學透鏡，使光更有效地聚焦。實現了14°左右的窄光束并成功地聚焦到房間的上部。使用具有兼容透鏡的不同UVC-LED可以輕松擴展燈具功率輸出，以適應不同用途。但在應用上層空間紫外輻照系統過程中對射出的紫外線劑量是有限制的。建議每天8 h 輪班暴露于280 nm 處的紫外線劑量不大于0.34 μW/cm2，而LEDiL 公司在試驗中在眼睛水平處測得最大輻照強度為0.3 μW/cm2[34]。

在選擇上層空間紫外線裝置時，需要根據房間尺寸、天花板高度和布局來確定最佳方案[35]。這種場景可以選擇從平行到垂直向上的區域都發射紫外光線的產品[36]。開放式LED 系統比上述窄輻射角度LED 系統應用場景更多，對于天花板較高的空間類型尤其有效。開放式系統的照射面積更大。盡管單位面積的輻照強度有所降低，但隨著輻照時間的延長，最終將滿足完全消殺的輻照劑量。圖7 展示的九寬科技的產品B-JHV3W3 就是采用了該技術路線。

圖7 九寬科技的產品B-JHV3W3（a）輻照射程和（b）輻照區水平寬度示意圖

5 總結與展望

近年來，隨著空氣式傳播疾病的頻發，上層空間紫外線輻照系統在空氣消殺方面表現出了一定的潛能。本文通過介紹上層空間紫外輻照系統的情況，從紫外線消殺的原理到紫外光源的挑選作為介紹系統的切入點，從該系統的技術原理到實際的應用案例進行分析，并對比了國內外上層空間紫外輻照系統實現“人機共存”的幾種技術方案，為應對傳染病和提高室內空氣質量方面的應用提供理論和實踐支持。該系統旨在房間居住者的頭部上方產生高水平的紫外線輻照度來消滅上層空氣中的有害微生物，并最大限度地減少房間下層空間的紫外線暴露，以實現真正的“人機共存”。實現上層空間紫外輻照系統的產業化轉化，需要足夠的實驗結果數據和多方面的模擬驗證，而開展多類場所實地測試是促進轉化最重要的方式之一。因此，在人員聚集的場所安裝該系統開展實地研究也是未來的應用方向。此外除了單獨進行上層空間紫外消殺，系統還可能在未來徹底融入百姓家電行列當中。它與物聯網結合可實現遠程監控、自動化調整、數據分析、能源管理和預測性維護，提高殺菌效率、節省能源，同時整合到建筑管理系統中以協調優化建筑衛生和能源效率。綜上，上層空間紫外輻照技術在未來將持續發展并得到廣泛應用。