紫外線殺菌燈的前世今生
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自2020年3月11日WHO正式宣布新冠肺炎成為全球“大流行病”以來,世界各國一致將消毒工作視為阻擊疫情傳播的第一道防線。越來越多的科研機構對紫外線(UV)燈照射消毒產生了很大興趣:這種消毒技術對人工操作需求度極小,且不會提高細菌的耐藥性,完全可讓人不在場遠程智能操控使用,尤其適用于人流聚集密度高、停留時間長且最易產生交叉感染的封閉式公共場所,成為防疫殺菌消毒的主流。要說起紫外線殺菌消毒燈的由來,還要從“紫外線”這個光線被發現開始慢慢說起。
紫外線是陽光中頻率為750THz~30PHz,對應真空中波長為400nm~10nm的光線。紫外線的頻率高于可見光,我們無法肉眼可見。在很久以前,人們并不知道它的存在。
1800年(nian)英國物(wu)理(li)學家赫(he)歇爾發現了不可見(jian)(jian)的熱射線(xian)—紅外線(xian)后,秉著物(wu)理(li)學“事物(wu)具有兩(liang)級對稱(cheng)性”的理(li)念,德國物(wu)理(li)學家、化學家約翰-威廉-里特(Johann Wilhelm Ritter,1776~1810),在(zai)1801年(nian)發現在(zai)可見(jian)(jian)光譜的紫光端(duan)之外,還存在(zai)著不可見(jian)(jian)光。他(ta)發(fa)現(xian)在日光光譜(pu)的紫端外側一段(duan)能夠使含有溴化銀的照相(xiang)底片感光,從(cong)而發(fa)現(xian)了紫外線的存在,因(yin)此里特(te)也(ye)被稱(cheng)為紫外線之父。
里特(Johann Wilhelm Ritter,1776~1810)
紫外線可以分為UVA(波長400nm~320nm,低頻長波)、UVB(波長320nm~280nm,中頻中波)、UVC(波長280nm~100nm,高頻短波)、EUV(100nm~10nm,超高頻)4種。
1877年,Downs和(he)Blunt第一次報道了關于太陽(yang)光輻射可(ke)以殺滅培養基中細菌(jun)的(de)(de)特征(zheng),這也揭開了人們(men)對紫外線殺菌(jun)消毒研究和(he)應用的(de)(de)序幕(mu)。1878年,人們(men)發現了太陽(yang)光中的(de)(de)紫外線具有殺菌(jun)消毒作用。在1901 年和 1906 年人類先后(hou)發明了水銀光(guang)弧這一人造紫外光(guang)源(yuan)和傳遞紫外光(guang)性(xing)能較好(hao)的(de)石英材(cai)質燈管。
1960年(nian) 人(ren)們第一(yi)次確認了紫(zi)(zi)外(wai)滅菌消毒(du)(du)的機理。一(yi)方面(mian),當微生(sheng)物受到(dao)紫(zi)(zi)外(wai)線照(zhao)射時,生(sheng)物細(xi)胞內脫氧核糖(tang)核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)吸(xi)收紫(zi)(zi)外(wai)線光子(zi)(zi)(zi)能(neng)量,DNA分子(zi)(zi)(zi)中同(tong)一(yi)條鏈兩個(ge)相鄰的胸(xiong)腺嘧啶基之(zhi)間(jian)以(yi)環(huan)丁基環(huan)形(xing)(xing)成(cheng)二聚體(ti)(胸(xiong)腺嘧啶二聚體(ti))。二聚體(ti)形(xing)(xing)成(cheng)后(hou),影(ying)響了DNA的雙螺旋結構,RNA引物的合成(cheng)將停止在二聚體(ti)處,DNA的復(fu)制(zhi)和轉錄功能(neng)均(jun)受到(dao)阻(zu)礙。另(ling)一(yi)方面(mian),在紫(zi)(zi)外(wai)線的照(zhao)射下可以(yi)產(chan)生(sheng)自(zi)由基,引起光電離(li),從而使(shi)微生(sheng)物不能(neng)復(fu)制(zhi)繁殖。細(xi)胞對(dui)于(yu)220nm和260nm附近波(bo)段的紫(zi)(zi)外(wai)線光子(zi)(zi)(zi)最為敏感,能(neng)夠高效(xiao)吸(xi)收這兩個(ge)波(bo)段的光子(zi)(zi)(zi)能(neng)量,從而阻(zu)止DNA的復(fu)制(zhi)。波(bo)長(chang)為200nm或更短(duan)的紫(zi)(zi)外(wai)線輻射,大部分都在空(kong)氣中被(bei)吸(xi)收,因(yin)此很(hen)難長(chang)距(ju)離(li)傳(chuan)播,所以(yi)殺(sha)(sha)菌作(zuo)用的主力紫(zi)(zi)外(wai)線波(bo)長(chang)集中200nm~300nm之(zhi)間(jian)。但低于(yu)200nm被(bei)吸(xi)收的紫(zi)(zi)外(wai)線會分解空(kong)氣中的氧氣分子(zi)(zi)(zi),產(chan)生(sheng)臭(chou)氧,同(tong)樣也會起到(dao)殺(sha)(sha)菌消毒(du)(du)的作(zuo)用。
在19世紀初,通過水銀蒸汽被激勵放電發光的這項工藝即已經為人所知:蒸汽封閉到一根玻璃管中,在玻璃管兩端的兩根金屬電極上施加電壓,從而產生一道“光弧”,使蒸汽發光。由于當時玻璃對于紫外的透過率極低,一直未能實現人造紫外光源。
1904年,德國賀(he)利(li)氏的(de)(de)Richard Küch博(bo)士利(li)用(yong)(yong)其制成的(de)(de)無(wu)氣泡高純度(du)石(shi)英(ying)(ying)玻璃,制作(zuo)出第一支石(shi)英(ying)(ying)紫外(wai)汞(gong)(gong)燈(deng)(deng)Original Hanau® Höhensonne。因此,Küch被視為紫外(wai)汞(gong)(gong)燈(deng)(deng)的(de)(de)發明者(zhe)(zhe),以及在醫用(yong)(yong)光療法中使(shi)用(yong)(yong)人造(zao)光源(yuan)進行人體(ti)照射的(de)(de)先驅者(zhe)(zhe)。
自1904年第一支石英紫外汞燈出現后,人們開始研究其在殺菌領域上的應用。1907年,經過改進的石英紫外線燈被作為一種醫學治療光源被廣泛銷售。1910年,在法國馬賽市(Marseilles),紫外線消毒系統第一次被用于城市給水處理的生產實踐中,日處理能力為200 m3/d。大約在1920年,人們開始研究紫外在空氣消毒領域。1936年,人們開始在醫院手術室中采用紫外殺菌技術。1937年人們首次在學校中采用紫外殺菌系統控制風麻疹傳播。
20 世紀 60 年代(dai)中(zhong)葉,人類開始了對紫外(wai)線(xian)消毒技術在城(cheng)市污水處理(li)中(zhong)的應用(yong)。1965年(nian)到1969年(nian),加拿大安(an)大略省水(shui)資源(yuan)委(wei)員會對紫外線消(xiao)毒技術應(ying)用于城(cheng)市污水(shui)處理以及對受納(na)水(shui)體的影(ying)響進行了研究和評估。1975年 挪威啟用紫外消毒,替代有副產物的氯消毒。人們對紫外線消毒在城市污水處理中的應用進行了大量早期的研究,這主要是由于當時科學家已認識到被廣泛使用的加氯消毒工藝中的余氯對受納水體中的魚類等生物有毒,而且發現并確認了氯消毒等化學消毒方法會產生如三鹵甲烷(THMs)等致癌、致基因畸變的副產物。這些發現促使人類尋求一種更好的消毒方法。在1982年,加拿大一公司發明了世界上第一套明渠式安裝的紫外線消毒系統。
1998年 Bolton證明紫外消(xiao)(xiao)滅原生動物的(de)有效性,從而(er)助推(tui)了(le)紫外線消(xiao)(xiao)毒技術應用于一些大規模(mo)的(de)城市給水(shui)處理(li)(li)之中。例如(ru)在1998~1999年間,芬蘭赫爾辛(xin)基市(Helsinki)的(de)Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水(shui)廠(chang)分別進(jin)行了(le)改建,增加了(le)紫外線消(xiao)(xiao)毒系統,總(zong)處理(li)(li)能(neng)力(li)(li)約(yue)為12,000 m3/h;加拿大埃德蒙頓市(Edmonton)EL Smith 給水(shui)廠(chang)在2002年左右(you)也安裝了(le)紫外線消(xiao)(xiao)毒設施,日處理(li)(li)能(neng)力(li)(li)為15,000 m3/h。
2023年7月25日(ri)中(zhong)國頒布了《紫外線殺菌燈 標準號GB 19258-2003》國家標準,英文標準名(ming)稱(cheng):Ultraviolet germicidal lamp。2012年11月5日中國頒布了《冷(leng)陰極紫外線殺菌燈 標準號GB/T 28795-2012》國家標準,英文標準名稱:Cold cathode ultraviolet germicidal lamps。2022年12月29日中國頒布了《普通(tong)照(zhao)明用氣體(ti)放(fang)電燈(deng)用鎮流器能(neng)效限定(ding)值及能(neng)效等(deng)級標準號:GB 17896-2022》國家標準 ,英文標準名稱:Minimum allowable values of energy efficiency and energy efficiency grades of ballasts for gas discharge lamps for general lighting,將于2024年1月1日實(shi)施。
目前,紫外線殺菌技(ji)術已經發展成(cheng)為(wei)安(an)全可靠、高效環保(bao)的消毒技(ji)術。紫外線殺菌技(ji)術逐步取代(dai)傳統化學消毒方法,成(cheng)為(wei)主流的干(gan)式消毒技(ji)術。在國內外各個領域得到了廣泛的運(yun)用,如廢氣(qi)處(chu)理(li),水處(chu)理(li),物表殺菌,空氣(qi)殺菌等。