如何使用 UV-C LED 安全、有效且高效地控制病原体

新冠病毒的大流行激发工程师们考虑将紫外线 (UV) 用于消毒和灭菌产品，使 SARS-CoV-2（导致新冠病毒的病毒）“失活”。传统的消毒和灭菌产品使用低压汞蒸汽灯，用所需的 UV-A 光谱形式照射，从而消除病原体。但 LED 具有许多优势，包括更高的效率、更大的光输出、更长的寿命和更低的寿命成本。

UV-A LED 相对来说易于制造，通过将蓝光 LED 改造成近可见光谱范围，这在工业固化应用中已有十多年的历史。但 SARS-CoV-2 灭活需要能量更高的 UV-C。

在过去几年里，商用 UV-C LED 已上市。然而，我们不能被认为这些设备能直接替代传统汞蒸气灯，因为这样会带来许多新的设计挑战。例如，为保证正常运行，消毒、杀菌产品对辐射通量的要求较高且控制严格。此外，UV-C LED 虽然杀灭细菌和病毒，但也对人体危害，所以充分的保护是整个设计的重要部分。

本文将简要讨论紫外线辐射的种类及其在消毒、控制病原体方面的作用。然后，介绍 LED 作为辐射源的优势以及相关的设计挑战。然后，文章将利用 OSRAM Opto Semiconductors, Inc.、Everlight Electronics 和 SETi/Seoul Viosys 的紫外光 LED 实例，介绍这些挑战的解决方案。

为什么要用紫外线来灭除病原体？

紫外线辐射适合介于可见光和 X 射线之间的电磁波谱，包括相同能量的高能量短波长 (400 - 100 nm) 光子。辐射波长与频率成反比：波长越短，频率越高（图 1）。


图 1：在电磁波谱中，紫外线辐射仅低于可见光，波长在 100 至 400 nm 之间，分为 A、B、C 三种类型。（图片来源：加拿大政府）。

根据紫外线辐射与生物材料的相互作用，紫外线被分为三种类型：UV-A（400 至 315 nm）、UV-B（314 至 280 nm）、UV-C（279 - 100 nm）。太阳会产生所有这三种紫外线，但人类接触到的紫外线主要是 UV-A，因为穿透地球臭氧层的 UV-B 很少，而 UV-C 则不会穿透臭氧层。不过，有几种人工方法可产生这三种紫外线，例如汞蒸汽灯以及最近出现的 UV LED。

UV-C 辐射早在目前的大流行之前就是一种成熟的病原体灭除技术了。传统产品采用汞蒸汽灯作为 UV 光源。最近针对 SARS-CoV-2 的 UV-C 消毒效果研究表明，波长约为 250 - 280 nm 的紫外线优先被病毒的 RNA 吸收，总剂量为 17 焦耳/平方米（J/m2），病原体灭活率达到 99.9%。需要注意的是，这种程度的辐射虽不能直接杀死病毒，但能充分破坏病毒的 RNA，使其无法复制，所以能限制人受到的紫外线辐射，不会对人产生任何伤害。

UV 光源

传统的紫外线光源是汞蒸气灯。这是一种气体放电装置，当它受到放电激励时，汽化金属的等离子体会发光。有些产品采用了熔融石英弧管，激励其在 185nm UV-C 波长时达到发射峰值（此外还有一些 UV-A 和 UV-B 发射），以达到消毒和灭菌目的（图 2）。


图 2：在 UV-C LED 出现之前，低压汞蒸汽灯是最实用的紫外线灯光源。（图片来源：JKL Components）

与传统白炽灯相比，汞蒸汽灯效率高、使用寿命长；主要缺点是，如果灯泡在正常使用过程中破裂或废弃，会向环境中释放有毒的汞。

另一方面，UV-C LED 在消毒和灭菌应用方面的关键优势就像 LED 之于普通照明，具体包括能效、更高的光输出、更长的寿命和更低的寿命成本。此外，虽然在处理 LED 时仍然必须小心，但它们不会像汞基光源那样造成环境造危害。

UV-C LED 基于蓝色 LED 技术制造。这些产品使用氮化铝镓 (AlGaN) 基板作为比红色 LED 具有更宽带隙（更短波长）的发射器平台。然而，UV-C LED 效率较低、成本高于蓝光 LED，这主要是因为 UV-C 辐射无法穿过氮化镓。因此，从芯片中逃逸的 UV-C 光子相对较少。

包括反射式 p 接触金属化、图案化基材、纹理表面、微腔效应和体积塑形等在内的许多最新发展成果，现在都用来提升 UV LED 的功效，而且现在的商用产品也达到了合理的性能。但工程师们应该意识到，这种器件表现出比可见光 LED 更低的功效水平，而且因提取光子不仅造成更高的复杂性，同时也推高了成本。制造商通常在规格书中避免使用功效数字，而是详细说明在给定驱动电流和电压下的光通量，以毫瓦 (mW) 为单位。

UV-C LED 解决方案示例

市场上有几种商用 UV-C LED 采用能以最佳波长辐射的专门设计，以使病原体失活。例如，OSRAM Opto Semiconductors, Inc. 提供的 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636 是一种发射波长为 275 nm 的 UV-C LED。该 LED 在 350 毫安 (mA)、5 至 6 V 正向电流/电压下可提供 35 至 100 mW 的总辐射通量（取决于具体分档的选择）（图 3）。


图 3：UV-C LED 在 100 - 280 nm 范围内达到峰值辐射。用于灭活 SARS-CoV-2 时，理想峰值在 250 - 280 nm 之间。这里显示的 OSRAM OSLON UV-C LED 的辐射通量在 277 nm 时达到峰值。（图片来源：OSRAM）

另一个实例器件是 Everlight Electronics 的 ELUC3535NUB，一个 270 至 285 nm 的 UV-C LED。该装置以陶瓷为基础，在 100 毫安、5 至 7 伏的正向电流/电压下，辐射功率为 10 mW（图 4）。


图 4：Everlight Electronics 的 270 至 285 nm UV-C LED 安装在一个陶瓷基体内。该 LED 尺寸为 3.45 x 3.45 mm。（图片来源：Everlight Electronics）

对于 SETi/Seoul Viosys 来说，则提供了 CUD5GF1B。这款 LED 是一种 255 nm 发射器，安装在陶瓷封装中，用于表面贴装，特点是低热阻。该器件的辐射功率为 7 mW，采用 200 mA/7.5 V 驱动电流/电压。随着温度的升高，LED 的发射波长只发生极小的偏差：50℃ 芯片温度范围内，与其 255nm 峰值输出偏差仅为 1nm。对于一个需要严格控制输出来确保良好的病毒灭活效果的设备来说，这是一个重要的考虑因素（图 5）。


图 5：SETi/Seoul Viosys 的 CUD5GF1B UV-C LED 在 50˚C 芯片温度范围内与其 255 nm 的峰值输出偏差仅为 1nm。（图片来源：SETi/Seoul Viosys）

使用 UV-C LED 进行设计

LED 本身也面临设计挑战，因此，为了适应 UV-C LED 而尝试调整基于汞蒸汽光源设计的产品是不切实际的。所以，在消毒或灭菌应用中，用 UV-C LED 替换汞蒸汽灯并不只是简单的光源替换。

当选择 UV-C LED 用于消毒或灭菌时，设计期间应首先确定需要使用 UV-C 光的区域，以及在辐射区域内使目标病原体失活所需的辐射通量（“辐照度”），其单位为瓦特每平方米 (W/m2)。

例如，我们考虑对空调管道出来的空气进行消毒的应用。根据上述 17 J/m2 的要求，就 0.25 m2 的面积而言，使气流中的所有病毒在 5 秒内失活，就需要一个辐照度约为 4 W/m2 左右的系统（总功率为 1 W）。

一旦计算出所需的辐照度，工程师就知道如何进行设计和制造了。一个经验法则是考虑每个 LED 的辐射通量，然后将总辐射通量除以该数字，得出每个产品所需的 LED 数量。

这是一种粗略的简化计算法，因为它没有考虑到这些辐射通量是如何分布的。两个因素决定了辐射通量如何影响目标表面。首先，是 LED 到物体的距离，第二个是 LED 的“光束角”。

如果将 LED 视为点光源，则其辐照度按照平方反比律下降。例如，如果在距离发射点 1 cm 处辐照度为 10 毫瓦每平方厘米 (mW/cm2)，那么 10 cm 处的辐照度将下降到 0.1 mW/cm2。但是，这种计算假设 LED 在所有方向上的辐射都是相同的，但事实并非如此。相反，LED 的特点是一次光学元件将辐射通量引导至特定的方向。制造商通常会在规格书中列出 LED 光束角，具体定义是光线在原点两侧均达到 50% 辐照度峰值的角度。

前面提到的 OSRAM、Everlight Electronics 和 SETi/Seoul Viosys 的 UV-C LED 的光束角分别为 120、120 和 125 度。图 6 显示了 OSRAM 的 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED 的辐射形式。在图中，0,4 和 0,6 之间的虚线表示达到峰值辐照度的 50% 的地方，定义了光束角（60+60 度）。


图 6：对于 OSRAM 的 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED 的辐照模式，0,4 和 0,6 之间的虚线表示达到峰值辐照度的 50% 的地方，定义了光束角（60+60 度）。（图片来源：OSRAM）

决定光束角的关键特性是 LED 芯片与一次光学器件的尺寸比例。因此，要产生更窄的光束就需要更小的发射器或更大的光学器件（或在两者间进行适当平衡）。在设计方面的权衡是，芯片越小，排放越少，而光学器件则越大越难制造，从而推高了价格并限值了光束角控制。

商用 LED 通常在出厂时已配备了一次光学器件，因此确定芯片/光学比值的大小超出了设计工程师的控制范围。所以，对入选产品光束角度的审核就非常重要，因为两个由不同供应商提供且输出相同的器件可能会有完全不同的发射模式。

虽然 LED 与被辐射物体的距离和光束角对辐射形式来说是一种很好的初始准则，但也会存在差异源。例如，来自同一制造商的 LED，理论上输出和光束角相同，但对于不同的一次光学设计来说，其辐射强度和质量可能会有很大差异。只有测试入选产品的输出，才能确定实际辐射模式。

掌握了 LED 输出、LED 与待消毒物品表面之间的距离、光束角度和实际发射数据，工程师就可以计算出需要多少个 LED 以及它们应该如何定位，以便在活动区域内产生所需的辐照度。

LED 的最终选择归结为成本、能效和复杂性之间所需的权衡。UV-C LED 价格昂贵，因此一种方法是采用数量更少、功率更高的设备，而不是大量功率较低的设备。这种方案的好处是，LED 元件成本可能会减小，驱动器复杂性也会降低。其缺点是由于效率低，功能更强大的设备需要更好的热管理来确保其长使用寿命（高温会大大缩短 LED 寿命）。这就需要更大的散热器，从而导致不能实现一些预期的成本节约目标。

二次光学器件的设计导入

增加 LED 和/或增加 LED 功率的另一种选择是考虑使用二次光学器件。这些设备将 LED 输出的 UV-C 光束进行准直（产生同等强度的平行光束），以便有效地消除任何光束角效应。理论上，使用准直时，在整个目标表面的辐照度应该是均匀的（与 LED 排列无关），给定的辐照度应该用较少的 LED 来实现，因为有很少一部分输出将被浪费掉。另外，用相同数量的 LED 可以实现更高的辐照度，如同没有采用二次光学器件的设计（350 mW/m2 对比 175 mW/m2）（图 7）。


图 7：与具有相同 LED 输出但使用（未准直）一次光学器件系统相比，使用二次光学器件（左）的 UV-C 发射准直增加了目标区域的辐照度。（图片来源：LEDiL）

在实践中，使用二次光学器件的辐照度是不太均匀的，因为即使是最好的产品，其准直也会因为衍射而不完美（虽然 LED 越小，准直效果越好）。而且，与没有二次光学器件的类似设计相比，通常需要对 LED 和二次光学器件的位置进行长时间的实验，才能确保从较少的器件获得所需的辐照度。

请注意，UV-C LED 的二次光学器件是由不同材料制造的，与可见光 LED 采用的材料不同。常见的解决方案是注塑硅胶部件，它能很好地反射 UV-C 波长并允许生产设计复杂的透镜。铝制反光板也可以用来准直 UV-C。使用二次光学器件时需要进行两方面权衡，即因使用较少 LED 而节省的成本与因准直器设计而增加的复杂性。

安全预防措施

紫外线虽然不能穿透人体皮肤很深，但被吸收后会造成如烧伤等短期伤害，产生如皱纹和皮肤过早老化等长期伤害。在极端情况下，紫外线照射会导致皮肤癌。紫外线对眼睛的危害特别大，可以损害视网膜和角膜。紫外线照射与空气相互作用时，也会产生臭氧，而高浓度臭氧被认为会带来健康风险。

为避免这些危害，设计能限制 UV-C 光暴露并使用户无法直视 LED 的产品是一种良好的实践。由于 UV-C 不可见，所以选择 LED 时，特意加入一些可见的蓝光发射也是不错的做法。这样做可以使 UV-C LED 在打开时变得明显。

特别是对于 SARS-CoV-2 来说，将消毒装置纳入暖通空调装置中，可以快速灭活空气中的病毒，同时使 UV-C 远离人们的视线。至于其他位置，正在研究可以安装在灯具上的 LED，不仅能用对人体无害的、极低水平的 UV-C 照射表面，还能在长时间内提供足够的照射，从而灭活桌椅、地板和门把手等表面上的任何病毒。

结语

UV-C 辐射可用于使消毒和灭菌产品中像 SARS-CoV-2 这样的病原体失活。然而，常见的人工 UV-C 光源是汞蒸汽灯，由于含有重金属，所以处置时需要克服各种难题。UV-C LED 提供了一种更高效、更持久的替代方案，缓解了处置问题。一些 UV-C LED 已经上市，其发射峰值波长非常适合病原体灭活。

然而，这些 LED 并不是直接替代品，而是需要精心设计才能充分发挥其优势。如上所述，设计者必须从作用面所需的辐照度切入，反过来再计算实现该辐照度所需的 UV-C LED 数量和排列形式。设计者还必须决定，是依靠 LED 的一次光学器件产生均匀的辐照度，还是利用二次光学器件对 UV-C 输出进行准直，以获得最佳形式，并同时考虑更高复杂性导致的更高成本。

来源：Digi-Key
作者：Steven Keeping