紫外线消毒灯

紫外线消毒灯（UV Disinfection Light）也被称为紫外线杀菌灯或紫外线荧光灯，是一种利用紫外线的杀菌效应来进行消毒和灭菌的照明设备。紫外线消毒灯的主要用途是杀灭细菌、病毒和其他微生物，以降低感染的风险。在医疗设施、食具行业、水处理和空气净化等领域中发挥着重要的卫生和安全作用。^[1][5][2][6]

1801年，约翰·威廉·里特尔（Johann Wilhelm Ritter）把一张刚涂上氧化银的纸放到阳光透过三棱镜产生的可见光谱的紫光区顶部，片刻之间纸变黑，在光谱的紫光区域之外黑得最厉害，里特尔把这种不可见的光线称为“紫外线”。^[7]1877年唐斯（Downes）和布伦特（Blunt）开展了紫外线杀灭枯草芽胞杆菌的试验，证明紫外线具有杀菌作用。1929年，盖茨（Gates）发现，不同波长的紫外线对微生物的杀灭作用不同，杀菌作用光谱平行于核酸对紫外线的吸收光谱，提出了紫外线的杀菌机制。在此后的研究中，制备了人工紫外线光源，并将其应用于医学消毒和灭菌中。^[8]

自20世纪60年代起，紫外线广泛应用于表面和空气消毒，并在饮水、污水处理中得到采用。紫外线光源不断演变，从低压汞蒸气灯到高压汞灯、金属卤化物灯、冷阴极灯和H型灯，还有高低臭氧紫外线灯。^[8]2019年以来，新冠病毒可以通过气溶胶传播，由于新冠病毒传播途径，紫外线消毒灯也被广泛用于预防感染。^[9]

紫外线消毒灯主要是由灯管、镇流器、启辉器、灯管座组成，其工作原理是干燥气体中的带电粒子形成电流，通过气体放电产生光。根据紫外线灯灯管填充的金属或化合物蒸汽的不同，或根据灯管材质与臭氧量、电极的不同，紫外线灯大致可以分为七类，即中高压汞灯、高强度紫外线消毒灯等。^[10][11][12]

1801年，约翰·威廉·里特尔（Johann Wilhelm Ritter）把一张刚涂上氧化银的纸放到阳光透过三棱镜产生的可见光谱的紫光区顶部，片刻之间纸变黑，在光谱的紫光区域之外黑得最厉害，里特尔把这种不可见的光线称为“紫外线”。^[7]

1877年唐斯（Downes）和布伦特（Blunt）开展了紫外线杀灭枯草芽胞杆菌的试验，证明紫外线具有杀菌作用。^[8]紧接着在1878年，人们进一步发现太阳光中的紫外线具有杀菌和消毒作用，这成为紫外线的一项重要功能。杀菌是紫外线应用中最常见且至关重要的应用之一。这些发现为紫外线技术的应用在卫生和医疗领域打开了新的可能性。^[13]1903年，尼尔斯·芬森（Niels Finsen）因利用紫外线治疗寻常狼疮和皮肤结核而获得诺贝尔医学奖。^[9]1929年，盖茨（Gates）发现，不同波长的紫外线对微生物的杀灭作用不同，杀菌作用光谱平行于核酸对紫外线的吸收光谱，提出了紫外线的杀菌机制。在此后的研究中，制备了人工紫外线光源，并将其应用于医学消毒和灭菌中。^[8]

在1960年，科学家首次确认了紫外线在微生物灭菌消毒中的机制。这一过程包括两个主要方面的作用机制，首先，当微生物暴露于紫外线照射下时，其细胞内的脱氧核糖核酸（DNA）会吸收紫外线光子的能量。这导致DNA分子中同一链上相邻的胸腺嘧啶基之间形成二聚体，称为胸腺嘧啶二聚体。这个二聚体的形成干扰了DNA的双螺旋结构，阻止了RNA引物的合成，从而中断了DNA的复制和转录功能。其次，紫外线照射还能够产生自由基，并引发光电离过程。这些自由基的生成干扰了微生物的生物化学过程，使其无法进行复制和繁殖。这些机制相互协同作用，使紫外线成为一种高效的微生物杀菌和消毒方法，对卫生和医疗领域具有极大的重要性。^[13]

紫外线是由原子的外层电子受到激发后产生的。自然界的主要紫外线光源是太阳，太阳光透过大气层时，波长短于290nm的紫外线被大气层中的臭氧吸收掉。早在19世纪初，通过水银蒸汽被激励放电发光的这项工艺即已经为人所知； 蒸汽封闭到一根玻璃管中，在玻璃管两端的两根金属电极上施加电压，从而产生一道“光弧”，使蒸汽发光。由于当时玻璃对于紫外的透过率极低，直未能实现人造紫外光源。直到1904年，德国的Richard Koch博士，利用他制造的无气泡高纯度石英玻璃，成功制作出了第一支石英紫外汞灯。因此，Koch被广泛认为是紫外灯的发明者，同时也是在医用光疗法中使用人造光源照射人体的先驱者。^[13][14]4年后，UV-C（即短波紫外线）首次用于法国马赛的市政供水消毒。^[9]

在20世纪20年代进行的首次紫外线辐射实验室测试中，紫外线被证实可用于抗击空气传播的传染病。^[9]20世纪30年代，西屋电气开发出的第一款商用UV-C灯被应用在医院中。第二次世界大战期间，UV-C灯被用于对医院、厨房、肉类储存和加工厂、面包店、啤酒厂、乳品厂、饮料生产、制药厂和动物实验室等任何存在微生物污染问题的地方进行空气消毒。^[9]20世纪50年代，UV-C被用于空气处理设备中——第一个带有多达四个UV-C灯泡的紫外线设备被安装在感染人数较多的房间中，并成功地抑制了结核病通过空气传播病原体。^[9]在接下来的几十年里，科学界对UV-C及其对微生物影响的了解不断加深，UV-C消毒技术的进步也使得紫外线消毒灯的应用领域不断扩大。^[15]

2019年以来，由于新冠病毒可以通过气溶胶传播，这也就意味着通风和空气清洁已成为减轻感染的重要手段。^[9]根据新冠病毒对紫外线和热敏感的特性，紫外线消毒灯对新冠病毒有消毒效果，所以近几年紫外线消毒灯也被广泛用于预防新冠病毒感染。^[16]

紫外线杀菌灯灯管由石英玻璃制成，紫外线具有消毒杀菌作用。^[17]因此，紫外线灯又叫做灭菌灯。它的电路和日常使用的日光灯电路相同，它们主要是由灯管、镇流器、启辉器、灯管座组成。紫外线灯的灯管由灯头、灯丝、玻璃管等部分组成管内有微量的剑气和稀薄的水银蒸汽，与日光灯不同的是紫外线灯管是用石英玻璃制成的，内壁不涂荧光粉。灯管是紫外线灯电路的主要组成部分。^[18]

镇流器又叫做限流器，由铁芯和电感线圈组成。镇流器的主要作用是产生高压和限制通过灯管的电流，使紫外线灯点亮和工作。镇流器的规格要和灯管功率相配套。启辉器由氛泡、小电容、绝缘底座和外壳组成。启辉器内部的氖nǎi泡能自动接通和断开电路。并联在氛泡上的小电容主要有两个作用：一是与镇流线圈形成 LC 振荡电路以延长预热时间和维持脉冲电动势；二是吸收能干扰收音机和电视机等电子装置的杂波。灯管座用于固定灯管和连接电路，常用灯管座有插入式和开启式两种。灯管座规格要与灯管上的灯头相配套。^[18]

紫外线灯发光原理基于气体放电理论。干燥气体中的带电粒子形成电流，通过气体放电产生光。主要步骤包括激发电离、迁移、扩散和消电离。电极产生电子，电场加速它们撞击气体原子激发电离。带电粒子迁移、扩散，最后复合消电离，释放光辐射，导致紫外线灯发光。原子激发是当原子受到碰撞或吸收光子时获得能量，使其从低能级跃迁到高能级的过程。在气体放电灯中，电极产生电子，在电场作用下加速，撞击气体原子，使其获取能量。电子损失能量后再次被电场加速，再次撞击气体原子。带电粒子在电场中分为迁移和扩散两种运动方式。迁移是受电场力驱使向电极移动，尽管碰撞使其轨迹不是直线，最终靠近电极。由于不均匀分布，带电粒子从高浓度区向低浓度区扩散，这叫做扩散运动。带电粒子最终相遇并释放光辐射，这是紫外线灯发光的原理。^[3][4]

紫外线是一种低能量的电磁辐射，照射能量较低，不能引起原子的电离，仅产生激发作用。紫外线照射消毒灭菌是使微生物细胞内、核酸，原浆蛋白和酶发生化学变化而死亡。紫外线灯管内保持有低压和汞蒸气，当电流通过时使汞蒸气辐射出紫外线光波。约占整个紫外线光波 90%以上的 253.7nm 光波，具有极强的杀菌能力。紫外线灯光波释放高能量能对细胞DNA 起激发作用，在DNA 同股上的两个胸腺核苷在碳5、6位置上产生连接而成一个胸腺核苷gān双联体（thymidine diner）这种激化后产生的环状物阻碍了 DNA 呤生基，腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶的正常配对，改变了 DNA 的结构，使细胞复制无法进行，而使微生物死亡。不管细菌的种类及其对药物耐受性如何，都会有效杀死微生物。^[19]

紫外线灯通常采用昂贵但具有三个重要性质的石英材料制成。首先，石英对紫外线透明，几乎不吸收紫外线，提高了紫外光传播效率。其次，石英不导热，有助于维持内部热量。最后，其低热膨胀系数提高了系统的稳定性。紫外线灯的使用寿命受多种因素影响，包括原材料质量。随时间推移，灯管中的汞逐渐消耗，导致汞离子减少和功率下降。当紫外光无法穿透荧光涂层时，需要及时更换灯管以避免资源浪费。点火和工作时，紫外线灯的电压与电流关系如下图所示。在点火之前，电压低于启动电压，灯处于高阻断状态。点火后，电压急剧下降，然后进入稳定工作状态，呈现负阻特性。为了安全生产，必须稳定控制电流在额定值内。点火启动电压受多个因素影响，包括电极类型、气体、灯管参数、电压大小、管长、气压和温度等。通常，点火启动电压在500V到1210V范围内，稳定工作时电压在50V到150V之间，并最终上升到约450V。^[20]

杀菌谱广：紫外线可以杀灭各种微生物，包括细菌繁殖体、细菌芽孢、结核杆菌、真菌、病毒和立克次体。^[21]不同微生物对紫外线的抵抗力差异较大，由强到弱依次为真菌孢子>细菌芽孢>抗酸杆菌>病毒>细菌繁殖体。^[21]穿透力弱：紫外线属于电磁辐射，穿透力极弱，大多数物质不能穿透，因此使用受到限制；在空气中可受尘粒与湿度的影响，当空气中含有尘粒 800~900 个/立方厘米，杀菌效力可降低20%~30%，相对湿度由 33%增至 56%时，杀菌效能可减少到 1/3。在液体中的穿透力随深度增加而降低，小、中杂质对穿透力的影响更大，溶解的糖类、盐类、有机物都可大大降低紫外线的穿透力。酒类果汁、蛋清等溶液只需0.1~0.5 mm 即可阻留 90%以上的紫外线。^[21]杀菌效果与照射剂量有关杀菌效果直接取决于照射剂量（照射强度和照射时间）。^[21]在不同介质中紫外线杀菌效果不同。^[21]杀灭效果受物体表面因素影响：紫外线大多是用来进行表面消毒的，粗糙的表面不适宜用紫外线消毒，当表面有血迹等污染物质时，消毒效果亦不理想。^[21]协同消毒作用：某些化学物质可与紫外线起协同消毒作用，如紫外线与醇类化合物可产生协同杀菌作用，经乙醇湿润过的紫外线口镜消毒器可将杀芽抱时间由 60 分钟缩短为30分钟污染有 HBsAg 的玻璃片经3%过氧化溶液湿润后再经紫外线照射 30分钟即可完全灭活，而紫外线或过氧化氢单独灭活上述芽孢菌都需要 60 分钟左右。^[21]

根据紫外线灯灯管填充的金属或化合物蒸汽的不同，或根据灯管材质与臭氧量、电极的不同，紫外线灯大致可以分为七类，即中高压汞灯、金属卤化物灯及其他特种UV灯、普通直管热阴极低压汞紫外线消毒灯、高强度紫外线消毒灯等。

中压和高压汞灯：中压和高压汞灯管发出光谱的波长范围为200nm~450nm，中心波峰为365nm，在310nm、365nm、410nm 等长也有较强的射能量。中高压汞灯有很广泛的工业用途，可以用作各类紫外线光敏油墨、紫外线光敏漆、紫外线光敏胶的固化。^[10]

金属卤化物灯：单纯的汞原子被激发无法得到连续的紫外线光谱，在某些固化应用中得不到理想的效果，可以通过加入金属卤化物使灯的紫外线光谱得到加强和丰富。在灯管中加入澳化铁，也称为铁掺合卤素灯，它的特点是增强了 380nm 波段的能量输出，对于感光树脂和日光膜等材料的曝光和固化效果显著。加入锦碘化合物的UV灯，称为锦碘金属卤素灯，它的特点是加强了 400nm 这一波段的能量，最高波峰为417nm，对于重氮材料的曝光和固化的效果卓越。^[10]

其他特种UV灯：主要包括无臭氧紫外灯、短弧氙xiān气灯等。无臭氧灯是通过改变管壁材质，拦截200nm以下波段的紫外线光，从而避免短波辐射产生高浓度臭氧，因此更加环保安全。短弧气灯是指封入氙气的紫外线灯，它的特点是从可视区域到红外区域具有连续光谱和演色性，主要应用于紫外线点光源配套或专用于紫外线光敏胶的光固化。^[10]

普通直管热阴极低压汞紫外线消毒灯：灯管采用石英玻璃或其他对紫外线透过率高的玻璃制成，功率为 40W、30W、20W、15W 等。^[11]

高强度紫外线消毒灯：高强度紫外线杀菌灯是专门研制的热阴极低压汞紫外线灯，要求在标准条件下辐射 253.7nm 紫外线强度要比普通型紫外线杀菌灯高将近 1倍以上，它在距照射表面很近时，照射强度可达5000μW/cm²以上，5s 内可杀灭物体表面上污染的各种细菌繁殖体；照射 5~10s，对病毒、真菌和细菌芽孢杀灭率可达99.9%以上。^[12]

低臭氧紫外线消毒灯：也是热阴极低压灯，可为直管型或H型由于用了特殊工艺和灯管材料，故臭量很低要求臭氧产量>1mg/h。^[11]

高臭氧紫外线消毒灯：由于采取了特殊工艺，这种灯产生较大比例的波长184.9nm的紫外线，故臭氧产量较大。^[11]

通过紫外线对水的照射进行的，是一个光化学过程。光子只有通过系统中分子的定量转化而被吸收后，才能在原子和分子中产生光化学变化。换言之，若光没有被吸收则无效。水消毒所用的是 C波段紫外线。水消毒用的紫外线灯一般为低压汞灯，其中心辐射波长是 253.7nm。^[5]紫外线用于水消毒，具有杀菌力强、不残留对人体有害有毒物质和安装维修便捷等特点。目前，紫外线水消毒技术已在许多国家得到推广和使用。^[2]

室内表面消毒：在医院烧伤病房、产房、婴儿室、ICU、CCU、供应室、手术室、换药室等场所吊装的紫外线灯或移动式紫外线消毒车在使用强度下对室内光滑的墙壁和地面都有一定的消毒效果，但一般达不到卫生学要求。可以在紫外线灯上加合格的反光翠或采用高强度紫外线灯，才能对在距离紫外线灯下1m左右处的工作台面提高消毒效果。^[6]

设备表面消毒：用高强度紫外线消毒器进行近距离照射可以对平坦光滑表面进行消毒。如便携式紫外线消毒器可以在距离表面3cm 以内进行移动照射，在每处停留照射5s对表面细菌杀灭率可达到 99.99%。^[6]

特殊器械消毒：针对某些特殊器械消毒需要专门设计制造的紫外线消毒器在医院亦有实际应用，如紫外线口镜消毒器内装3支高强度H形紫外线灯，采用高反射率的内警和转盘式载物台，一次可插入 30 余支口镜，照射30min，可有效灭活HBSAg。紫外线票据消毒器不仅可以消毒各种纸币，同时从设计上也考虑了医院化验单等医疗文件的消毒应用。该消毒器采用传送式照射消毒，化验单、病历纸等在传送过程中经紫外线照射8s.可杀灭自然前99.9%。^[6]

紫外线消毒是空气消毒最方便的方法。其消毒方式主要有固定式照射法、移动式照射法、间接照射法3种。^[6]紫外线灯固定在天花板上的方法有以下几种：第一种是直接安装在天花板上，离地2.5米；第二种是吊装在天花板或墙上，距离地2.5米，带有反光罩，可反向照射；第三种是墙壁安装，使紫外线在水平面3~80度范围内照射。另一种方法是将紫外线灯管固定在天花板上，下方带有反光罩，以直接照射上部空气，从而在上下空气对流交换时实现整体空气消毒。移动式照射法可选定目标进行照射，也可覆盖整个房间的空气。而间接照射则通过空气消毒器，通过循环处理来消毒整个空间。^[2]

餐具保洁柜以臭氧和紫外线为杀菌因子。实验室载体定量杀菌试验，启动保洁柜 60 分钟对侧立于柜内碗架上左、中、右三点瓷碗内表面玻片上大肠埃希菌的平均杀灭率分别为 99.89%、99.99%、99.98%，对金黄色葡萄球菌的平均杀灭率为99.87%、99.98%、99.96%。但是启动保洁柜180分钟，对平铺于保洁柜底部碗内的玻片 HBSAg 的抗原性不能完全破坏。^[2]

与紫外线消毒效果有关的因素很多，概括起来可分为两类；影响紫外线辐射强度、照射剂量的因素和微生物方面的因素。

电源电压电源电压：可直接影响紫外线灯辐射强度，当电压由220V降到200V时，紫外线辐射强度可降低 20%。所以，当电压降低时，应适当延长照射时间，以保证消毒效果。^[22]

照射距离：紫外线灯辐射强度随照射距离延长而降低，30W 紫外线灯照射距离>1m，对表面消毒即达不到预期效果，照射距离越近消毒效果越好。^[22]

照射功率：紫外线的功率用特殊单位毫瓦·秒/cm²来计算，功率越大的效能越高，不同菌有不同的致死剂量，见图1。^[23]

空气相对湿度和洁净度：紫外线照射环境相对湿度>60%或灰尘太多均会影响其杀菌效果。多数学者认为，空气中相对湿度>70%，由于部分紫外线辐射被水雾颗粒吸收，从而使其杀菌效果下降。一般说来，空气中颗粒越少越有利于紫外线消毒。这是因为空气中粒子特别是灰尘颗粒会吸收反射紫外线.降低紫外线能量密度。^[22]

温度：紫外线对温度的适应范围比较大，在5~37℃范围无明显影响；常温下紫外线辐射强度比较稳定，温度升高紫外线辐射强度会稍有升高，但对杀菌能力影响不大。^[22]

有机物：蛋白胨性有机物如血液污染、分泌物排泄物污染都可以影响紫外线杀菌效果。这些有机物既可保护微生物免受照射，亦可吸收大量紫外线，所以用紫外线照射有明显污垢的物品将达不到理想的消毒效果。^[22]

物品材料的性质 ：紫外线是一种低能量电磁辐射，其穿透力较差；同时紫外线是光，因此对不同材料具有穿透、吸收、反射等不同反应。紫外线除对石英玻璃具有良好的穿透性之外，对其他物质包括普通玻璃都不能或穿透很少。但由于紫外线对金属的良好反射性，可以用金属光滑面如高反射系数的抛光铝制作紫外线灯反光罩用以加强紫外线照射强度。^[22]

染菌量：染量染量愈多，所需照射外线的息大，需照射时间亦需延长。^[24]

微生物的类型：紫外线对细菌、病毒、真菌、芽抱、衣原体等均有杀灭作用，不同微生物对紫外线照射的敏感性不同。细菌芽抱对紫外线的抗性比繁殖体细胞大，革兰氏阴性杆菌最易被紫外线杀死，紧接着依次为葡萄球菌属、链球菌属和细菌芽抱，真菌孢子抗性最强。抗酸杆菌的抗力，较白色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肠炎沙门菌等要强 3~4 个对数级。即使在抗酸杆菌中，不同种类对紫外线的抗性亦不相同。^[2]

根据抗力大致可将微生物分为3类：高抗性的有真菌抱子杆菌黑色变种抱、耐辐射微球菌等，中度抗性的有鼠伤寒沙门菌、酵母菌等，低抗性的有大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌普通变形杆菌等。

微生物的数量：微生物的数量越多，需要产生相同致死作用的紫外线照射剂量也就越大。因此，消毒污染严重的物品需要延长照射时间，加大照射剂量。^[2]

紫外线具有强大的杀伤力，对细菌有害，但也对人体造成伤害，特别是眼角膜容易受到伤害。因此，需要注意以下几点：

对皮肤的伤害

紫外线可以导致皮肤过敏，表现为红肿、脱屑、瘙痒、疼痛和皮疹等症状。^[25]强烈的紫外线会引起皮肤老化，包括皮肤松弛和出现皱纹等现象。^[25]长期暴露于紫外线下可能增加皮肤癌的风险，如黑素瘤和皮肤癌。^[25]

对眼睛的伤害

 紫外线可以引起电光性眼炎，表现为眼睑红肿、结膜充血水肿、疼痛和异物感，甚至视物模糊。^[25]强烈的紫外线也可能引起结膜炎症。^[25]长期暴露于紫外线下可能导致白内障和视网膜病变。^[25]

总之，使用紫外线消毒灯时，必须采取适当的防护措施，避免直接暴露于紫外线下，以保护皮肤和眼睛的健康。

必须防止紫外线直接照射眼睛，严禁正视正在点燃的紫外线灯。^[26]紫外线不能透过普通玻璃，故不能将需要消毒的物品放置在玻罩内。^[26]紫外线会加速皮、塑料的老化。因此采用紫外线灯的场所应对这些材料取防护措施。^[26]在有紫外线灯照射环境中长期工作的人员，应使用护眼镜、帽、手套，尽避免皮肤外露。^[26]