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深紫外發光二極體的殺菌應用-有效、環保且節能的抗「疫」神器

2020-07-13

林俊良 副教授/李偉彰 研究助理

崑山科技大學綠能科技研究中心 /   電機系


日益全球化與方便的交通載具,加大了人類的移動力,也讓人與人之間的接觸與互動更密切頻繁,一但有細菌或病毒引發的傳染病,將會導致傳染的路徑多元且迅速,我們熟知的有:2002年的嚴重急性呼吸道症候群(SARS)與2019年底爆發的嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19),兩者皆為人與人間的病毒傳播並蔓延到國際。當年SARS在全球共計有8,096例病例且造成774人死亡[1],而統計至2020年5月20日止,全球COVID-19已有4,921,252人確診且造成322,039人死亡[1],許多國家至今仍無法有效抑制疫情。因應日益難纏的細菌或病毒,除了需透過合作與工具以縮短開發疫苗的時程,也需要透過有效殺菌技術以截斷傳染路徑,好的殺菌技術應具備有效殺菌、節能、環保、可移動且有安全設計等要件。

目前市面上的殺菌技術與產品琳瑯滿目,根據殺菌原理整理在表1。照射紫外線C波段(UVC)(波長範圍100~280 nm)的光線,可以直接分解細菌或病毒的DNA、RNA;照射紫外線A波段(UVA)的光線激發光觸媒,可以在觸媒表面產生強氧化劑,再氧化光觸媒表面的細菌或病毒蛋白質;酒精可使細菌或病毒蛋白質脫水死亡;次氯酸鈉、次氯酸水、氯氣及臭氧等,則可直接氧化細菌或病毒的蛋白質;高溫加熱可以去除細菌或病毒蛋白質中酵素的活性,使細菌或病毒無法代謝而死亡。酒精擦拭是相當有效的殺菌方法,但長期吸入揮發的酒精會影響人類神經系統,同時也不適合長時間碰觸皮膚;次氯酸鈉、次氯酸水、氯氣及臭氧等殺菌方式,除了有儲存不穩定之外,於殺菌後易產生異味或有殘留汙染疑慮,需謹慎使用;高溫加熱殺菌則相當耗能且耗時。因此直接照射UVC波段的光線,以分解細菌或病毒,已普遍應用在水處理與產業。

 

技術

殺菌原理

照射UVC波段光線

照光分解細菌或病毒的DNA、RNA

照射UVA光激發光觸媒

光觸媒照光後產生強氧化劑,氧化光觸媒表面的細菌或病毒的蛋白質

酒精

脫水細菌或病毒的蛋白質

次氯酸鈉

氧化細菌或病毒的蛋白質

次氯酸水

氯氣

臭氧

加熱

以高溫去除細菌或病毒蛋白質中酵素的活性

   表1 各種殺菌技術的殺菌原理。

UVC殺菌光源比較

目前常見的UVC光源主要有汞燈與UVC-發光二極體(LED),其中汞燈峰值波長固定在254 nm,UVC-LED則可透過磊晶結構設計,調整光輸出波長在200~280 nm之間,兩種光源的特性比較整理在表2。汞燈採用高電壓激發汞蒸氣發射UVC光線,扣除低效率的安定器與熱耗能後,在波長254 nm實際效率僅10~30%,在殺菌效率較高的波長265 nm發光效率更低,此外汞燈具有較寬的光譜波峰半高寬、壽命短(6-8千小時)、運作溫度高、啟動速度慢、體積龐大、外殼玻璃易因撞擊而破碎損毀且內含危害環境的汞。UVC-LED主要是由半導體P-N接面組成的發光元件,透過電子電洞複合發光,與汞燈的發光機制不同,在UVC波段相較於汞燈有較高的發光效率,因此相對較為節能,此外還具有較窄的光譜波峰半高寬、壽命長(1萬小時以上)、可低溫操作、點滅快、堅固耐用、體積小、不含汞等優點。根據2017年8月16日生效的《水俁公約》,2020年全球將禁止生產及進/出口含汞量超過5 mg的光源,隨著UVC-LED的快速發展與技術突破,將可進一步促進UVC光源的無汞化。

目前市面上長管狀的汞燈長度約10~30 cm,不方便攜帶且有照射死角。單顆封裝後的UVC-LED尺寸均小於1 cm,可以靈活配置設計與應用,因此吸引國內外大廠與研究單位積極投入模組與產品的開發,包括:工研院、光鋐、研晶、晶電、隆達、億光、誠創科技,南韓的LG Innotek與Seoul Viosys,日本的Nikkiso、Nichia及DOWA。隨著COVID-19疫情蔓延,在缺乏標準與規範下,許多號稱具有殺菌效果的產品蜂湧而出且參差不齊,讓消費者無所適從。

項目

UVC-LED

UV汞燈

能耗

波長265 nm的發光效率

半高寬

壽命

1萬小時以上

6-8千小時

運作溫度

啟動速度

瞬亮瞬滅

需暖燈

體積

耐用性

堅固耐用

易損毀

汞汙染

  表2 UVC-LED與汞燈的比較。

 該如何挑選UVC LED殺菌裝置?需要同時考慮殺菌效果與安全性。 

要有殺菌效果,必須要選對殺菌光源波長,且有足夠的UVC照射劑量。UVC波段普遍被認為具有殺菌能力,但哪個波長對COVID-19具有最佳的殺菌能力,尚未有臨床實際證明,但隨著波長越短,UVC-LED的效率也大幅降低。南韓Seoul Viosys與 Korea University合作,採用波長275 nm的UVC-LED模組,宣稱以光輸出20 mW照射30秒,照射劑量最高達600 mJ/cm2,可殺死99.99%的COVID-19病毒[2]。許多廠商並未提供產品的波長與光輸出功率等細節,僅聲稱具有殺菌效果,UVC照射劑量是UVC光源單位面積累積的照射能量,常見單位為J/cm2,為確保具有足夠的UVC劑量,必須同時考量光源光輸出功率、照射距離及時間。

 UVC-LED光源具有許多優點,但UVC波段的應用仍帶有風險,因此UVC-LED殺菌裝置應有安全設計考量,避免光線直接照射眼睛與皮膚。因為UVC波段為不可見光,因此可以搭配可見光LED作為UVC-LED點亮操作時的警示燈,再輔以人體檢測器,當有人體暴露危險時,可以自動停止光源供電;手持式裝置則可以使用重力感測器,只在光源面朝下時,光源才能啟動。使用UVC光源殺菌尚需要留意,被照物能否承受長時間的UVC波段光線照射,而不會被分解或破壞。UVC輻射會分解空氣中的揮發性有機化合物(VoC),可能會導致VoC被分解成更細小、高活性的產物,搭配具有高密度濾網與氣流引導, 可以避免衍生物的污染問題。

因應人類持續的殺菌需求,搭配UVC-LED殺菌光源的產品與應用會越來越多,促使UVC-LED殺菌技術加快發展,包括提升發光效率、模組化散熱能力與系統產品整合,兼具殺菌與節能環保的UVC-LED將逐漸成為主流殺菌光源。此外,有必要針對殺菌光源與節能效果,訂定相關規範,讓製造商可以有所依循,消費者可以放心採購使用,為人類的健康與環境產生貢獻。

 

參考文獻

1. 衛生福利部疾病管制署網址http://www.cdc.gov.tw/

2.鍵聞新聞網址https://www.chainnews.com/zh-hant/articles/743465748829.htm

 
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