紫外发光二极管在水产养殖杀菌消毒中的应用与展望

2021-03-09宋昌斌郭亚楠闫建昌王军喜

渔业现代化 2021年1期

宋昌斌，郭亚楠，闫建昌，王军喜

(中国科学院半导体研究所，北京，100083)

随着水产养殖业的快速发展，养殖密度过高等诸多问题不断出现，大规模病害频繁暴发，给水产养殖业造成了巨大的经济损失。水产养殖鱼类的主要病害种类包括病毒、细菌、真菌、寄生虫以及其他一些疾病。药物消毒，比如含氯消毒产品具有一定的氧化性和刺激性，不仅会对水产动物造成一定的损伤，而且化学物质对水体环境易造成再次污染。选择合适的消毒方法非常重要。紫外发光二极管(UV-LED，200～400nm)辐射消毒杀菌技术由于广谱、高效、无二次用药副作用的物理优越性，水产养殖系统尤其是工厂化循环水养殖系统越来越多采用紫外辐照原水或循环水，以阻断各种病害传播路径，保证养殖系统中水产动物的安全。

紫外光于1801年被发现[1]。历经2个多世纪不懈探索，人们从紫外光杀菌消毒机理认识到汞灯制作，直至大规模工业化水处理等产业应用已经日臻成熟。1998年，Han 等[2]首次制造出波长低于365 nm GaN UV紫外发光二极管(UV-LED)，开启了新一代半导体固态紫外光源的大门。日本、美国等国相继开展UV-LED材料与器件的研究；中国也于“十一五”开始通过国家科研项目对UV-LED关键材料和设备的研究进行大力支持，经过二十余年的发展，基于氮化铝(AlN)宽禁带半导体材料的UVC波段紫外发光二极管(UVC-LED，发光波长200～280 nm)代替传统紫外汞光源的趋势越来越明显，其具有波长精准、快速开启、节能环保及体积轻便等特点，在水产养殖行业将得到日益重视。

1 UV简介

1.1 UV消毒及分类

紫外光辐照是一种高水平灭菌法，可以杀灭各种微生物，包括细菌繁殖体、病毒、真菌及其孢子和绝大多数细菌芽孢[3]。被上述微生物污染的器物表面、水和空气均可采用紫外光消毒。按照波长，紫外光通常分为UVA(320～400 nm)、UVB(280～320 nm)、UVC(200～280 nm)[4]。其中，UVC波段紫外光波长短、能量高，紫外光子的吸收可使DNA和RNA的结构发生变化，破坏其分子键，使其失去复制能力或失去活性，从而导致细胞死亡[5]，达到直接杀灭或抑制微生物繁殖的作用。

1.2 UVC-LED优点

传统紫外汞光源的发光效率与寿命受温度、供电压波动影响较大，而且360°发光，需要很多反光镜聚焦到照射面，光损失大，光学设计需要较大的空间。而UVC-LED光源具有不含汞、节能环保、寿命长和辐射强度易控等特点，又因其光源形状可定制、光输出角度小，容易设计成不同的形状[6]。相比较而言，UVC-LED可以更好地适应水产养殖杀灭有害微生物系统设计，催生出满足特殊微环境场合应用的新产品。

目前水产养殖业普遍使用的是传统紫外低压气体放电汞灯。中国已加入联合国环境规划署制定的《关于汞的水俣公约》(2017年公告生效)[7]，根据公约条款，中国作为主要缔约国之一，积极践行公约规定，禁汞步伐有序进行。因此，研发新型半导体UVC-LED绿色固态光源产品是逐步取代低压汞灯产品的最佳选项。随着中国水产养殖业向“提质增效”的转型，提升的UVC-LED技术必将为构建环境友好的集约化养殖模式起到积极作用。

2 国内外UVC-LED在水产养殖领域研究概况

2.1 国外研究概况

国外在20世纪末用传统汞源紫外光在水产养殖水处理做了大量试验研究，发现UVC能够对养殖水体起到理想的杀菌消毒作用，大幅减少水产动物发病的概率，提高苗的存活率[8-10]。自21世纪初，伴随UVC-LED技术快速发展，国外学者注意到其作为一种新型紫外消毒光源具有不可比拟的优势，在UVC-LED波段组合提高杀菌消毒效率、特定波长破坏DNA修复酶等灭活水中微生物的机理研究等方面进行了有益的探索[11-15]。

日本20世纪70年代已把养殖用水的传统紫外光杀菌装置应用于鲤鱼和牡蛎的孵化用水试验，得到了鲤鱼试验区比对照区的孵化率提高38%，牡蛎的孵化率提高13%～18%[9]的结果。Gullian等[10]试验证明室内养殖罗非鱼循环水在UVC系统使用24 h浊度小于9.9 NTU，杀灭异养菌达90%(1log)，并给出2种基于水的浊度UVC灭活循环养殖水中异养菌效果的预测模型。

在过去10年中，作为传统紫外汞光的替代源， UVC-LED引起了国外研究者极大的关注。研究者们比较了两者因性能优劣而产生的消毒机理差别，利用UVC-LED波长精准可变等特点研究养殖水中微生物变化机理。Galina等[11]总结UVC-LED优点是：没有气体填充和有毒汞，无须通电预热时间，反应器设计小巧灵活，寿命长(在365 nm处为26 000 h，250 nm处为 3 000 h)，耐用的外壳材料(金属或陶瓷)，在一定波长范围内的单色发射。小芯片尺寸提供了LED阵列设计的灵活多变性(线、平面、三维模型)，可以构建移动水消毒设备。Umar等[12]讨论了UVC-LED在控制抗生素耐药性方面的独特性，推荐使用特定波长、适当设计及高光效的UVC-LED控制抗生素耐药基因。Song等[13]进行紫外线波长组合对细菌灭活的机理研究，证实大肠杆菌经UVA-LED预处理后，光活化从单一UVC-LED处理的60%降到预处理后再UVC-LED辐照组合的15%。Moreno-Andrés等[14]试验结果表明在循环水养殖中，UVC-LED作为启动因子，在不同光化学和光催化过程中，能够加强消毒作用。国外学者普遍认为，随着UVC-LED发光效率提高与成本降低，加上改进的应用设计，预计将提高其应用的总体可行性。

2.2 国内研究概况

20世纪末，伴随着国外低压汞灯引入中国，国内学者借鉴国外经验研究汞灯紫外光对本土若干水产品种的影响，结果依然是UVC能够对养殖水体起到理想的杀菌消毒作用，大幅减少水产动物发病的概率，提升苗的存活率和特殊生长率[15-17]。近年来，国内学者在传统汞光源研究成果基础上，对紫外LED杀菌消毒机理、消毒剂量、测量方法、生物安全性做出了初步有益的探索工作[18-22]。

21世纪初，福建闽东金鼎海洋水产研究所引进加拿大一套高强度汞紫外线消毒系统，每小时可处理高达800 t水量，灭菌率达99.99%，试验证明紫外光消毒处理水对大黄鱼育苗存活率影响由对照组的26%提高到试验组的48%[16]。以色列开发的一种汞紫外光外置的管道式杀菌器，对流经的水进行短时杀菌，系统已经应用于国内三文鱼和虾养殖企业，广谱杀菌能力大于5 log，每箱鱼在同样的喂食条件下，鱼的生长率可提高20%，同时可大幅度降低抗生素和其他化学品的使用量[17]。

国内的UVC-LED研究处于起步阶段。厦门大学的Nyangaressi等[18]利用UVC-LED高速可调制频率的特点，使用脉冲紫外光对大肠杆菌灭活试验，结果显示灭活效率和光活化与连续紫外光相类似，但脉冲紫外芯片发热低，有助于热量管理与延长其使用寿命。Shen等[19]研究表明，波长268 nm的UVC- LED 对耐药性芽孢杆菌的灭活效率可高达5.7 log，同时能抑制抗性基因表达，降低耐药菌抗性，所需剂量和处理非耐药菌接近。辐照后的水体出现耐药菌光活化再生现象是LED光源辐射强度设计时需要考虑的问题。方方等[20]以UV-LED紫外灯作为灭菌主体，试验结果表明相对于传统紫外汞灯，UV-LED杀菌效果评价需要综合考虑波段、剂量、发光效率、紫外光穿透性等。刘慧等[21]研究认为UV-LED 与气体放电灯的光谱分布、照射距离、均匀性和功率水平等方面不同。为了提高紫外UV-LED测量的准确性，满足不同波长LED测量的需要，应研制相应积分式的辐射照度计。宋立等[22]提出了工业级 UV-LED 辐射通量测量方案，其测量扩展不确定度U可控制在5.0% (k=2) 以内，可以实现快速、准确地获取 UV-LED 的总辐射通量和光谱功率分布。

从目前的研究来看，国内关于UV-LED灭活水中微生物的机理研究还存在着局限性，例如对浊度、有机物质量浓度和无机离子对UV-LED消毒过程中的影响未做深入研究[ 23]。

3 UVC-LED技术发展现状

3.1 制造原理

目前世界上仅有美国、日本、德国、中国、韩国等少数国家掌握UVC-LED的核心材料和器件制备技术。国际上处于先进行列的机构以美国和日本居多，如美国的SETI公司、北卡罗来纳州立大学，日本名古屋大学、Nikisso公司，韩国首尔半导体公司与LG Innotek公司等。国内的中国科学院半导体研究所、北京大学、青岛杰生公司、中科潞安公司、鸿利秉一公司等在外延片、封装及光源装置产品处于行业领先地位[24]。

UVC-LED通常采用禁带宽度为6.2 eV的AlN作为模板层，外延生长高质量AlGaN[25]，经过光刻、刻蚀、淀积、退火等半导体制作工艺，形成可以切割、分离的芯片，然后制成紫外发光器件。

图1为UVC-LED的典型结构示意图。其核心发光材料为金属有机化合物气相沉积(MOCVD)外延的Al(Ga)N材料，由于Al元素对应MO源的活泼特性以及Al(Ga)N材料与蓝宝石衬底之间大的晶格失配和热失配，导致Al(Ga)N材料外延质量较差，不易制备高效紫外LED[26]。中科院半导体研究所研发出一种自组装光刻技术，制备适于紫外LED的纳米蓝宝石图形衬底(Nano-Patterned Sapphire Substrate，NPSS)，在此基础上，Al(Ga)N外延层合并速度快，结晶质量高[27]。如图2(右)所示，在NPSS上外延的AlN具有原子级平整的表面，表面粗糙度仅0.12 nm，可提升紫外LED量子效率近一倍。

紫外LED的芯片工艺有光刻、刻蚀、金属蒸镀、减薄划裂等，但UVC-LED的欧姆接触电极制备需要独特的表面处理和高温快速退火条件，否则极易形成非欧姆接触[26]。UVC-LED的封装需要采用倒装焊工艺，以实现有效光提取和热管理。中科院半导体研究所完成UVC-LED芯片制备的系列工艺技术，研制出高效UVC-LED器件。如图3所示，UVC-LED在200 mA注入电流下的光输出功率超过50 mW，峰值发光波长为275 nm。

3.2 存在的问题

尽管UVC-LED的前景非常光明，但技术状况有待提升，成本有待大幅度降低。目前，UVC-LED的外量子效率还比较低，普遍在10%以下[28]，商业化大批量产品的外量子效率基本在3%，只有低压紫外汞灯的十分之一左右，而单位功率的价格为低压汞灯的几十倍。所以，要获得相同的辐射功率，UVC-LED的成本目前还不能为市场接受，导致水产养殖大水量杀菌消毒场合无法使用UVC-LED。不过目前在小功率杀菌微环境场合，UVC-LED可以灵活设计使用，也是为UVC-LED未来效率提高和成本降低取得进展后的广泛应用做各种准备。

3.3 解决方法

UVC-LED量子效率低，主要源于外延材料质量差、电注入效率和光提取效率低等。从材料入手是解决UVC-LED问题的根本。其中最重要的一项就是采用NPSS技术。通过这种方法，可降低外延材料的位错密度，提高材料质量、缓解应力和UVC-LED出光效率。AlN外延中温插入层技术也是提高材料质量的一个方法，具有释放应力、阻挡位错的作用[29]。此外，优化UVC-LED的量子结构设计，提高电注入效率和内量子效率。在芯片层面，采用反射镜、芯片衬底表面/侧面粗化等技术手段可改善光提取效率，最终提升器件的光输出功率和外量子效率。

可以预见，UVC-LED的外量子效率会提升至25%[24]，寿命超过10 000 h，技术参数可以接近或达到和汞紫外灯相似的程度。要实现这个目标，不仅要材料提升，也需要芯片、封装等多个层面的工艺进步，比如反射电极、热管理等技术的结合。

4 UVC-LED辐射装置设计建议

4.1 UV辐射剂量

紫外光消毒本身是一种物理消毒，消毒能力与光的剂量相关。按光化学第一定律，不同种类的微生物对紫外线的吸收敏感性不同，光必须被物质吸收才能发生光化学反应，杀灭不同微生物需要不同的辐照剂量。而存在于养殖水中或水产动物表面的微生物是各种各样的，选定的辐照剂量过高会浪费不必要的能量，过低又达不到消毒的目的。用紫外光消毒时必须达到杀灭目标微生物所需的照射剂量。

根据Bunsen-Roscoe法则，光化学的效应是吸收的光强度与照射时间的乘积成比例，所以紫外辐照灭菌动力学基本方程如下[30]：

Nt=N0e-kIt

(1)

式中：Nt、N0分别代表辐照时间t后和初始时的菌株数量；k是灭菌常数；I是辐射强度(k与I有关)。光强度与照射时间的乘积(I×t)表示辐射剂量，单位为J/m2或mW·s/cm2(1 J/m2=0.1 mW·s/cm2)。方程(1)常常以10为底的对数表示：

log10(Nt/N0)=-k10It

(2)

k10=klog10e

(3)

对灭菌的结果可以进行建模，例如可以计算杀灭90%细菌数(对应于1 log)，或杀灭99.99%细菌数(对应于4 log)所需的紫外线辐射剂量。

《消毒技术规范》[31]要求杀灭一般细菌繁殖体时应使照射剂量达到10 mW·s/cm2，细菌芽孢应达到100 mW·s/cm2，病毒对紫外线的抵抗力介于细菌繁殖体和芽孢之间，真菌孢子有时需要600 mW·s/cm2。在消毒的目标微生物不详时，照射剂量不应低于100 mW·s/cm2。美国环境保护局(USEPA)饮用水标准(2006)[3]把UVC视为最佳杀菌消毒技术，根据《消毒技术规范》与表1可以看出，消毒目标微生物吸收紫外光子能力敏感度从大到小排序，依次为细菌≈原生动物>大多数病毒>细菌孢子>腺病毒[32]。

表1 实验室规模细菌、病毒灭活剂量对照表

鱼类病害种类繁多，据不完全统计，国内水产养殖病害种类高达300余种，常见的病害达几十种，常见的病源以细菌、寄生虫和病毒为主。2006年统计的生物源性疾病中，细菌性疾病占57.63%，寄生虫性疾病占24.58%，病毒性疾病占11.02%[33]。对于水产目标病害微生物灭活剂量，表1灭活分类微生物紫外光剂量例子可供参考。需注意的是，大多数细菌会光活化，在可见光环境下需要加大剂量。更为准确的灭活剂量数据有待针对性实验结果。

4.2 UVC消毒的波峰与透射率

紫外光的电磁辐射穿透力差，各种有机物质均可降低紫外光的穿透。通常将透射1 cm厚度水体紫外光辐射强度与透射前的强度百分比称为透过率(UVT)[3]。装置功率等设计与辐射的水体有关。选择UVT范围较高值，则增高购买光源及运营成本，选择UVT较低值，则达不到杀菌消毒效果。

研究证实，紫外265 nm杀灭微生物的效率最高[30]，但实际传统紫外汞光源波峰为253.7 nm。对UV-LED来说，波长越短，Al组分越高，MOCVD外延制备的技术难度就越大，所以市场上更多见到UVC-LED波长是270～280 nm，其杀菌效率在实际应用中可以比照传统紫外汞光源253.7 nm的有关参数使用。

4.3 辐射装置设计思路

目前水产养殖业主要使用传统紫外气体放电低压汞灯，其总气体压力为102～103 Pa，主发射波长为UVC波段253.7 nm[30]。功率5～150 W，辐射效率30%左右，寿命2 000～10 000 h。工程上主要采用封闭管道、阵列渠道二种方式的紫外管灯消毒装置[34]。目前传统紫外汞光源广泛应用于大规模的水产育苗和养殖生产中。UV-LED是21世纪初开发的新技术，随着技术提升和芯片价格的下滑，UV-LED市场占有率将持续提高，国内有关单位正在加紧以技术标准推动UV-LED技术创新应用和新兴市场发展[35]。UVC-LED目前发光效率低，成本高，大规模水处理应用还要假以时日，但国外工业水处理大规模应用已初露端倪[36-38]，国内市场也出现了多种用途的杀菌消毒辐射装置。据预测，2020年全球UV-LED市场规模将达35.5亿元，复合增长率超40%[36]。

2018年日本META WATER公司宣布，使用UVC-LED光源(单颗3.5 mm×3.5 mm)，日处理300 m3与1 200 m3商用规模的高功率设备装置已经获得日本水研究中心颁发的“辐射设备认证书”[37]。美国AquiSense公司生产的UVC-LED水处理系统已获得NSF国际组织认证，最高可减少6 log的病原体[38]。国内市场上已有多种便携式的电子消毒器、紫外线杀菌无线耳机、消毒杯等。传统紫外光源技术很难应用的地方，恰是紫外LED可以带来增量的新兴市场，这些增量市场应该包括水产养殖行业。

水产养殖业应用设计时应该广泛借鉴传统汞光源、国外UVC-LED大规模辐照装置等思路与经验。具体考虑以下因素：(1)由于UVC-LED的单颗芯片光效低，可以将众多小功率芯片集成模组封装，然后密集阵列在基板上，满足大规模养殖水处理对辐照高强度的需求。(2)由于UVC-LED光源小巧，智能可控，辐射出光角度可调，可以考虑在保鲜运输箱、试验平台等微小空间，制作成一体化便携移动消毒装置。如日本日亚公司2019年推出驱动电流350 mA、辐射通量55 mW的 UVC-LED (280 nm)小巧而高效的装置[39]。(3)进行紫外辐照灭菌动力学方程、灭活剂量与透射率计算。借助光学、流体等模型仿真工具来指导产品设计，准确估算UVC-LED杀菌效率。(4)UVC-LED工作时，绝大多数电能以热的形式散发出去，过热会降低LED的使用寿命。除了被动和主动热管理冷却方式之外，可以考虑使用半导体氮化镓材料制备常用设备(PWM)占空比方式控制驱动LED电流，从而降低热量。装置在水中容易散热，但要提高防水等级。(5)避免紫外光直接辐射或泄露造成的辐射伤害，注意使用安全。

5 UVC-LED未来应用展望

5.1 UVC-LED应用于水产养殖水处理技术的研究逐渐兴起

国内外学者利用UVC-LED具有波长易调、智能可控的优势，在水产杀菌消毒已进行了十多年的研究，取得了一些消毒机理研究的成果。相信随着科研工作者的努力，UVC-LED杀灭不同浊度养殖水中有害微生物所需要紫外光的剂量、UVC-LED与UVA-LED及过氧化氢相结合处理方法对细菌群落结构的影响等机理方面的研究将会取得明显的进展。同时设计出设施水产车间专用的紫外反应装置优化模型仿真工具，在线监测UVT数值和工业级的快速测量等仪器。

5.2 大功率UVC-LED辐射装置的应用

随着国家投资力度持续增大[40-42]，以及UVC-LED光效的提高，国内厂家会推出集成封装极高功率密度的UVC-LED模组阵列[43]。渔业行业厂家则会迅速利用这种新型光源设计出高功率紫外辐射装置，其体积小、杀菌效率高及无汞污染等优点必将代替目前在工厂化循环水养殖车间使用的渠道与封闭浸没式传统紫外消毒器。同时也会在渔业的养殖工船等处理大规模养殖水体有害微生物、水产流通领域保鲜及大数据互联等应用端有突破性的应用。

5.3 UVC-LED的未来设计趋势

目前市场上已有消毒净化、环境监测等方面的UVC-LED产品。水产养殖业设计人员会利用UVC-LED小巧灵活的自由度，或者将芯片模组大量阵列，用于高功率规模流水消毒；或者开发微小环境消毒装置，实现紧凑、高效、更具成本效益的产品。这些装置根据需要，可以固定某一位置，也可以灵巧自由智能识别移动。或在养殖车间对育苗器皿等用具灭菌，或在长途运输水产品杀菌保鲜，或在水产加工车间设备及操作台某个合适位置定时对工作器具、地面及车间空气紫外辐射消毒，以代替挥发和腐蚀性的次氯酸钠对生产人员健康的影响。