KrCl准分子灯的杀菌应用及其光生物安全性

刘超群，朱倩文，韩秋漪，张善端，

(1.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433；2.复旦大学电光源研究所，上海 200438)

引言

新冠病毒最主要的传播方式是空气传播。截断传播途径的通常做法是定期进行大扫除、喷洒消毒液，封闭的空间经常保持通风。针对人流量很大的公共场所空气中的病毒，目前缺乏安全有效的方法来及时灭活。KrCl准分子灯因为良好的光生物安全性，可以用于公共场所的空气消毒。

目前UVC紫外杀菌技术普遍采用辐射254 nm单波长或254/185 nm双波长的低压汞灯作为紫外杀菌光源。低压汞灯的254 nm辐射效率在原子辐射中是最高的，是最重要的杀菌谱线。185 nm的谱线会被空气中的氧气吸收而产生臭氧，也能起到杀菌作用。254 nm辐射会被脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)吸收，导致DNA和RNA损伤[1, 2]。近期研究表明，远紫外光(光谱范围200～230 nm)能够杀菌消毒，却不会对人的眼睛和皮肤造成伤害[1,3]。

1 KrCl准分子灯的特性

KrCl准分子灯辐射出的谱带很窄(半宽度<3 nm)，大部分辐射能量集中在222 nm，因为没有基态自吸收，所以灯的功率密度可以做到很大。而传统使用的紫外光源低压汞灯因为基态原子对辐射的自吸收问题，所以辐射功率较小。准分子灯不含汞，对环境友好。另外，准分子灯应用灵活性非常高，其结构多样简单，可以做成体放电的圆柱形或面放电的平板型，尺寸可变，可以满足多样的实际应用需求。

2 222 nm远紫外杀菌效果

KrCl准分子灯发出的222 nm辐射属于200～230 nm的远UVC波段(简称远紫外)，也具有杀菌效果，如图1所示。但由于准分子灯的辐射效率相对较低、而成本很高，因此一直以来并未能得到消杀市场的接受。

图1 不同微生物的紫外作用光谱或DNA吸收谱[4]Fig.1 UV action spectrum or DNA absorbance of different microorganisms

美国哥伦比亚大学在2017年发表的文章中证实KrCl准分子灯的222 nm具有良好的杀菌效果，且对于皮肤几乎没有伤害[5]。这随即使KrCl准分子在杀菌领域成为研究热点[6-12]。

表1列举了不同课题组采用KrCl准分子灯进行的杀菌实验结果。从表中可以看到，222 nm确实能够通过破坏DNA杀灭细菌、真菌和病毒。其中，日本弘前大学的Kitagawa等[13]采用5 min持续照射方式和不同辐照度的间歇照射方式，对受到新冠病毒(SARS-CoV-2)污染的表面进行灭活实验。研究发现，相同辐照度下，持续照射模式和间歇照射模式下的病毒灭活曲线没有明显区别；相同辐射剂量下，不同辐照度对灭活曲线没有明显影响。在辐射剂量为3 mJ/cm2时，灭活即可达到3-log；剂量15 mJ/cm2可以实现4-log以上的灭活效果。

表1 222 nm辐射的杀菌效果

此外，日本弘前大学还采用KrCl准分子灯和低压汞灯对一系列细菌、病毒和真菌进行了灭活实验[14]。实验涉及的微生物种类、剂量以及杀菌效果如表2所示。该研究结果表明，222 nm杀灭细菌营养细胞、酵母和病毒的效果与254 nm相当，杀灭细菌孢子的效果更佳，但是对真菌孢子和菌丝的灭活效果不如254 nm。

表2 KrCl准分子灯(222 nm)和低压汞灯(254 nm)对不同微生物的杀菌效果[14]

3 222 nm远紫外的生物安全性

远紫外辐射不仅具备杀菌效果，而且基本上不会对皮肤和眼睛造成伤害[5,9,15-21]。哥伦比亚大学的Buonanno等采用带低通滤光片的KrBr准分子灯，研究耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)灭活率与UV剂量关系，并测量了3D人体皮肤模型内的DNA损伤[22]。实验发现，相比于低压汞灯的254 nm辐射，207 nm远紫外辐射不仅能够有效灭活MRSA细胞，而且对人体正常的成纤维细胞没有引起明显的毒性或致变形。分别用254 nm和207 nm辐射对无毛小鼠进行157 mJ/cm2剂量照射，并于辐照48 h后评估其皮肤伤害终点，证实在相同剂量下，254 nm会对被照皮肤产生严重影响，而207 nm辐照下的皮肤几乎没有什么变化[16]。随后采用辐射效率更高的KrCl准分子灯重复了上述两项实验，证实了222 nm辐射同样兼具可靠的杀菌效果和良好的生物安全性[5]。更进一步地，在小鼠表皮洒落MRSA细菌后分别用254 nm和222 nm辐照，然后制造浅切伤口并迅速缝合，在第2天和第7天进行后续处理并测量MRSA菌落数、表皮厚度和DNA光损伤情况。该研究表明，222 nm辐射可以有效防止耐药菌的传播，避免伤口感染。

日本牛尾(USHIO)公司也联合弘前大学、岛根大学、神户大学等进行了大量222 nm辐射安全性实验研究，包括对小鼠的皮肤和眼睛角膜进行了辐射损伤研究[17-20]，同样证实了远紫外辐射在杀菌应用领域的生物安全性。

222 nm对皮肤和眼睛的伤害非常小，主要的原因是由于其波长较短，更容易被蛋白质等吸收，如图2所示。紫外辐射照在皮肤上时，254 nm能够穿透角质层，引起真皮细胞的损伤；而222 nm则完全被角质层吸收，如图3所示。同样地，紫外辐射照到眼睛时，254 nm能够穿透角膜，而222 nm完全被泪液层和角膜吸收。因此，222 nm远紫外辐射相比普通的254 nm辐射更加安全。

图2 8种常见蛋白的平均紫外吸收系数曲线[15]Fig.2 Average UV absorption coefficient curve of eight common proteins

图3 222 nm和254 nm紫外辐射的穿透能力对比[22]Fig.3 Comparison of penetration ability of 222 nm and 254 nm ultraviolet radiation

最近，神户大学的Fukui等对20名志愿者进行了222 nm辐照人体实验[23]。采用50～500 mJ/cm2的辐射剂量照射被试者的背部皮肤，评估其皮肤红斑情况，检测环丁烷嘧啶二聚体(CPD)来评价DNA损伤情况，并用皮肤拭子采集背部的细菌以评价辐射杀菌效果。研究结果发现，在该剂量范围照射下所有被试者都没有出现皮肤红斑，且222 nm可以有效灭菌。相比于未受到辐照的区域，皮肤上被500 mJ/cm2剂量照射区域明显产生了CPD，但总体数值还是很小的。

4 滤光片对KrCl准分子灯的生物安全性影响

222 nm具有良好的安全性，但是KrCl准分子灯发射的光谱除了峰值波长为222 nm的主波长外，还包括两个波长较长、强度非常小的次峰。根据图4所示的光化学紫外伤害作用曲线可以看到，222 nm的作用系数远小于254 nm的，因此222 nm对皮肤和眼睛的伤害更小。而KrCl准分子灯的次峰尽管强度很低，但对应的作用系数较大，还是会对眼睛和皮肤产生影响。因此KrCl准分子灯用作人机共存的杀菌光源时，必须采用滤光片来滤除长波紫外辐射。本文探讨滤光片对KrCl准分子灯的生物安全性影响。

图4 皮肤和人眼的光化学紫外伤害作用光谱[24]Fig.4 Photochemical UV hazard action spectrum of skin and human eyes

用KrCl准分子灯(广明源，120 W)作为样品来进行测试评估。该灯总长45 cm，放电长度37 cm，放电气隙10.5 mm，充气压200 mbar。工作状态下系统功率为146.7 W，灯功率为119.4 W。

采用光纤光谱仪(HR4000 CG-UV-NIR)测得的相对辐射光谱为SR(λ)，用紫外功率计(Hamamatsu C8026/ H8025-222M)在距离灯1 m处测得的辐照度Edet为49.3 μW/cm2，则该距离处的绝对辐射光谱可以表示为

SA(λ)=k·SR(λ)

(1)

其中

(2)

为定标系数，R(λ)为功率计探头的光谱响应曲线。由此计算得到的准分子灯在1 m处的绝对辐射光谱如图5中大图所示。

图5 增加滤光片前(大图)和后(小图)的KrCl准分子灯光谱Fig.5 Spectrum change of KrCl excilamp before and after adding filter

在KrCl准分子灯前增加一片低通滤光片1#，其测得的光谱透过率τ(λ)如图6所示。则通过滤光片后的辐射光谱SF(λ)如图5中小图所示。

图6 低通滤光片1#的光谱透过率Fig.6 Spectral transmittance of low pass filter 1 #

SF(λ)=τ(λ)·SR_222(λ)

(3)

根据《灯和灯系统的光生物安全性》(IEC 62471—2006)要求，KrCl准分子的使用剂量必须低于最大有效曝辐限值30 J/m2，即

(4)

其中Es为等效辐照度(W·m-2)，E(λ,t)为光谱辐照度(W·m-2·nm-1)，SUV(λ)为图7所示的皮肤和眼睛的紫外伤害权重函数，Δλ为波长宽度(nm)，t为曝辐时间(s)。图7的纵轴为线性坐标，与纵轴为对数坐标的图4相同。

图7 紫外伤害权重函数[24]Fig.7 UV hazard weight function

由此可以得到

(5)

则最大允许曝辐时间为

(6)

定义紫外伤害系数为

(7)

带滤光片和无滤光片的KrCl准分子灯的相关参数如表3所示。可以看到，采用了滤光片1#后KrCl准分子的辐照度降低了50%，但是210～230 nm的低风险波段辐射比例增加，紫外伤害系数减少。在相同距离处，带滤光片1#的准分子灯的最大允许曝辐时间是无滤光片的2.5倍。由此可见，滤光片可以有效提高KrCl准分子灯的生物安全性。

在距离被测灯1 m处，带滤光片的KrCl准分子灯的最大允许曝辐时间达到了1 005.9 s。换言之，该条件下人体被照射15 min内不会对眼睛和皮肤产生危害。这就为准分子灯在“杀菌门”等快速通道的杀菌应用提供了可能性。而在灯具固定的人机共存应用场合，灯具与人体的距离至少在2 m以上，辐照度更低，则安全使用的允许曝辐时间更长。

此外，由于KrCl准分子灯的辐射波长窄，辐射能量比较集中，因此选择了几种不同类型的滤光片，对比计算了滤光后的效果。用氘灯作为光源，测得的滤光片的光谱透过率曲线如图8所示。

图8 不同类型滤光片的光谱透过率Fig.8 Spectral transmittance of different types of filters

滤光片2#在235～265 nm有相对较好的截止效果，265 nm以后透过率较高，但由于该波段KrCl准分子灯基本无辐射，因此影响不大。从表3可以看到，滤光片2#和滤光片1#的紫外加权辐射比例相差不大，紫外伤害系数也基本一致。2#滤光片的最大曝辐时间为1#滤光片的75%，主要是由于该滤光片透过率较高，经过2#滤光片后灯的辐射功率较大。

表3 带滤光片和无滤光片的KrCl准分子灯的辐射特性和光生物安全参数

滤光片3#在230～250 nm仍然有较高的透过率，因此对应的230～280 nm紫外加强辐射比例较高，紫外伤害系数也较大。尽管相同准分子灯透过3#的辐射功率比透过2#的要小，但是3#的最大曝辐时间比2#的要略小。

由此可见，滤光片的选择对于KrCl准分子灯的应用还是有着重要的影响，关键在于对230～280 nm范围内的辐射的滤除效果。综合过滤效果和成本，2#滤光片可能是一个不错的选择。

5 结论

KrCl准分子灯产生的222 nm远紫外辐射，在杀灭细菌、病毒等微生物的同时，具有良好的生物安全性，几乎不会造成皮肤和眼睛的伤害。众多研究报告已经证实了远紫外杀菌应用的可靠性和安全性。新冠病毒继续在全球的肆虐，且极可能与人类长期共存，KrCl准分体灯提供了人机共存的杀菌应用可能，为全球公共卫生防疫系统提供了新的技术手段。

对带滤光片和无滤光片的KrCl准分子灯的分段光谱进行分析，计算其对应的紫外伤害系数，并根据IEC 62471—2006标准计算了对应的最大允许曝辐时间。结果表明，选择合适的滤光片可以有效提高KrCl准分子灯的光生物安全性，更有利于KrCl准分子灯在公共场所杀菌应用的推广。