Technology | 消毒卫生技术分享

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新冠肺炎大流行病肆虐全球以来，清洁消毒是阻断疫情传播的重要措施，消毒防疫便也为生活中必不可少的部分，今天就让小编带大家了解一下消毒的前沿技术！

Ultraviole

UVC，无接触消毒创新的未来

紫外线（Ultraviolet ，简称UV）消毒，是新冠肺炎大流行病肆虐全球以来，被广泛应用的消杀技术与产品系统。与化学品消毒方式须由人携带设备在现场实施消杀作业不同，紫外线消毒作业启动时，人必须离开现场，以规避紫外线直接照射人眼与皮肤造成的伤害。因此，以“安全”为前提的“无接触消毒”，是所有紫外线消毒产品设计的首要条件，令使用UVC-LED 等先进技术的产品进行远程 IoT管理、智能化消毒成为可能。

Difficult problem

紫外线消毒的原理是通过引起细菌和病毒的DNA或RNA链断裂，杀灭核酸的生物活性，从而破坏其复制与增殖能力。研究发现，有效杀死病毒的紫外线波长为200-280纳米，但它对细胞DNA的破坏力也会为人体带来潜在风险：高频短波紫外线（UVC）可引发光照性皮炎、皮肤癌、光照性眼炎、白内障等，甚至危及中枢神经系统。

新罕布什尔大学（University of New Hampshire）土木和环境工程教授吉姆·马利（Jim Malley）认为，这是目前使用紫外线技术所面临的困境——虽然它有很大的应用潜力，但可能对人造成严重的永久性损害。尽管可以采取错开时间和保持距离的方式避免紫外线伤害（例如等医生下班后再消毒手术室），但在世界经济重启时期，公共场所消毒需要尽可能减少对人员流动的干扰，错开和回避并不是最理想的解决方案。因此，一些研究人员已经开始研究如何在利用紫外线和降低风险之间取得平衡。

与传统高压水银灯相比，LED紫外线灯具有许多优势，但它也存在技术瓶颈：如何让紫外线完全透过电极材料，而不被电极吸收。据宾夕法尼亚州立大学的材料科学、物理和化学副教授罗曼·恩格尔·赫伯特（Roman Engel-Herbert）说，有效杀灭病毒的前提是要有足够的紫外线剂量。也就是需要有能发射高强度紫外线的高效能LED灯，但就目前所使用的透明电极材料而言，此要求难以满足。

Break through

哥伦比亚大学放射研究中心主任戴维·布伦纳博士（David Brenner）发现，太阳光谱中有一段很窄的“远程短波紫外线”（far-UVC）。常规杀菌紫外线的波长有254纳米，而远程短波紫外线的波长较短，约为222纳米，其特点在于既能杀死病毒，又不会穿透人体表皮细胞。新冠疫情爆发前，布伦纳博士已开展了一项为期60周的研究，使用这种紫外线杀死流感病毒。他将老鼠以每周5天、每天8小时的频率暴露在远程短波紫外线下，直至目前，还未发现这种紫外线对老鼠的健康有不良影响。

电极材料对紫外线吸收率越低，LED紫外线灯效能越高，因此找到一种构造合适的新材料是提升性能的关键。宾夕法尼亚州立大学（Penn State）研究组与明尼苏达大学（University of Minnesota）的材料理论学家团队通过理论预测找到了铌酸锶（strontium niobate），并立即联系其日本的合作研究者，制得铌酸锶薄膜，开展相关性能测试。

结果表明，这一新型透明导体材料符合理论预期。研究团队还找到了一种可量产的方法集成铌酸锶膜，即“溅射法”（工业上广泛采用的标准薄膜生长技术）。这保证了新材料能够低成本、高质量地应用到LED紫外线灯中，也是迈向LED技术成熟的关键一步。研究团队认为该制膜技术能在席卷全球的公共卫生危机中发挥重要作用。

团队最初研发紫外线透明导体是为了提供一种经济的饮水消毒方案，随着新冠疫情爆发，他们意识到这一技术突破也可用于消毒暖通空调系统（HVAC）中的气溶胶，还可用于人口稠密和人员流动频繁的区域，如剧院、体育场和公共交通工具（公共汽车、地铁和飞机）。

目前的紫外线光源主要有两种：气体放电光源和固态光源。

气体放电光源，是我们目前已能在市场上买到的紫外线灯产品，主要有“高压水银（汞）灯”与“低压水银（汞）灯”两种。前者多为较大尺寸的灯管方式应用，功率高但造价高昂、使用寿命短；后者则多以较小尺寸的光管设计为完整的产品。两者的工作原理和荧光灯一样，均是在灯管内充满汞蒸气，通过通电激发管内的汞原子产生紫外线。一般主要产生254纳米的UVC紫外线和185纳米UVD紫外线。因此，市场上现有的紫外线灯管类产品主要分为“带臭氧功能”和“不带臭氧功能”两种类型。

固态光源，则是指UV-LED光源，是最先进、也是发展前景最大的先进紫外线光源技术，类目内包括UVA、UVB、UVC三种。其中，UVA-LED主要应用于固化、防伪、检测等领域，UVB-LED主要应用于医疗、植物生长、食物保鲜等领域，只有UVC-LED才是应用于空气、水净化杀菌与各种场景中物体表面的消毒等领域。

相较来说，UVA-LED研发及技术门槛较低，行业起步较早，已上市的产品种类较多，UVB-LED与UVC-LED发展时间较短，技术门槛较高，现阶段仍处于起步阶段，产能低、成本高，产品种类较少。但由于UVC-LED体积极小、坚固性、耐用性、低功耗、节能环保等特性令其具有突出的综合优势，不仅已被业界认定为高、低压汞灯的最佳替代技术路线，而且也作为紫外线消毒产品创新的主流，为大量小型便携式“黑科技”消毒设备的创新打开崭新市场。

消费品生产企业可根据各类产品的功效需要，灵活配置以模块化的“芯片”状制成的UVC-LED元器件，以“阵列设计”方式嵌入产品中，创造出各种可以“自消毒”的物品——诸如可对便携式智能手机、平板电脑和键盘等日常物品进行消毒的产品；将牙刷放入牙刷架后即自行消毒的产品；只需按一下按钮，即可自动对水进行消毒的婴儿奶瓶等等。UVC-LED在消费品市场上的应用前景几乎是无限的，并且将对未来5-10年的公共卫生产生深远的影响。

UV光照消毒与化学品消毒的重要区别在于消杀实施过程——后者有气味与烟雾，未穿戴防护装备的非消毒人员会自然躲避；而前者开启时，几乎所有暴露在紫外光照射下的人们往往开始感觉不到，当身体感到不适时已造成了伤害。因此，不管是“商用”还是“民用”，确保所有UV灯启动消毒时与人体绝对“无接触”，是其首要原则。而且，紫外线用于商用消毒时，系统管理的规范与创新尤为重要。

Case share

紫外线灯消毒机器人

亚马逊公司 6月初发布了旗下的机器人小组快速设计并投入使用的紫外线消毒机器人。它的主体由一个带轮子的自动驾驶平台与金属架构成，架上装有垂直的紫外线灯管，看起来像是未真正产品化的“测试样机”。它有足够高度，几乎可对所有人能触及的表面进行消毒，被应用于亚马逊的仓库和全食超市（Whole Foods）。

亚马逊发言人克里斯汀·基什（Kristen Kish）告诉媒体：“尽管目前这些移动消毒设备尚未在亚马逊仓库或全食商场大规模使用，但我们对这种可能性感到兴奋，并将继续进行创新以确保我们为员工，客户和社区提供支持。”

MIT计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）设计了一个把UV-C灯具与机器人制造商Ava Robotics的移动机器人底座集成在一起的定制机器人消毒系统，先在大波士顿食品银行进行测试，可在短短半小时内对4000平方英尺的空间进行全面消毒，然后计划将其量产，在杂货店、商场、学校和其他公共空间中推广使用。

蓝海机器人（Blue Ocean Robotics，简称 BOR），是一家创立于2013年的丹麦创业公司，把自己定位为一座“机器人创业工厂”，致力于为全球医疗保健、酒店、建筑和农业领域开发、生产和销售新一代专业服务机器人。自COVID-19在全球大流行以来，BOR开发的UVD Robots ApS自动移动式紫外线机器人在防止细菌与病毒传播感染人类方面发挥了重要作用，目前已在全球70多个国家、尤其是亚洲地区投入使用，确保医院、机场和许多公共场所区域的清洁环境，仅广州地区的医院就订购了上百台。

自2014年以来，BOR即开始致力于UVD消毒机器人的开发，已成为全球消毒机器人的领军者，通过持续迭代硬件性能、不断增加许多软件来满足医院日常消杀工作流程的要求，因此比过去几个月来进入这个领域的新竞争对手领先三到五年。与那些仅仅是将紫外线灯放在自动移动机器人上的竞争产品不同，UVD Robots ApS具有由安全传感器组成的同步运行的四个安全系统，如果有人越过消毒作业的边界或检测到场内有人员，机器人会自动关闭，确保“无接触消毒”的绝对安全。

净化及紫外线消毒车间

3月初，上海公交巴士二公司率先将已在医院成熟应用的紫外线消杀技术引入公交车系统，将原用于公交巴士进行干冰清洗的无尘车间升级改造为“净化及紫外线消毒车间”，通过在墙面、地面、天花板上布设由216根LED紫外线灯管并配置数台可用于车厢内移动照射的紫外灯架产品，实现对返场例行保养的车辆进行由内至外360度无死角的整车辐射消毒。整个过程仅需5分钟，并采用人车分离的封闭式作业，确保人身安全。

在此之前，虽然巴士公司已高度重视事关乘客与司机安全的公交车消毒问题，但采用的却是传统的人工稀释、喷洒、擦拭84消毒液方式，只能覆盖车厢内部的主要区域，对车厢外部、底盘、轮胎等位置无法全覆盖。而且消毒时间较长，仅对车厢内的乘客座椅、扶手、驾驶舱进行消毒就需40分钟，综合成本非常高。

这项成果被中外媒体广泛报道后，不仅在上海公交系统迅速推广并影响到全国，而且也传播到美国，令纽约州、新泽西的地铁、城际火车系统在4月初该区域新冠疫情达到高峰时快速布设了紫外线灯管消杀系统。

航空器紫外线消毒系统

在BDDWATCH“防疫创新”专栏文章《LED紫外线灯：防疫消毒创新的未来》中，曾详尽介绍了美国创业公司Dimer UVC Innovations发明的UVC紫外线杀菌机器 “细菌猎鹰”，可对所有进出港的飞机座舱进行全面杀菌消毒的案例，而且洛杉矶国际机场、旧金山国际机场和纽约约翰·肯尼迪国际机场均已先后启用了这一革命性的产品系统所提供的高性价比消杀服务。

它的尺寸大约相当于飞机饮料推车，具有可收纳、打开的UVC灯臂，该臂可伸展至座椅顶部上方并在移动中扫过机舱的座椅对表面进行消毒。它可在3分钟内完成一架窄体飞机的消毒工作——1分钟推入座舱走道，1分钟消毒并推出，1分钟对洗手间和配餐区进行高效消毒，极大地满足了航空器在一日内连续飞行多个短程航段时快速消杀、令每个航班的座舱都保持无菌状态的需求。

WINDGO智能紫外光投射系统

WINDGO是一家美国哥伦比亚特区的智能材料研究和开发公司，今年3月发布了一种可联网的、由传感器智能控制的紫外光投射系统，可根据消毒的不同需要将经编程后的不同波长的紫外线光进行曝光，能够在确保安全前提下杀死多达90％以上的病毒。这套紫外光投射系统包括具有可见红绿蓝（RGB）动态色温的UVC和“远UVC“两种波长的紫外光照射和安全灭菌模式，可由传感器随机选择何时对空气和表面进行曝光消毒——使用短波长的UVC紫外光杀菌消毒，而“远UVC”则是一种不会伤及人类表皮层的特殊波长的光。