紫外线的性质取决于波长，不同来源的紫外线具有不同的光谱。 我们将讨论哪些紫外线源以及如何使用它们，以最大限度地提高杀菌效果，同时最大限度地降低不良生物效应的风险。
米。 1. 照片中显示的并不是您想象的 UVC 辐射消毒，而是使用防护服进行训练，并检测训练体液在 UVA 射线中的发光点。 UVA是柔和的紫外线，不具有杀菌作用。 闭上眼睛是一种合理的安全预防措施，因为所使用的 UVA 荧光灯的广谱与 UVB 重叠，这对视力有害（来源 Simon Davis/DFID）。
可见光的波长对应于光化学作用刚刚发生的量子能量。 可见光量子在特定的光敏组织——视网膜中激发光化学反应。
紫外线是不可见的，其波长较短，量子的频率和能量较高，辐射较刺眼，光化学反应和生物效应的种类较多。
紫外线的不同之处在于：
- 长波长/柔和/近 UVA (400...315 nm)，性质与可见光相似；
- 中等硬度 - UVB（315...280 nm）；
- 短波/长波/硬 – UVC (280…100 nm)。
紫外线的杀菌作用
强紫外线（UVC）发挥杀菌作用，中强紫外线（UVB）发挥较小程度的杀菌作用。 杀菌效率曲线表明，只有230...300 nm的狭窄范围，即称为紫外线的范围的四分之一左右，具有明显的杀菌效果。
米。 2 杀菌效率曲线来自[]
在此范围内的波长的量子被核酸吸收，从而导致DNA和RNA的结构被破坏。 除了杀菌（即杀死细菌）之外，该系列还具有杀病毒（抗病毒）、杀真菌（抗真菌）和杀孢子（杀死孢子）作用。 这包括杀死导致 2020 年大流行的 RNA 病毒 SARS-CoV-2。
阳光的杀菌作用
阳光的杀菌作用比较小。 让我们看看大气层上方和下方的太阳光谱：
米。 3. 大气层上方和海平面的太阳辐射光谱。 紫外线范围中最严酷的部分不会到达地球表面（借自维基百科）。
值得注意的是以黄色突出显示的大气以上光谱。 波长小于240 nm的大气层太阳光线光谱左边缘的量子能对应于氧分子“O5.1”中2 eV的化学键能。 氧分子吸收这些量子，化学键断裂，形成原子氧“O”，它又重新结合成氧分子“O2”和部分臭氧“O3”。
太阳超大气 UVC 在高层大气中形成臭氧，称为臭氧层。 臭氧分子中的化学键能低于氧分子中的化学键能，因此臭氧吸收的能量比氧气低。 氧气仅吸收 UVC，而臭氧层则吸收 UVC 和 UVB。 事实证明，太阳在光谱紫外线部分的最边缘产生臭氧，然后这种臭氧吸收了大部分太阳的强紫外线辐射，保护了地球。
现在，仔细地注意波长和尺度，我们将把太阳光谱与杀菌作用的光谱结合起来。
米。 4 杀菌作用光谱和太阳辐射光谱。
可见，阳光的杀菌作用微乎其微。 能够发挥杀菌作用的光谱部分几乎完全被大气吸收。 在一年中的不同时间和不同纬度，情况略有不同，但性质相似。
紫外线危险
其中一个大国的领导人建议：“要治愈 COVID-19，你需要将阳光带入体内。” 然而，杀菌紫外线会破坏 RNA 和 DNA，包括人类的 RNA 和 DNA。 如果你“将阳光照射到体内”，这个人就会死亡。
表皮（主要是死细胞的角质层）可以保护活组织免受 UVC 的伤害。 在表皮层以下，只有不到 1% 的 UVC 辐射能穿透 [WHO]。 较长的 UVB 和 UVA 波可穿透更深的深度。
如果没有太阳紫外线，也许人就没有表皮和角质层，身体表面就会像蜗牛一样是粘液。 但由于人类是在阳光下进化的，只有免受阳光照射的表面才是粘液。 最脆弱的是眼睛的粘膜表面，通过眼睑、睫毛、眉毛、面部运动技能以及不看太阳的习惯有条件地保护免受太阳紫外线辐射。
当眼科医生第一次学会用人造晶状体代替晶状体时，他们面临着视网膜烧伤的问题。 他们开始了解其中的原因，并发现活体人类晶状体对紫外线不透明，可以保护视网膜。 此后，人造晶状体也被制成对紫外线不透明的。
眼睛在紫外线下的图像说明了晶状体对紫外线的不透明度。 您不应该用紫外线照射自己的眼睛，因为随着时间的推移，晶状体会变得浑浊，包括由于多年来累积的紫外线剂量，需要更换。 因此，我们将借鉴那些忽视安全的勇敢者的经验，将波长为 365 nm 的紫外线手电筒照射到他们的眼睛中，并将结果发布在 YouTube 上。
米。 5 Youtube 频道“Kreosan”上的视频截图。
波长为 365 nm (UVA) 的发光紫外线手电筒很受欢迎。 它们是大人买的，但不可避免地落入孩子手中。 孩子们用手电筒照射眼睛，仔细观察发光的水晶很长时间。 建议防止此类行为。 如果发生这种情况，你可以放心，小鼠研究中的白内障确实是由UVB照射晶状体引起的，但UVA的致畸作用并不稳定[].
然而，紫外线对镜片作用的确切光谱尚不清楚。 考虑到白内障是一种非常延迟的效应，您需要一些智慧，不要提前将紫外线照射到您的眼睛。
眼睛的粘膜在紫外线照射下相对较快地发炎，这称为光角膜炎和光结膜炎。 粘膜变红，出现“眼睛进沙子”的感觉。 几天后效果就会消失，但反复烧伤会导致角膜混浊。
造成这些影响的波长大致对应于光生物安全标准 [IEC 62471] 中给出的加权紫外线危害函数，并且与杀菌范围大致相同。
米。 6 引起光结膜炎和光角膜炎的紫外线辐射光谱[] 以及光化紫外线对皮肤和眼睛危害的加权函数 [].
光角膜炎和光结膜炎的阈值剂量为50-100 J/m2，该值不超过消毒所用的剂量。 用紫外线消毒眼睛粘膜而不引起炎症是不可能的。
红斑，即“晒伤”，由于波长高达 300 nm 的紫外线辐射而很危险。 根据一些消息来源，红斑的最大光谱效率位于约 300 nm 的波长处 []。 对于不同的皮肤类型，引起几乎不明显的红斑 MED（最小红斑剂量）的最小剂量范围为 150 至 2000 J/m2。 对于中部地区的居民来说，典型的 DER 值约为 200...300 J/m2。
280-320 nm 范围内的 UVB，最大波长约为 300 nm，会导致皮肤癌。 没有阈剂量；剂量越高意味着风险越高，并且效果会延迟。
米。 7 条紫外线作用曲线导致红斑和皮肤癌。
光致皮肤老化是由整个 200...400 nm 范围内的紫外线辐射引起的。 有一张著名的照片，显示一名卡车司机在驾驶时主要暴露在左侧的太阳紫外线下。 司机开车时习惯将驾驶座车窗摇下，但挡风玻璃保护了他的右脸免受太阳紫外线的照射。 左右两侧皮肤与年龄相关的状况差异令人印象深刻：
米。 8 一位司机28年来一直开着车窗开车的照片【].
如果我们粗略地估计这个人脸部不同侧面的皮肤年龄相差二十年，这是因为在大约相同的二十年里，脸部的一侧受到阳光照射，而另一侧则受到阳光照射。事实并非如此，我们可以谨慎地得出结论，暴露在阳光下的一天就会使皮肤老化。
来自参考数据[] 据了解，在中纬度地区夏季阳光直射下，200焦耳/平方米的最小红斑剂量的累积速度比一小时更快。 将这些数字与得出的结论进行比较，我们可以得出另一个结论：定期和短期使用紫外线灯工作时的皮肤老化并不构成重大危险。
消毒需要多少紫外线？
随着紫外线辐射剂量的增加，表面和空气中存活的微生物数量呈指数下降。 例如，杀死90%结核杆菌的剂量为10 J/m2。 两剂这样的剂量可杀死 99%，三剂可杀死 99,9%，等等。
米。 图 9 结核分枝杆菌存活比例与波长 254 nm 紫外线辐射剂量的依赖性。
指数依赖性非常显着，因为即使是小剂量也能杀死大多数微生物。
在[中列出的】 病原微生物中，沙门氏菌对紫外线的抵抗力最强。 杀死 90% 细菌的剂量为 80 J/m2。 根据综述[Kowalski2020]，杀死90%冠状病毒的平均剂量为67 J/m2。 但对于大多数微生物来说，这个剂量不超过 50 J/m2。 出于实际目的，您可以记住，消毒效率为 90% 的标准剂量是 50 J/m2。
根据俄罗斯卫生部目前批准的使用紫外线进行空气消毒的方法学[] 手术室、妇产医院等要求最高消毒效率达到“三个九”或99,9%。 适用于学校教室、公共建筑等。 “一九”就足够了，即消灭90%的微生物。 这意味着，根据房间的类别，一到三个 50...150 J/m2 的标准剂量就足够了。
估算所需照射时间的示例：假设需要对 5 × 7 × 2,8 米的房间内的空气和表面进行消毒，使用一盏飞利浦 TUV 30W 开放式灯。
该灯的技术描述表明杀菌流量为 12 W []。 在理想情况下，整个流量严格流向正在消毒的表面，但在实际情况下，一半的流量将被浪费而没有任何好处，例如，它会以过高的强度照亮灯后面的墙壁。 因此，我们预计有用功率为 6 瓦。 房间内总照射面积为地板35平方米+天花板2平方米+墙壁35平方米，总计2平方米。
平均而言，落在表面的杀菌辐射通量为 6 W/137 m2 = 0,044 W/m2。 一小时内，即 3600 秒内，这些表面将接收到的剂量为 0,044 W/m2 × 3600 s = 158 J/m2，或大约 150 J/m2。 这对应于三个 50 J/m2 的标准剂量或“三个九”——杀菌效率为 99,9%，即手术室要求。 由于计算出的剂量在落在表面之前会穿过房间的体积，因此空气的消毒效率丝毫不减。
如果对无菌的要求很小并且“九”就足够了，对于所考虑的例子，则需要三倍的照射时间——大约20分钟。
防紫外线
紫外线消毒时的主要防护措施是离开房间。 靠近正在工作的紫外线灯，但将目光移开也无济于事；眼睛的粘膜仍然受到照射。
玻璃眼镜可以部分保护眼睛粘膜。 “玻璃不透射紫外线”这一明确说法是不正确的；在某种程度上确实如此，而且不同品牌的玻璃以不同的方式做到这一点。 但一般来说，随着波长的减小，透过率也随之降低，只有石英玻璃才能有效地透过UVC。 无论如何，眼镜都不是石英的。
我们可以自信地说，标记为 UV400 的眼镜镜片不会透过紫外线辐射。
米。 10 指数为 UV380、UV400 和 UV420 的眼镜片的透射光谱。 图片来自网站[]
另一种保护措施是使用杀菌 UVC 范围的光源，这些光源不会发出潜在危险，但对消毒、UVB 和 UVA 范围无效。
紫外线源
紫外线二极管
最常见的 365 nm 紫外线二极管 (UVA) 专为“警用手电筒”而设计，可产生冷光来检测没有紫外线的情况下看不见的污染物。 使用此类二极管不可能进行消毒（见图 11）。
对于消毒，可以使用波长为 265 nm 的短波 UVC 二极管。 取代汞杀菌灯的二极管模块的成本比灯的成本高出三个数量级，因此在实践中，此类解决方案不用于大面积消毒。 但使用紫外线二极管的紧凑型设备正在出现，用于对小区域（仪器、电话、皮肤损伤等）进行消毒。
低压汞灯
低压汞灯是所有其他光源的比较标准。
放电过程中低压汞蒸气的辐射能量的主要部分落在 254 nm 的波长上，非常适合消毒。 一小部分能量以 185 nm 波长发射，集中产生臭氧。 其他波长（包括可见光范围）发射的能量非常少。
在传统的白光汞荧光灯中，灯泡的玻璃不能透过汞蒸气发出的紫外线辐射。 但荧光粉（一种位于烧瓶壁上的白色粉末）在紫外线的影响下在可见光范围内发光。
UVB或UVA灯的设计方式类似，玻璃灯泡不透射185 nm峰值和254 nm峰值，但荧光粉在短波紫外线辐射的影响下不会发出可见光，而是发出长波紫外线辐射。 这些是用于技术目的的灯。 而且由于UVA灯的光谱与太阳的光谱相似，因此此类灯也用于晒黑。 光谱与杀菌效率曲线的比较表明，使用UVB尤其是UVA灯进行消毒是不合适的。
米。 图 11 杀菌效率曲线、UVB 灯光谱、UVA 晒黑灯光谱和 365 nm 二极管光谱的比较。 灯光谱取自美国油漆制造商协会网站[].
请注意，UVA 荧光灯的光谱很宽，涵盖了 UVB 范围。 365 nm 二极管的光谱要窄得多，这是“诚实的 UVA”。 如果需要 UVA 来产生发光用于装饰目的或检测污染物，则使用二极管比使用紫外线荧光灯更安全。
低压UVC汞杀菌灯与荧光灯的不同之处在于，灯泡壁上没有荧光粉，灯泡透射紫外线。 主要的 254 nm 谱线始终被透射，产生臭氧的 185 nm 谱线可以留在灯的光谱中，或者通过具有选择性透射的玻璃灯泡去除。
米。 12 紫外线灯的标签上标明了发射范围。 可以通过灯泡上没有荧光粉来识别 UVC 杀菌灯。
臭氧有额外的杀菌作用，但属于致癌物质，因此，为了消毒后不等待臭氧侵蚀，采用光谱中不带185纳米线的不产生臭氧的灯。 这些灯具有近乎理想的光谱——杀菌效率高的主线为254 nm，非杀菌紫外线范围内的辐射非常弱，可见光范围内的“信号”辐射很小。
米。 13.低压UVC汞灯的光谱（由杂志lumen2b.ru提供）与太阳辐射光谱（来自维基百科）和杀菌效率曲线（来自ESNA照明手册）相结合[]）。
杀菌灯的蓝色光芒让您可以看到汞灯已打开并正在工作。 发光很弱，这给人一种可以安全观看灯的误导性印象。 我们认为 UVC 范围内的辐射并不占灯消耗的总功率的 35...40%。
米。 14 汞蒸气辐射能量的一小部分位于可见光范围内，并且表现为微弱的蓝光。
低压杀菌汞灯的灯头与普通荧光灯相同，但长度不同，因此杀菌灯不能插入普通灯中。 杀菌灯的灯除了其尺寸外，其特点还在于所有塑料部件都耐紫外线辐射，紫外线电线被覆盖，并且没有扩散器。
针对家庭杀菌需求，笔者使用了15W的杀菌灯，之前用于对水培装置的营养液进行消毒。 通过搜索“aquarium uv sterilisator”可以找到其类似物。 当灯工作时，会释放臭氧，这不好，但对于消毒（例如鞋子）很有用。
米。 15支各种灯头的低压汞灯。 图片来自全球速卖通网站。
中高压汞灯
汞蒸气压的增加会导致光谱更加复杂；光谱扩大，其中出现更多的谱线，包括产生臭氧的波长。 汞中引入添加剂导致光谱变得更加复杂。 此类灯的品种很多，每种的光谱都有其特殊性。
米。 16 中高压汞灯光谱示例
增加压力会降低灯的效率。 以Aquafineuv品牌为例，中压UVC灯的功耗为15-18%，而不是低压灯的40%。 并且每瓦UVC流量的设备成本较高[].
灯的效率降低和成本增加通过其紧凑性得到补偿。 例如，流水的消毒或印刷中高速施加的清漆的干燥需要紧凑而强大的源；具体的成本和效率并不重要。 但用这样的灯来消毒是不正确的。
由 DRL 燃烧器和 DRT 灯制成的紫外线照射器
有一种“民间”方法可以相对便宜地获得强大的紫外线源。 它们即将不再使用，但 125...1000 W 的白光 DRL 灯仍在销售。 在这些灯中，外瓶内有一个“燃烧器”——高压汞灯。 它发出宽带紫外线，被外部玻璃灯泡阻挡，但会导致其壁上的磷光体发光。 如果你打破外烧瓶并通过标准扼流圈将燃烧器连接到网络，你将得到一个强大的宽带紫外线发射器。
这种自制的发射器有缺点：与低压灯相比效率低，很大一部分紫外线辐射在杀菌范围之外，并且关灯后你不能在房间里呆一段时间直到臭氧分解或消失。
但其优点也是不可否认的：低成本、高功率、紧凑的尺寸。 优点之一是产生臭氧。 臭氧会对未暴露在紫外线下的阴影表面进行消毒。
米。 17 由 DRL 灯制成的紫外线照射器。 该照片的发布得到了作者（一位保加利亚牙医）的许可，除了标准的飞利浦 TUV 30W 杀菌灯之外，还使用了这款辐照器。
OUFK-01“Solnyshko”型辐照器中使用了类似的高压汞灯形式的消毒紫外线源。
例如，对于流行的灯“DRT 125-1”，制造商没有公布光谱，但在文档中提供了参数：距离灯 1 m 处的照射强度 UVA – 0,98 W/m2，UVB – 0,83 W/m2，UVC – 0,72 W/m2，杀菌流量8 W，使用后需要对房间进行通风以防止臭氧[]。 在回答有关 DRT 灯和 DRL 灯头之间差异的直接问题时，制造商在其博客中回应称，DRT 的阴极上有绝缘绿色涂层。
米。 18 宽带紫外光源-DRT-125灯管
根据所述特征，很明显，光谱是宽带的，软、中、硬紫外线（包括产生臭氧的硬 UVC）的辐射份额几乎相等。 杀菌流量为耗电量的6,4%，即效率比低压管状灯低6倍。
制造商没有公布该灯的光谱，与其中一个 DRT 的光谱相同的图片在互联网上流传。 原始来源未知，但 UVC、UVB 和 UVA 范围内的能量比与 DRT-125 灯声明的能量比不符。 对于 DRT，规定了近似相等的比率，并且光谱显示 UVB 能量比 UBC 能量大许多倍。 UVA 比 UVB 高很多倍。
米。 19. 高压汞弧灯的光谱，最常说明广泛用于医疗目的的 DRT-125 的光谱。
很明显，不同压力和汞添加剂的灯发出的光略有不同。 同样明显的是，不知情的消费者倾向于独立想象产品所需的特性和属性，根据自己的假设获得信心并进行购买。 并且特定灯的光谱的公布将引起讨论、比较和结论。
笔者曾经购买了一台配有DRT-01灯的OUFK-125装置，并使用了几年来测试塑料制品的抗紫外线能力。 我同时照射两种产品，其中一种是由抗紫外线塑料制成的对照产品，然后观察哪种产品变黄速度更快。 对于这样的应用，不需要了解光谱的确切形状；唯一重要的是发射器是宽带的。 但如果需要消毒，为什么要使用宽带紫外线呢？
OUFK-01 的用途表明辐照器用于急性炎症过程。 也就是说，皮肤消毒的积极效果超过宽带紫外线辐射可能造成的危害的情况。 显然，在这种情况下，最好使用窄带紫外线，光谱中没有除杀菌以外作用的波长。
空气消毒
紫外线被认为不足以对表面进行消毒，因为光线无法穿透酒精等渗透的地方。 但紫外线可以有效地对空气进行消毒。
打喷嚏和咳嗽时，会形成几微米大小的飞沫，这些飞沫会在空气中悬浮几分钟到几个小时。]。 结核病研究表明，一滴气溶胶就足以引起感染。
在街上，我们相对安全，因为空气量大且流动性强，可以随着时间和太阳辐射来驱散和消毒任何喷嚏。 即使在地铁里，虽然感染者比例较小，但每个感染者的空气总量却很大，良好的通风使得感染传播的风险较小。 空气传播疾病流行期间最危险的地方是电梯。 因此，打喷嚏的人一定要隔离，通风不足的公共场所的空气需要消毒。
再循环器
空气消毒的选择之一是封闭式紫外线回收器。 让我们讨论其中一个再循环器 - “Dezar 7”，它因甚至在国家第一人的办公室中也能看到而闻名。
该再循环器的描述称其每小时吹送100立方米，设计用于处理体积为3立方米（约100×3×5米）的房间。
然而，每小时能够消毒 100 立方米的空气并不意味着每小时 3 立方米的房间内的空气也会得到同样有效的处理。 处理后的空气稀释了脏空气，并以这种形式一次又一次地进入再循环器。 建立数学模型并计算这样一个过程的效率很容易：
米。 20 紫外线再循环器的运行对不通风房间空气中微生物数量的影响。
要将空气中的微生物浓度降低90%，再循环器需要工作两个小时以上。 如果房间内没有通风，这是可能的。 但通常情况下，房间里没有人，而且不通风。 例如，[] 规定每 3 平方米公寓面积通风的最低室外空气流量为 3 立方米/小时。 这相当于每小时完全更换一次空气，并且使再循环器的运行失去作用。
如果我们考虑的不是完全混合的模型，而是沿着房间内稳定的复杂轨迹穿过并进入通风的层流射流的模型，那么对其中一个射流进行消毒的好处甚至小于完全混合的模型。
无论如何，紫外线再循环器并不比打开的窗户更有用。
再循环器效率低的原因之一是每瓦紫外线流量的杀菌效果极小。 光束在装置内部传播约 10 厘米，然后被铝材反射，系数约为 k = 0,7。 这意味着光束在装置内部的有效路径约为半米，之后它就会被吸收而没有任何好处。
米。 21. YouTube 视频截图，显示回收机被拆除。 杀菌灯和铝制反光面是可见的，其反射紫外线的能力比可见光差很多[].
在诊所办公室的墙上公开悬挂一盏杀菌灯，由医生按照时间表打开，效果要好很多倍。 打开的灯发出的光线可以传播数米，首先对空气进行消毒，然后对表面进行消毒。
房间上部的空气辐射器
在经常出现卧床病人的医院病房中，有时会使用紫外线装置来照射天花板下的循环气流。 这种装置的主要缺点是覆盖灯的格栅仅允许光线严格沿一个方向通过，吸收了 90% 以上的剩余光流而没有任何好处。
您还可以通过这样的辐照器吹空气，同时创建再循环器，但没有这样做，可能是因为房间里不愿意有灰尘收集器。
米。 22 吸顶式紫外线空气辐照器，图片来自现场[].
格栅可以保护房间内的人免受紫外线的直接辐射，但穿过格栅的气流撞击到天花板和墙壁时会发生漫反射，反射系数约为10%。 房间里充满了全方位的紫外线辐射，人们接受的紫外线辐射剂量与在房间里呆的时间成正比。
审稿人和作者
审稿人：
Artyom Balabanov，电子工程师，UV 固化系统开发商；
Rumen Vasilev，博士，保加利亚 OOD“Interlux”照明工程师；
瓦迪姆·格里戈罗夫，生物物理学家；
Stanislav Lermontov，Complex Systems LLC 照明工程师；
Alexey Pankrashkin 博士，INTECH Engineering LLC 半导体照明工程和光子学副教授；
Andrey Khramov，医疗机构照明设计专家；
Vitaly Tsvirko，白俄罗斯“TSSOT NAS”照明测试实验室负责人
作者： Anton Sharakshane 博士、照明工程师和生物物理学家，以莫斯科第一国立医科大学的名字命名。 他们。 谢切诺夫
引用
引用
[空气灭菌]
[Aquafineuv]
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 紫外线空气消毒
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 光辐射物理和照明工程。 第 10 部分：光生物学有效辐射、数量、符号和作用谱。 光辐射物理与照明工程。 光生物活性辐射。 尺寸、符号和作用谱
[ESNA] ESNA 照明手册，第 9 版。 编辑。 Rea MS 北美照明工程学会，纽约，2000 年
[IEC 62471] GOST R IEC 62471-2013 灯和灯系统。 光生物安全性
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski 等人，2020 年 COVID-19 冠状病毒紫外线敏感性，DOI：10.13140/RG.2.2.22803.22566
[利斯玛]
[三井化学]
[内吉姆]
[画]
[德国莱茵TUV]
[世界卫生组织] 世界卫生组织。 紫外线辐射：参考全球臭氧消耗，对紫外线辐射的环境和健康影响进行正式的科学审查。
[德萨尔]
[R 3.5.1904-04] R 3.5.1904-04 使用紫外线杀菌辐射对室内空气进行消毒
[SP 60.13330.2016] SP 60.13330.2016 供暖、通风和空调。
来源： habr.com