1.紫外光波简介

紫外光波长处于100~400nm，其光子能处于3.1~12.4eV范围内，按照实际波长范围，还可以将紫外光波分为以下几种类型，如表1所示。

表1　不同紫外光区别

紫外光虽可按照波长范围分为4种，但受臭氧及大气层吸收影响，真空紫外（VUV）、短波紫外（UVC）及大部分的中波紫外（UVB）无法透射到地表，故真空、短波紫外也为“日盲紫外”。中波及长波紫外会作用retire的表皮色素细胞，有助于人体合成维生素D。而用于消毒杀菌的主要是200~350nm波段紫外，短波紫外可有效破坏病毒中脱氧核糖核酸、核糖核酸，起到杀菌灭毒作用，以大肠杆菌、冠状病毒杀灭为例，紫外波段在电磁波的位置及短波紫外对病毒的灭活如图1所示。

图1　紫外波段在电磁波的位置及短波紫外对大肠杆菌、冠状病毒的灭活

2.深紫外LED器件

2.1简介

LED为半导体，pn结是其核心，常见深紫外LED为倒装结构，衬底位置设置导出光线，电极下端设置电路，保证LED散热稳定，结构如图2所示。

图2　深紫外LED结构示意图

对深紫外LED来说，要获取全覆盖性光源，在360nm的光源LED内，需重视添加Al元素。可在混晶内适当调Al摩尔比，将有源区阱的带隙调节到规定的UVC波长。有学者提出，实验室以纯AIN为有源，可研制出210nm的LED。有源区设置含Mg的AlGaN为二极管空穴，可避免发生电子溢出。

2.2技术问题

当下技术成熟的蓝光LED，对应芯片的外量子效率较低，且封装材料常出现老化发热，其热管理效果不佳，技术方面存在诸多瓶颈。

例如，芯片质量及光的取出效率对其外量子效率影响较大。而紫外发光波长逐渐从蓝光变为UV光，伴随发光波长逐渐变短，芯片的有源区内量子效率也会逐渐降低。同时，高Al组分氮化物半导体外延不成熟也制约着深紫外LED应用发展。

2.3热管理问题

UVCLED的芯片的能带间隙较高，而p型层电导率较低，这就导致开启后LED的正向电压高，导致电功率明显上升，此时，较低的外量子效率将导致大部分电能转为热能，影响量子效率，还会加速封装材料的老化。为保障UVCLED的消毒质量，必须控制好其散热效率。蓝宝石材料的热导率不高，采取倒转芯片方式，可便于热量以金属电极传递到基板并导出。此外，还可采取高热导率的金属，提高消毒效果。基板也许具备良好的绝缘、不易光降解及良好导热性特点，蓝光LED通常采用满足电气连接及导热功能的金属基印刷电路板，但该电路板其环氧树脂层易受UVC影响，发生降解，故不宜作为UVCLED基板，可采取AIN电子陶瓷材料，有效提高基板热导率。

3.深紫外LED杀菌消毒应用

3.1深紫外LED消毒的原理

深紫外LED对病毒的杀灭需达到广谱性、快速性及无害性。在紫外LED研究中，发现DNA、RNA是生物重要遗传物质，以紫外LED对生物的DNA、RNA破坏，可实现病毒灭活。而碱基是DNA、RNA基本元件，其中的嘌呤、嘧啶会吸收紫外光，且以嘧啶的吸收率最高。UV照射生成环丁烷嘧啶二聚体、嘧啶-嘧啶酮光产物，将破坏DNA、RNA结构，控制其复制、转录、翻译，最终实现细胞杀灭。由于不同生物中都有DNA、RNA，故UV辐射消毒具有广谱性。此外，不同核苷酸对各个波长的UVC较为敏感，可见UVCLED消毒效果较理想，其消毒效率甚至高于高温消毒。

3.2深紫外LED的消毒应用

现有UVCLED消毒多按照汞灯消毒方式设计，但是UVCLED波长260~280nm，与汞灯波长（253.7nm）存在明显差异，应按照具体杀菌情况选择合适的UVCLED光源波长。目前应用UVCLED杀菌可分为水体杀菌及空气杀菌。某研究团队对UVCLED对水体的消毒深入分析，对不同波长、强度的UVCLED消毒效果比对分析，发现采用275nm波长对大肠杆菌杀灭效果最好，对UVLED消毒比较研究，若长期消毒，可采取脉冲驱动深紫外LED消毒。在水中加入光催化剂，生成活性氧离子增加消毒作用，275nm的UVLED配合光催化剂是最佳的水体消毒方案。

国外某团队对UV的空气杀菌分析，在空调系统中安装UV杀菌辐射系统，发现其杀菌效果比便携式UV杀菌效果好。还有学者提出，将有上层UV杀菌技术的紫外线杀菌（UVGI）装在房上面，形成可照射上部空气的装置，对黏质沙雷氏菌、产检假单胞菌等细菌展开杀菌实验，发现采用该装置可对空气中病菌的有效杀灭，可有效降低空气中不良病菌的浓度。随着空气通风速率不断增加，该装置的杀菌效果下降。故采取上述杀菌装置，可有效降低空气传播中的病原体，但是需将系统设置在通风不良的房间中。

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