WeYoung Marketing & Engineering 遠揚行銷: 深紫外線

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位於美國Altanta的POREX filtration group近日發表了以鐵氟龍塗層(PTFE)，提高深紫外線UVC在腔壁上的反射率，近而提高了在滅菌箱內的照度，可以更有效達到滅菌的效果；或許也可以減少UVC LED的配置，從而降低成本。

該公司的PTFE塗層的反射率為98%，較鋁的平均反射率90%高出不少，由該影片顯示採用該公司的塗層後，在一長方型腔體上各個面的UVC照度，很明顯的提高了10倍。

深紫外線UVC可以用於滅菌，已經為大眾所熟知，然而要如何應用於日常生活及醫療環境中，就先要分析A. UVC光源與分佈，B. 細菌病毒對UV吸收範圍，以及C. 滅菌效果的確認。

A. 紫外線UV照度、劑量、與劑量分佈

紫外線UV照度是紫外線的基本性質，其單位是瓦特/平方公尺(Watt/m²)，也就是在單位面積上有多少光通量落在上面的概念。

而劑量是照度乘上照射的時間，單位是焦耳/平方公尺 (J/m², Watt x sec/ m²)也就是在單位面積上有多少光能量落在上面的概念。

這可以用下雨做比方：

照度就相當於時雨量，譬如下大雨，表示時雨量就高；下小雨，時雨量就低；沒下雨，時雨量就是零。

劑量就相當於總雨量，也就是單位面積上落下的雨量，是時雨量乘上小時數。

而劑量分佈是在不同位置的劑量狀態，例如台北下大雨，時雨量100mm/m².hr，下了10小時，總雨量是1000mm/m² ；台中下小雨，時雨量30mm/m².hr，下了5小時，總雨量是150mm/m²。

而滅菌的機制，主要決定在劑量。

B. 細菌病毒對UV吸收範圍

細菌病毒對於UV光，並不是全部都可以吸收的，科學家為了瞭解細菌病毒對於UV光吸收情況，以決定哪個波長範圍的UV光，可以達到最佳滅菌效果，做了相對的實驗。

上圖是以發出254nm的汞燈做為基準，觀察在215-300nm波長的UVC，病毒細菌的DNA吸收情況，可以看到兩段光波(波長在220-240nm以及250-280 nm)都有比254nm好的吸收效果。

然而在220-240 nm段，光源的取得有難度，例如在汞燈中參入其他氣體，以改變發光波長，造成生產成本上昇；同時，在UV LED部分也無法在經濟條件下，生產符合這段UV的產品。

因此，業界對於UVC LED產品的開發，基本上以260-280nm，做為主要波段開發目標。

C. 滅菌效果的確認

不同的病毒細菌，對於深紫外線的劑量耐受度也不同。

上表列出了部分病毒細菌對於深紫外線(UVC)劑量，可以達到的滅菌效果。

以其中常見的Escherichia coli 大腸桿菌 (E. Coli)為例，當劑量達到1.5 mJ/cm2，滅菌率可達90%；當劑量達到5.6 mJ/cm2，滅菌率可達99.99%。

由上表也可以歸納出，當劑量以1、2、3、4倍數增加時，滅菌率可以以1個9、2個9、3個9、4個9的趨勢增加。

一般在考慮滅菌效果時，通常會以LOG 3，做為基本標準；而以LOG 5，做為高級標準。

加州大學聖塔芭芭拉分校(UC Santa Barbara)的固態照明與能源電機中心(Solid State Lighting & Energy Electronics Center, SSLEEC) 2020年4月14日發表指出，人造的UVC LED光源，可以有效去除物體表面的新冠病毒汙染。

該中心材料博士研究員Christian Zollner 指出，以UVC LED做為光源，在醫療院所內進行對於個人醫療配備(PPE)、物體表面、地板、及空調系統(HVAC)內部的消毒，是目前主要的一項應用。

文章重點：

以UVC LED所產生的深紫外線(UVC)，是具備消毒能力的，甚至對於難纏的新冠病毒，也是有效的。
目前以固態物理手法製成的UVC LED，發光波長在260-285nm之間，波長愈短，發光效率愈差。原因是波長愈短，所需要材料間的能階差愈大，在生產製造時的良率也下降。因此，業界多選擇270nm做為主要波長，以兼顧發光強度及經濟效益。
一樣是紫外線(UV)，波長不同，效果大大不同。UV-A (315-400 nm)及UV-B (285-315nm)在相同的照射強度下，對於滅菌是無法與UV-C(100-285nm)相比的。原因在於細菌與病毒的DNA，是會吸收UVC，而不會吸收UVA及UVB。
傳統的UVC多半是以汞氣體放電燈做為光源，UVC LED的光電轉換效率雖然仍不及汞燈，但是LED輕薄短小的特性，在做為滅菌消毒應用時，可以利用光學手法，可以達到比汞燈更高的照度(mw/sq.cm)。
該中心與首爾半導體合作，以氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride (AlGaN))薄膜附著在碳化矽(silicon carbide (SiC))基板上，藉由晶格上的契合(相較於藍寶石基板)，以達到產出高品質UVC輻射的目的。
以UVC光源做為消毒滅菌的工具，可以減少化學藥劑在環境中的應用，畢竟化學產品在使用過程中除了滅菌之外，殘留及使用後對於環境的影響，可能是長期積累而容易被忽略的。