深紫外线杀菌:突破265纳米后,下一个目标:226纳米
时间:2022-01-07 00:00:00来自:第一财经字号:T  T

因为新冠疫情的暴发和持续蔓延,杀菌消毒的需求迅速放量。于是,更安全、更有效的深紫外线LED(UVCLED)开始引发市场越来越多的关注。

多家企业正尽力在这一赛道上取得更大突破。这其中,目前全球唯一的265纳米波长的深紫外线杀菌产品KlaranTM高功率输出产品,有望明年正式上市完成商用。

这是一款来自旭化成的UVCLED产品。2020年10月,旭化成与波士顿大学国家新兴传染病实验室(NEIDL)的一项共同研究,也实际验证了KlaranTM的260-270纳米波长光可使新冠病毒灭活。

经过不懈的研究突破,结合自有的氮化铝单结晶基板制造技术及膜结晶成长技术,旭化成在灭活病毒及杀灭细菌效果最好的265纳米带宽范围内,实现了业界最高功率输出。

“虽然Klaran的高输出功率产品还没有实际正式上市,但因为疫情的持续影响,这方面的咨询已经非常多了。”旭化成株式会社执行官、执行研究员久世直洋(NAOHIROKUZE)说,目前已经有多家客户正在评估上市的可能性。

与旭化成的研发项目大多由市场&创新本部负责不同,UVCLED项目是由总经理直管启动的。这一安排背后,是旭化成对其的巨大期待。

此前,DR未来已经在“未来力”这一主题下,探讨了如何寻找到一款产品,并使之成功应对各种不确定性,穿过多个周期成就百年事业;如何“武装”人类的身体,让人类在与疾病的对抗中获得更高质量的生活等内容。

近日,DR未来又与久世直洋做了一次深谈,以探讨杀菌消毒这一越来越广泛的需求,将会被怎样深度满足,以及,UVCLED这一技术创新还将向什么方向演进,带给这个世界怎样的可能性。

Q:紫外线所有人都不陌生,沐浴在阳光里,每天都可以感受到。相对于紫外线,深紫外线是更符合未来需求的杀菌光源吗?

A:确实。紫外线杀菌消毒是普遍存在的,在太阳底下晒被子,就是利用紫外线来除螨、杀菌的最直接案例。

其原理,是紫外线可以穿透微生物的细胞膜和细胞核,破坏其DNA与RNA分子结构,使之灭活,无法继续分裂繁殖,达到杀菌的效果。

根据不同的波长,人们通常将紫外线分为A、B、C三类,即近紫外线(UVA,315-400纳米),远紫外线(UVB,280-315纳米)和超短紫外线(UVC,200-280纳米)。这三类紫外线人类肉眼皆不可见。其中,UVC是波长最短、能量最高的一个波段,也被称为深紫外线。

但由于这一波段的紫外线在通过地球表面时基本被臭氧层吸收,不能达到地球表面,因此,人为造出这一波段的深紫外线,就成为科学家们持续努力的方向。

目前使用较为广泛的深紫外线光源是汞灯(波长254纳米),也就是俗称的水银灯。但汞灯有一些缺点,比如使用寿命短;启动时间长,无法做到即开即用;易碎,且破裂后会造成汞泄漏,污染环境,严重危害人体健康。

随着《关于汞的水俣公约》的实施,全球对水银的限制也越来越严格。2020年,国家药监局综合司发布关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知,提出从2026年1月1日开始,我国将全面禁止生产含汞(水银)的血压计和体温计。

但与此同时,2020年11月起,国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布的《紫外线消毒器卫生要求》最新国家标准正式生效。这个备受LED行业关注的新标准,将紫外线杀菌灯的中心波由253.7纳米扩展到200至280纳米。这意味着,新型的UVCLED也被纳入其中。

在业界看来,UVCLED的三大优势—小型化、无毒害、使用便捷,让其可以更全方位地覆盖消毒需求。

首先,UVCLED芯片和模组的小型化,使杀菌元器件有足够广阔的设计空间,它可以植入家用电器如冰箱、空调、洗衣机,也能依附各种生活器皿如水杯、饭盒、牙刷等随身携带。

其次,相对于汞灯而言,UVCLED的无毒害风险,使其可以直接进入净水器、饮水机内部。尤其是,随着《水俣公约》的生效,无毒害、无污染的UVCLED,将更好替代汞灯。

此外,UVCLED有着强大的杀菌效率。以目前的功率和光电转化率来看,UVCLED的杀菌时长基本控制在“秒”的范畴内。比洗洁剂、消毒液、光触媒等杀菌方式更为简单便捷。

因此,寻找到新的人造深紫外线方式,实现最具杀菌效果的紫外线波长,成了许多科研工作者的努力方向。

Q:在深紫外线杀菌这一赛道上投入的企业不少,在200~280这个波长区间内,为什么旭化成要聚焦在265纳米?

A:为了提升杀菌效率,紫外线波长的选取至关重要。因为即使在UVC的200-280纳米这一波段,杀菌效果也不尽相同。

由于265纳米紫外线对生物细胞中的DNA和RNA分子结构的破坏力最强,因此理论上杀菌效果更好。但由于越靠近短波段,难度越大、良率越低、成本越高,一些企业止步于275~280纳米之间。

在2017年举行的上海国际水展上,旭化成的子公司CrystalIS,Inc.(下称“CrystalIS”)推出了世界上首款用深紫外线LED杀菌的KlaranTM芯片,可以实现265纳米的紫外线波长。

2019年,旭化成与2014年诺贝尔物理学奖获得者、名古屋大学天野浩教授合作,首次成功使用氮化铝基板在室温下进行了深紫外波长(272nm)激光振荡,突破了这一领域十多年来无人

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