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C波段紫外线的灭菌作用
日尧（北京照明学会）
1  紫外线

　　1802年德国物理学家里特 (Ritte) 发现一种人眼看不见的光线，它位于可见光谱紫光区的外侧，被称为紫外光或紫外线。紫外线一般指波长在400nm～10nm的电磁辐射线。根据紫外线不同波长的生物性质，紫外线在生物效应方面的波谱划分见表1。

　　从生物光学的角度国际照明委员会（CIE）把紫外线分成三段。
　　UV－A：315～400nm；UV－B：280～350nm；UV－C：100～280nm。

2  紫外线的灭菌原理 

　　细菌、病菌的脱氧核糖核酸 (DNA) 和核蛋白最易吸收波长为200～300nm (C波段) 紫外线，吸收紫外线的最强峰在254～257nm之间。菌类吸收了紫外线的能量后，引起DNA与核蛋白之问的链的断裂，造成核酸和蛋白的交联破坏，使细菌死亡。
　　细菌吸收不同波长的紫外线能力不同，因此不同波长的紫外线灭菌能力也不同，由图1可以看出，波长254nm紫外线灭菌能力最强。
　　紫外线灭菌效果不但与波长有关，与照射剂量也有关。照射剂量增加，灭菌量增大，但并不是线性关系，即灭菌率 (百分比) 不与照射剂量(紫外线照射剂量等于紫外线的辐照度值乘以时间)成正比关系 (说明：只有在紫外线剂量很低，细菌量很大时才成正比线性关系) 。
　　灭菌率和紫外线剂量的关系如下：

　　不同菌种对紫外线吸收的敏感性不同，达到同样的灭菌率所需紫外线剂量也不同。表2给出不同菌种灭菌率和紫外线照射剂量、波长的关系。

　　紫外线灭菌与化学灭菌、高温灭菌和其他辐射灭菌相比，既简便、清洁及效果好，既无污染又节省能源，尤其对空气和水是理想的灭菌方法。
3  紫外线的产生 (C波长)

　　消毒灭菌效果最好的是c波段的波长在254～257nm的紫外线。如何获得经济的灭菌紫外线呢?低压汞灯是高效的254nm紫外线光源。紫外线低压汞灯有多种，按放电类型分为：弧光放电低压汞灯和辉光放电低压汞灯；按阴极类型分为：热阴极低压汞灯和冷阴极低压汞灯；按产生臭氧量分类：有臭氧灯和无臭氧灯。
　　目前灭菌最常用的是热阴极低压汞灯。有人区域灭菌应用无臭氧灯，无人区域灭菌可用有臭氧灯，臭氧本身也有灭菌作用。
　　异型冷阴极低压汞灯体积小，功率小，常用于有人工作区域、特殊场所和局部区域。
　　低压汞灯的缺点是不易作成大功率灯，一般不超过100W，功率大于40W后，254nm紫外线转换将下降。因而限制了其应用范围。在需要大功率灭菌紫外线源时可使用长弧高压汞灯或金卤灯 (锑氖灯) 。
　　低压汞灯的紫外线辐射效率应不低于如下值：
　　灯功率<9W，辐射效率≥12％；
　　灯功率9～17W，辐射效率≥18％；
　　灯功率≥18W，辐射效率≥23％。
　　直管双端低压汞灯紫外线辐照度额值定应符合如表3规定。

　　紫外线杀菌灯的平均寿命应不低于5000h，在正常燃点2000h和70％额定寿命时，紫外线辐射通量维持率应不低于85％和70％。

4  紫外线灭菌灯的应用

4．1  空气灭菌
　　空气对254nm紫外线吸收很少，即透过率高。所以使用热阴极低压汞灯灭菌效果好。
　　在医院的应用：
　　手术室灭菌，术前室内灭菌防止患者感染，术中继续用低压汞灯照射，会使患者伤口愈合快，减轻术后全身反应，如：术后体温升高比例下降，升高程度下降。术后感染率下降，死亡率也下降等。
　　病房灭菌，如儿科病房、妇产科病房、传染科病房等减少交叉感染，加快患者病愈。传染科病房在门口安装低压汞灯长期照射，形成“紫外线门”，在通风口用紫外线灯灭菌，防止将细菌传播到其他区域，引起交叉传染。
　　太平问及传染病门诊室的灭菌。
　　工厂的应用：
　　药厂的无菌车间、细菌间、食品厂的食品加工车间，贮藏间的灭菌。
　　学校的应用：
　　教室灭菌，预防交叉感染，降低发病率。
　　公共建筑的应用：
　　在公共通风管道内装上适量灭菌紫外灯，可向房间送无菌风，预防交叉感染。接待室、会议室等灭菌。
　　图书馆的阅览室灭菌、藏书馆灭菌、预防书籍霉蚀、虫蛀。
　　地铁站、车厢、地下通道、食品灭菌等空气流动性差的场合的灭菌。

4．2环境对灭菌效果的影响
　　采用热阴极低压汞灯空气灭菌时，要保证取得良好的灭菌效果，应充分注意到周围环境条件对灭菌效果的影响。如：空气的环境温度、湿度、灰尘含量，空气的流动性，灯具和墙壁的反射率，细菌的菌类和菌数。
a．空气环境温度对灭菌的影响
　　热阴极低压汞灯在环境温度20℃时，灯管管壁温度在40℃时253.7nm紫外线辐射量最大，当环境温度低于10℃和高于40℃时，均使253.7nm辐射快速下降。当空气温度为10℃时，灭菌率下降15％左右，空气温度为40℃时，灭菌下降10％左右，因此低压汞灯最适宜的工作的环境温度为20±5℃。环境温度对空气灭菌的影响见图2。

b．空气的湿度和灰尘对灭菌的影响
　　空气中的水分子和尘埃均吸收紫外线，使紫外线的穿透能力减弱，减弱灭菌效果。如当空气相对湿度由25％上升至75％时，灭菌率由93.5％降至76％。又如：空气中灰尘含量达到800～900粒／cm3时，灭菌效果下降20％～30％。
　　因此，在湿度大，粉尘多的环境中采用紫外线灭菌时效果下降，要适当增加用灯数量。
c．空气的流动性对灭菌的影响
　　空气的流动速度影响紫外线灭菌的效果。和空气静止时相比，空气流动速度加快，紫外灭菌效果减弱。由图3可以看出，在紫外灯功率相同，室温相同的条件下，室内空气静止时 (A) 比风速0.5m／s时 (B) 灭菌率高。由图可以看出，在室温20℃时，空气静止时灭菌率为100％，而风速0.5m／s时灭菌率为90％，在室温10℃时，空气静止时灭菌率为93％，而风速0.5m／s时灭菌率为58％。
　　因此，在空气流动性大的场所使用紫外灯灭菌时，如在向室内提供空气的通风管道内安装紫外灯灭菌时，要使紫外灯的功率与通风管道的空气流量相匹配，确保灭菌效果。
　　室内安有通风机时，紫外灭菌时应关闭通风机，照射后再开启通风，能达到灭菌效果，又可排除紫外灯所产生的臭氧。

d．紫外线照射距离和时间对灭菌的影响
　　当采用直管形线光源低压汞灯灭菌时，当照射距离≤1/2L  ( L：低压汞灯的长度 )时，紫外辐射强度近似与距离成反比，即：

　　当照射距离>1/2L时,紫外辐射强度近似与照射距离的平方成反比，即：

即：当尺>4L时，辐照度计算误差小于5％。
　　紫外线照射剂量=紫外线辐射强度 (E)×照射时问 (t) 。因此，紫外线照射剂量与照射时间是
成正比的。当室内采用低压汞灯灭菌时，灯安装后总功率是固定的，灯位置 (即距离) 是固定不变的，紫外照射剂量只与照射时间有关。控制照射时问就控制了照射剂量，即控制了灭菌率。
e．灯具反射材料和墙壁材料对灭菌效果的影响
　　灯具加反光罩一是保证灯的紫外线能量集中到被照物上，另一目的是保护不直接照射到该环境下工作的人员，给人员造成损伤。灯具反光罩材料一定要对253.7nm紫外线吸收少，反射多。由表4可以看出，表面氧化抛光处理过的铝对短波紫外线的反射系数最大，所以一般紫外线灯具反光系统均用铝材制成。

　　在有人工作的无菌室内，如医院的手术室、输血站、制药车间等，墙壁材料要用对紫外线反射率小的的材料，使紫外线照射到墙壁后反射到空间的能量少，以保护工作人员的眼睛，同时应采用无臭氧灭菌灯。
　　从表5可以看出，白磁砖和氧化锌用于墙壁时，反射率均小于10％，在有人工作场所应采用其做壁材。相反，在无人工作的灭菌室，壁材最好用氧化镁喷涂，有利于灭菌。

f．细菌种类对灭灭菌的影响
　　虽然各种细菌均吸收253.7nm紫外线，使其DNA链断裂而死亡。但至死量相差很多。同时，不同菌种对紫外线波长最大吸收不同，即对不同波长的紫外线敏感性不一样，这在用紫外线灭菌时应充分考虑。表6绘出不同菌种灭菌时所需紫外线剂量。
4．3室内空气灭菌注意事项
a．短波紫外线对人体的影响

　　过量的短波紫外线会造成人体皮肤损伤(红斑效应)和眼睛损伤，如患结膜炎、角膜炎和彩虹病等。因此，短波紫外灭菌时一定不能直接照射人和限定一定剂量。在设计室内灭菌时应注意紫外剂量符合如下规定。
　　* 人在8小时内受短波紫外线照射的安全剂量：240／uW·min／cm2；
　　* 工作在紫外线环境下的人员所受紫外线照射强度安全标准：
　　近紫外线 (400～300nm) 照射强度不大于0.1uW／cm2：
　　远紫外线(300～200nm)照射强度不大于0.1uW／cm2：
　　臭氧安全标准为：不大于0.3mg／m3；
　　* 人眼允许的最大254nm紫外线辐射剂量见表7。

　　人体被照射过量紫外线后经一定潜伏期产生皮肤红斑反应。297nm和254nm是最易对人体产生红斑反应。但短波紫外线254nm所致红斑与中波紫外线297nm所致红斑在性质上有所不同，见表8。

　　一般室内空气灭菌的剂量为每立方米空气，用低压紫外线汞灯功率0.8～1.5W，即可获得很好灭菌效果 (每天照射四次，每次一小时) 。
b．使用热阴极低压汞灯灭菌时，该灯对电源电压要求较高，欠压或过压工作会影响灯寿命和紫外线输出量。因此电源电压最好应保持在220V±10V左右。
4．4水和其他液体的灭菌
　　液体对紫外线的吸收系数很大，紫外线对这些液体的穿透能力很弱，因此对液体灭菌困难，需要更大剂量的紫外辐射能量。
　　液体对紫外线的吸收系数见表8。
　　由表8看出，液体透明度越小对紫外线的吸收系数越大，如牛奶a=300，液体透明度越大则对紫外线的吸收系数越小，如蒸馏水a≤0．01。因此，紫外线灭菌剂量也相差很大。一些液体用低压汞灯满足不了需要，要用大功率的高压汞灯或金卤灯才行。
a．对水的灭菌

　　对水的灭菌一般采用金属卤化物(锑一氖)灯，功率可做到500W、1000W、2000W等。个人
用户和集体单位水用量较少的场合，可用低压汞灯灭菌。应用时注意：紫外线灯管应在石英管套内，石英套有很好的透紫外性能，又对灯管起保温作用，不会因水温低而引起灯管紫外线的辐射严重下降。同时应控制水管的直径，限止流过灯管的水层厚度，以保证灭菌效果。水层厚度与灭菌率的关系见表9。

　　当水流速250L／h时，水层厚度应不大于2.2cm。当水中含有芽胞细菌时，水层厚度不大于1.4cm，水流速不超过90L／h。
b．对其他液体灭菌
　　紫外线对酒、果汁、牛奶、饮料进行灭菌，效果也很好，有利于保持他们当中的维生素、果酸、芳香族物质等成分，比其他灭菌方法提高其营养价值。由表8可以看出这些液体对紫外线的吸收系数较大，因此在灭菌时必须注意控制好其流量，才能达到良好的灭菌效果。
　　关于紫外吸收系数和液体流量与灭菌率的关系，可参看图4。

　　由图4可以看出，设计某种液体的灭菌装置时，应先测出其紫外线吸收系数(a)，选好灯种，在不同流速下测其灭菌效果，最后确定液体流量。这样才能设计出所需装置。
4．5紫外线对物体表面的灭菌
　　在无尘埃的环境中对物体表面进行灭菌，按下面条件进行就可达到灭菌目的。
　　紫外线照射功率：≥2W／m2；
　　灯管与被照射表面距离：≤1.25～1.50m；
　　照射时间：≥30rain；
　　照射有效面积(在灯管垂直下方)：1.5～2.0m2。