紫外线消毒灯在新型冠状病毒肺炎疫情下的防控作用

史强 夏慧琳 夏婷 王颖 曾庆全 贺丹

(1.内蒙古自治区人民医院医学工程处，呼和浩特 010010；2.内蒙古医科大学计算机信息学院，呼和浩特 010110)

2019 年12 月底，新型冠状病毒肺炎(Coronavirus Disease 2019,COVID-19)疫情暴发[1]。受新型冠状病毒肺炎疫情的影响，紫外线消毒灯成为疫情防控工作中的重要物资之一，得到众多医疗机构大范围使用。紫外线消毒灯是利用汞灯发出的紫外线，将病原微生物消灭于外环境中的一种物理消毒方法，可有效杀灭空间中的病毒，阻断病毒的散布，同时不会产生二次污染。紫外线消毒灯的特性奠定了它在COVID-19 疫情防控过程中的重要作用。

1 COVID-19 疫情下紫外线消毒灯的研究及应用

2020 年1 月30 日，世界卫生组织(World Health Organization,WHO)宣布，2019 新型冠状病毒肺炎流行暴发构成国际关注的突发公共卫生事件(public health emergency of international concern,PHEIC)[2]，并于2020 年2 月11 日将新型冠状病毒肺炎命名为CDVID-19[3]。紫外线消毒灯可破坏2019 新型冠状病毒(2019-nCoV)遗传结构，灭活2019-nCoV[4,5]，还能影响2019-nCoV 中许多酶的活性，使其蛋白分子的结构和功能产生改变，影响蛋白质的代谢合成，最终使其丧失活性[6]。《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案》（试行第五版）中明确指出，2019-nCoV 属于β 属的冠状病毒，对紫外线和热敏感[7]。使用强度大于90μW/cm2的紫外线照射30min，可以有效杀灭SARS 病毒[8]。2019-nCoV 与SARS 病毒存在相关性，持续进行C 波段远紫外线(far-UVC)暴露会使约90%的2019-nCoV在8min 内灭活，而25min 内达到99.9%失活[9]。所有冠状病毒结构相似，科学合理的使用紫外线可以有效灭活冠状病毒[4]。

基于CDVID-19 疫情下，紫外线消毒灯在疫情防控方面发挥着重要作用[10]，针对防疫涌现出很多新的功能设计。例如多变智能紫外线消毒灯、电梯按键紫外线消毒灯、手机无线充电及消毒器，还有医疗器械清洗消毒装置等[11,12]。虽然紫外线消毒是阻断病毒传播最重要的技术之一，但也应注意紫外线消毒灯使用不当会对人体产生危害。

2 紫外线消毒灯使用时可遇到的问题

2.1 紫外线对人体的危害

过度暴露于紫外线辐射会对健康造成有害影响，增加患皮肤癌以及其它疾病的风险[13]。若长期以来错误使用紫外线消毒灯会对人眼睛产生危害，诱发结膜、角膜等疾病，甚至会影响视力[14]。

2.2 臭氧对人体危害

相关研究证明，臭氧浓度达到一定值时，会导致人体产生明显的生理和病理变化，造成皮肤刺痒、眼睛酸痛、呼吸不畅、咳嗽及鼻炎等症状，对人体健康产生急性或者慢性的有害影响，甚至增加死亡率[15]。

3 解决方案

对消毒区域进行消毒时，除了要考虑消毒效果，还要避免上述消毒过程中对人体造成的危害，为此提出对传统的紫外线消毒灯的功能进行改进。通过实验，设计了一种智能紫外线消毒装置，在紫外线消毒灯上增加控制器、红外探测模块、无线定时模块、臭氧检测模块等，可实现使用安全、操作便捷、定时开关等智能消毒功能。

图1 技术路线图

如图1 所示，首先开启电源，遥控接收模块接收到开机指令后，系统开始工作。红外探测模块探测该区域内有无人员出入、活动，如果没有人员活动，则紫外线消毒灯正常工作，当有人员进入该区域时，紫外线消毒灯自动关闭。探测环境是否较暗，若环境较暗则开启照明灯，若环境明亮则关闭照明灯，实现“人走开灯、人进关灯”，弥补了现有紫外线消毒灯需要人工控制开关的缺陷，有效避免了紫外线辐射对人体的危害。紫外线消毒灯消毒完成后，臭氧检测装置开始工作，当检测到臭氧浓度低于50ppb 时，绿色指示灯亮，提示工作人员可以安全进入；当检测到臭氧浓度高于50ppb 时，红色指示灯亮，提示工作人员不可以进入。

3.1 利用Arduino Nano 单片机实现对紫外线消毒灯的总控制

选用Arduino Nano 单片机实现装置中紫外线消毒灯和照明灯的智能控制。Arduino Nano 单片机具有12 个数字输入/输出端口(D2-D13)。8 个模拟输入端口(A0-A7)。1 对TTL 电平串口收发端口(RX/TX)。6 个PWM 端口(D3、D5、D6、D9、D10、D11)。支持USB 下载及供电并支持外接3.3V～12V 直流电源供电。其便捷灵活的特性可以与红外探测模块、无线定时模块和臭氧检测模块结合，实现紫外线消毒灯的智能化消毒及照明。

3.2 利用红外探测模块和无线定时模块控制紫外线消毒灯

为实现智能控制紫外线消毒灯的功能，防止紫外线对人体直接伤害，利用红外探测装置和无线定时模块控制紫外线消毒灯。针对红外探测模块，采用以下五个部件：①NICERA 红外热敏探头通过热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，双灵敏元互补方法抵制温度变化的干扰，提高了传感器的工作稳定。②菲涅尔透镜完成聚集作用并将探测区域分为若干个明区和暗区，控制开关通断作用。③广角红外探测能保证红外感应角度110°，有效探测物体运动轨迹迅速点亮灯具照明。④双向可控硅代替两只反极性并联的可控硅，无触点、无噪音、性能稳定。⑤人性化6LX 流明设计人性化光控。

针对无线定时模块，采用蓝牙定时开关，通过蓝牙模块与终端设备无线连接，可以实现APP 手动、自动定时开启关闭功能。其中，主要由蓝牙定时开关，无线连接设置和定时器组成。

3.3 增加臭氧检测模块降低臭氧危害

原国家质量检测技术监督局制定的《室内空气臭氧卫生标准》规定了室内臭氧浓度1h 平均浓度不得超过50ppb[16]，当空气中臭氧浓度高于50ppb时，人员进入消毒区域会对人体造成伤害，所以通过增加臭氧检测装置，实现检测臭氧的目的。

为实现紫外线杀毒区域内臭氧气体探测，避免人员进入高浓度臭氧区域造成的伤害，采用了Arduino SB MQ-131 臭氧传感器。具体检测原理如下：Arduino SB MQ-131 臭氧传感器是阻性输出传感器，当臭氧浓度增加时，其输出电阻减小。通过电路设计，将其电阻值转化为电压值，并与参考电阻RP 上的压降通过比较器LM393 进行比较，判断臭氧浓度是否高于预设极限值。根据比较器的结果，对报警灯进行驱动，提醒人员能否进入消毒区域的指示。当传感器检测到臭氧浓度值高于预设极限值，比较器输出为低电平，传感器输出为低电平，红色指示灯灯亮，提醒人员不可入内。反之，当没有信号的时候，即臭氧浓度低于50ppb 时传感器输出高电平，等于电源电压，绿色指示灯亮，提醒人员可以安全进入。该传感器对臭氧气体具有很高的灵敏度。基于Arduino SB MQ-131 臭氧传感器，在紫外线消毒灯上增加臭氧检测装置，使紫外线消毒灯消毒完成后臭氧检测装置开始工作，避免了臭氧对人体的危害。

综上所述，通过研制智能紫外线消毒装置（图2），可以实现智能紫外线消毒功能，当室内无人员活动时进行紫外线消毒，紫外线消毒结束后进行臭氧检测；当室内有人员活动时检测环境是否昏暗，若环境较暗则开启照明灯，若环境明亮则关闭照明灯。

4 结论

图2 智能紫外线消毒灯

基于紫外线在COVID-19 疫情中的重要作用，针对紫外线消毒灯在使用过程中可能出现的问题，对紫外线消毒灯进行结构及功能改进，通过增加Arduino Nano单片机、红外探测模块、无线定时模块、臭氧检测模块等模块，实现紫外线消毒灯使用空间人员活动检测和臭氧浓度检测，避免紫外线和臭氧对人体可能造成的危害。