UVC波段光源设备的发展现状及医用前景分析

杨晰雅，魏嘉丽，吕毅，吴荣谦，宋承华

西安交通大学第一附属医院 a.陕西省再生医学与外科工程研究中心；b.精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710061

引言

作为一种广谱的杀菌消毒技术，紫外线杀菌已被广泛应用于日常生活的各个方面，如医院、学校、机场等公共场所杀菌、污水处理、食品卫生等领域[1-3]。近年来，随着对杀菌消毒装置需求的激增，对紫外光光源设备和光生物效应的研究也重新获得关注[4-5]。

现在普遍将紫外光辐射按照波长的不同分为3 类：A波段紫外线（315～400 nm）、B 波段紫外线（280～315 nm）和C 波段紫外线（Ultraviolet C，UVC）（200～280 nm）（图1）[6]。其中，波长在200～280 nm波段的UVC光由于波长短、能量高，可在短时间内破坏微生物（细菌、真菌、病毒等病原体）中DNA或RNA分子的结构，使其丧失自我复制的能力，从而广泛应用于杀菌领域[7]。同时，有研究报道UVC光照射可以杀灭伤口处的细菌/真菌、抑制成纤维细胞过度产生，从而利于患处干燥、抑制伤口感染、促进伤口愈合[8-9]。因此，其在手术切口感染、皮肤及软组织感染以及糖尿病足感染等皮肤感染相关领域有一定的医疗应用前景[10-11]。本文综述发射UVC光的不同光源发生设备的发展现状及其光生物效应研究的相关进展，包括汞蒸气紫外灯、UVC-LED紫外灯、准分子紫外灯、微波等离子体紫外灯以及激光紫外发射器5类可发射UVC光的光源发生设备的构造、发光原理、优缺点、可发射波长、光生物效应及潜在医用场景等。

图1 紫外光辐照光谱[6]

1 汞蒸气紫外灯

汞蒸气紫外灯是现阶段使用最为广泛的UVC 波段的紫外设备。按照石英灯管内汞蒸气压力的不同，可以将汞灯分为低压汞灯、中压汞灯和高压汞灯[12]，本文主要关注能够发射253.7 nm 中心波长紫外光的低压汞灯。日常生活中将该波段通俗称为254 nm。现阶段常见的波长为254 nm 的紫外光所采用的发光光源几乎均为低压汞灯。

1.1 汞蒸气紫外灯的构造、发光原理及优缺点

如图2所示，汞蒸气紫外灯主要是将汞蒸气封装在两端有电极的透明石英管中。其发光原理是当通电加热灯丝时，石英管内的汞蒸气受到激发跃迁到激发态，再由激发态回到基态时会发射紫外光[13]。低压汞灯有功率高、制造技术成熟、制造成本低、可以对灯管形状进行个性化定制等优点，在学校、医院、办公室、实验室等公共场所采用的灭菌紫外灯几乎均是低压汞灯[14]。但其也存在使用一段时间后功率递减、使用寿命有限等缺点。更重要的是，人体细胞暴露于254 nm UVC 光下会诱导基因突变，还会引起细胞毒性DNA 病变，如果将皮肤在UVC 光下长时间重复暴露，甚至会诱导皮肤癌的发生。此外，254 nm 的UVC 光直接照射眼睛会对眼角膜造成严重的损伤[10]。

图2 低压汞灯的构造及其工作原理示意图[13]

1.2 汞蒸气紫外灯的可发射波长、光生物效应及潜在的医用场景

低压汞蒸气紫外灯最常见的发射波长是185 nm 和254 nm。其中，254 nm 的UVC 光照射可诱导生物体内产生嘧啶二聚体，如环丁烷嘧啶二聚体（Cyclobutane Pyrimidine Dimer，CPD），大量产生的嘧啶二聚体可以直接作用于DNA，造成DNA 损伤，从而使细菌、病毒等失去自我复制能力进而失活[11]。低压汞灯照射不到1 s 即可灭活99%以上的冠状病毒，说明低压汞灯发射的UVC 光灭活表面病毒效率极高[15]。其对细菌、真菌等的杀伤作用更是毋庸置疑。因此，254 nm UVC 光可用于灭活多种微生物，其最重要的应用场景是物体的表面消毒[16]，但是依然有一些其在医学领域的应用场景。

血液病原体灭活技术是低压汞灯在临床上的一个重要的应用方向。其中对全血、白细胞、红细胞以及血小板中的病原体的灭活均有相关研究和实体产品的报道（如基于254 nm UVC 光的THERAFLEX 系统[17]），但大部分还处于临床早期尝试及安全性和有效性评估阶段。THERAFLEX 系统主要是利用254 nm UVC 光的杀菌作用，对全血或者分离出来的红细胞或者血小板进行照射，照射后产生的CPD 会阻断核酸转录物的延伸，达到灭活微生物的目的[18-19]。由于254 nm 的UVC 光在保持蛋白质质量的同时主要破坏的是病原体和白细胞的核酸，其灭活具有选择性，因此，可将其用于灭活血浆和血小板中的病原体[20]。THERAFLEX 系统灭活原理如图3a所示，THERAFLEX 系统照射过程如图3b所示。UVC 病原体灭活系统可替代γ射线照射预防血小板输注中的输血相关性移植物抗宿主病。此外，通过UVC 光照射可抑制血小板浓缩物储存过程中抗原呈递和细胞因子的积累，对输血接受者有潜在益处[21]。也有文献指出采用THERAFLEX 系统处理后SARS-CoV-2 传染性大幅度下降，可以将输血传播感染的风险降至最低[22]。

图3 两种用于医疗场景的254 nm UVC波段光源设备的原理及设备图

虽然研究表明254 nm UVC 光照射下会诱导皮肤病变以及角膜损伤，但一定剂量的照射可杀灭患处的病原体，并具有促进组织生长、加速伤口恢复的功能，因此其可被用于口腔溃疡[23]、褥疮、糖尿病足[24-25]、皮肤损伤[26]、皮肤感染[27]、体表伤口感染以及术后伤口[28]等的恢复治疗。在整形外科手术过程中，用UVC 光照射手术伤口可降低手术伤口感染的发生率。有研究使用发射波长为254 nm 的低压汞灯照射3 例患者的溃疡，患者溃疡直径及深度明显缩小。且其中一例患者患有褥疮，在常规治疗下恢复缓慢，经UVC 光照射后，褥疮的愈合速度也明显增加[11]。在一些国家，使用（253.7±10.0）nm UVC 光照射的短波紫外线治疗设备已获批用于临床。目前北京君乐宝医疗设备有限责任公司、北京君德医疗设备有限公司[29-30]、廊坊市天月医疗器械有限公司等公司均有短波紫外线治疗设备投入市场[31]，用于伤口的杀菌治疗。北京君德医疗设备有限公司研发的短波紫外线治疗仪实物图如图3c所示，所采用的波长几乎均是253.7 nm。因此，基于UVC 光的医疗设备波长的优化、治疗效果及其安全性的优化还在不断进行。

2 UVC-LED紫外灯

随着光源技术的不断进步和发展，出现了连续可调发射UVC 光波长的LED 光源。和传统汞蒸气灯一样，UVC-LED 光源目前最重要的一个应用方向是杀菌消毒。

2.1 UVC-LED紫外灯的构造、发光原理及优缺点

UVC-LED 光源主要由n 型半导体、p 型半导体、中间的活性层以及衬底组成，其发光原理是基于半导体材料特性，电流通过半导体材料使电子实现能级跃迁，电子跃迁至较低能级，这一过程会释放光子产生紫外光[32]。UVC-LED 光源衬底材料的选择对其外延质量具有重要意义。考虑到晶体结构相似、晶格失配和热膨胀系数差异小等因素，目前常用的衬底材料主要有Al2O3、SiC、Si、GaN 和AlN 等[33]。此外，相比于传统汞蒸气灯，UVC-LED 光源具有体积小、直流驱动、便携、不产生臭氧、无环境污染、使用寿命长以及工作环境温度范围广等优点[34-36]，被认为是有望取代传统汞蒸气灯的下一代紫外发光光源，在杀菌、生物监测以及医疗等方面有着广阔的应用前景。近年来，随着UVC-LED 逐渐进入商业化量产阶段，芯片的外量子效率低、封装材料易老化、散热等问题成为阻碍其快速发展的3 个主要技术瓶颈[37]。同时，其也存在功率低、产热严重等缺点[32]。随着发射波长的减小，UVC-LED 的输出功率更是严重降低，且目前其价格相对昂贵。因此，探索新的衬底和半导体材料，提高UVC-LED 的输出功率的同时，降低价格是科学家们一直努力的方向。

2.2 UVC-LED紫外灯的可发射波长、光生物效应及潜在的医用场景

通过向半导体材料中掺杂不同组分、改变外部电流大小、改变发光二极管温度等条件，可调控UVC-LED 光源发射不同波长的UVC 光[37]。现已有应用的UVC-LED 光源发射波长主要有：265[38-39]、275[8]以及280 nm[40-41]等。已有文献报道证实265、275 或280 nm 波长的UVC-LED光照射几秒到几十秒的时间即可杀死包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌等数十种细/真菌[42-43]，此外，其对新冠病毒、艾滋病毒等的杀伤作用也已经被证实[39,44]。由于光源体积小，UVC-LED 可被做成各种手持式、便携式的杀菌装备，同时也能满足不同要求和形状光源设计的要求。已有公司推出便携式UVC-LED 消毒灯、消毒笔、手持式杀菌仪、杀菌盒、包裹消毒机等应用于日常生活的各个方面。现有设备包括：优威芯电子科技有限公司推出的波长为265 nm 的紫外消毒笔、山西中科潞安紫外光电科技有限公司推出的波长为275 nm 的手持式深紫外杀菌仪等。但其在光生物学效应和医用方面的研究还处于早期阶段。有研究采用自主设计的点状排布 275 nm的深紫外发光装置，首次探究了275 nm UVC-LED 光杀菌的量效关系和安全性，装置实物图如图4所示。研究证明了275 nm UVC-LED 光对细菌和真菌有较强的杀灭作用，并首次证明其在一定剂量下具有较高的皮肤安全性[8]。此外，其还探索了在不同照射剂量下，275 nm UVC-LED 光对烧伤合并皮肤细菌/真菌感染小鼠伤口愈合时间的影响，证明 275 nm UVC 光可以通过杀灭感染伤口处的细菌/真菌进而缩短伤口愈合时间。265 nm和280 nm UVC 光在活体上的应用目前几乎无相关文献报道，关于其具体的作用机制也尚无准确定论。因此，UVC-LED 在生物和医用方面具有很大的应用潜力。

图4 UVC-LED光源的实物图[8]

3 准分子紫外灯

准分子紫外灯是一类新型的准单色紫外灯光源。现有可发射波长在UVC 范围内的准分子紫外光源有KrBr准分子灯、KrCl 准分子灯、KrF 准分子灯等[45]。

3.1 准分子紫外灯的构造、发光原理及优缺点

准分子紫外灯的结构如图5所示，将两根普通石英管烧纸拼接成的同轴结构放电管连到真空系统，内部电极为高压电极（金属箔电极），外部电极贴在石英管外表面（金属网电极）[46]。在内外管之间的环形空腔内按比例填充不同气体（KrBr、KrCl、KrF），即可制造不同发射波长的准分子紫外发射光源。与传统254 nm 的低压汞蒸气灯相比，准分子灯具有安全性更高、可选功率范围大、结构简单、工作寿命更长的优点。此外，准分子灯可以将多种工作准分子同时激发，使多波紫外光照射成为可能。同时由于准分子灯是冷源，与传统的汞蒸气紫外灯相比，准分子灯的辐射表面保持在相对较低的温度，且介质不需要加热，准分子灯在打开后可以立即达到输出峰值，消杀所需时间较短，使用更加方便[47]。此外，现有准分子紫外灯的发射波长已被证实对皮肤和眼睛的伤害较小[48-49]，因此，有望应用于人体治疗。但是，目前对准分子灯发射UVC 波长的研究相对较少，且主要集中在222 nm。这主要是因为现有可供使用的等分子灯装置少，如现有的222 nm 准分子灯装置是日本东京Ushio Inc.的KrCl 准分子灯，型号为SafeZoneUVC，该装置正在商标注册过程中，暂时不能广泛使用[50]。

图5 准分子紫外灯的结构示意图[46]

3.2 准分子紫外灯的可发射波长、光生物效应及潜在的医用场景

不同填充气体的准分子灯可以发射不同波长的紫外光，KrBr 准分子灯可以发射波长为207 nm 的紫外光，KrCl 准分子灯可以发射波长为222 nm 的紫外光，KrF准分子灯可以发射波长为248 nm 的紫外光[45]。长时间暴露在紫外光下可能会导致人体细胞中的DNA 损伤，波长更短的UVC 光在生物样品（如角质层）中的穿透距离与254 nm UVC 光相比更加有限[49]，同时相比于常见的254 nm UVC 光，准分子灯发射的UVC 波长更短，其会被细胞膜和细胞质中的蛋白质吸收，不能到达细胞核[51-53]，对细胞DNA 造成较低损害或不造成损害。因此，准分子灯在未来可能是更安全有效消毒杀菌的选择，由此研究者对其展开多项研究。Ma 等[54]的研究证明KrCl准分子灯可用于灭活大多数常见细菌和病毒，是有效的细菌和病毒消毒装置，大多数微生物在10 mJ/cm2的照射剂量下灭活率可达到99.99 %以上。与传统紫外灯相比，KrCl 准分子灯对病毒的消毒效果更好，但对细菌的消毒效果略差，这是由于细菌对222 nm 的紫外光敏感性较低，而病毒对222 nm 的紫外光敏感性较高，造成这一结果的原因是病毒和细菌大小、形态、组成和分子结构存在差异。Shin 等[41]使用222 nm 和280 nm UVC联合对鼠伤寒沙门菌和单核增生李斯特菌灭活实验证明了不同波长紫外光联合治疗可以增加灭活效率，但该实验中联合紫外光会降低细胞恢复速度，接下来可更换不同波长UVC 进行研究，寻找既有更高灭活效率同时也不会对细胞膜造成损伤、降低细胞恢复速度的UVC 光组合。Kitagawa 等[50]对SARS-CoV-2 病毒的灭活研究中，使用SafeZoneUVC 型号准分子灯发射222 nm UVC 对病毒照射1 mJ/cm2（0.1 mW/cm2，照射10 s）和3 mJ/cm2（0.1 mW/cm2，照射30 s）时，SARS-CoV-2 活性分别降低88.5 %和99.7%，且随着照射时间增长，病毒的活性逐渐下降，由于UVC 良好的消毒特性，可用于预防和控制感染。

2023年，Tavares 等[55]首次将222 nm UVC 直接照射人造皮肤模型，以评估其安全性。与常用的254 nm的UVC 光相比，KrCl 准分子灯发射的222 nm UVC 光照射产生的CPD 更少，皮肤安全性更高。这一发现验证了准分子灯可应用于临床治疗。Ha 等[56]发现间歇性照射所带来的灭活效应比相同剂量的连续照射更好，这一发现为临床治疗提供新的治疗思路。在未来如果能研制出更多不同的准分子灯设备，打破光源垄断，有望将发射UVC 光的准分子灯技术真正应用于临床。

4 微波等离子体紫外灯

微波等离子体紫外灯是另外一种有前景的新型紫外灯光源。截至目前，对微波等离子体紫外灯光生物效应的研究相对较少，可研究范围广阔。

4.1 微波等离子体紫外灯的构造、发光原理及优缺点

如图6所示，微波等离子体紫外灯主要由微波源、可调谐振腔和紫外灯管3 部分组成。它的发光原理是通过共振器将电磁波能量导入石英玻璃发光体中，激发内部的等离子体物质，使等离子体产生连续可见的广谱。与传统需要使用电极的汞蒸气灯相比，电极会限制紫外灯使用寿命并且将单位长度的输出功率限制在30 W 左右[57]，而微波等离子体紫外灯能量源为微波，微波能量很容易通过介电管，不需要使用电极。因此微波等离子体紫外灯有更长的使用寿命、更高的输出功率，单位长度的功率可以高达250 W[58]。此外，微波等离子体紫外灯的制造成本也相对较低，灯管可以做成任意形状、长度、直径，可以适用于一些对灯管形状有特殊要求的实验研究。同时微波等离子体紫外灯使用前不需要任何清洁程序清洁放电管，也不需要预热，使用所需要的准备时间短，更加方便迅速。因此，其在杀菌领域也有一定的应用前景。

图6 微波等离子体紫外光系统[59]

4.2 微波等离子体紫外灯的可发射波长、光生物效应及潜在的医用场景

通过调节微波等离子体紫外灯谐振腔的耦合比、谐振腔长度等参数可以实现滤波功能，获得特定波长的紫外光[59]。其最常见的发射波长也是254 nm。微波等离子体紫外灯可以单独使用，也可以与其他可用的紫外线源（如UVC-LED）结合使用，定制不同波长的消毒系统，增强消毒效应。同时，Ortoneda 等[59]建立了一种实验系统如图7所示，该系统可以在减少对人体伤害的情况下对细菌和病毒进行灭活。研究证明了254 nm 和臭氧形成区（185 nm）同时产生的紫外光在发出紫外光的同时产生臭氧，没有二次污染且臭氧与紫外光结合的杀菌效果更好。

图7 微波等离子体紫外光杀菌实验系统[59]

Raeiszadeh 等[60]研究表明微波等离子体紫外线有独特的光谱功率，其光谱功率分布在蛋白质的紫外线吸收和分解峰周围。研究证实波长在240 nm 以下的微波等离子体紫外灯可以诱导核酸修复缺陷功能紊乱，使病毒传染性下降。因此，微波等离子体紫外灯在未来可能应用于人体，有一定的应用前景。考虑到汞蒸气自身的危害性，Mayor-Smith 等[61]开发出了一种无汞碲高压等离子体，它的出现使紫外光源快速、低成本地过渡到无汞光源成为可能，目前暂无其他替代品出现。因此，微波等离子体紫外灯可以成为传统紫外线照射系统的替代方案，实现紫外光源的去汞化。

5 激光紫外发射器

激光紫外发射器可以产生紫外光束，具有杀菌消毒特性，可用于激光手术、皮肤治疗等领域。其按结构的不同可分为光纤紫外激光器（固体紫外激光器）、半导体紫外激光器和气体紫外激光器。本文着重于介绍生物医用中常用的光纤紫外激光器。

5.1 光纤紫外发射器的构造、发光原理及优缺点

光纤紫外激光器的基本结构有泵浦源、激光介质、谐振腔、输出耦合器以及光纤[62]。其发光原理为原子或离子的能级跃迁。最常用的激光二极管（Laser Diode,LD）泵浦源是Nd:YAG 晶体，其结构如图8所示。

图8 光纤紫外激光器的构造图[63]

产生紫外激光的主要步骤首先是激光器内的泵浦光源照射到增强介质上从而实现粒子数反转，之后基波红光在谐振腔内形成并且振荡，再通过一次或多次非线性晶体腔内倍频，在经过透射、反射后最终从谐振腔输出所需的紫外激光[63]。

光纤紫外激光器有良好的光电转换效率，光束质量好、稳定性强、设备体积小且性能可靠性高[64]。目前，国外有关光纤紫外激光器技术以及应用设备已趋向成熟，但是价格相对昂贵并未广泛使用。国内的光纤紫外激光器的研究方向根据功率大小的不同有一定区别，中小型功率器件逐渐向多样化、智能化、产业化发展，大功率器件向高平均功率、高光束质量发展[65]。

5.2 光纤紫外发射器的可发射波长、光生物效应及潜在的医用场景

由于光纤具有柔性可弯折特性，光纤紫外激光器可以适用于很多特定的使用环境，如导管消毒。同时大面积的激光输出的能力使其成为消毒易感染组织（如导管或其他穿透皮肤的医疗设备周围）的可行解决方案。现已有中心波长为266 nm 和224 nm 的光纤紫外激光器。

光纤紫外激光器用于杀菌消毒已有一些研究。Lin等[62]用波长为266 nm 的紫外光处理涂敷了凝固酶阴性葡萄球菌（60%）和金黄色葡萄球菌（33%）的导管，导管置于紫外线下的紫外线光纤传输概念示意图及光纤紫外激光器实物图如图9所示。结果发现每根感染导管经紫外线处理段与未经紫外线处理段相比活菌显著减少，57%的导管样品中最终没有活菌残留。结果证明了利用光纤将紫外光输送到透析导管的腔内并灭活腔内表面细菌病毒的可行性，有望未来在临床应用，减少患者术后感染。

图9 光纤紫外激光器

Welch 等[66]对比了KrCl 准分子灯发射的222 nm紫外光与光纤紫外激光器发射的224 nm 紫外光消毒性能，实验证明两者之间没有显著差异，且光纤紫外激光器发射出紫外光的杀菌消毒能力很强，准分子灯光源与激光光源的消毒性能区别不大。此外，用光纤紫外激光器发射的224 nm 紫外光对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌进行照射实验，结果显示使用紫外激光器能够有效扩大杀菌区域。该波长的紫外光可以防止细菌从皮肤穿透装置周围入侵，可用于消毒导管、输液管或其他皮肤穿透性医疗器械周围等易感染区域。以上研究表明光纤紫外激光器有一项独特的应用是用于导管杀菌消毒，该应用可以有效预防感染，在临床医疗领域潜力巨大。

6 总结与展望

紫外光在临床上目前主要有两方面的应用：① 基于308 nm 的准分子光疗仪可有效用于白癜风、银屑病和过敏性皮炎等皮肤疾病的精确治疗，目前技术已相对成熟稳定；② 基于405 nm 紫外光的光动力疗法，用于治疗痤疮等皮肤表皮疾病。除以上两个主要应用方向，基于254 nm UVC 光的临床设备也有多年的研发和应用历史，其已在包括口腔溃疡、褥疮、糖尿病足以及皮肤感染等的治疗以及血液灭菌领域有所应用，但一直未有进一步的发展。这些临床医疗设备所采用UVC 光光源几乎无一例外为传统价格低廉的汞蒸气紫外灯，且波长为254 nm。而该波长被证实可诱导皮肤疾病甚至皮肤癌变，并且对角膜也不友好。根据全球照明协会（Global Lighting Association）2020年5月公布的紫外线辐照安全指南，采用180～400 nm 波段的UVC 光，在＜1 mW/m2的辐照剂量下照射小于8 h 对人体造成的危险可忽略，采用＜3 mW/m2辐照剂量照射小于10000 s 对人体造成的危险为第一危险等级，说明在安全辐照剂量允许范围内还有一定的操作空间[67-68]。且日常照明安全辐照剂量与临床医用还有显著差异，说明UVC 光辐照仍具有一定的医用前景。此外，近年来随着各种不同新型紫外光源的不断涌现，主要吸收峰的更短UVC 波长和更长UVC 波长的紫外发射光均可获得。部分UVC 波段的光已被证实对人体皮肤组织和眼睛损伤较小，更加安全。但由于不同波长紫外光的生物安全性需要进一步验证，其用于人体和临床仍处于早期研发阶段，距离实际投入医疗使用还有一定距离。此外，这些波段的UVC 光源相比于传统廉价且易于获得的汞灯而言，往往价格更昂贵，有些处于研发早期，这也是阻碍其快速发展的一个重要原因。寻找成本低、易得、杀菌效率高且安全性强的UVC 光源有利于找到治疗效果更好的应用于临床医学的UVC 光。UVC 光的应用推广使得紫外光照射的安全性得到了提升，如何提高紫外光的灭活效率、研发出新型环保紫外光光源、找寻合适的可应用于治疗的紫外光波长是未来重要的研究方向。随着技术的发展，期望UVC 光源能实现突破，在安全性高的同时有更高的发光效率，最终实现汞光源的淘汰。紫外光照射在未来有望成为一种长期有效、安全的治疗人类传染病的方法，并能很好地应用于不同的临床场景。