自 1801 年紫外線被發現以來經過近二百年的研究、發展,現在紫外線的應用已極為普遍,並且主要集中在紫外光殺菌方面,這當中又以醫療殺菌使用,空氣清淨機與水相關的滅菌為主。近來以 UVA 波段來激發奈米光觸媒材料達到淨化空氣的技術也漸漸形成主流,這部分我們在3 分鐘認識空氣淨化技術! (第一篇)光觸媒中 已經有過深入的討論過,所以本篇的內容將以介紹 UVC 燈管的殺菌技術為主。

紫外線的簡介

由光譜來看紫外線可分為3類,UV-A、UV-B 和 UV-C。紫外線是肉眼不可見的光,且波長為 10 至 400 nm 之間的電磁波。在這個範圍內,波長為 100~280nm 的光,簡稱 UV-C(深紫外),它不存在於地球上的一般環境下,但具有消毒、分解有機物、光聚合等廣泛功能。故一般大家所說的紫外線是指 UV-A 和 UV-B,在可到達地球表面的這兩種紫外線中,UV-A 約佔 90%,其餘部分則是 UV-B。

紫外線的分類及其主要應用

長波紫外線:UVA 波段,波長 315~400nm,又稱為長波黑斑效應紫外線。它有很強的穿透力,可以穿透大部分透明的玻璃及塑料,日光中含有的長波紫外線有超過 98% 能穿透臭氧層和雲層到達地球表面,甚至可穿透皮膚真皮層,破壞膠原纖維及彈性纖維,造成曬紅,曬傷,並目產生肌膚不需要的自由基,進而使肌膚加速老化,並增加黑色素的生成造成曬黑。在 UV LED 市場應用中,UV-A 有最大市佔率,高達 90%。其最主要的應用市場為 UV 光固化,涉及領域有美甲、牙齒、油墨印刷等。除此之外,UV-A 於商業照明的應用可以使白色衣物看起來更潔白。

中波紫外線:UVB 波段,波長 280~315nm,具中等穿透力,它的波長較短,一部分會被透明玻璃吸收,日光中含有的中波紫外線大部分會被臭氧層所吸收,只有不到2%的UVB能到達地球表面。UVB 紫外線對人體具有紅斑作用,能促進體內礦物質代謝和維生素D 的形成,UVB 紫外線僅能達到肌膚表層,造成肌膚表層的受傷,當肌膚被 UVB 照到時就會引起立即性的曬傷,增加皮膚癌的機率。UVB 的能量雖然比 UVA 來的強,但因穿透率差因此較容易防護,其主要應用以醫療為主。

短波紫外線:UVC 波段,波長 200~280nm,又稱為短波滅菌紫外線。它的穿透力最弱,無法穿透大部分的透明玻璃及膠料。日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收。短波紫外線對人體傷害很大,短時間照射即可造成皮膚灼傷。紫外線殺菌燈發出的就是 UVC 短波紫外線。所以 UV-C 的主要應用是消毒殺菌。

圖二、紫外線的分類及其主要應用

紫外線UV-C殺菌原理

細菌和病毒是通過遺傳信息的細胞分裂來增殖,從而引起感染和疾病。 DNA 和 RNA 擁有發生這種增殖所必需的遺傳信息。 用 UV-C ( 253.7nm )照射會改變細菌和病毒所攜帶的 DNA 和 RNA 的螺旋結構,使得構成該微生物體的蛋白質無法形成,這個過程可以滅活這些細菌和病毒,從而減少它們的增殖以達到消毒殺菌的目的。

紫外線殺菌燈的種類與其應用

近年來,各種人造紫外線殺菌燈不斷的問世,其中有熱陰極低壓汞蒸氣放電燈、陰極 低壓汞蒸氣放電燈、冷陰極低壓汞蒸氣放電燈。以外型而言又可分為直型管、U型管、H型管等。此外為了不同的需要,又可分為低臭氧、臭氧、高臭氧等三種。而紫外線殺菌燈的應用除常見的物體表面消毒、空氣消毒外,新型紫外線消毒殺菌器也不斷的被推出。例如用於飲水的消毒、污水消毒、空氣清淨機、美容理髮工具消毒、醫療用品消毒、餐飲用具消毒等等,可見其應用之廣。

危害注意

過度暴露於紫外線輻射可能會導致曬傷和皮膚癌,這可由92%的黑色素瘤都有紫外線特性的基因突變得知。人類長期暴露在紫外線輻射下可能會對皮膚、眼睛、免疫系統等導致急性和慢性的健康影響。此外,UV-C 有機會導致不同程度的細胞突變或致癌風險。

UVC是能量最高,最危險的紫外線。但是在穿越大氣層時 UV-C 會被過濾掉,因此過去很少受到關注。不過,當它們在殺菌設備中使用就會造成暴露的風險。2011年4月13日,世界衛生組織研究癌症的國際組織將所有類別的紫外線輻射歸類為1級致癌物質。這是被認定的最高等級致癌物質。

紫外線是傷害性光線的一種,經由皮膚的吸收,會傷害 DNA,當 DNA 遭受破壞、細胞會因而死亡或是發展成不能控制的癌細胞,這就是瘤形成的初期。紫外線已被確定與許多疾病的產生有關;例如:曬傷、白內障、皮膚癌、視覺損害與免疫系統的傷害。

結論

從專業消毒殺菌的角度來看,紫外光燈管的確是非常好的選擇,利用燈管所產生之高能量的 UVC 紫外光可以輕鬆地殺死各種細菌病毒。但是如果是用於一般居家消毒或是空氣清淨機的使用就得要小心喔!因為我們要注意紫外光燈管除了有消毒殺菌的好處之外,它也可能產生臭氧以及紫外光輻射線對人體的傷害,這部分如果不小心忽略了,就可能造成家人更大的傷害。

UVC LED 的問世,雖可以解決紫外光燈管汞污染問題,但 UVC LED 仍有壽命,成本等問題需要克服,短期內其應用仍侷限於低功率之小應用為主,且行銷效果大於實際,應用面的性價比與紫外光燈管相比更是難成氣候。

附註:(了解更多與注意事項)

潛在的汞污染問題:紫外光燈管除了會產生臭氧的問題之外,最大的危害是汞的污染,尤其是在家裡不小心破裂時就非常麻煩,因為很難消除。一般在工廠內會準備硫磺當紫外光燈管一但被打破時會用硫磺來去除汞污染,然而一般家庭日常生活是不太可能準備硫磺的,因此這一點要特別留意。

產生臭氧之紫外線殺菌燈:石英玻璃管對紫外線之各波段都能穿透,在低壓汞蒸氣放電燈中,汞蒸氣會產生 185nm 波長之紫外線,此一波長之紫外線可將外界空氣中的 O2 變成 O3 (臭氧),臭氧是非常活潑的分子,易與其他分子起化學反應,造成再分解,最終轉變成氧,達到淨化空氣,除臭殺菌之目的。添加特殊成份之石英玻璃管,可有效的控制185nm 波長之紫外線逸出,達到控制臭氧多寡之目的。因應各種不同場合之需要,因而有低臭氧、臭氧、高臭氧等多種產品。一般在有人員活動之時間或空間,不建議使用臭氧燈管,因為空氣中臭氧被吸入人體後,將促進血紅蛋白的 凝結,造成人體供氧不足,發生頭暈、噁心的感覺,影響健康。尤其經常在濃度達到>0.3ppm (mg/m2)時之環境中工作,將會造成嚴重的傷害。

燈管的品質與使用重點參考:目前紫外線消毒殺菌燈使用上最大的問題就是燈管照射強度之衰退與否未被使用者所重視,一般人以為燈只要亮著,就有殺菌能力。對於燈管的好壞、優劣,都以使用傳統燈具的觀念來評估,藉由目視其可見光的強弱來判定好壞。這樣的方法,極易造成誤判,將已不具有消毒殺菌能力之燈管繼續使用,因而導致感染、中毒、致病之風險。因此燈管的品質與如何使用?有以下幾項重點提供大家做參考:

1. 依據消毒殺菌技術標準的指導,每一種微生物都有其特定紫外線殺滅、死亡劑量標準,其劑量是照射強度與照射時間的乘積{K(殺菌劑量)=I(照射強度)t(照射時間)}。

2. 紫外線燈管是以純石英玻璃管所製造,目前因成本關係與用途不同,也有用高硼砂玻璃管代替的,其特性與效果都有相當大之差異,價位也相差數倍,因此應視使用之地方作不同之選擇。

3. 紫外線之穿透能力並不高,因此燈管上之灰塵、油漬都會直接影響其穿透能力。所以新燈管或使用中之燈管應定期以沾有75%酒精的紗布擦拭,清除油漬、手汗及灰塵,以免影響紫外線穿透率及照射強度。

4. 紫外線對細菌有強大的殺傷力,對人體同樣有一定的傷害,因此在任何時候都不可用眼睛直視點亮著的燈管,以免受傷。一旦受傷,不必驚慌,面部灼傷,幾天後表皮脫落,不藥而愈。眼睛受傷會紅腫、流淚、刺痛,約三、四天才能痊癒。但不論如何一但遇到傷害立即至醫院求診確保安全。

5.定期做照射強度檢測,發現強度不夠之燈管應立即更換。紫外線為非可見光,低壓放電燈中之紫藍色光芒為汞蒸氣所造成,因此不能以此可見光波段之紫藍色光芒之強弱,來判斷紫外線之強弱。