UVC-LED深紫外线杀灭NCP新型冠状病毒剂量的调研综述

本文作者：陈景文^a，梁仁瓅^a，王昊^b

a 湖北深紫科技有限公司，湖北省鄂州市梁子湖区东湖高新科技创意城B08栋

b 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号

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摘要：根据文献中Betacoronavirus病毒属冠状病毒，如SARS、MERS的紫外杀灭剂量，给出了TCID₅₀初始浓度约10^5.8 /mL的2019-nCoV新型冠状病毒NCP的99.99%紫外致死剂量为1445 mJ/cm²，给出了表面杀毒和空气净化可参考的深紫外LED基础模型用于各类应用品开发。

1、背景介绍

距离武汉新型冠状病毒疫情暴露至今已经有两个多月时间，大量医疗资源投入在病人收治、治疗手段开发、药物有效性筛选、疫情传播防治等。国家卫生健康委发布的《新型冠状病毒感染的肺炎治疗方案（试行第四版）》^[1]中提及“对冠状病毒理化特性的认识多来自对SARS-Cov和MERS-Cov的研究。病毒对紫外线和热敏感，56℃ 30分钟、乙醚……可有效灭活病毒……”。冠状病毒的该理化特性使得紫外线杀菌消毒技术用于各类物体表面、空气、水中的冠状病毒杀灭具有了可行性，大量紫外线设备以及在医院等高病毒浓度的环境中投入使用^{[2, 3]}。紫外LED行业新闻也提及，中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所专家董小平研究团队发现，强度大于90 μW/cm²的UVC照射冠状病毒，30分钟就可以杀灭SARS病毒^[4]。目前为止，还未看到更加定量的关于新型冠状病毒NCP 2019-nCov的紫外致死剂量的表述或实验数据。而实际的紫外线技术应用中，应用环境、目标杀灭率和紫外线强度、剂量是必须要考虑的技术指标。缺乏定量的实验数据将使得紫外灯管或紫外LED的应用停留在定性或经验层面。

当然，受制于有限的实验资源，实际开展针对新型冠状病毒NCP 2019-nCoV的紫外杀灭剂量和动力学研究存在较大困难。因此在SARS流行期间，针对鼠肝炎冠状病毒（Mouse Hepatitis Virus，MHV）的研究为发现、鉴定SARS及理解其理化特性提供了非常好的科学基础。据了解^[5]，冠状病毒含有四个病毒属，分别为 Alphacoronavirus，Betacoronavirus，Deltacoronavirus以及 Gammacoronavirus。高致病性的冠状病毒SARS-CoV和MERS-CoV，以及用于研究冠状病毒分子病毒学的模式病毒MHV均属于Betacoronavirus。这种病毒的基因组是一条单股正链RNA，长度约为30，0000个核酸，属于基因组最大的RNA病毒之一。MHV、SARS-CoV、MERS-CoV及NCP 2019-nCoV具有较高的同源性和结构同理性，因而对紫外线的抗性具有相似性和互为参考。

基于以上事实，本文综述了部分文献资料中对多种冠状病毒，例如SARS-Cov、MHV-Cov，的紫外杀灭研究数据，将表面、空气中病毒杀灭需要的UVC紫外剂量及影响条件进行整理陈述，以用于指导UVC-LED应用品开发。具体的病毒培养和实验过程不是本文的重点，可查阅参考文献，这里不再赘述。同时，考虑到参考文献发表当年，深紫外UVC-LED还不是一项普及的技术，所以使用的光源均为紫外汞灯管，这并不意味着其对深紫外UVC-LED的方案设计没有参考意义。进一步地，275 nm深紫外LED和254 nm 紫外灯管的杀灭效率是一样的，这里也可以将灯管的杀灭数据类比为深紫外LED。

2、物体表面杀灭冠状病毒需要的紫外线剂量

图1 UVC和UVA紫外线照射SARS-Cov冠状病毒存活量与照射时间关系^[6]

美国食品药品监督管理局生物评估与研究中心Taylor团队2004年[6]和2006年[7]的研究表明，在特征波长254 nm、辐射强度4016 μW/cm²的深紫外光源照射下，TCID₅₀初始浓度约10^5.8 /mL的SARS-Cov病毒样本在1 min后部分被杀灭，在6 min后存活数量~10 /mL，杀灭率99.99%以上；10 min后≤1.0 TCID₅₀ (log₁₀) /ml，杀灭率可认为>99.9999%。从表中也可以看到杀灭率LOG值与累积照射剂量（这里为照射时间）呈正相关关系，并且在LOG低于4前呈线性关系。那么在10^5.8 /mL病毒浓度下，99.99%杀灭率所需紫外剂量为1445 mJ/cm²。按照刚刚杀灭率LOG值与剂量呈线性关系的规律，不难得到，99.9%杀灭率所需剂量为722 mJ/cm²。而UVA虽然可以结合光触媒产生活性氧而破坏病毒的RNA链，但UVA紫外线（365 nm，2133 μW/cm²）对SARS-CoV冠状病毒没有杀灭作用。

董小平团队[8]于2003年报道强度>90 μW/cm²的UVC照射冠状病毒，60分钟就可以杀灭SARS病毒（注意原文是60 min而非此前新闻中说的30 min），换算累计剂量324 mJ/cm²，低于Taylor团队的1445 mJ/cm²，可能是因为实验条件或病毒样本来源存在差异，且董小平团队数据没有给出具体LOG值，所以存在5倍区别（反映在杀灭率上的LOG值仅为0.5）。从性能冗余角度，建议应用厂家在进行方案设计时按99.99%杀灭率对应需要1445 mJ/cm²剂量。

以上用作杀灭实验的SARS-CoV病毒分散在磷酸盐溶液中，可类比物体表面和水中的情况。当然，在组织液例如血液中的冠状病毒已被证实无法直接通过紫外线辐射杀灭^[7]。

图2 不同剂量伽马射线对SARS-CoV的杀灭能力^[6]

而值得一提的是，对人体正常细胞和癌细胞有破坏作用的伽马射线（剂量高达15000 rad）对于SARS病毒几乎没有杀灭作用。

3、空气中冠状病毒杀灭需要的紫外线剂量

图3 冠状病毒气溶胶在紫外辐射下存活率及跟湿度的关系^[9]

在50×260×455 mm（高×宽×长），流速为12.5 L/min的单循环风道中，通入气溶胶病毒浓度为10⁴~10⁵ PFU/mL，湿度50%Rh的空气。使用36W紫外汞灯管（隔绝臭氧）从管道455mm面向内照射，将紧贴窗口处紫外辐射强度调整至599 μW/cm²，稳定运行15 min后，单循环出风口取样MHV冠状病毒跟对照组相比杀灭率为87.8%。Table2的数据还表明，高湿度下病毒气溶胶的杀灭率更高。

以上数据为空气杀毒场景提供了数据支撑，基本可换算出循环风模式下，要实现2小时，30立方米空间空气中MHV冠状病毒杀灭率87.8%，需使用10mW 275nm UVC-LED灯珠320pcs，这远远多于自然菌场景下的灯珠数量（理论计算结果2~4pcs^[10]，跟产品结构有关）。大肠杆菌99.99%表面杀灭剂量约13.2 mJ/cm²，本文第二节中SARS病毒所需剂量是其110倍，与空气净化需要的剂量倍数关系基本是吻合的。那么为了在实际场景中进行应用，有必要将UVC-LED工作时间改为24h持续开启，这样30立方米空间需要配置的UVC-LED数量为27pcs，已经能满足商业化应用的成本需求。大胆推测，静态水和流动水中也可参考此剂量关系。

4、对NCP 2019-nCoV新型冠状病毒UVC紫外线杀灭剂量的参考意义

图4 SARS-CoV在不同温度下加热处理后存活量跟加热时间关系^[6]

实验数据表明，SARS-CoV在56℃下加热处理20 min可以实现99.999%以上杀灭率，在65℃下所需时间甚至可以缩短至10分钟。虽然有信息称NCP 2019-nCoV在56℃下加热处理30 min可杀灭。但热抗性和紫外抗性没有类比性，所以SARS的理化特性无法科学推导出NCP 2019-nCoV的紫外抗性，只能作为参考。美国爱荷华大学Kurt Bedell, BS给出了距离1.22米下，同样属于Betacoronavirus冠状病毒属的8.9×10⁵ pfu/mL浓度的MHV-A59和MERS-CoV杀灭所需时间分别为10min和5min，致死剂量有两倍差异^[11]。但如前文所述，2倍剂量的区别反映在杀灭率上的LOG值仅为0.3，在LOG基数较高的情况下也就是99.9%和99.95%的区别，在生产中可忽略不计。

5、结论

病毒肆虐，深紫外LED行业企业，义不容辞在有效方案开发和核心器件供应层面走的更远。抛砖引玉，希望本文所述的1445 mJ/cm² 99.99%致死剂量（病毒TCID₅₀初始浓度约10^5.8 /mL）及相应的表面消毒和空气净化模型助力各类深紫外LED应用品开发。湖北深紫科技是一家拥有自主知识产权的深紫外LED外延、芯片、封装核心技术的有限公司，期待联手志同道合的厂商，共抗新型冠状病毒疫情。

6、参考文献

[1] 国家卫生健康委．新型冠状病毒感染的肺炎治疗方案（试行第四版）[Z]．2020．

[2] LEDinside．疫情之下，关于紫外线杀菌消毒的这些知识点要知晓！[EB/OL]．https://www.ledinside.cn/news/20200204-46872.html．

[3] 湖北深紫科技有限公司．驰援湖北新型冠状病毒肺炎疫情，深紫科技发布UVC紫外线方案评估工具[EB/OL]．https://www.duvtek.com/article/121/．

[4] 行家说-Emma．人体保卫战 ——UVC对战新型冠状病毒[EB/OL]．http://www.hangjianet.com/v5/topicDetail?id=1579666952308．

[5] 中华网新闻．对抗新型冠状病毒 我们能从非典中汲取什么经验？[EB/OL]．https://news.china.com/socialgd/10000169/20200121/37728369_all.html#page_2．

[6] Darnell M E R, Subbarao K, Feinstone S M, et al. Inactivation of the coronavirus that induces severe acute respiratory syndrome, SARS-CoV[J]. Journal of Virological Methods, 2004,121:85-91.

[7] Darnell M E, Taylor D R. Evaluation of inactivation methods for severe acute respiratory syndrome coronavirus in noncellular blood products[J]. Transfusion, 2006,46(10):1770-1777.

[8] Duan S M, Zhao X S, Wen R F, et al. Stability of SARS coronavirus in human specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation[J]. Biomed Environ Sci, 2003,16(3):246-255.

[9] Walker C M, Ko G. Effect of Ultraviolet Germicidal Irradiation on Viral Aerosols[J]. Environment Science & Technology, 2007,41(15).

[10] 湖北深紫科技有限公司．深紫外UVC-LED空气杀菌效果评估工具[EB/OL]．https://www.duvtek.com/solution/6/．

[11] Kurt Bedell B, Buchaklian A H, Stanley Perlman M. Efficacy of an Automated Multiple Emitter Whole-Room Ultraviolet-C Disinfection System Against Coronaviruses MHV and MERS-CoV[J]. infection control & hospital epidemiology, 2016,37(5):598-599.