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UVC深紫外線殺滅新型冠狀病毒劑量的調研綜述

UV材料

UVC深紫外線殺滅新型冠狀病毒劑量的調研綜述

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摘要:根據文獻中Betacoronavirus病毒屬冠狀病毒,如SARS、MERS的紫外殺菌劑量,給出了2019-nCoV新型冠狀病毒的99.99%紫外致死劑量為1445 mJ/cm2,給出了表麵殺毒和空氣淨化可參考的深紫外LED基礎模型用於各類應用品開發。

1 背景介紹

距離武漢新型冠狀病毒疫情暴露至今已經有兩個多月時間,大量醫療資源投入在病人收治、治療手段開發、藥物有效性篩選、疫情傳播防治等。國家衛生健康委發布的《新型冠狀病毒感染的肺炎治療方案(試行第四版)》[1]中提及“對冠狀病毒理化特性的認識多來自對SARS-Cov和MERS-Cov的研究。病毒對紫外線和熱敏感,56℃ 30分鍾、乙醚……可有效滅活病毒……”。冠狀病毒的該理化特性使得紫外線殺菌消毒技術用於各類物體表麵、空氣、水中的冠狀病毒殺滅具有了可行性,大量紫外線設備以及在醫院等高病毒濃度的環境中投入使用[2, 3]。紫外LED行業新聞也提及,中國疾病預防控製中心病毒病預防控製所專家董小平研究團隊發現,強度大於90 μW/cm²的UVC照射冠狀病毒,30分鍾就可以殺滅SARS病毒[4]。目前為止,還未看到更加定量的關於新型冠狀病毒2019-nCov的紫外致死劑量的表述或實驗數據。而實際的紫外線技術應用中,應用環境、目標殺滅率和紫外線強度、劑量是必須要考慮的技術指標。缺乏定量的實驗數據將使得紫外燈管或紫外LED的應用停留在定性或經驗層麵。

當然,受製於有限的實驗資源,實際開展針對新型冠狀病毒2019-nCoV的紫外殺滅劑量和動力學研究存在較大困難。因此在SARS流行期間,針對鼠肝炎冠狀病毒(Mouse Hepatitis Virus,MHV)的研究為發現、鑒定SARS及理解其理化特性提供了非常好的科學基礎。據了解[5],冠狀病毒含有四個病毒屬,分別為 Alphacoronavirus,Betacoronavirus,Deltacoronavirus以及 Gammacoronavirus。高致病性的冠狀病毒SARS-CoV和MERS-CoV,以及用於研究冠狀病毒分子病毒學的模式病毒MHV均屬於Betacoronavirus。這種病毒的基因組是一條單股正鏈RNA,長度約為30,0000個核酸,屬於基因組最大的RNA病毒之一。MHV、SARS-CoV、MERS-CoV及2019-nCoV具有較高的同源性和結構同理性,因而對紫外線的抗性具有相似性和互為參考。

基於以上事實,本文綜述了部分文獻資料中對多種冠狀病毒,例如SARS-Cov、MHV-Cov,的紫外殺滅研究數據,將表麵、空氣中病毒殺滅需要的UVC紫外劑量及影響條件進行整理陳述,以用於指導UVC-LED應用品開發。具體的病毒培養和實驗過程不是本文的重點,可查閱參考文獻,這裏不再贅述。同時,考慮到參考文獻發表當年,深紫外UVC-LED還不是一項普及的技術,所以使用的光源均為紫外汞燈管,這並不意味著其對深紫外UVC-LED的方案設計沒有參考意義。進一步地,275 nm深紫外LED和254 nm 紫外燈管的殺菌效率是一樣的,這裏也可以將燈管的殺菌數據類比為深紫外LED。

2 物體表麵殺滅冠狀病毒需要的紫外線劑量

殺滅冠狀病毒

1 UVC和UVA紫外線照射SARS-Cov冠狀病毒存活量與照射時間關係[6]

美國食品藥品監督管理局生物評估與研究中心Taylor團隊2004年[6]和2006年[7]的研究表明,在特征波長254 nm、輻射強度4016 μW/cm²的深紫外光源照射下,TCID₅₀初始濃度約10^5.8/mL的SARS-Cov病毒樣本在1 min後部分被殺滅,在6 min後存活數量~10 /mL,殺滅率99.99%以上;10 min後≤1.0 TCID₅₀(log10) /ml,殺滅率可認為>99.9999%。從表中也可以看到殺滅率LOG值與累積照射劑量(這裏為殺菌時間)呈正相關關係,並且在LOG低於4前呈線性關係。那麽在10^5.8 /mL病毒濃度下,99.99%殺滅率所需紫外劑量為1445 mJ/cm2。按照剛剛殺滅率LOG值與劑量呈線性關係的規律,不難得到,99.9%殺滅率所需劑量為722 mJ/cm2。而UVA雖然可以結合光觸媒產生活性氧而破壞病毒的RNA鏈,但UVA紫外線(365 nm,2133 μW/cm²)對SARS-CoV冠狀病毒沒有殺滅作用。

董小平團隊[8]於2003年報道強度>90 μW/cm²的UVC照射冠狀病毒,60分鍾就可以殺滅SARS病毒(注意原文是60 min而非此前新聞中說的30 min),換算累計劑量324 mJ/cm2,低於Taylor團隊的1445 mJ/cm2,可能是因為實驗條件或病毒樣本來源存在差異,且董小平團隊數據沒有給出具體LOG值,所以存在5倍區別(反映在滅菌率上的LOG值僅為0.5)。從性能冗餘角度,建議應用廠家在進行方案設計時按99.99%殺菌率對應需要1445 mJ/cm2劑量。

以上用作殺菌實驗的SARS-CoV病毒分散在磷酸鹽溶液中,可類比物體表麵和水中的情況。當然,在組織液例如血液中的冠狀病毒已被證實無法直接通過紫外線輻射殺滅[7]。

殺滅冠狀病毒

2 不同劑量伽馬射線對SARS-CoV的殺滅能力[6]

而值得一提的是,對人體正常細胞和癌細胞有破壞作用的伽馬射線(劑量高達15000 rad)對於SARS病毒幾乎沒有殺滅作用。

3 空氣中冠狀病毒殺滅需要的紫外線劑量

殺滅冠狀病毒

3 冠狀病毒氣溶膠在紫外輻射下存活率及跟濕度的關係[9]

50×260×455 mm(高×寬×長),流速為12.5 L/min的單循環風道中,通入氣溶膠病毒濃度為10^4 ~10^5 PFU/mL,濕度50%Rh的空氣。使用36W紫外汞燈管(隔絕臭氧)從管道455mm麵向內照射,將緊貼窗口處紫外輻射強度調整至599 μW/cm²,穩定運行15 min後,單循環出風口取樣MHV冠狀病毒跟對照組相比殺滅率為87.8%。Table2的數據還表明,高濕度下病毒氣溶膠的殺滅率更高。

以上數據為空氣殺毒場景提供了數據支撐,基本可換算出循環風模式下,要實現2小時,30立方米空間空氣中MHV冠狀病毒殺滅率87.8%,需使用10mW 275nm UVC-LED燈珠320pcs,這遠遠多於自然菌場景下的燈珠數量(理論計算結果2~4pcs[10],跟產品結構有關)。大腸杆菌99.99%表麵殺菌劑量約13.2 mJ/cm2,本文第二節中SARS病毒所需劑量是其110倍,與空氣淨化需要的劑量倍數關係基本是吻合的。那麽為了在實際場景中進行應用,有必要將UVC-LED工作時間改為24h持續開啟,這樣30立方米空間需要配置的UVC-LED數量為27pcs,已經能滿足商業化應用的成本需求。大膽推測,靜態水和流動水中也可參考此劑量關係。

4 對2019-nCoV新型冠狀病毒UVC紫外線殺滅劑量的參考意義

殺滅冠狀病毒

4 SARS-CoV在不同溫度下加熱處理後存活量跟加熱時間關係[6]

實驗數據表明,SARS-CoV在56℃下加熱處理20 min可以實現99.999%以上殺滅率,在65℃下所需時間甚至可以縮短至10分鍾。雖然有信息稱2019-nCoV在56℃下加熱處理30 min可殺滅。但熱抗性和紫外抗性沒有類比性,所以SARS的理化特性無法科學推導出2019-nCoV的紫外抗性,隻能作為參考。美國愛荷華大學Kurt Bedell, BS給出了距離1.22米下,同樣屬於Betacoronavirus冠狀病毒屬的8.9×10^5 pfu/mL濃度的MHV-A59和MERS-CoV殺滅所需時間分別為10min和5min,致死劑量有兩倍差異[11]。但如前文所述,2倍劑量的區別反映在滅菌率上的LOG值僅為0.3,在LOG基數較高的情況下也就是99.9%和99.95%的區別,在生產中可忽略不計。

5 結論

病毒肆虐,深紫外LED行業企業,義不容辭在有效方案開發和核心器件供應層麵走的更遠。拋磚引玉,希望本文所述的1445 mJ/cm2 99.99%致死劑量及相應的表麵殺菌和空氣殺菌模型助力各類深紫外LED應用品開發。深圳彩票汇科技是一家擁有自主知識產權的深紫外利用有限公司,期待聯手誌同道合的廠商,共抗新型冠狀病毒疫情。

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