紫外線消毒燈在新型冠狀病毒肺炎疫情下的防控作用

史強(qiáng) 夏慧琳 夏婷 王穎 曾慶全 賀丹

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，呼和浩特 010110)

2019 年12 月底，新型冠狀病毒肺炎(Coronavirus Disease 2019,COVID-19)疫情暴發(fā)[1]。受新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，紫外線消毒燈成為疫情防控工作中的重要物資之一，得到眾多醫(yī)療機(jī)構(gòu)大范圍使用。紫外線消毒燈是利用汞燈發(fā)出的紫外線，將病原微生物消滅于外環(huán)境中的一種物理消毒方法，可有效殺滅空間中的病毒，阻斷病毒的散布，同時(shí)不會產(chǎn)生二次污染。紫外線消毒燈的特性奠定了它在COVID-19 疫情防控過程中的重要作用。

1 COVID-19 疫情下紫外線消毒燈的研究及應(yīng)用

2020 年1 月30 日，世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)宣布，2019 新型冠狀病毒肺炎流行暴發(fā)構(gòu)成國際關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件(public health emergency of international concern,PHEIC)[2]，并于2020 年2 月11 日將新型冠狀病毒肺炎命名為CDVID-19[3]。紫外線消毒燈可破壞2019 新型冠狀病毒(2019-nCoV)遺傳結(jié)構(gòu)，滅活2019-nCoV[4,5]，還能影響2019-nCoV 中許多酶的活性，使其蛋白分子的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生改變，影響蛋白質(zhì)的代謝合成，最終使其喪失活性[6]。《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》（試行第五版）中明確指出，2019-nCoV 屬于β 屬的冠狀病毒，對紫外線和熱敏感[7]。使用強(qiáng)度大于90μW/cm2的紫外線照射30min，可以有效殺滅SARS 病毒[8]。2019-nCoV 與SARS 病毒存在相關(guān)性，持續(xù)進(jìn)行C 波段遠(yuǎn)紫外線(far-UVC)暴露會使約90%的2019-nCoV在8min 內(nèi)滅活，而25min 內(nèi)達(dá)到99.9%失活[9]。所有冠狀病毒結(jié)構(gòu)相似，科學(xué)合理的使用紫外線可以有效滅活冠狀病毒[4]。

基于CDVID-19 疫情下，紫外線消毒燈在疫情防控方面發(fā)揮著重要作用[10]，針對防疫涌現(xiàn)出很多新的功能設(shè)計(jì)。例如多變智能紫外線消毒燈、電梯按鍵紫外線消毒燈、手機(jī)無線充電及消毒器，還有醫(yī)療器械清洗消毒裝置等[11,12]。雖然紫外線消毒是阻斷病毒傳播最重要的技術(shù)之一，但也應(yīng)注意紫外線消毒燈使用不當(dāng)會對人體產(chǎn)生危害。

2 紫外線消毒燈使用時(shí)可遇到的問題

2.1 紫外線對人體的危害

過度暴露于紫外線輻射會對健康造成有害影響，增加患皮膚癌以及其它疾病的風(fēng)險(xiǎn)[13]。若長期以來錯(cuò)誤使用紫外線消毒燈會對人眼睛產(chǎn)生危害，誘發(fā)結(jié)膜、角膜等疾病，甚至?xí)绊懸暳14]。

2.2 臭氧對人體危害

相關(guān)研究證明，臭氧濃度達(dá)到一定值時(shí)，會導(dǎo)致人體產(chǎn)生明顯的生理和病理變化，造成皮膚刺癢、眼睛酸痛、呼吸不暢、咳嗽及鼻炎等癥狀，對人體健康產(chǎn)生急性或者慢性的有害影響，甚至增加死亡率[15]。

3 解決方案

對消毒區(qū)域進(jìn)行消毒時(shí)，除了要考慮消毒效果，還要避免上述消毒過程中對人體造成的危害，為此提出對傳統(tǒng)的紫外線消毒燈的功能進(jìn)行改進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種智能紫外線消毒裝置，在紫外線消毒燈上增加控制器、紅外探測模塊、無線定時(shí)模塊、臭氧檢測模塊等，可實(shí)現(xiàn)使用安全、操作便捷、定時(shí)開關(guān)等智能消毒功能。

圖1 技術(shù)路線圖

如圖1 所示，首先開啟電源，遙控接收模塊接收到開機(jī)指令后，系統(tǒng)開始工作。紅外探測模塊探測該區(qū)域內(nèi)有無人員出入、活動(dòng)，如果沒有人員活動(dòng)，則紫外線消毒燈正常工作，當(dāng)有人員進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，紫外線消毒燈自動(dòng)關(guān)閉。探測環(huán)境是否較暗，若環(huán)境較暗則開啟照明燈，若環(huán)境明亮則關(guān)閉照明燈，實(shí)現(xiàn)“人走開燈、人進(jìn)關(guān)燈”，彌補(bǔ)了現(xiàn)有紫外線消毒燈需要人工控制開關(guān)的缺陷，有效避免了紫外線輻射對人體的危害。紫外線消毒燈消毒完成后，臭氧檢測裝置開始工作，當(dāng)檢測到臭氧濃度低于50ppb 時(shí)，綠色指示燈亮，提示工作人員可以安全進(jìn)入；當(dāng)檢測到臭氧濃度高于50ppb 時(shí)，紅色指示燈亮，提示工作人員不可以進(jìn)入。

3.1 利用Arduino Nano 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對紫外線消毒燈的總控制

選用Arduino Nano 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置中紫外線消毒燈和照明燈的智能控制。Arduino Nano 單片機(jī)具有12 個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口(D2-D13)。8 個(gè)模擬輸入端口(A0-A7)。1 對TTL 電平串口收發(fā)端口(RX/TX)。6 個(gè)PWM 端口(D3、D5、D6、D9、D10、D11)。支持USB 下載及供電并支持外接3.3V～12V 直流電源供電。其便捷靈活的特性可以與紅外探測模塊、無線定時(shí)模塊和臭氧檢測模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)紫外線消毒燈的智能化消毒及照明。

3.2 利用紅外探測模塊和無線定時(shí)模塊控制紫外線消毒燈

為實(shí)現(xiàn)智能控制紫外線消毒燈的功能，防止紫外線對人體直接傷害，利用紅外探測裝置和無線定時(shí)模塊控制紫外線消毒燈。針對紅外探測模塊，采用以下五個(gè)部件：①NICERA 紅外熱敏探頭通過熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，雙靈敏元互補(bǔ)方法抵制溫度變化的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定。②菲涅爾透鏡完成聚集作用并將探測區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，控制開關(guān)通斷作用。③廣角紅外探測能保證紅外感應(yīng)角度110°，有效探測物體運(yùn)動(dòng)軌跡迅速點(diǎn)亮燈具照明。④雙向可控硅代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，無觸點(diǎn)、無噪音、性能穩(wěn)定。⑤人性化6LX 流明設(shè)計(jì)人性化光控。

針對無線定時(shí)模塊，采用藍(lán)牙定時(shí)開關(guān)，通過藍(lán)牙模塊與終端設(shè)備無線連接，可以實(shí)現(xiàn)APP 手動(dòng)、自動(dòng)定時(shí)開啟關(guān)閉功能。其中，主要由藍(lán)牙定時(shí)開關(guān)，無線連接設(shè)置和定時(shí)器組成。

3.3 增加臭氧檢測模塊降低臭氧危害

原國家質(zhì)量檢測技術(shù)監(jiān)督局制定的《室內(nèi)空氣臭氧衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了室內(nèi)臭氧濃度1h 平均濃度不得超過50ppb[16]，當(dāng)空氣中臭氧濃度高于50ppb時(shí)，人員進(jìn)入消毒區(qū)域會對人體造成傷害，所以通過增加臭氧檢測裝置，實(shí)現(xiàn)檢測臭氧的目的。

為實(shí)現(xiàn)紫外線殺毒區(qū)域內(nèi)臭氧氣體探測，避免人員進(jìn)入高濃度臭氧區(qū)域造成的傷害，采用了Arduino SB MQ-131 臭氧傳感器。具體檢測原理如下：Arduino SB MQ-131 臭氧傳感器是阻性輸出傳感器，當(dāng)臭氧濃度增加時(shí)，其輸出電阻減小。通過電路設(shè)計(jì)，將其電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值，并與參考電阻RP 上的壓降通過比較器LM393 進(jìn)行比較，判斷臭氧濃度是否高于預(yù)設(shè)極限值。根據(jù)比較器的結(jié)果，對報(bào)警燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，提醒人員能否進(jìn)入消毒區(qū)域的指示。當(dāng)傳感器檢測到臭氧濃度值高于預(yù)設(shè)極限值，比較器輸出為低電平，傳感器輸出為低電平，紅色指示燈燈亮，提醒人員不可入內(nèi)。反之，當(dāng)沒有信號的時(shí)候，即臭氧濃度低于50ppb 時(shí)傳感器輸出高電平，等于電源電壓，綠色指示燈亮，提醒人員可以安全進(jìn)入。該傳感器對臭氧氣體具有很高的靈敏度。基于Arduino SB MQ-131 臭氧傳感器，在紫外線消毒燈上增加臭氧檢測裝置，使紫外線消毒燈消毒完成后臭氧檢測裝置開始工作，避免了臭氧對人體的危害。

綜上所述，通過研制智能紫外線消毒裝置（圖2），可以實(shí)現(xiàn)智能紫外線消毒功能，當(dāng)室內(nèi)無人員活動(dòng)時(shí)進(jìn)行紫外線消毒，紫外線消毒結(jié)束后進(jìn)行臭氧檢測；當(dāng)室內(nèi)有人員活動(dòng)時(shí)檢測環(huán)境是否昏暗，若環(huán)境較暗則開啟照明燈，若環(huán)境明亮則關(guān)閉照明燈。

4 結(jié)論

圖2 智能紫外線消毒燈

基于紫外線在COVID-19 疫情中的重要作用，針對紫外線消毒燈在使用過程中可能出現(xiàn)的問題，對紫外線消毒燈進(jìn)行結(jié)構(gòu)及功能改進(jìn)，通過增加Arduino Nano單片機(jī)、紅外探測模塊、無線定時(shí)模塊、臭氧檢測模塊等模塊，實(shí)現(xiàn)紫外線消毒燈使用空間人員活動(dòng)檢測和臭氧濃度檢測，避免紫外線和臭氧對人體可能造成的危害。