UVC波段光源設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀及醫(yī)用前景分析

楊晰雅，魏嘉麗，呂毅，吳榮謙，宋承華

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.陜西省再生醫(yī)學(xué)與外科工程研究中心；b.精準(zhǔn)外科與再生醫(yī)學(xué)國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710061

引言

作為一種廣譜的殺菌消毒技術(shù)，紫外線殺菌已被廣泛應(yīng)用于日常生活的各個(gè)方面，如醫(yī)院、學(xué)校、機(jī)場等公共場所殺菌、污水處理、食品衛(wèi)生等領(lǐng)域[1-3]。近年來，隨著對殺菌消毒裝置需求的激增，對紫外光光源設(shè)備和光生物效應(yīng)的研究也重新獲得關(guān)注[4-5]。

現(xiàn)在普遍將紫外光輻射按照波長的不同分為3 類：A波段紫外線（315～400 nm）、B 波段紫外線（280～315 nm）和C 波段紫外線（Ultraviolet C，UVC）（200～280 nm）（圖1）[6]。其中，波長在200～280 nm波段的UVC光由于波長短、能量高，可在短時(shí)間內(nèi)破壞微生物（細(xì)菌、真菌、病毒等病原體）中DNA或RNA分子的結(jié)構(gòu)，使其喪失自我復(fù)制的能力，從而廣泛應(yīng)用于殺菌領(lǐng)域[7]。同時(shí)，有研究報(bào)道UVC光照射可以殺滅傷口處的細(xì)菌/真菌、抑制成纖維細(xì)胞過度產(chǎn)生，從而利于患處干燥、抑制傷口感染、促進(jìn)傷口愈合[8-9]。因此，其在手術(shù)切口感染、皮膚及軟組織感染以及糖尿病足感染等皮膚感染相關(guān)領(lǐng)域有一定的醫(yī)療應(yīng)用前景[10-11]。本文綜述發(fā)射UVC光的不同光源發(fā)生設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀及其光生物效應(yīng)研究的相關(guān)進(jìn)展，包括汞蒸氣紫外燈、UVC-LED紫外燈、準(zhǔn)分子紫外燈、微波等離子體紫外燈以及激光紫外發(fā)射器5類可發(fā)射UVC光的光源發(fā)生設(shè)備的構(gòu)造、發(fā)光原理、優(yōu)缺點(diǎn)、可發(fā)射波長、光生物效應(yīng)及潛在醫(yī)用場景等。

圖1 紫外光輻照光譜[6]

1 汞蒸氣紫外燈

汞蒸氣紫外燈是現(xiàn)階段使用最為廣泛的UVC 波段的紫外設(shè)備。按照石英燈管內(nèi)汞蒸氣壓力的不同，可以將汞燈分為低壓汞燈、中壓汞燈和高壓汞燈[12]，本文主要關(guān)注能夠發(fā)射253.7 nm 中心波長紫外光的低壓汞燈。日常生活中將該波段通俗稱為254 nm。現(xiàn)階段常見的波長為254 nm 的紫外光所采用的發(fā)光光源幾乎均為低壓汞燈。

1.1 汞蒸氣紫外燈的構(gòu)造、發(fā)光原理及優(yōu)缺點(diǎn)

如圖2所示，汞蒸氣紫外燈主要是將汞蒸氣封裝在兩端有電極的透明石英管中。其發(fā)光原理是當(dāng)通電加熱燈絲時(shí)，石英管內(nèi)的汞蒸氣受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)會發(fā)射紫外光[13]。低壓汞燈有功率高、制造技術(shù)成熟、制造成本低、可以對燈管形狀進(jìn)行個(gè)性化定制等優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)校、醫(yī)院、辦公室、實(shí)驗(yàn)室等公共場所采用的滅菌紫外燈幾乎均是低壓汞燈[14]。但其也存在使用一段時(shí)間后功率遞減、使用壽命有限等缺點(diǎn)。更重要的是，人體細(xì)胞暴露于254 nm UVC 光下會誘導(dǎo)基因突變，還會引起細(xì)胞毒性DNA 病變，如果將皮膚在UVC 光下長時(shí)間重復(fù)暴露，甚至?xí)T導(dǎo)皮膚癌的發(fā)生。此外，254 nm 的UVC 光直接照射眼睛會對眼角膜造成嚴(yán)重的損傷[10]。

圖2 低壓汞燈的構(gòu)造及其工作原理示意圖[13]

1.2 汞蒸氣紫外燈的可發(fā)射波長、光生物效應(yīng)及潛在的醫(yī)用場景

低壓汞蒸氣紫外燈最常見的發(fā)射波長是185 nm 和254 nm。其中，254 nm 的UVC 光照射可誘導(dǎo)生物體內(nèi)產(chǎn)生嘧啶二聚體，如環(huán)丁烷嘧啶二聚體（Cyclobutane Pyrimidine Dimer，CPD），大量產(chǎn)生的嘧啶二聚體可以直接作用于DNA，造成DNA 損傷，從而使細(xì)菌、病毒等失去自我復(fù)制能力進(jìn)而失活[11]。低壓汞燈照射不到1 s 即可滅活99%以上的冠狀病毒，說明低壓汞燈發(fā)射的UVC 光滅活表面病毒效率極高[15]。其對細(xì)菌、真菌等的殺傷作用更是毋庸置疑。因此，254 nm UVC 光可用于滅活多種微生物，其最重要的應(yīng)用場景是物體的表面消毒[16]，但是依然有一些其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用場景。

血液病原體滅活技術(shù)是低壓汞燈在臨床上的一個(gè)重要的應(yīng)用方向。其中對全血、白細(xì)胞、紅細(xì)胞以及血小板中的病原體的滅活均有相關(guān)研究和實(shí)體產(chǎn)品的報(bào)道（如基于254 nm UVC 光的THERAFLEX 系統(tǒng)[17]），但大部分還處于臨床早期嘗試及安全性和有效性評估階段。THERAFLEX 系統(tǒng)主要是利用254 nm UVC 光的殺菌作用，對全血或者分離出來的紅細(xì)胞或者血小板進(jìn)行照射，照射后產(chǎn)生的CPD 會阻斷核酸轉(zhuǎn)錄物的延伸，達(dá)到滅活微生物的目的[18-19]。由于254 nm 的UVC 光在保持蛋白質(zhì)質(zhì)量的同時(shí)主要破壞的是病原體和白細(xì)胞的核酸，其滅活具有選擇性，因此，可將其用于滅活血漿和血小板中的病原體[20]。THERAFLEX 系統(tǒng)滅活原理如圖3a所示，THERAFLEX 系統(tǒng)照射過程如圖3b所示。UVC 病原體滅活系統(tǒng)可替代γ射線照射預(yù)防血小板輸注中的輸血相關(guān)性移植物抗宿主病。此外，通過UVC 光照射可抑制血小板濃縮物儲存過程中抗原呈遞和細(xì)胞因子的積累，對輸血接受者有潛在益處[21]。也有文獻(xiàn)指出采用THERAFLEX 系統(tǒng)處理后SARS-CoV-2 傳染性大幅度下降，可以將輸血傳播感染的風(fēng)險(xiǎn)降至最低[22]。

圖3 兩種用于醫(yī)療場景的254 nm UVC波段光源設(shè)備的原理及設(shè)備圖

雖然研究表明254 nm UVC 光照射下會誘導(dǎo)皮膚病變以及角膜損傷，但一定劑量的照射可殺滅患處的病原體，并具有促進(jìn)組織生長、加速傷口恢復(fù)的功能，因此其可被用于口腔潰瘍[23]、褥瘡、糖尿病足[24-25]、皮膚損傷[26]、皮膚感染[27]、體表傷口感染以及術(shù)后傷口[28]等的恢復(fù)治療。在整形外科手術(shù)過程中，用UVC 光照射手術(shù)傷口可降低手術(shù)傷口感染的發(fā)生率。有研究使用發(fā)射波長為254 nm 的低壓汞燈照射3 例患者的潰瘍，患者潰瘍直徑及深度明顯縮小。且其中一例患者患有褥瘡，在常規(guī)治療下恢復(fù)緩慢，經(jīng)UVC 光照射后，褥瘡的愈合速度也明顯增加[11]。在一些國家，使用（253.7±10.0）nm UVC 光照射的短波紫外線治療設(shè)備已獲批用于臨床。目前北京君樂寶醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司、北京君德醫(yī)療設(shè)備有限公司[29-30]、廊坊市天月醫(yī)療器械有限公司等公司均有短波紫外線治療設(shè)備投入市場[31]，用于傷口的殺菌治療。北京君德醫(yī)療設(shè)備有限公司研發(fā)的短波紫外線治療儀實(shí)物圖如圖3c所示，所采用的波長幾乎均是253.7 nm。因此，基于UVC 光的醫(yī)療設(shè)備波長的優(yōu)化、治療效果及其安全性的優(yōu)化還在不斷進(jìn)行。

2 UVC-LED紫外燈

隨著光源技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)發(fā)射UVC 光波長的LED 光源。和傳統(tǒng)汞蒸氣燈一樣，UVC-LED 光源目前最重要的一個(gè)應(yīng)用方向是殺菌消毒。

2.1 UVC-LED紫外燈的構(gòu)造、發(fā)光原理及優(yōu)缺點(diǎn)

UVC-LED 光源主要由n 型半導(dǎo)體、p 型半導(dǎo)體、中間的活性層以及襯底組成，其發(fā)光原理是基于半導(dǎo)體材料特性，電流通過半導(dǎo)體材料使電子實(shí)現(xiàn)能級躍遷，電子躍遷至較低能級，這一過程會釋放光子產(chǎn)生紫外光[32]。UVC-LED 光源襯底材料的選擇對其外延質(zhì)量具有重要意義。考慮到晶體結(jié)構(gòu)相似、晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異小等因素，目前常用的襯底材料主要有Al2O3、SiC、Si、GaN 和AlN 等[33]。此外，相比于傳統(tǒng)汞蒸氣燈，UVC-LED 光源具有體積小、直流驅(qū)動(dòng)、便攜、不產(chǎn)生臭氧、無環(huán)境污染、使用壽命長以及工作環(huán)境溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[34-36]，被認(rèn)為是有望取代傳統(tǒng)汞蒸氣燈的下一代紫外發(fā)光光源，在殺菌、生物監(jiān)測以及醫(yī)療等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來，隨著UVC-LED 逐漸進(jìn)入商業(yè)化量產(chǎn)階段，芯片的外量子效率低、封裝材料易老化、散熱等問題成為阻礙其快速發(fā)展的3 個(gè)主要技術(shù)瓶頸[37]。同時(shí)，其也存在功率低、產(chǎn)熱嚴(yán)重等缺點(diǎn)[32]。隨著發(fā)射波長的減小，UVC-LED 的輸出功率更是嚴(yán)重降低，且目前其價(jià)格相對昂貴。因此，探索新的襯底和半導(dǎo)體材料，提高UVC-LED 的輸出功率的同時(shí)，降低價(jià)格是科學(xué)家們一直努力的方向。

2.2 UVC-LED紫外燈的可發(fā)射波長、光生物效應(yīng)及潛在的醫(yī)用場景

通過向半導(dǎo)體材料中摻雜不同組分、改變外部電流大小、改變發(fā)光二極管溫度等條件，可調(diào)控UVC-LED 光源發(fā)射不同波長的UVC 光[37]。現(xiàn)已有應(yīng)用的UVC-LED 光源發(fā)射波長主要有：265[38-39]、275[8]以及280 nm[40-41]等。已有文獻(xiàn)報(bào)道證實(shí)265、275 或280 nm 波長的UVC-LED光照射幾秒到幾十秒的時(shí)間即可殺死包括金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌、白色念珠菌等數(shù)十種細(xì)/真菌[42-43]，此外，其對新冠病毒、艾滋病毒等的殺傷作用也已經(jīng)被證實(shí)[39,44]。由于光源體積小，UVC-LED 可被做成各種手持式、便攜式的殺菌裝備，同時(shí)也能滿足不同要求和形狀光源設(shè)計(jì)的要求。已有公司推出便攜式UVC-LED 消毒燈、消毒筆、手持式殺菌儀、殺菌盒、包裹消毒機(jī)等應(yīng)用于日常生活的各個(gè)方面。現(xiàn)有設(shè)備包括：優(yōu)威芯電子科技有限公司推出的波長為265 nm 的紫外消毒筆、山西中科潞安紫外光電科技有限公司推出的波長為275 nm 的手持式深紫外殺菌儀等。但其在光生物學(xué)效應(yīng)和醫(yī)用方面的研究還處于早期階段。有研究采用自主設(shè)計(jì)的點(diǎn)狀排布 275 nm的深紫外發(fā)光裝置，首次探究了275 nm UVC-LED 光殺菌的量效關(guān)系和安全性，裝置實(shí)物圖如圖4所示。研究證明了275 nm UVC-LED 光對細(xì)菌和真菌有較強(qiáng)的殺滅作用，并首次證明其在一定劑量下具有較高的皮膚安全性[8]。此外，其還探索了在不同照射劑量下，275 nm UVC-LED 光對燒傷合并皮膚細(xì)菌/真菌感染小鼠傷口愈合時(shí)間的影響，證明 275 nm UVC 光可以通過殺滅感染傷口處的細(xì)菌/真菌進(jìn)而縮短傷口愈合時(shí)間。265 nm和280 nm UVC 光在活體上的應(yīng)用目前幾乎無相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，關(guān)于其具體的作用機(jī)制也尚無準(zhǔn)確定論。因此，UVC-LED 在生物和醫(yī)用方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖4 UVC-LED光源的實(shí)物圖[8]

3 準(zhǔn)分子紫外燈

準(zhǔn)分子紫外燈是一類新型的準(zhǔn)單色紫外燈光源。現(xiàn)有可發(fā)射波長在UVC 范圍內(nèi)的準(zhǔn)分子紫外光源有KrBr準(zhǔn)分子燈、KrCl 準(zhǔn)分子燈、KrF 準(zhǔn)分子燈等[45]。

3.1 準(zhǔn)分子紫外燈的構(gòu)造、發(fā)光原理及優(yōu)缺點(diǎn)

準(zhǔn)分子紫外燈的結(jié)構(gòu)如圖5所示，將兩根普通石英管燒紙拼接成的同軸結(jié)構(gòu)放電管連到真空系統(tǒng)，內(nèi)部電極為高壓電極（金屬箔電極），外部電極貼在石英管外表面（金屬網(wǎng)電極）[46]。在內(nèi)外管之間的環(huán)形空腔內(nèi)按比例填充不同氣體（KrBr、KrCl、KrF），即可制造不同發(fā)射波長的準(zhǔn)分子紫外發(fā)射光源。與傳統(tǒng)254 nm 的低壓汞蒸氣燈相比，準(zhǔn)分子燈具有安全性更高、可選功率范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命更長的優(yōu)點(diǎn)。此外，準(zhǔn)分子燈可以將多種工作準(zhǔn)分子同時(shí)激發(fā)，使多波紫外光照射成為可能。同時(shí)由于準(zhǔn)分子燈是冷源，與傳統(tǒng)的汞蒸氣紫外燈相比，準(zhǔn)分子燈的輻射表面保持在相對較低的溫度，且介質(zhì)不需要加熱，準(zhǔn)分子燈在打開后可以立即達(dá)到輸出峰值，消殺所需時(shí)間較短，使用更加方便[47]。此外，現(xiàn)有準(zhǔn)分子紫外燈的發(fā)射波長已被證實(shí)對皮膚和眼睛的傷害較小[48-49]，因此，有望應(yīng)用于人體治療。但是，目前對準(zhǔn)分子燈發(fā)射UVC 波長的研究相對較少，且主要集中在222 nm。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有可供使用的等分子燈裝置少，如現(xiàn)有的222 nm 準(zhǔn)分子燈裝置是日本東京Ushio Inc.的KrCl 準(zhǔn)分子燈，型號為SafeZoneUVC，該裝置正在商標(biāo)注冊過程中，暫時(shí)不能廣泛使用[50]。

圖5 準(zhǔn)分子紫外燈的結(jié)構(gòu)示意圖[46]

3.2 準(zhǔn)分子紫外燈的可發(fā)射波長、光生物效應(yīng)及潛在的醫(yī)用場景

不同填充氣體的準(zhǔn)分子燈可以發(fā)射不同波長的紫外光，KrBr 準(zhǔn)分子燈可以發(fā)射波長為207 nm 的紫外光，KrCl 準(zhǔn)分子燈可以發(fā)射波長為222 nm 的紫外光，KrF準(zhǔn)分子燈可以發(fā)射波長為248 nm 的紫外光[45]。長時(shí)間暴露在紫外光下可能會導(dǎo)致人體細(xì)胞中的DNA 損傷，波長更短的UVC 光在生物樣品（如角質(zhì)層）中的穿透距離與254 nm UVC 光相比更加有限[49]，同時(shí)相比于常見的254 nm UVC 光，準(zhǔn)分子燈發(fā)射的UVC 波長更短，其會被細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)吸收，不能到達(dá)細(xì)胞核[51-53]，對細(xì)胞DNA 造成較低損害或不造成損害。因此，準(zhǔn)分子燈在未來可能是更安全有效消毒殺菌的選擇，由此研究者對其展開多項(xiàng)研究。Ma 等[54]的研究證明KrCl準(zhǔn)分子燈可用于滅活大多數(shù)常見細(xì)菌和病毒，是有效的細(xì)菌和病毒消毒裝置，大多數(shù)微生物在10 mJ/cm2的照射劑量下滅活率可達(dá)到99.99 %以上。與傳統(tǒng)紫外燈相比，KrCl 準(zhǔn)分子燈對病毒的消毒效果更好，但對細(xì)菌的消毒效果略差，這是由于細(xì)菌對222 nm 的紫外光敏感性較低，而病毒對222 nm 的紫外光敏感性較高，造成這一結(jié)果的原因是病毒和細(xì)菌大小、形態(tài)、組成和分子結(jié)構(gòu)存在差異。Shin 等[41]使用222 nm 和280 nm UVC聯(lián)合對鼠傷寒沙門菌和單核增生李斯特菌滅活實(shí)驗(yàn)證明了不同波長紫外光聯(lián)合治療可以增加滅活效率，但該實(shí)驗(yàn)中聯(lián)合紫外光會降低細(xì)胞恢復(fù)速度，接下來可更換不同波長UVC 進(jìn)行研究，尋找既有更高滅活效率同時(shí)也不會對細(xì)胞膜造成損傷、降低細(xì)胞恢復(fù)速度的UVC 光組合。Kitagawa 等[50]對SARS-CoV-2 病毒的滅活研究中，使用SafeZoneUVC 型號準(zhǔn)分子燈發(fā)射222 nm UVC 對病毒照射1 mJ/cm2（0.1 mW/cm2，照射10 s）和3 mJ/cm2（0.1 mW/cm2，照射30 s）時(shí)，SARS-CoV-2 活性分別降低88.5 %和99.7%，且隨著照射時(shí)間增長，病毒的活性逐漸下降，由于UVC 良好的消毒特性，可用于預(yù)防和控制感染。

2023年，Tavares 等[55]首次將222 nm UVC 直接照射人造皮膚模型，以評估其安全性。與常用的254 nm的UVC 光相比，KrCl 準(zhǔn)分子燈發(fā)射的222 nm UVC 光照射產(chǎn)生的CPD 更少，皮膚安全性更高。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了準(zhǔn)分子燈可應(yīng)用于臨床治療。Ha 等[56]發(fā)現(xiàn)間歇性照射所帶來的滅活效應(yīng)比相同劑量的連續(xù)照射更好，這一發(fā)現(xiàn)為臨床治療提供新的治療思路。在未來如果能研制出更多不同的準(zhǔn)分子燈設(shè)備，打破光源壟斷，有望將發(fā)射UVC 光的準(zhǔn)分子燈技術(shù)真正應(yīng)用于臨床。

4 微波等離子體紫外燈

微波等離子體紫外燈是另外一種有前景的新型紫外燈光源。截至目前，對微波等離子體紫外燈光生物效應(yīng)的研究相對較少，可研究范圍廣闊。

4.1 微波等離子體紫外燈的構(gòu)造、發(fā)光原理及優(yōu)缺點(diǎn)

如圖6所示，微波等離子體紫外燈主要由微波源、可調(diào)諧振腔和紫外燈管3 部分組成。它的發(fā)光原理是通過共振器將電磁波能量導(dǎo)入石英玻璃發(fā)光體中，激發(fā)內(nèi)部的等離子體物質(zhì)，使等離子體產(chǎn)生連續(xù)可見的廣譜。與傳統(tǒng)需要使用電極的汞蒸氣燈相比，電極會限制紫外燈使用壽命并且將單位長度的輸出功率限制在30 W 左右[57]，而微波等離子體紫外燈能量源為微波，微波能量很容易通過介電管，不需要使用電極。因此微波等離子體紫外燈有更長的使用壽命、更高的輸出功率，單位長度的功率可以高達(dá)250 W[58]。此外，微波等離子體紫外燈的制造成本也相對較低，燈管可以做成任意形狀、長度、直徑，可以適用于一些對燈管形狀有特殊要求的實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)微波等離子體紫外燈使用前不需要任何清潔程序清潔放電管，也不需要預(yù)熱，使用所需要的準(zhǔn)備時(shí)間短，更加方便迅速。因此，其在殺菌領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景。

圖6 微波等離子體紫外光系統(tǒng)[59]

4.2 微波等離子體紫外燈的可發(fā)射波長、光生物效應(yīng)及潛在的醫(yī)用場景

通過調(diào)節(jié)微波等離子體紫外燈諧振腔的耦合比、諧振腔長度等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)濾波功能，獲得特定波長的紫外光[59]。其最常見的發(fā)射波長也是254 nm。微波等離子體紫外燈可以單獨(dú)使用，也可以與其他可用的紫外線源（如UVC-LED）結(jié)合使用，定制不同波長的消毒系統(tǒng)，增強(qiáng)消毒效應(yīng)。同時(shí)，Ortoneda 等[59]建立了一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，該系統(tǒng)可以在減少對人體傷害的情況下對細(xì)菌和病毒進(jìn)行滅活。研究證明了254 nm 和臭氧形成區(qū)（185 nm）同時(shí)產(chǎn)生的紫外光在發(fā)出紫外光的同時(shí)產(chǎn)生臭氧，沒有二次污染且臭氧與紫外光結(jié)合的殺菌效果更好。

圖7 微波等離子體紫外光殺菌實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[59]

Raeiszadeh 等[60]研究表明微波等離子體紫外線有獨(dú)特的光譜功率，其光譜功率分布在蛋白質(zhì)的紫外線吸收和分解峰周圍。研究證實(shí)波長在240 nm 以下的微波等離子體紫外燈可以誘導(dǎo)核酸修復(fù)缺陷功能紊亂，使病毒傳染性下降。因此，微波等離子體紫外燈在未來可能應(yīng)用于人體，有一定的應(yīng)用前景。考慮到汞蒸氣自身的危害性，Mayor-Smith 等[61]開發(fā)出了一種無汞碲高壓等離子體，它的出現(xiàn)使紫外光源快速、低成本地過渡到無汞光源成為可能，目前暫無其他替代品出現(xiàn)。因此，微波等離子體紫外燈可以成為傳統(tǒng)紫外線照射系統(tǒng)的替代方案，實(shí)現(xiàn)紫外光源的去汞化。

5 激光紫外發(fā)射器

激光紫外發(fā)射器可以產(chǎn)生紫外光束，具有殺菌消毒特性，可用于激光手術(shù)、皮膚治療等領(lǐng)域。其按結(jié)構(gòu)的不同可分為光纖紫外激光器（固體紫外激光器）、半導(dǎo)體紫外激光器和氣體紫外激光器。本文著重于介紹生物醫(yī)用中常用的光纖紫外激光器。

5.1 光纖紫外發(fā)射器的構(gòu)造、發(fā)光原理及優(yōu)缺點(diǎn)

光纖紫外激光器的基本結(jié)構(gòu)有泵浦源、激光介質(zhì)、諧振腔、輸出耦合器以及光纖[62]。其發(fā)光原理為原子或離子的能級躍遷。最常用的激光二極管（Laser Diode,LD）泵浦源是Nd:YAG 晶體，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 光纖紫外激光器的構(gòu)造圖[63]

產(chǎn)生紫外激光的主要步驟首先是激光器內(nèi)的泵浦光源照射到增強(qiáng)介質(zhì)上從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，之后基波紅光在諧振腔內(nèi)形成并且振蕩，再通過一次或多次非線性晶體腔內(nèi)倍頻，在經(jīng)過透射、反射后最終從諧振腔輸出所需的紫外激光[63]。

光纖紫外激光器有良好的光電轉(zhuǎn)換效率，光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性強(qiáng)、設(shè)備體積小且性能可靠性高[64]。目前，國外有關(guān)光纖紫外激光器技術(shù)以及應(yīng)用設(shè)備已趨向成熟，但是價(jià)格相對昂貴并未廣泛使用。國內(nèi)的光纖紫外激光器的研究方向根據(jù)功率大小的不同有一定區(qū)別，中小型功率器件逐漸向多樣化、智能化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，大功率器件向高平均功率、高光束質(zhì)量發(fā)展[65]。

5.2 光纖紫外發(fā)射器的可發(fā)射波長、光生物效應(yīng)及潛在的醫(yī)用場景

由于光纖具有柔性可彎折特性，光纖紫外激光器可以適用于很多特定的使用環(huán)境，如導(dǎo)管消毒。同時(shí)大面積的激光輸出的能力使其成為消毒易感染組織（如導(dǎo)管或其他穿透皮膚的醫(yī)療設(shè)備周圍）的可行解決方案。現(xiàn)已有中心波長為266 nm 和224 nm 的光纖紫外激光器。

光纖紫外激光器用于殺菌消毒已有一些研究。Lin等[62]用波長為266 nm 的紫外光處理涂敷了凝固酶陰性葡萄球菌（60%）和金黃色葡萄球菌（33%）的導(dǎo)管，導(dǎo)管置于紫外線下的紫外線光纖傳輸概念示意圖及光纖紫外激光器實(shí)物圖如圖9所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)每根感染導(dǎo)管經(jīng)紫外線處理段與未經(jīng)紫外線處理段相比活菌顯著減少，57%的導(dǎo)管樣品中最終沒有活菌殘留。結(jié)果證明了利用光纖將紫外光輸送到透析導(dǎo)管的腔內(nèi)并滅活腔內(nèi)表面細(xì)菌病毒的可行性，有望未來在臨床應(yīng)用，減少患者術(shù)后感染。

圖9 光纖紫外激光器

Welch 等[66]對比了KrCl 準(zhǔn)分子燈發(fā)射的222 nm紫外光與光纖紫外激光器發(fā)射的224 nm 紫外光消毒性能，實(shí)驗(yàn)證明兩者之間沒有顯著差異，且光纖紫外激光器發(fā)射出紫外光的殺菌消毒能力很強(qiáng)，準(zhǔn)分子燈光源與激光光源的消毒性能區(qū)別不大。此外，用光纖紫外激光器發(fā)射的224 nm 紫外光對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示使用紫外激光器能夠有效擴(kuò)大殺菌區(qū)域。該波長的紫外光可以防止細(xì)菌從皮膚穿透裝置周圍入侵，可用于消毒導(dǎo)管、輸液管或其他皮膚穿透性醫(yī)療器械周圍等易感染區(qū)域。以上研究表明光纖紫外激光器有一項(xiàng)獨(dú)特的應(yīng)用是用于導(dǎo)管殺菌消毒，該應(yīng)用可以有效預(yù)防感染，在臨床醫(yī)療領(lǐng)域潛力巨大。

6 總結(jié)與展望

紫外光在臨床上目前主要有兩方面的應(yīng)用：① 基于308 nm 的準(zhǔn)分子光療儀可有效用于白癜風(fēng)、銀屑病和過敏性皮炎等皮膚疾病的精確治療，目前技術(shù)已相對成熟穩(wěn)定；② 基于405 nm 紫外光的光動(dòng)力療法，用于治療痤瘡等皮膚表皮疾病。除以上兩個(gè)主要應(yīng)用方向，基于254 nm UVC 光的臨床設(shè)備也有多年的研發(fā)和應(yīng)用歷史，其已在包括口腔潰瘍、褥瘡、糖尿病足以及皮膚感染等的治療以及血液滅菌領(lǐng)域有所應(yīng)用，但一直未有進(jìn)一步的發(fā)展。這些臨床醫(yī)療設(shè)備所采用UVC 光光源幾乎無一例外為傳統(tǒng)價(jià)格低廉的汞蒸氣紫外燈，且波長為254 nm。而該波長被證實(shí)可誘導(dǎo)皮膚疾病甚至皮膚癌變，并且對角膜也不友好。根據(jù)全球照明協(xié)會（Global Lighting Association）2020年5月公布的紫外線輻照安全指南，采用180～400 nm 波段的UVC 光，在＜1 mW/m2的輻照劑量下照射小于8 h 對人體造成的危險(xiǎn)可忽略，采用＜3 mW/m2輻照劑量照射小于10000 s 對人體造成的危險(xiǎn)為第一危險(xiǎn)等級，說明在安全輻照劑量允許范圍內(nèi)還有一定的操作空間[67-68]。且日常照明安全輻照劑量與臨床醫(yī)用還有顯著差異，說明UVC 光輻照仍具有一定的醫(yī)用前景。此外，近年來隨著各種不同新型紫外光源的不斷涌現(xiàn)，主要吸收峰的更短UVC 波長和更長UVC 波長的紫外發(fā)射光均可獲得。部分UVC 波段的光已被證實(shí)對人體皮膚組織和眼睛損傷較小，更加安全。但由于不同波長紫外光的生物安全性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，其用于人體和臨床仍處于早期研發(fā)階段，距離實(shí)際投入醫(yī)療使用還有一定距離。此外，這些波段的UVC 光源相比于傳統(tǒng)廉價(jià)且易于獲得的汞燈而言，往往價(jià)格更昂貴，有些處于研發(fā)早期，這也是阻礙其快速發(fā)展的一個(gè)重要原因。尋找成本低、易得、殺菌效率高且安全性強(qiáng)的UVC 光源有利于找到治療效果更好的應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的UVC 光。UVC 光的應(yīng)用推廣使得紫外光照射的安全性得到了提升，如何提高紫外光的滅活效率、研發(fā)出新型環(huán)保紫外光光源、找尋合適的可應(yīng)用于治療的紫外光波長是未來重要的研究方向。隨著技術(shù)的發(fā)展，期望UVC 光源能實(shí)現(xiàn)突破，在安全性高的同時(shí)有更高的發(fā)光效率，最終實(shí)現(xiàn)汞光源的淘汰。紫外光照射在未來有望成為一種長期有效、安全的治療人類傳染病的方法，并能很好地應(yīng)用于不同的臨床場景。