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紫外線對(duì)2019-nCoV新型冠狀病毒致死劑量為1085 mJ/cm2

UVC-LED深紫外線殺滅2019-nCoV新型冠狀病毒劑量的調(diào)查報(bào)告簡(jiǎn)述

摘要：根據(jù)文獻(xiàn)中Betacoronavirus病毒屬冠狀病毒，如SARS、MERS的紫外殺滅劑量，給出了TCID50初始濃度約105.8 /mL的2019-nCoV新型冠狀病毒NCP的99.99%紫外致死劑量為1085 mJ/cm2，給出了表面殺毒和空氣凈化可參考的深紫外LED基礎(chǔ)模型用于各類應(yīng)用品開(kāi)發(fā)。

1、背景介紹

距離武漢新型冠狀病毒疫情暴露至今已經(jīng)有兩個(gè)多月時(shí)間，大量醫(yī)療資源投入在病人收治、治療手段開(kāi)發(fā)、藥物有效性篩選、疫情傳播防治等。國(guó)家衛(wèi)生健康委發(fā)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(duì)冠狀病毒理化特性的認(rèn)識(shí)多來(lái)自對(duì)SARS-Cov和MERS-Cov的研究。病毒對(duì)紫外線和熱敏感，56℃30分鐘、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(shù)用于各類物體表面、空氣、水中的冠狀病毒殺滅具有了可行性，大量紫外線設(shè)備以及在醫(yī)院等高病毒濃度的環(huán)境中投入使用[2, 3]。紫外LED行業(yè)新聞也提及，中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所專家董小平研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度大于90 μW/cm2的UVC照射冠狀病毒，30分鐘就可以殺滅SARS病毒[4]。目前為止，還未看到更加定量的關(guān)于新型冠狀病毒NCP 2019-nCov的紫外致死劑量的表述或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)。而實(shí)際的紫外線技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)用環(huán)境、目標(biāo)殺滅率和紫外線強(qiáng)度、劑量是必須要考慮的技術(shù)指標(biāo)。缺乏定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將使得紫外燈管或紫外LED的應(yīng)用停留在定性或經(jīng)驗(yàn)層面。

當(dāng)然，受制于有限的實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)際開(kāi)展針對(duì)新型冠狀病毒NCP 2019-nCoV的紫外殺滅劑量和動(dòng)力學(xué)研究存在較大困難。因此在SARS流行期間，針對(duì)鼠肝炎冠狀病毒（Mouse Hepatitis Virus，MHV）的研究為發(fā)現(xiàn)、鑒定SARS及理解其理化特性提供了非常好的科學(xué)基礎(chǔ)。據(jù)了解[5]，冠狀病毒含有四個(gè)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，以及用于研究冠狀病毒分子病毒學(xué)的模式病毒MHV均屬于Betacoronavirus。這種病毒的基因組是一條單股正鏈RNA，長(zhǎng)度約為30，0000個(gè)核酸，屬于基因組最大的RNA病毒之一。MHV、SARS-CoV、MERS-CoV及NCP 2019-nCoV具有較高的同源性和結(jié)構(gòu)同理性，因而對(duì)紫外線的抗性具有相似性和互為參考。

基于以上事實(shí)，本文綜述了部分文獻(xiàn)資料中對(duì)多種冠狀病毒，例如SARS-Cov、MHV-Cov，的紫外殺滅研究數(shù)據(jù)，將表面、空氣中病毒殺滅需要的UVC紫外劑量及影響條件進(jìn)行整理陳述，以用于指導(dǎo)UVC-LED應(yīng)用品開(kāi)發(fā)。具體的病毒培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程不是本文的重點(diǎn)，可查閱參考文獻(xiàn)，這里不再贅述。同時(shí)，考慮到參考文獻(xiàn)發(fā)表當(dāng)年，深紫外UVC-LED還不是一項(xiàng)普及的技術(shù)，所以使用的光源均為紫外汞燈管，這并不意味著其對(duì)深紫外UVC-LED的方案設(shè)計(jì)沒(méi)有參考意義。進(jìn)一步地，275 nm深紫外LED和254 nm 紫外燈管的殺滅效率是一樣的，這里也可以將燈管的殺滅數(shù)據(jù)類比為深紫外LED。

2、物體表面殺滅冠狀病毒需要的紫外線劑量

美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局生物評(píng)估與研究中心Taylor團(tuán)隊(duì)2004年[6]和2006年[7]的研究表明，在特征波長(zhǎng)254 nm、輻射強(qiáng)度4016 μW/cm2的深紫外光源照射下，TCID50初始濃度約105.8/mL的SARS-Cov病毒樣本在1 min后部分被殺滅，在6 min后存活數(shù)量~10 /mL，殺滅率99.99%以上；10 min后≤1.0 TCID50 (log10) /ml，殺滅率可認(rèn)為>99.9999%。從表中也可以看到殺滅率LOG值與累積照射劑量（這里為照射時(shí)間）呈正相關(guān)關(guān)系，并且在LOG低于4前呈線性關(guān)系。那么在105.8 /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(guān)系的規(guī)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(jié)合光觸媒產(chǎn)生活性氧而破壞病毒的RNA鏈，但UVA紫外線（365 nm，2133 μW/cm2）對(duì)SARS-CoV冠狀病毒沒(méi)有殺滅作用。

董小平團(tuán)隊(duì)[8]于2003年報(bào)道強(qiáng)度>90 μW/cm2的UVC照射冠狀病毒，60分鐘就可以殺滅SARS病毒（注意原文是60 min而非此前新聞中說(shuō)的30 min），換算累計(jì)劑量324 mJ/cm2，低于Taylor團(tuán)隊(duì)的1445 mJ/cm2，可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件或病毒樣本來(lái)源存在差異，且董小平團(tuán)隊(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有給出具體LOG值，所以存在5倍區(qū)別（反映在殺滅率上的LOG值僅為0.5）。從性能冗余角度，建議應(yīng)用廠家在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)按99.99%殺滅率對(duì)應(yīng)需要1085 mJ/cm2劑量。

本月初疫情擴(kuò)散，我們根據(jù)國(guó)內(nèi)外幾篇文獻(xiàn)資料綜述的新型冠狀病毒的致死劑量，初始濃度約105.8/mL新型冠狀病毒，99.99%殺滅率對(duì)應(yīng)需要紫外線致死劑量預(yù)測(cè)為1445 mJ/cm2。這個(gè)劑量不準(zhǔn)確，需要修正。這是通過(guò)光功率密度乘以時(shí)間計(jì)算出來(lái)的劑量。這種推論漏掉了一個(gè)細(xì)節(jié)，那就是這個(gè)SARS的測(cè)試場(chǎng)景是高度為1cm的水溶液，用表面的4016μW/cm2的強(qiáng)度來(lái)計(jì)算整個(gè)溶液的照射劑量是不準(zhǔn)確的。輻照強(qiáng)度跟距離的平方成反比。那么溶液底部和頂部的輻照強(qiáng)度是不一樣的。如果計(jì)算累積劑量應(yīng)該取線性平均值。LED是小尺寸出光，近似點(diǎn)光源，被照射面的分布不均勻，考慮到1cm的范圍內(nèi)波動(dòng)較小，影響不大，這里可以近似平均。另外，水溶液對(duì)于UVC的吸收，之前的研究提到純水對(duì)275nm吸收是比較小的，病毒分散的密度也有限，所以這里可以不考慮水的吸收。在深度積分之后，這里鄭重的將新型冠狀病毒致死劑量修正為1085 mJ/cm2，請(qǐng)各位行業(yè)同仁參考。

以上用作殺滅實(shí)驗(yàn)的SARS-CoV病毒分散在磷酸鹽溶液中，可類比物體表面和水中的情況。當(dāng)然，在組織液例如血液中的冠狀病毒已被證實(shí)無(wú)法直接通過(guò)紫外線輻射殺滅[7]。

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

3、空氣中冠狀病毒殺滅需要的紫外線劑量

在50×260×455 mm（高×寬×長(zhǎng)），流速為12.5 L/min的單循環(huán)風(fēng)道中，通入氣溶膠病毒濃度為104~105 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面向內(nèi)照射，將緊貼窗口處紫外輻射強(qiáng)度調(diào)整至599 μW/cm2，穩(wěn)定運(yùn)行15 min后，單循環(huán)出風(fēng)口取樣MHV冠狀病毒跟對(duì)照組相比殺滅率為87.8%。Table2的數(shù)據(jù)還表明，高濕度下病毒氣溶膠的殺滅率更高。

以上數(shù)據(jù)為空氣殺毒場(chǎng)景提供了數(shù)據(jù)支撐，基本可換算出循環(huán)風(fēng)模式下，要實(shí)現(xiàn)2小時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)多于自然菌場(chǎng)景下的燈珠數(shù)量（理論計(jì)算結(jié)果2~4pcs[10]，跟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)）。大腸桿菌99.99%表面殺滅劑量約13.2 mJ/cm2，本文第二節(jié)中SARS病毒所需劑量是其110倍，與空氣凈化需要的劑量倍數(shù)關(guān)系基本是吻合的。那么為了在實(shí)際場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用，有必要將UVC-LED工作時(shí)間改為24h持續(xù)開(kāi)啟，這樣30立方米空間需要配置的UVC-LED數(shù)量為27pcs，已經(jīng)能滿足商業(yè)化應(yīng)用的成本需求。大膽推測(cè)，靜態(tài)水和流動(dòng)水中也可參考此劑量關(guān)系。

4、對(duì)NCP 2019-nCoV新型冠狀病毒UVC紫外線殺滅劑量的參考意義

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SARS-CoV在56℃下加熱處理20 min可以實(shí)現(xiàn)99.999%以上殺滅率，在65℃下所需時(shí)間甚至可以縮短至10分鐘。雖然有信息稱NCP 2019-nCoV在56℃下加熱處理30 min可殺滅。但熱抗性和紫外抗性沒(méi)有類比性，所以SARS的理化特性無(wú)法科學(xué)推導(dǎo)出NCP 2019-nCoV的紫外抗性，只能作為參考。美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)Kurt Bedell, BS給出了距離1.22米下，同樣屬于Betacoronavirus冠狀病毒屬的8.9×105 pfu/mL濃度的MHV-A59和MERS-CoV殺滅所需時(shí)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(qū)別反映在殺滅率上的LOG值僅為0.3，在LOG基數(shù)較高的情況下也就是99.9%和99.95%的區(qū)別，在生產(chǎn)中可忽略不計(jì)。

5、結(jié)論

病毒肆虐，深紫外LED行業(yè)企業(yè)，義不容辭在有效方案開(kāi)發(fā)和核心器件供應(yīng)層面走的更遠(yuǎn)。拋磚引玉，希望本文所述的1085 mJ/cm2 99.99%殺菌率致死劑量（病毒TCID50初始濃度約105.8 /mL）及相應(yīng)的表面消毒和空氣凈化模型助力各類深紫外LED應(yīng)用品開(kāi)發(fā)。期待聯(lián)手志同道合的廠商，共抗新型冠狀病毒疫情。

補(bǔ)充資料

6、參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家衛(wèi)生健康委．新型冠狀病毒感染的肺炎治療方案（試行第四版）[Z]．2020．

[2] LEDinside．疫情之下，關(guān)于紫外線殺菌消毒的這些知識(shí)點(diǎn)要知曉！[EB/OL]．https://www.ledinside.cn/news/20200204-46872.html．

[3] 中華網(wǎng)新聞．對(duì)抗新型冠狀病毒我們能從非典中汲取什么經(jīng)驗(yàn)？[EB/OL]．https://news.china.com/socialgd/10000169/20200121/37728369_all.html#page_2．

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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.

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

[8] Kurt Bedell B, Buchaklian A H, Stanley Perlman M. Ef?cacy 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.

[9]References from DUVTEK    編輯：深圳市德勝興電子有限公司www.uvstry.cn

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