更新時間：2024-07-12
紫外線對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查報告簡述
摘要：根據文獻中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基礎模型用于各類應用品開發。
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，中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所專家董小平研究團隊發現，強度大于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于新型冠狀病毒NCP 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面。
當然，受制于有限的實驗資源，實際開展針對新型冠狀病毒NCP 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，以及用于研究冠狀病毒分子病毒學的模式病毒MHV均屬于Betacoronavirus。這種病毒的基因組是一條單股正鏈RNA，長度約為30，0000個核酸，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構同理性，因而對紫外線的抗性具有相似性和互為參考。
基于以上事實，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，將表面、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，以用于指導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，這里不再贅述。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，這并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 紫外燈管的殺滅效率是一樣的，這里也可以將燈管的殺滅數據類比為深紫外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后存活數量~10 /mL，殺滅率99.99%以上；10 min后≤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（這里為照射時間）呈正相關關系，并且在LOG低于4前呈線性關系。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值與劑量呈線性關系的規律，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]于2003年報道強度>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而非此前新聞中說的30 min），換算累計劑量324 mJ/cm2，低于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（反映在殺滅率上的LOG值僅為0.5）。從性能冗余角度，建議應用廠家在進行方案設計時按99.99%殺滅率對應需要1085 mJ/cm2劑量。
本月初疫情擴散，我們根據國內外幾篇文獻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%殺滅率對應需要紫外線致死劑量預測為1445 mJ/cm2。這個劑量不準確，需要修正。這是通過光功率密度乘以時間計算出來的劑量。這種推論漏掉了一個細節，那就是這個SARS的測試場景是高度為1cm的水溶液，用表面的4016μW/cm2的強度來計算整個溶液的照射劑量是不準確的。輻照強度跟距離的平方成反比。那么溶液底部和頂部的輻照強度是不一樣的。如果計算累積劑量應該取線性平均值。LED是小尺寸出光，近似點光源，被照射面的分布不均勻，考慮到1cm的范圍內波動較小，影響不大，這里可以近似平均。另外，水溶液對于UVC的吸收，之前的研究提到純水對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，請各位行業同仁參考。
以上用作殺滅實驗的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]。
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）對于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
在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后，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，這遠遠多于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）。大腸桿菌99.99%表面殺滅劑量約13.2 mJ/cm2，本文第二節中SARS病毒所需劑量是其110倍，與空氣凈化需要的劑量倍數關系基本是吻合的。那么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系。
4、對NCP 2019-nCoV新型冠狀病毒UVC紫外線殺滅劑量的參考意義
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有類比性，所以SARS的理化特性無法科學推導出NCP 2019-nCoV的紫外抗性，只能作為參考。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殺滅率上的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面走的更遠。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）及相應的表面消毒和空氣凈化模型助力各類深紫外LED應用品開發。期待聯手志同道合的廠商，共抗新型冠狀病毒疫情。
補充資料
6、參考文獻
[1] 國家衛生健康委．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，關于紫外線殺菌消毒的這些知識點要知曉！[EB/OL]．https://www.ledinside.cn/news/20200204-46872.html．
[3] 中華網新聞．對抗新型冠狀病毒我們能從非典中汲取什么經驗？[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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