摘要：在空气净化消毒杀菌中，传统的LED灭活和紫外照明灯灭活和静电吸附等方法难以对高速流动的空气进行高效净化，为此设计并测试了一种基于紫外激光用于室内消杀杀菌的空气净化装置，利用266 nm的紫外激光破坏微生物细胞中的脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）结构从而达成超高速空气消杀效率，其消毒净化过程中无副产物和二次污染。基于266 nm深紫外激光光源多次往复反射折叠形成深紫外激光光幕，通过雾化器制备大肠杆菌气溶胶并通过气泵将含有大肠杆菌气溶胶的流动气体通过深紫外激光光幕，并测量消毒前后大肠杆菌浓度。试验评估了该装置的净化效果和性能表现。结果表明：在紫外激光功率为1 W，气泵的风量为37 L/min，大肠杆菌浓度为2 500~25 000 CFU/m3情况下，紫外激光空气净化装置对大肠杆菌的单次通过杀菌效率可以达到99.97%。所设计的装置及试验结果可为紫外激光空气净化装置的改进与优化提供技术参考和数据支撑。

　　关键词：紫外激光；消毒消杀；空气净化

　　0引言

　　空气中微生物的传播不仅直接影响人们的健康和生活质量，同时也在某些情况下构成公共卫生威胁，人们对空气净化技术的需求变得尤为迫切。据研究表明，新冠病毒主要通过气溶胶和手口接触进行传播，其中气溶胶是其主要传播途径之一。此外，国际货运系统也为病毒的跨国传播提供了便利条件，并且交通枢纽的空调系统也可能存在病毒传播风险[1-8]。因此，开发一种高效的空气净化技术，尤其是针对气溶胶的净化技术，具有重要的意义。

　　目前已有的消毒净化技术主要有LED灭活、紫外照明灯灭活、静电吸附净化和传统化学方法[9-13]。LED灭活采用紫外LED光源，其优势在于体积小、不含汞等，但紫外LED随着距离增大，辐照强度显著下降，对高流速的流体杀菌效果较差，不适合远距离消毒[14]。紫外照明灯采用低压汞灯或氙气灯作为光源，通过产生紫外辐射来灭活病毒。这种方法的优势在于设备成本相对较低、应用范围广泛，但随着紫外灯管功率增加，消毒杀菌效果增幅明显低于辐射强度增幅[15]。并且LED和紫外照明灯的辐照能量、功率密度通常都较低，辐射范围有限，需要较长的暴露时间才能实现较高的灭活效果。同时还存在可能损害室内空气质量的问题[16]。现阶段广泛应用的静电吸附式空气净化装置只能起到除尘作用而不能杀菌消毒。传统的化学方法不适用于这种气溶胶情况，因为化学物质在空气中存在有毒或易燃的问题，并且在任何情况下都不建议在有人在场的情况下喷洒化学药品进行消毒。

　　对于暖通空调系统，在高速气流条件下，没有已知的方法能够足够快地消毒气溶胶。以中央空调系统为例，风速一般为20 m/s~30 m/s。因此，在中央空调系统中，对房间气流进行消毒时，20 m风道的消毒时间应小于1 s，2 m风道的消毒时间应小于0.1 s，0.2 m风道的消毒时间应小于0.01 s。因此，需要一种安全（无有毒或易燃化学品）和快速（快到足以消毒流动空气）的消毒方法[17]。

　　紫外激光空气净化技术利用紫外激光辐照的特性来消灭空气中的细菌、病毒、霉菌、支原体、衣原体等致病微生物，从而消毒净化空气。其主要原理如下。紫外线辐射：紫外线是一种电磁波，具有较高的能量，分为长波黑斑效应紫外线（UVA）、中波红斑效应紫外线（UVB）和短波灭菌紫外线（UVC）3种类型。在空气净化中，主要使用具有较高的能量和杀菌效果的UVC波段紫外线。UVC紫外线辐射照射到微生物的脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）上，能够破坏其分子结构，从而达到杀灭的效果，这表明波长在260~270 nm左右的紫外激光是安全、快速消毒病毒的理想选择。特别是266 nm波段位于DNA或RNA的吸收峰，因此具有超快的高效灭活的性能[17]。紫外激光空气净化系统设计为循环系统，通过风机将空气引入净化装置，经过紫外线辐射区域后再释放到室内。这样可以持续消毒净化室内空气，保持空气的清洁健康。

　　此外，在军事领域，细菌战和生物战作为一种非常规战争手段，对于军事安全和国家稳定构成潜在威胁。紫外激光空气净化技术在军事领域也具有一定的潜在应用，可以有效地防范和应对细菌战生物战等恶劣环境下的空气传播疾病。

　　综上所述，基于紫外激光技术的空气净化装置的设计与试验具有重要的理论意义和实际应用价值。通过搭建一种紫外激光空气消毒装置并进行实验测试，有望为改善室内空气质量、应对疫情传播、保障国家安全等方面提供有效的技术支持和解决方案。

　　1装置结构设计

　　在设计实验装置时，首先考虑的是实验的目标和需求，以确保装置能够有效地执行预定的任务。本研究的核心目标是探究紫外激光光幕对大肠杆菌气溶胶的杀灭效果，因此，装置的设计须围绕这一目标进行。通过模块化的设计思路，将装置分解为若干关键组件，每个组件都有特定的功能，并且可以协同工作以达到最佳的实验效果。本实验装置主要由雾化器（PARI COMPACT N）、气泵（Thermo Fisher 420-2901-00FK）、匀气室、紫外激光光幕、收集瓶、粒度仪（Hal Technologies HAL-HPC300）和过滤器（GE Healthcare Bio-Sciences high-ef⁃ficiency particulate air filter）等组成。

　　雾化器采用雾化器气泵和雾化瓶，用于将大肠杆菌悬液雾化成微小颗粒。雾化器应具备稳定的雾化效果，以满足提供浓度稳定的大肠杆菌气溶胶气体的实验需求。实验装置中通过一个气泵，将洁净空气和雾化器产生的大肠杆菌悬液混合送入匀气室，并维持气体循环。气泵需要具备稳定的气体输送能力即流量稳定，以提供稳定流量的大肠杆菌气溶胶气体。匀气室位于气泵和消毒光幕之间，用于混合雾化瓶中的气溶胶和空气，使其混合均匀。紫外激光光幕作为核心部件，安置在匀气室之后，用于对通过的气体进行紫外激光辐射，实现对细菌、病毒等微生物的杀灭。基于266 nm深紫外激光光源产生单束激光通过多块反射镜实现多次往复反射折叠从而形成深紫外激光光幕。紫外激光光幕应具备稳定的辐射能力和可调节的辐射强度，以满足不同实验条件下的需求,在不同大肠杆菌浓度下均能实现较高的一次通过杀菌效率。收集瓶位于紫外激光光幕之后，用于收集经过光幕处理后的气体样品，以便后续的分析和检测。粒度仪用于对混合后的气体进行颗粒大小的测量和分析，以评估气溶胶颗粒的大小和分布。过滤器位于收集瓶之后，用于对气体样品进行过滤处理，去除其中的颗粒和杂质，以保证再次进入匀气室的气体洁净。本实验装置整体结构设计如图1所示。

　　2生物气溶胶实验测试

　　2.1大肠杆菌悬液的制备

　　为了制备实验中的大肠杆菌气溶胶，首先需要制备大肠杆菌的悬液。本实验选用大肠杆菌8099。大肠杆菌悬液的制备主要分为标准菌种的复苏、确认、甘油冷冻管的制备、菌悬液的制备和浓度测定5个步骤。首先，利用营养肉汤培养基复苏标准菌种，并在营养琼脂平板上进行确认。其次，将确认后的标准菌种接种至含有营养肉汤的锥形瓶中，培养出第一代大肠杆菌。接着，制备甘油冷冻管，将培养好的大肠杆菌与甘油混合并冷冻保存，以备日后使用。然后，利用培养基培养并提取大肠杆菌悬液，通过离心和洗涤等步骤得到悬液。最后，通过平板涂布法和OD600光密度法测定悬液中的细菌浓度。这些步骤确保了制备出的大肠杆菌悬液质量稳定，可用于后续实验中的应用[18-19]。

　　2.2生物气溶胶的发生、收集

　　在实验室模拟生物气溶胶的生成过程中，雾化瓶是最常用的装置之一。这种装置的设计和应用，使得能够有效地从菌悬液中制备出具有特定特性的细菌气溶胶。在雾化瓶内部通过超声波的作用将菌悬液离散成一个粒径分布广泛的气溶胶颗粒群。这些颗粒中，粒径较大的液滴有更大的质量和惯性，会在重力的作用下迅速沉降，然后重新被气溶胶化，与此同时，只有那些粒径足够小的液滴，才能够克服重力和惯性的影响，成功地从雾化器中逸出。这些微小的液滴在空气中悬浮，形成了稳定的气溶胶云雾。由于这一过程是连续且可控的，因此生成的气溶胶具有较为均匀的粒径分布和稳定的浓度[20]。

　　2.3紫外激光辐照装置

　　紫外激光辐照装置如图2所示。紫外激光辐照装置主要由激光器和反射镜组成，激光器为功率为1 W的266 nm激光器，激光光幕腔内部通过多块反射镜实现多次往复反射折叠从而形成深紫外激光光幕。含有大肠杆菌气溶胶的气体通过匀气室和进气口流入，从出气口流出并被采集和检测。

　　3实验结果分析

　　对设计的紫外激光空气净化装置进行了实验设计与测试，如图3所示。本实验装置通过雾化器气泵将大肠杆菌气溶胶雾化进入雾化瓶，双向气泵将雾化瓶中的气体和洁净空气送入匀气室使得气溶胶和空气混合均匀，接着通过紫外激光光幕，把经过紫外激光光幕的气体分别送入收集瓶和粒度仪，经过收集瓶后的气体经过过滤再次流向双向气泵循环。实验中通过平板涂布法计数并计算收集瓶中的大肠杆菌浓度，通过粒度仪测量大肠杆菌气溶胶的颗粒大小和分布。

　　实验使用气泵的风量为37 L/min。大肠杆菌悬液经过雾化瓶雾化后，经过初步测定，形成的气溶胶中大肠杆菌浓度约为2 500~25 000 CFU/m3。为了准确评估紫外激光净化装置的效率，在光幕的上游和下游设置了采样点，通过对比两处的大肠杆菌浓度来计算净化效果。同时为了计算结果更精确，还需要考虑到在不开启紫外激光光幕的情况下，实验台上的细菌自然消亡率。这一数据将作为后续计算的重要参考。本实验中通过平板涂布法计数并计算大肠杆菌浓度。采样结束后，将平皿放入37℃培养箱于（36±1）℃环境下培养48 h观察结果。相关计算公式如下：

　　式中：N为自然消亡率；′n为未开启消毒光幕时的上游浓度；′d为未开启消毒光幕时的下游浓度；Ew为净化效率；n为开启消毒光幕时的上游浓度；d为开启消毒光幕时的下游浓度。

　　在不开启激光光幕实验结果如表1所示。

　　在未开启激光光幕的条件下，对实验装置上下游的大肠杆菌浓度进行监测，结果显示大肠杆菌浓度呈现轻微下降。这一现象指示，在无激光辐照干预的情况下，部分大肠杆菌在通过装置过程中经历了自然死亡。据此，可以计算得出大肠杆菌的自然消亡率约为4.46%。该基础数据对于后续实验中准确评估激光光幕的空气净化效率至关重要，因为它为排除非激光因素导致的微生物浓度变化提供了基准。通过对比激活激光光幕后的浓度变化与自然消亡率，可以更精确地量化激光光幕对大肠杆菌的杀灭效果，从而评估其作为空气净化技术的有效性。

　　开启激光光幕再进行实验。在开启激光光幕实验结果如表2所示。

　　通过紫外激光空气净化实验，在开启激光光幕后可以观察到下游的大肠杆菌浓度大幅度下降。通过实验数据计算，紫外激光光幕一次通过净化效率可以达到99.97%。这一结果充分证明了紫外激光消毒技术在杀灭细菌方面的高效性，实现了对空气的快速净化。紫外激光消毒技术在细菌消杀方面表现出良好的效果，具有广阔的应用前景。通过进一步优化实验条件和技术参数，紫外激光消毒技术有望成为应对细菌病毒传播和防控的重要手段之一。

　　4结束语

　　本文综述了现代空气消毒技术一些常用的手段。对紫外激光、LED和紫外照明灯对微生物气溶胶的消毒性能分析和优缺点比较，确定266 nm紫外光是超高速消毒的理想选择。在此基础上，基于266 nm深紫外激光光源产生单束激光通过多块反射镜实现多次往复反射折叠从而形成深紫外激光光幕。基于紫外激光光幕，搭建一套大肠杆菌气溶胶制备装置用于产生含有一定浓度的气溶胶气体，将含有大肠杆菌气溶胶的流动气体通过此深紫外激光光幕，测量消毒前后大肠杆菌浓度，并进行计算，得到了该装置一次通过净化效率。实验结果表明，深紫外激光空气净化装置对大肠杆菌的灭活速度足够快，并且效率很高，可以实现单次超高速消杀流动的生物气溶胶。为了进一步研究并实践激光作为一种实用的超快消毒方法，激光束的小面积（导致消毒面积或体积小）仍然是主要限制之一，另一个主要问题则是成本。因此，以合理的成本产生满足设计消毒体积和剂量的激光活性区是激光成为一种实用消毒方法的关键。需对光束整形进行优化设计，以实现大的有源面积、最小的光学元件功率损耗并降低每瓦激光成本。

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