摘要：紫外激光作为一种新型的消毒因子有巨大潜力在空气消杀净化领域替代传统技术。针对深紫外激光光束覆盖面积小、工作效率低的问题，提出一种基于深紫外激光高反射膜的空气杀菌消毒机结构，其原理是激光器输出深紫外光消毒光束到激光反射腔体，腔体中的深紫外激光高反射膜将深紫外光多次往返反射形成杀菌消毒光幕，空气循环系统将外部空气抽入激光反射腔体，空气中细菌、病毒和其他微生物在通过光幕时被超快消杀灭活，再将空气排出机器。生物实验结果表明，该试验机在160 m3密闭空间开启120 min后，空气中菌落总数为2.4 CFU/（皿·15 min），并且周边30 cm处的紫外线泄漏量小于0.1μW/cm2，空气中臭氧浓度小于0.003 mg/m3，符合GB/T18202—2000和GB15982—2012对紫外线消毒机对空气中菌落总数、紫外线泄漏量和空气中臭氧浓度的要求。该杀菌消毒腔杀菌效果良好，消杀效率高，同时有效防止紫外光泄漏。

　　关键词：消毒机；反射膜；紫外激光；结构设计

　　0引言

　　随着全球卫生安全和公共健康意识的不断增强，人们对于预防疾病传播的重视程度也与日俱增[1]。特别是在面对新型传染病如SARS、流感等突发公共卫生事件时，人们更加意识到控制疾病传播的紧迫性和重要性[2]。杀菌消毒技术作为一项关键的防疫措施，正持续不断地演进和发展[3-9]。

　　紫外光作为一种高效的杀菌消毒手段备受关注，其在疾病控制和预防领域发挥着重要作用[10-16]。紫外线能够破坏细菌和病毒的DNA或RNA，这些损伤有多种形式，包括链断裂、蛋白质RNA交联和相邻嘧啶之间的二聚体。基因组中有损伤的病毒可能仍然能够进入宿主细胞，但损伤的存在会损害病毒复制所需的聚合酶的功能，从而阻碍病毒的复制周期，使之不能复制繁殖，这就是紫外光消杀的基本原理。相较于传统的化学消毒方法，紫外光消毒具有不产生化学残留物、不易产生耐药性、不会对环境造成污染等优点，因此备受青睐。

　　在医疗卫生领域，紫外光被广泛应用于医院手术室、病房、实验室等场所的空气和表面消毒，有效防止医院内部交叉感染[17-18]。在食品加工行业，紫外光被用于食品包装、生产线以及餐具的消毒，确保食品安全和卫生[19-20]。在交通运输领域，紫外光消毒设备被用于飞机、高铁等交通工具的内部消毒，防止疾病在旅途中传播[21-22]。

　　紫外发光二极管（LED）和紫外汞灯是最常用的紫外光源，然而紫外LED光源消杀效率较低，大部分辐照能量以热能的形式丧失，并且工作寿命较短；紫外汞灯对病毒的消杀速度较慢，导致对周遭生物污染环境的消杀效率低下。这是因为LED和紫外灯是非相干光源，在辐射时发散角较大导致光学辐照度非常低，功率密度衰减严重。深紫外激光作为相干光源，可以以极小的发散角的情况下传播约1 000 m的距离，实现比非相干光源更高的辐射强度，其激光辐照度比传统紫外汞灯或LED高4~6个数量级[23]。

　　本文根据深紫外光的杀菌机制，提出激光反射折叠光幕，利用深紫外激光高反射膜，参考杀菌消毒实验基本流程，分析消杀过程中的基本问题，使用SolidWorks和AutoCAD软件设计了杀菌消毒机的机械机构，提升紫外激光消杀性能并且在符合国家标准的试验条件下，测试该杀菌消毒机的杀菌性能。该紫外激光消毒腔杀菌效果良好，超高速消杀效率，同时有效防止紫外激光泄漏，无强氧化剂泄漏风险，可分解臭氧等显著优点，在民用和军用的空气消毒净化领域具备成为下一代新型消毒设备的发展潜力。

　　1深紫外激光杀菌消毒机总体结构与工作原理

　　深紫外激光杀菌消毒机三维模型如图1所示，由深紫外激光器、空气循环系统和激光反射腔体3大功能部件组成。

　　激光器由泵浦源、谐振腔和增益介质构成，将电能转换为光能，以激光的形式输出。激光相比于普通的光具有高单色性、高方向性和高相干性的特点。通常激光器直接输出的光在红外波段，再经过频率变换系统，将激光的波段变换到紫外波段，这样输出的光就可以进入光束整形系统。

　　空气循环系统将机器外部的空气吸入机器内，使之通过“光幕”，完成消毒过程，再将消毒后的空气排出机器外。空气循环系统需要达到与消毒要求匹配的风量，以及在循环的过程中降低使用噪声，减小风阻和内部风“自循环”。

　　激光反射腔体内壁贴有深紫外激光高反射膜，是消毒机的核心工作部件。

　　杀菌消毒机的主要功能部件如图2所示，紫外消毒箱体中的激光器发出深紫外激光消毒光束，光束被平凹透镜发散后射入消毒腔室，并在消毒室内经过多次反射形成消毒光幕。空气在进气风扇的作用下通过设备侧壁进入紫外消毒箱体，经过消毒光幕的照射消毒后，在排气风扇的作用下从上方的空气出口流出。

　　2深紫外激光反射腔设计
　　2.1商业紫外光反射膜选型

　　商业反射膜按照膜的材料可以分为金属反射膜、陶瓷反射膜和聚合物反射膜。常见用于制备金属反射膜的金属材料包括铝、银、金、铜等。金属反射膜具有良好的抗紫外线降解性能，但是对温度较为敏感，影响环境中消毒机的工作效果。陶瓷反射膜通常由氧化物或氮化物等陶瓷材料组成，耐腐蚀性强，不易受到环境的影响，具有较长的使用寿命，然而陶瓷材料通常具有较高的脆性，在弯曲作用下容易发生应力集中，导致反射膜断裂或破损，影响陶瓷反射膜的光学性能和稳定性。用于制备聚合物反射膜的聚合物材料有聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯等。聚合物反射膜相比金属或者陶瓷反射膜具有轻便、灵活、可弯曲等优点，能够适应各种形状的曲面结构，便于安装和处理。

　　最终选择了Thorlabs公司PMR10系列多孔聚四氟乙烯反射膜。该反射膜是一种微孔薄膜，孔径1~7μm，对250~400 nm波段光线全向反射率大于93%，工作温度为-40~260℃。聚四氟乙烯具有良好的疏水性能，高拉伸强度，暴露在紫外线下几乎不会降解。并且，聚四氟乙烯具有良好的粘接焊接性能，能够被用来拼接出复杂的结构，贴合杀菌消毒腔的内壁空间。另外，薄膜中的微孔结构可以有效缓解热应力膨胀和弯曲过程厚度方向的应力分布不均导致的结构变形，提高工作过程中性能的稳定性。
　　2.2激光反射腔体结构设计

　　激光反射腔体的功能是将一束细而直的激光整形成为长度和宽度匹配风循环通道的一个“光幕”，形成“光幕”后，气体循环通过有消毒功能的“光幕”，这样就达到了消毒的作用，其原理是利用上述的紫外激光高反射膜多次反射消毒光束并减小能量损失。

　　反射腔主要由反射腔侧壁、平凹透镜组件和引流窗组成，如图3所示。反射腔侧壁由2个半圆形腔室板和2个平行板首尾相连组成，并且通过焊接把相邻的两块板连接在一起。焊接连接具有良好的密封性，防止反射腔内的紫外光泄漏。平凹透镜一面是球面，另一面为平面，中间薄于两边，用于将一组平行光发散出去。一组平凹透镜以中心对称的方式被安装在反射腔侧壁，提高消毒光幕的连续性和覆盖面积，从而提高对空气中病菌的消

　　杀效率。引流窗由引流叶片和支撑架组成。引流叶片以45°固定连接于支承架，使空气倾斜流进消毒腔室，紫外消毒光幕与空气作用的时间延长，从而获得更好的对空气消毒效果。

　　3腔体消杀效率测试

　　将该紫外光反射腔应用于紫外线空气杀菌消毒机，对试验机紫外线泄漏量、试验空间臭氧浓度，试验空间空气微生物污染情况进行了检测。

　　3.1紫外线泄漏量检测

　　根据GB28235—2020对该试验机进行紫外线泄漏量检测[24]。开启消毒机直到消毒机稳定工作，用紫外照度计在距离试验机周边30 cm处用紫外照度计测量其辐射照度，试验重复3次，结果取平均值，如表1所示。距离试验机周边30 cm处的紫外线泄漏量小于0.1μW/cm2，符合GB28235—2020中对紫外线泄漏量的规定。

　　3.2臭氧浓度

　　根据GB/T18202—2000对试验机工作状态下臭氧浓度测试[25]。将待测试验机置于160 m3密闭空间中，开启试验机后，根据标准测试距离地面1.5 m处的臭氧浓度，每5 min记录1次，测试总时间为2 h，结果取平均值，如表2所示。该试验机在160 m3密闭空间中开启120 min后，空气中臭氧浓度小于0.003 mg/m3，符合GB/T 18202—2000中对臭氧浓度不大于0.1 mg/m3的规定。

　　3.3空气微生物污染检测

　　参照GB15982—2012测试试验机的工作效果[26]。将本文设计的试验机放入试验空间内，关闭门窗，在试验空间的采样点放置已制备好的培养皿（直径9 mm标准平皿），暴露15 min，作为试验前样本。开机运行120 min后，将已制备好的培养皿按采样点逐个放置，同样暴露15 min，选定3个TSA培养皿作对照培养，全部采样结束后，将所有培养皿倒置于37°C培养箱中培养，环境温度为（20~21）℃,相对湿度为（57~58）%RH，试验结果见表3。由表可见，该试验机在160 m3密闭空间（留观室）中开启120 min后，空气中菌落总数为2.4 CFU/（皿·15 min），符合GB15982—2012中对空气菌落数量的规定。

　　4结束语

　　本文通过对现有紫外光消杀技术中存在的问题分析，利用深紫外激光高反射膜设计了一种以激光反射腔室为核心的深紫外激光杀菌消毒机。该消毒机由激光器、空气循环系统、激光反射腔3部分组成，空气循环系统吸入空气到反射腔，反射腔中的杀菌消毒光幕对空气中的病菌灭活。根据国家标准对该消毒机的紫外线泄漏量、臭氧浓度、空气微生物污染3个核心参数进行了测试。试验结果表明距离试验机周边30 cm处的紫外线泄漏量小于0.1μW/cm2，试验机开启120 min后，空气中臭氧浓度小于0.003 mg/m3、空气中菌落总数为2.4 cfu/（皿·15 min），符合国家标准要求。该设备消杀效率高，无紫外线泄漏风险，显著提高空气质量，应用前景和市场发展潜力巨大。

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