CN102325565B - 用于在空气和表面中产生高水平消毒作用的改善的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对被微生物污染的所有类型的表面和屋内空气和室内空气进行消毒和灭菌的改善的方法、工艺和设备。所述改善的设备由多波长窄谱宽UV源组成，其在破坏病毒、细菌、孢子和包囊的DNA和外壳或膜方面比基于汞的254nm杀菌灯更有效。

Description

用于在空气和表面中产生高水平消毒作用的改善的方法和设备

技术领域

本发明教导了用于对空气、所有类型的表面和食物进行除微生物消毒和灭菌的改善的方法和设备。所述方法利用组合了远UV光子与UV-C光子的效果的多波长UV光子，从而产生出高于单独地使用任一来源而可能产生的消毒作用水平的消毒作用。所述设备由在相同激发过程期间产生不同波长的两个分开的室组成。

背景技术

用于空气的灭菌和消毒的所有现有技术主要基于使用可商购的杀菌紫外(GUV)灯。这些灯为脉冲激发或连续激发。连续光谱灯以汞为基础，并且主要在254nm发射。目前有很多公司生产基于GUV光的设备以用于破坏室内空气中的病毒、细菌、孢子和病原体。因为其使得室内空气流持续暴露于处理光并且随时间过去具有足够的处理暴露时间，因此是有效的处理。所需的暴露时间在数十秒至数百秒的范围内，这取决于在254nm下不同微生物的光吸收能力。尽管这对于处理单独房间的室内空气是有效的，但对于处理快速通过大管道的大体积流动空气并不实用。其长的处理时间的需要使其在处理大多数表面中并不实用。

根据其对生物系统的不同作用，宽的紫外谱被分成四个区域。有关这些区域的医学术语主要有：UV-A，其定义为320nm至400nm的范围或波段；UV-B，其定义为280nm至320nm的波段；和UV-C，其定义为包含小于280nm的波长。目前，UV-C波段被进一步细分成由185至250nm的远UV(FUV)和250至290nm的UV-C组成的两个部分。因为化学键的吸收光谱比这些广义定义的波段窄得多，因此光化学家和光生物学家一般不使用这些术语。作为替代，其使用所施用的辐射的波长以与所观察到的作用相关联。

已主张使用杀菌的UV-C(GUV)辐射使DNA失活。这是因为汞灯在254nm的发射接近于良好的DNA吸收波段。尚未主张将不同波长的UV光子组合以产生更高水平的微生物失活。此外，尚未主张将FUV光子与UV-C光子组合以产生更高水平的微生物失活。远UV光子源靶向峰吸收在200nm的含氮碱基吸收波段，而UV-C光子源靶向其他含氮碱基吸收峰(282nm)和氨基酸吸收峰(254-265nm)。与单独地使用任一光子源相比，多波长UV光子的应用在病原杀灭或失活方面产生了改进。

在过去若干年中，基于受激准分子的激发的新型UV发射灯变得可商购获得。这些发射器产生单线或窄谱发射，其发射波长由灯的气体组成决定。如果选择处理灯的波长以密切匹配微生物不同组分吸收波段的吸收峰，则能够在较短的时间内将致死剂量递送至微生物。没有发现任何专利教导使用具有支持装置的与UV-C源联合的FUV源，其能够有效且有效率地对各制备阶段中的大体积的空气、大的表面和小的表面、以及食品进行消毒和灭菌。

在本说明书中，灭菌作用或灭菌是指灭菌作用或由USFDA定义的高水平消毒作用。消毒剂或消毒作用是指所有其他水平的消毒作用。

所有存活生物的基因组成都包含在其DNA分子中。复制通过DNA分子的分裂而发生，而DNA分子通过其结构的转换而复制其本身。DNA分子的各部分已被命名为例如嘧啶碱基、胞嘧啶、胸腺嘧啶或尿嘧啶，其形成维持生命的一组生物化学品。长DNA分子通过使用与见于糖中的那些类似的简单连接而保持在一起。

研究者认为GUV光子的能量导致特定的生物化学品之间产生强的(共价)键的形成。然而，共价键的键强度非常依赖于参与原子的相对位置。当键在键中氢原子的两侧对称时，将其称作二聚体。二聚体是非常强的键，并且在液体气化期间通常不会断裂。已知GUV光产生胸腺嘧啶二聚体、胞嘧啶-胸腺嘧啶二聚体和胞嘧啶二聚体。在形成二聚体后，DNA的进一步的复制停止。图1显示了DNA分子中形成二聚体的原理。

DNA分子吸收从约180nm至约400nm的光。使用基于汞激发的商业灭菌灯，这是因为其发出的光子接近于DNA氨基酸的260nm吸收峰。灯中的汞气体及其压力决定了发射光的波长。对于低压(LP)和低压高输出(LPHO)灯，发射波长为254nm。对于中压灯，发射范围为200nm至高于400nm。然而，对于连续发射灯，低于245nm的发射光强度是无效的；而对于中压灯，低于235nm的发射光强度是无效的。脉冲灯中的氙气产生与中压汞灯类似的多波长发射。然而，对本专利关键的是，多波长源产生两个不同的窄谱宽(通常被称作单线)发射，其对应于微生物DNA的至少两个峰吸收发色团。在本专利其他部分将此源称作双-单线灯。见于文献中的报道已证明其他波长的UV光子或低波长蓝光可促进受损键的修复，并允许生物重新启动复制。这常被称作光复活作用。

DNA作用谱显示多个峰，其依赖于构成所述生物的含氮碱基和氨基酸的组成。尽管已显示FUV光子对于断裂键有效，但FUV和UV-C的恰当的双波长组合可能同样有效或更加有效。

近期的技术论文(Peak等，UVactionspectraforDNAdimmerinduction.，PhotochemistryandPhotobiology，40，5(613-620)，1984)表明二聚体的形成不是使DNA失活的唯一要求。在长DNA分子中的不同分子基团(moleculargroup)对不同波长光子的吸收将增强基团间的能量转移。与仅影响少数基团的单波段光子相比，损坏或破坏这些键基团可更有效地使DNA失活。尚没有人完成对组合工作的不同单线UV发射器的失活功效的详细研究。

有很多文献涉及对物质的多光子作用，由于不同光子的能量会共振或在分子的电子或原子中产生不同的能级，其能够产生不同的过程。本说明书中的原理是使用由相同的灯发出的多个窄线波长对微生物产生多个吸收途径作用。可以确信，由于多光子相互作用能够通过更多的途径发挥其破坏作用，因此可产生更大的损害和更高的生存率下降。这些途径可简单地通过导致途径中键的物理断裂的共振吸收而发生。其还导致不同氨基酸、含氮碱基、核苷酸和允许生物复制的其他关键键的显著交联。这些键的交联能够并且会导致使生物无法进一步复制的条件，并且可降低这些传染性物质向该区域中的人群的传播。

发射的光子的能量由其波长决定。光子能量在250nm下为约5ev，并且在较短的波长下增加。DNA中的不同键将受到不同能量的光子的影响。

来自FUV灯的540kJ/摩尔光子能量超出了蛋白质中很多肽键以及DNA中含氮碱基的键能。细菌细胞被包含很多蛋白分子的脂质膜或细胞壁环绕。细胞壁对于很多细菌的生存至关重要。FUV光能够损害此结构中的蛋白，而GUV则不能。这会导致微生物的物理损害。图2显示了萎缩芽孢杆菌(Bacillusatrophaeus)在1000x放大率下的显微照片。在1000x镜头下可清楚地看到，光子冲击导致侧壁破裂和生物分裂。这是已知光子确实导致对病原的损害和破坏的首个照片证据。接受相同辐射曝露的相应载波片没有产生任何复制，表明对生物的100％杀灭。

已经充分证明，在所有蛋白中，肽键是造成在两个不同波长区域(即200nm处和280nm处)的峰吸收的原因。DNA中的所有含氮碱基以及形成细菌、孢子和病毒的细胞外膜的蛋白同样显示出在200nm和/或接近280nm的峰吸收。这同样发生在核-蛋白、二甘肽、三甘肽和牛白蛋白中(McLaren等，PhotochemistryofProteinsandNucleicAcids，PergamonPress，MacmillanCompany，1964)。氨基酸具有接近260nm的峰吸收波段。在222nm和/或282nm处发射的UV灯将产生被含氮碱基和蛋白质的最大光子吸收。在260nm处发射的UV-C灯将产生被DNA中的氨基酸的最大光子吸收。因此，这3个波长是允许破坏微生物的主要吸收波段。

测试：

使用3种不同的微生物进行了多个比较测试以测试此原理。将每种生物接种在皮氏培养皿中，并暴露于UV光子的不同组合。附图显示了具有浅和深背景的相同培养皿，以获得结果的良好对比。

图3使用粘质沙雷菌(Serratiamarcescens)作为测试生物。培养皿左侧暴露于222nm和254nm光子的组合。培养皿右侧仅暴露于282nm的光子。多波长侧产生了显著的改善。

图4使用黑曲霉(Aspergillusniger)作为测试生物。培养皿左侧仅暴露于282nm光子。培养皿右侧暴露于282nm和254nm光子的组合。多波长侧产生了显著的改善。

图5使用大肠杆菌(Escherichiacoli)作为测试生物。培养皿左侧暴露于222nm和254nm光子的组合。培养皿右侧暴露于282nm和254nm光子的组合。使用恰当的多波长光子组合的右侧产生了显著的改善。

图4使用浮游藻类作为测试结构。培养皿左侧不暴露于FUV光子，但右侧暴露于FUV光子。发生了显著的细胞损害。

分析：

所有测试均使用单线光子源完成，所述单线光子源的发射接近于DNA含氮碱基的两个吸收波段以及DNA氨基酸的单吸收波段的峰吸收。这提供了光子与各不同发色团分子基团的相互作用以及光子与DNA分子中其他发色团基团的相互作用的真实度量。

第一组3个测试的结果显示，与单波长光子相比，在使用多波长窄线光子时，存活生物显著减少。这些测试还证明，双-单线光子的恰当的组合是显著的且依赖于各生物。图6证明了波长选择的重要性。FUV光子产生了显著的细胞损害，而GUV光子几乎没有作用。

对病原进行的类似测试可产生有效杀灭或灭活各病原的最有效的光子波长组合的列表。

发明内容

本方法的关键在于开发双-单线灯，所述双-单线灯发射与微生物的含氮碱基的DNA发色团、蛋白质、氨基酸和其他组分结合键的最大吸收波段密切匹配的至少两个窄波长紫外光子波段。优选的实施方案是发射至少两个不同波长的多波长窄线源。此光谱发射显著地比用于破坏DNA的标准254nm光子更加有效。杀灭作用时间从数十至数百秒降低至0.1秒的时间。双-单线灯能够在其通过时杀灭飞行在空气中的病原。此双-单线灯还有效地破坏基于生物膜和蛋白的变应原。

其中一线位于FUV中的双-单线灯的光子能量足够高，以在类似的作用时间中破坏化学毒性物质的碳键。对于获得短作用(杀灭)时间独特的是确定破坏目标生物或化学品所需的特定波长。选择双-单线源以提供与目标生物或化学品的至少两个主要吸收发色团的峰吸收接近的UV光的至少两个窄发射波段。

一线与另一线相比较的相对强度也能影响杀灭或灭活效率。如果三轴管(triaxtube)中每个室的环具有相同的宽度，并且如果外侧环和内侧室二者的气体密度相同，则来自外侧环的光的强度将大于由内侧室发出的光。在单个三轴灯设计中可产生多于6种的气体密度和环位置的组合。对气体密度和位置的调节提供了对期望杀灭或灭活的所有主要病原最为有效的光子发射组合。

此设备有利于用于在正常日常活动期间对空气、所有类型的表面和食物进行消毒和灭菌的成本有效的改善的方法。此外，此设备能够有效且有效率地对地板、扶手、经常接触流动人群的物体进行消毒。这些区域的常规消毒会显著降低疾病和可能导致人和动物的伤害或生病的有毒物质的传播。

双-单线灯辐射可应用于需要被消毒和/或灭菌的任何物体或表面。例如，可用于放置在病房外的手推车。在病房内使用的所有仪器、纸张和笔都会通过手推车，并在其离开病房时暴露于双-单线灯辐射。此步骤可防止病原向下一位患者的传播。测试还可测定恰当的的暴露限度，并防止在用于消毒人皮肤和伤口区域，手，动物表面例如皮肤、皮毛和毛发，以及医疗设备中使用的关键塑料和材料时可能发生的任何有害作用。

因为双-单线灯源是光源，因此可通过使用光导纤维分配光强，从而引导其照射疏密水平不同的材料。例如，通过将双-单线灯源朝向地板，同时将部分光导向地毯底部或通过嵌入刷子的光纤导向地板刷底部，而使用所述双-单线灯源消毒地板。以类似的方式也可消毒具有不直接暴露于外部源的空腔或区域的产品。例如，用于将双-单线灯引导入牙洞，以在添加填料前消毒内壁和内部组织的单独的光纤。

通过将所有物体直接暴露所需的暴露时间，可以将双-单线灯源用于直接消毒室内表面、设备、装置和衣物，以及室内空气中的微生物。可将若干源组合以确保暴露于所有表面并减少总暴露时间。这可以通过防止病原在离开室内后保持存活而为隔离的室内空气提供有效的处理。可在处理期间通过使用机器人在多个方向上移动一个或多个双-单线灯源并使其围绕室内移动来处理被生物恐怖剂(bioterroristagent)污染的房间。

感染和恐怖分子(terrorist)活动的主要来源指向食物和材料处理。多年来，光子发射器已用于有效清洁食物和表面。然而，本发明使用双-单线灯源，由于其作用时间几乎是瞬时的，因此在处理食物和物体表面中是成本有效的。

双-单线灯源是用于对食物进行干式无化学品消毒的改善方法。可将其用于在播种前消毒种子和芽苗，用于从田地运输至加工中心、仓库和贮藏库、超市处理和厨房制备并递送给消费者的食物原料制备。此外，还可将其用于消毒肉和禽类包装间的切割和工作表面，乃至用于运输和加工肉、农产品和其他食品的切割机和设备。

本发明的设备能够在从贮藏库至食物制备处理的移动中照射输送机装置(conveyorassemblies)、固定车(stationarycarts)和处理途径中的食物。还可将其用于在包装前灭菌/消毒装配线上的医疗或关键部分。

越来越多的证据表明室内空气消毒对于减少由病人在咳嗽或打喷嚏时产生的小气溶胶携带的微生物的感染而言是重要的。目前，室内UV消毒局限于使用置于墙上的汞基杀菌灯，其具有护罩以确保不会照射到人。这些灯通常不包含风扇，但依赖室内气流以使微生物通过灯光。第二个原理是在风扇或鼓风机的流出气流中使用具有一个或多个GUV汞灯的盒。将此盒放置在希望捕获微生物的空间的适当位置，并使微生物通过所述灯及其附近。根据文献中的报道，在这两种情况下，空间内所有的微生物中只有50％被照射。

安装在不同类型设备中的双-单线灯可在每次通过时暴露于多至所有微生物的90％。新的支持设备基于以下事实：通过利用正常气流和由屋顶附近与地板附近相比较的气温差而导致的室内循环气流而产生的条件可以更有效地移动大体积的空气。此设备利用4台或5台在低速下操作的叶片式风扇或被开发用于最有效地辅助空气抬升的专用风扇，将空气引导至可被双-单线或多单线灯照射的上层室内空气区域。可将灯放置在风扇之上以在所有方向上照射抬升的空气柱。挡板可防止光穿透进入专用区域。在所述空气区域内的任何微生物的相对较长的共振时间中，可杀灭或破坏大部分微生物。每次通过可破坏区域中所有微生物的90％以上。在1小时中通过3次后，可破坏99.9％，获得3个对数减少值的有效去除。

附图说明

图1是显示DNA分子中二聚体形成的示意图。

图2是在300x和1000x放大率下的萎缩芽孢杆菌的显微照片。

图3是作为测试生物的粘质沙雷菌。

图4是作为测试生物的黑曲霉。

图5是作为测试生物的大肠杆菌。

图6是作为测试生物的浮游藻类。

图7是本发明优选实施方案的透视图，其限定了其中双-单线灯的重要组件的位置。

图8是本发明优选实施方案的透视图，其限定了用于诸如椅子、扶手、工作台面、盘子、桌面和地板表面等表面的消毒或灭菌的重要组件的位置。

图9是本发明优选实施方案的透视图，其限定了用于在厨房处理前消毒食物或在上菜前消毒烹调物的重要组件的位置。

图10是本发明优选实施方案的透视图，其限定用于风道中的气流的消毒或灭菌的重要组件的位置。

图11是本发明优选实施方案的透视图，其限定用于通过便携式手推车的材料和物体表面的消毒或灭菌的重要组件的位置。

图12是本发明优选实施方案的透视图，其限定了用于使用大体积低速吊扇使空气移动通过房间时对室内空气进行消毒或灭菌的重要组件的位置。

具体实施方式

附图说明了本发明的不同形式以及制备双-单线灯所需的设备。灯由具有两个环的三轴管构成，其包含不同的气体混合物以在灯被电激发时产生不同波长的光子。选择中间管直径以优化从两个室发射的相对强度。向置于内管内部上的电极和置于外管外部上的电极之间施加高电压时，发生两种气体的激发。使用格网作为外电极以允许光通过灯向外发射。

图7a说明了形成本发明消毒设备的一部分的双-单线灯的横截面。高压电极E1位于双环灯的内管内。接地电极E2位于双环灯的外部上。产生UV光子的一种气体位于内管3和中管4之间的环形区域A1中。产生UV光子的第二气体位于中管4和外管5之间的环形区域A2中。选择气体类型以使发射的UV光子被靶微生物或化学品吸收。UV辐射径向地向6外发射。改变两个电极之间的电压或电流改变了产生的UV辐射的量。改变每个环的大小或每个环中的气体密度改变了一个室与另一个室相比的相对强度。优选的实施方案是选择每个室中的气体组成以产生波长在222nm的FUV和波长在254nm和282nm或其附近的UV-C波长。可由三种不同波长的组合制造三种不同双-单线灯组合。

图7b说明了用于将UV光子引导至特定位置、方向、表面、材料或物质的双-单线灯。此双-单线灯以端视图形式显示于附图中央。专用的反射体10的端视图并入了专门的“鸥翼形”设计，从而使＞90％的发射光指向下方的平面。专用的反射体10的还并入了作为反射材料的硫酸钡(Ba₂SO₄)以使反射到平面上的光子数量最大化。在一些情况下，需要覆盖物11以保护NUV源和反射体免于被污染。此覆盖物对UV光是透明的。专用的反射体还可具有不同的形状以改变用于不同应用的定向辐射。

图8a说明了使用包含在手持棒中的双-单线灯的优选实施方案。此棒用于消毒充当将病原从一人转播给另一人的污染物的经常被触摸的物体。此实施方案中可包含传感开关22，其在双-单线灯没有正确指向期望被处理表面时关闭双-单线灯。此棒可提供用于在手术之前和之后处理伤口以及用于处理慢性伤口的工具。还提供了用于消毒医院和健康护理室、手术台、扶手和支持患者护理的设备表面的工具。

此外，在严重短缺手套、罩衣和面罩的情况下，在适当时，可将双-单线以类似的方式用于周期性地消毒这些物品以替代自供给处重新得到新物品。

图8b说明了位于真空吸尘器或地板清洗机的前部隔间内的双-单线灯。真空吸尘器可以是立式地板型或罐型。其还可以是可支持和携带双-单线灯接近地板的任何设备。重要的部分是由图7a和图7b中所述的组件构成的带有反射体10的双-单线灯。如图所示，所述组件包括盒、轮和柄。

图9a说明了双-单线灯，其位于携带进入厨房加工前的未经加工和未制备食物的输送机上，以及位于携带需要消毒的产品的工业包装装配线上。输送机装置24设计为使暴露于双-单线灯的表面积最大化。在一些情况下，需要若干个灯14，这是因为在一个双-单线灯的照明时间中不能改变食品或产品的被暴露表面以暴露整个表面。在食物和物体沿输送机移动时通常使用转鼓或振动器以改变它们的朝向。图9b说明了位于用于在将食物从厨房递送至顾客前保持服务台上的食物温热的加热灯15或其他加热表面旁边的双-单线灯14。在另一个实施方案中，使用双-单线灯照射凉的或冷的食物，因此，不使用加热灯15。

在使用中，可将双-单线灯制成任何大小和长度。在风道20中，优选实施方案图10a可具有由管道20的侧部、上部或底部支持的双-单线灯14，以使其轴与气流平行。对于独特应用，第二实施方案图10b可具有由管道20内支持的双-单线灯源14和圆柱形反射体，以使其轴与气流垂直。此实施方案的实例可以是位于圆柱形转鼓中心的双-单线灯。在翻转过程中照射所有物体一段时间，照射的时间长度可保证消毒。

图11说明了用于消毒患者检查工具、记录、笔和患者之间的设备26的双-单线灯。被带入室内的用于检查患者的每件事物都应在离开房间后通过医疗手推车24中的照射区。只有在医生或健康护理管理人改用新手套和其他相关服装后，才将其收回。

图12说明了安装在高速的低速率风扇28上用于消毒室内空气的双-单线灯的优选实施方案。

尽管本文已经描述了本发明的优选实施方案，但上述说明仅是说明性的。相关领域技术人员可对本文公开的发明进行进一步的修改，且所有这些修改均被视为在由所附权利要求书限定的本发明范围之内。

Claims (14)

1.消毒设备，其包含：

双-单线灯，其包含：

限定其间两个环的三个三轴管；

经选择用于产生第一窄波长光子发射的第一气体混合物，该第一气体混合物位于三轴管的最内管和中管之间；和

经选择用于产生不同于所述第一窄波长光子发射的第二窄波长光子发射的不同于所述第一气体混合物的第二气体混合物，该第二气体混合物位于三轴管的最外管和中管之间；

位于三轴管最内管之内的高压电极；

位于三轴管最外管之外的接地电极；和

与所述双-单线灯以间隔关系固定并经放置以将光子引向区域或表面的光子反射体，从而在向高压电极施加能量时，使所述消毒设备产生指向与所选区域或表面的光子并有效地破坏或灭活微生物的DNA有机键和蛋白。

2.如权利要求1所述的消毒设备，其中所述第一和第二窄波长光子发射选自由222nm、254nm和282nm组成的组中。

3.如权利要求1所述的消毒设备，其中至少一个灯是受激准分子灯。

4.如权利要求1所述的消毒设备，其中所述光子反射体是经选择用于将至少90％的发射光引导至平面的鸥翼形导向器。

5.如权利要求1所述的消毒设备，其中所述光子反射体包含用于增强其反射性质的硫酸钡组合物。

6.如权利要求1所述的消毒设备，其还包含盒、轮和柄，适于用作地板清洁设备。

7.如权利要求1所述的消毒设备，其还包含：

与所述双-单线灯相连的柄；和

用于在所述双-单线灯不在待消毒表面附近时关闭所述双-单线灯的表面检测装置。

8.如权利要求1所述的消毒设备，其还包含：

以与所述灯间隔的关系安装在所述灯周围的风道，以在所述风道中提供经选择的作用时间，从而消毒空气。

9.消毒设备，其包含：

第一灯和第二灯，其分别包含：

限定其间环的共轴管；

经选择用于在各灯中产生不同的第一和第二窄波长光子发射的第一和第二气体混合物，其中所述第一灯中的气体混合物和波长不同于所述第二灯中的气体混合物和波长，其中所述第一气体混合物位于第一灯内，所述第二气体混合物位于第二灯内；

位于所述第一灯和所述第二灯各灯的最内管之内的高压电极；

位于所述第一灯和所述第二灯各灯的最外管之外的接地电极；和

分别与所述第一灯和第二灯以间隔关系固定并经放置以将来自两灯的光子引向区域或表面的第一光子反射体和第二光子反射体，从而在向高压电极施加能量时，使所述消毒设备产生指向所选区域或表面的光子并有效地破坏或灭活微生物的DNA有机键和蛋白。

10.如权利要求9所述的消毒设备，其中所述第一和第二窄波长光子发射选自由222nm、254nm和282nm组成的组中。

11.如权利要求9所述的消毒设备，其中至少一个灯是受激准分子灯。

12.如权利要求9所述的消毒设备，其中所述光子反射体是经选择用于将至少90％的发射光引导至平面的鸥翼形导向器。

13.如权利要求9所述的消毒设备，其中所述光子反射体包含用于增强其反射性质的硫酸钡组合物。

14.如权利要求9所述的消毒设备，其还包含：

以与所述灯间隔的关系安装在所述灯周围的风道，以在所述风道中提供经选择的作用时间，从而消毒空气。