紫外線的發現和應用發展史

紫外線是陽光中頻率為750THz～30PHz，對應真空中波長為400nm～10nm的光線。紫外線是頻率高於可見光線的不可見光。紫外線一直存在，但我們今天就來說說人類和紫外線之間的故事。

紫外線的發現

在1800年英國物理學家赫歇爾發現了不可見的熱射線—紅外線後，秉著物理學‘’事物具有兩級對稱性‘’的理念，德國物理學家、化學家約翰-威廉-裡特（Johann Wilhelm Ritter，1776～1810），在1801年發現在可見光譜的紫光端之外，還存在著不可見光。

裡特將一張紙放在氯化銀溶液中浸泡後，放在三稜鏡可見光譜的紫光區域附近，他發現紫光外部區域的紙片強烈地變黑，說明這一部分受到了一種看不見的射線照射。裡特把這不可見光叫做“去氧射線”，這就是我們後來所說的紫外線，因此裡特也被稱為紫外線之父。

紫外線的殺菌功能

紫外線可以分為UVA（波長400nm～320nm，低頻長波）、UVB（波長320nm～280nm，中頻中波）、UVC（波長280nm～100nm，高頻短波）、EUV（100nm～10nm，超高頻）4種。

在1877年，Downs和Blunt第一次報道了關於太陽光輻射可以殺滅培養基中細菌的特徵，這也揭開了人們對紫外線消毒研究和應用的序幕。在1878年，人們發現了太陽光中的紫外線具有殺菌消毒作用。殺菌是紫外線最常見也很重要的一個功能。

1960年 人們第一次確認了紫外滅菌消毒的機理。一方面，當微生物受到紫外線照射時，生物細胞內脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）吸收紫外線光子能量，DNA分子中同一條鏈兩個相鄰的胸腺嘧啶基之間以環丁基環形成二聚體（胸腺嘧啶二聚體）。二聚體形成後，影響了DNA的雙螺旋結構，RNA引物的合成將停止在二聚體處，DNA的複製和轉錄功能均受到阻礙。另一方面，在紫外線的照射下可以產生自由基，引起光電離，從而使微生物不能複製繁殖。

細胞對於220nm和260nm附近波段的紫外線光子最為敏感，能夠高效吸收這兩個波段的光子能量，從而阻止DNA的複製。波長為200nm或更短的紫外線輻射，大部分都在空氣中被吸收，因此很難長距離傳播，所以殺菌作用的主力紫外線波長集中在200nm~300nm之間。但低於200nm被吸收的紫外線會分解空氣中的氧氣分子，產生臭氧，同樣也會起到殺菌消毒的作用。

紫外線燈的發明

紫外線是由原子的外層電子受到激發後產生的。自然界的主要紫外線光源是太陽，太陽光透過大氣層時，波長短於290nm的紫外線被大氣層中的臭氧吸收掉。

早在19世紀初，透過水銀蒸汽被激勵放電發光的這項工藝即已經為人所知：蒸汽封閉到一根玻璃管中，在玻璃管兩端的兩根金屬電極上施加電壓，從而產生一道“光弧”，使蒸汽發光。由於當時玻璃對於紫外的透過率極低，一直未能實現人造紫外光源。

直到1904年，德國賀利氏的Richard Küch博士利用其製成的無氣泡高純度石英玻璃，製作出第一支石英紫外汞燈Original Hanau® Höhensonne。因此，Küch被視為紫外汞燈的發明者，以及在醫用光療法中使用人造光源進行人體照射的先驅者。

基於技術和應用的發展，紫外線燈也演變成很多種類。現今紫外線殺菌燈大致有以下種類：

普通直管熱陰極低壓汞紫外線消毒燈：燈管採用石英玻璃或其它對紫外線透過率高的玻璃製成，功率為40W，30W，20W，15W等。功率>30W，新燈輻射253。7nm紫外線的強度需要>=90uW/cm2。

高強度紫外線消毒燈：功率>30W，新燈輻射253。7nm紫外線的強度需要>180uW/cm2。

低臭氧紫外線消毒燈：也是熱陰極低壓汞燈，由於採用了特殊工藝和燈管材料，故臭氧量低<1mg/h。

高臭氧紫外線消毒燈：採用特殊工藝，產生較大比例的184。9nm紫外線。

紫外線燈的應用

在1904年第一支石英紫外汞燈出現後，人們開始研究其在殺菌領域上的應用。

1907年，經過改進的石英紫外線燈被作為一種醫學治療光源被廣泛銷售。

1910年，在法國馬賽市（Marseilles），紫外線消毒系統第一次被用於城市給水處理的生產實踐中，日處理能力為200 m3/d。

約1920年，紫外在空氣消毒領域的研究開始。

1936年，開始在醫院手術室中採用紫外殺菌技術。

1937年首次在學校中採用紫外殺菌系統控制風麻疹傳播。

20 世紀 60 年代中葉，人類開始了對紫外線消毒技術在城市汙水處理中的應用。在1982年，加拿大一公司發明了世界上第一套明渠式安裝的紫外線消毒系統。

1975年 挪威啟用紫外消毒，替代有副產物的氯消毒。

1998年 Bolton證明紫外消滅原生動物的有效性，從而助推了紫外線消毒技術應用於一些大規模的城市給水處理之中。例如在1998~1999年間，芬蘭赫爾辛基市（Helsinki）的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了改建，增加了紫外線消毒系統，總處理能力約為12，000 m3/h；加拿大埃德蒙頓市（Edmonton）EL Smith 給水廠在2002年左右也安裝了紫外線消毒設施，日處理能力為15，000 m3/h。

2003年 美國環保局釋出了紫外消毒指導手冊。

目前，紫外線殺菌技術已經發展成為安全可靠、高效環保的消毒技術。紫外線殺菌技術正逐步取代傳統化學消毒方法，成為主流的乾式消毒技術。在國內外各個領域得到了廣泛的運用，如廢氣處理，水處理，物表殺菌，空氣殺菌等。

無處不在的病毒現成為人類的一大考驗，隨著紫外線消毒技術的不斷進步，紫外線消毒器的功能不斷提升，可應用場景的將不斷豐富，它會在人類的歷史舞臺上扮演越來越重要的守衛者角色。