深紫外LED冷凝光穿透冰层快速灭活技术及其在冷链消毒中的应用研究

针对低温环境下病毒细菌存活时间长、传统消毒方法难以穿透冰层的难题，中国科学院团队开发出高功率UVC-LED（275 nm）冷凝光装置，通过鱼鳞状椭球反射镜设计实现<60°窄角光束（>3 W），穿透5 mm浑浊冰层后仍能1.5秒灭活SARS-COV-2病毒，灭活率达99.99%，为冷链物流提供了无残留、高效的新型消毒方案。

　　

在新冠疫情全球蔓延的背景下，冷链物流中病毒通过冷冻食品传播的案例屡见报道。令人担忧的是，低温环境不仅延长了SARS-COV-2等病毒的存活时间（可达数周至数月），冰层的覆盖更使得传统化学消毒剂、臭氧等方法难以奏效——消毒剂在-15°C会冻结，而气体分子无法穿透冰晶屏障。这一难题催生了中国科学院团队开展深紫外（Deep Ultraviolet, DUV）光穿透灭菌技术的突破性研究。

该团队创新性地将高功率铝镓氮（AlGaN）基UVC-LED（275 nm）与光学冷凝技术结合，开发出便携式灭菌设备。通过鱼鳞状椭球反射镜和氧化铝镀层设计，将光束传播角度压缩至<60°，输出功率突破3 W。这种"光学矛"能克服冰层中气泡、晶界等界面折射效应，5 mm厚浑浊冰层下的灭菌实验显示：1.5秒照射即可完全灭活SARS-COV-2病毒，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭活率达99.99%。相关成果发表于《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》，为冷链物流提供了无化学残留、适应极端低温的消毒新范式。

关键技术方法
研究采用AlGaN/sapphire衬底外延制备DUV LED芯片，通过倒装焊封装技术集成10×10阵列；利用LightTools软件模拟光束路径，优化椭球反射镜曲率；采用氢处理工艺提升器件效率；通过辐射强度测试（8 cm直径接收面，1000条光线追踪）验证光学性能；选用实际冷链中常见的透明/浑浊冰层样本，测定UVC透射率与灭菌效果。

研究结果

1. 高功率密度DUV-LED器件与反射冷凝器
   50 mil×50 mil芯片阵列经倒装焊封装后，电致发光光谱显示275 nm尖锐峰；180 mW器件配合90°反射角铝制杯，实现8 cm距离处均匀辐照。

2. 冰层光学特性与穿透灭菌
   系统比较透明冰与含气泡/杂质冰的UVC透射率差异，证实冷凝光束可提升浑浊冰层透光率3倍以上。

3. 微生物灭活机制
   275 nm光子通过诱导细胞坏死/凋亡、直接破坏DNA/RNA双链实现灭菌，电镜观测到细菌膜结构破裂。

结论与意义
该研究首次证实冷凝UVC光可穿透复杂冰层结构实现秒级灭菌，其物理灭活机制避免了化学残留问题。3 W级便携设备的成功开发，使得冷链运输中包装表面-30°C环境下的实时消毒成为可能。特别是对SARS-COV-2病毒1.5秒的灭活速度，为疫情防控提供了关键技术支撑。团队提出的鱼鳞状光学设计范式，也为其他需要穿透介质的紫外应用（如水体净化、生物医疗）提供了新思路。