殺菌，用一顆芯片

鄭晶敏

陽(yáng)光中的紫外線是最好的殺菌劑，可是人們不能隨時(shí)擁有陽(yáng)光。總部位于硅谷的一家名為RayVio的公司想用一顆芯片，讓人們隨身“攜帶”陽(yáng)光。

這顆芯片不是你熟悉的電腦元件，而是可為醫(yī)療器械、水甚至是空氣消毒的殺菌芯片。

一顆不足指甲蓋大的深紫外線LED芯片，能夠釋放比陽(yáng)光中的紫外線殺菌能力更強(qiáng)的深紫外線，而且不會(huì)受天氣影響。深紫外線LED芯片的殺菌原理和傳統(tǒng)的紫外線殺菌器相同，都是通過(guò)破壞細(xì)菌的DNA起到消毒作用，但深紫外線的殺菌效率更高，也更加徹底。

實(shí)際上，深紫外線就是波長(zhǎng)在200納米至350納米之間的紫外線。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光線的穿透能力越強(qiáng)，但殺菌效果較弱；反之穿透能力弱的紫外線，對(duì)細(xì)胞的破壞性越強(qiáng)。波長(zhǎng)在280納米的短波紫外線會(huì)灼傷皮膚，但它無(wú)法穿透大部分玻璃和塑料，因此它常被用于制作殺菌燈。

在試驗(yàn)中，RayVio的研究人員發(fā)現(xiàn)，深紫外線LED芯片可在5秒內(nèi)消滅99.9%的細(xì)菌，當(dāng)照射時(shí)長(zhǎng)達(dá)到60秒，99.9999%的細(xì)菌將被殺死。試驗(yàn)樣本中的細(xì)菌包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、李斯特菌和沙門氏菌等生活中常見(jiàn)的致病菌。

你可能在醫(yī)院或者工廠見(jiàn)過(guò)深紫外線殺菌燈，有些凈水廠也在利用這項(xiàng)技術(shù)。RayVio要做的，是把深紫外線殺菌技術(shù)應(yīng)用到人們的日常生活中。

然而，應(yīng)用場(chǎng)景的延伸可并不像說(shuō)上去這么簡(jiǎn)單。“目前的深紫外線光源大多采用水銀燈管。”RayVio的聯(lián)合創(chuàng)始人廖翊韜告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》，“水銀有劇毒，一旦破裂會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害?！?013年，聯(lián)合國(guó)簽訂《水俁公約》，大幅限制水銀的使用。如何研究出一種既高效又安全的深紫外線光源，讓沒(méi)有受過(guò)任何專業(yè)指導(dǎo)的普通人在日常生活中也能方便地使用，成了該行業(yè)的棘手問(wèn)題。

廖翊韜的研究開(kāi)始于10年前。他在波士頓大學(xué)光學(xué)中心攻讀博士學(xué)位時(shí)的導(dǎo)師Theodore Moustakas是藍(lán)光LED氮化鎵（GaN）緩沖層關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)明者之一。廖翊韜發(fā)現(xiàn)，如果能利用LED技術(shù)發(fā)射紫外光將，既能縮小燈管體積，又能降低燈管破損風(fēng)險(xiǎn)，而且還不含汞等劇毒物質(zhì)。

但一顆芯片的發(fā)光效用十分有限，傳統(tǒng)的藍(lán)光LED半導(dǎo)體工藝無(wú)法達(dá)到深紫外光LED的功率要求。照射時(shí)長(zhǎng)和光線強(qiáng)度是影響深紫外線殺菌效果的兩個(gè)重要因素。在生活場(chǎng)景中，人們通常沒(méi)有太多耐心等待，這時(shí)，便需要更高功率的深紫外線，因此研發(fā)半導(dǎo)體材料成了深紫外線LED芯片能否制成的關(guān)鍵。

半導(dǎo)體材料的構(gòu)成會(huì)影響紫外線的發(fā)光率。“材料缺陷會(huì)導(dǎo)致紫外線以熱能的形式散發(fā)。”廖翊韜說(shuō)。當(dāng)研究人員都在想方設(shè)法改善材料本身時(shí)，廖翊韜找到了新的研究思路—降低深紫外線對(duì)材料本身缺陷的敏感度。“好比一幢墻壁破損的房子，我們不能阻止光從裂縫中流失，但可以避免光線照射在有裂縫的地方。”在這個(gè)思路指導(dǎo)下，廖翊韜通過(guò)改變材料配方，研發(fā)出了一種新的半導(dǎo)體材料和制程工藝，它更能容忍材料的一些缺陷，從而能提高深紫外線LED芯片的殺菌效 率。

另外，由于新材料和工藝用成本低廉的藍(lán)寶石基板代替了原本昂貴的人工合成氮化鋁（AlN）材料基板，也大幅削減了深紫外線LED芯片的制造成本—此前，采用AlN材料開(kāi)發(fā)出的深紫外線LED芯片，只能應(yīng)用在單價(jià)很高的工業(yè)凈化或精密儀器上。

成本的降低，提高了該技術(shù)應(yīng)用到生活場(chǎng)景中的可能性。RayVio在美國(guó)加利福尼亞州建造了自己的芯片工廠，目前每年產(chǎn)能約300萬(wàn)枚。廖翊韜稱，隨著產(chǎn)能增加，RayVio的殺菌芯片會(huì)遵循摩爾定律（當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件，約每隔18至24個(gè)月數(shù)量增加一倍，性能也將提升一倍）不斷提高性能，而單個(gè)芯片的生產(chǎn)成本也可從幾十美元降低至數(shù)美元。

目前，RayVio正在研發(fā)面向終端消費(fèi)者的深紫外線殺菌產(chǎn)品。2016年11月17日，RayVio在眾籌網(wǎng)站Indiegogo為自己的第一款終端消費(fèi)電子產(chǎn)品發(fā)起全球預(yù)售。這款名為Ellie的產(chǎn)品，可為嬰幼兒奶瓶殺菌消毒，只用60秒就能殺死99%的細(xì)菌，降低嬰幼兒感染細(xì)菌的概率。Ellie重0.9千克，大小和一本雜志差不多，它看起來(lái)像一個(gè)盒子，可隨身攜帶，采用USB充電模式，LED的壽命可支撐10萬(wàn)次使用。目前官方零售價(jià)約為129美元。

除了為嬰幼兒開(kāi)發(fā)殺菌產(chǎn)品，RayVio還計(jì)劃將深紫外線LED芯片嵌入成人用的水杯、餐具中。而在醫(yī)療領(lǐng)域，深紫外線LED殺菌技術(shù)也將成為趨勢(shì)?！把芯孔C明，RayVio深紫外UVC LED殺菌技術(shù)能夠前所未有地快速、徹底地消毒，說(shuō)明該技術(shù)可在預(yù)防全球疾病傳染方面發(fā)揮重要作用。”廖翊韜說(shuō)。

身為中國(guó)人，廖翊韜也把技術(shù)帶到了中國(guó)。目前，RayVio已在北京設(shè)立了辦公室?！爸袊?guó)和印度是最大的兩個(gè)殺菌市場(chǎng)?！绷务错w說(shuō)。無(wú)論是對(duì)空氣還是水資源的凈化，發(fā)展中國(guó)家的需求都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)達(dá)國(guó)家。而RayVio通過(guò)量產(chǎn)，不斷降低深紫外線殺菌技術(shù)的成本，也會(huì)讓更多發(fā)展中國(guó)家的消費(fèi)者受益。

在廖翊韜的設(shè)想里，未來(lái)深紫外線LED芯片可能會(huì)出現(xiàn)在冰箱、微波爐、吸塵器等很多家用電器和設(shè)備中。比如，在水龍頭或者淋浴噴頭上安裝芯片，還能為自來(lái)水消毒。這家公司目前正和一些電器或相關(guān)設(shè)備公司尋求合作。

RayVio甚至準(zhǔn)備針對(duì)在中國(guó)肆虐的霧霾專門研發(fā)一款產(chǎn)品。一般的化學(xué)殺菌方法會(huì)讓細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，但紫外線破壞的是細(xì)菌的DNA，因此無(wú)論細(xì)菌如何變異，深紫外線都能起到殺菌效果。

深紫外線空氣凈化應(yīng)用主要有兩個(gè)方面，一是將LED芯片放進(jìn)凈化器、加濕器等產(chǎn)品中，殺死霧霾中的細(xì)菌，以提高空氣凈化效率；或者是為空氣凈化器的濾網(wǎng)殺菌，延長(zhǎng)其使用壽命。大膽地設(shè)想下，如果這枚芯片能進(jìn)一步縮小體積，并降低成本，說(shuō)不定，還能塞進(jìn)PM2.5的口罩里。