JP2008161095A - 紫外線殺菌装置と紫外線殺菌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】近紫外線を集光することでウイルスを不活化して有色の液体を殺菌する。紫外線を均一に照射するのが難しい用途においても、ウイルスや有色の液体の殺菌効果を向上する。
【解決手段】ウイルスや有色の液体の紫外線殺菌装置は、紫外線を放射するＬＥＤを備える。ＬＥＤは、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有する発光チップと、この発光チップの発光を集束する集光レンズとを備え、ＬＥＤが発光チップの発光を集光レンズで集束して放射する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＬＥＤの紫外線でもって、ウイルスを不活化し、あるいは有色の液体を殺菌する装置と方法に関し、特に近紫外域と可視光線との境界に発光するＬＥＤを使用する紫外線の殺菌装置と殺菌方法に関する。

殺菌は、我々の日常生活のみならず産業上でも必要不可欠である。一般に殺菌方法としては塩素などによる薬剤殺菌、加熱殺菌、紫外線殺菌、オゾン殺菌などが知られているが、薬剤による弊害や環境意識の高まりから、殺菌する対象物が変質しないこと、不要な残留物がないこと、環境に優しいことなどの観点から、より質の高い殺菌技術が求められている。このような背景から、紫外線（ＵＶ）を用いた殺菌方法、すなわち紫外線殺菌が広く用いられるようになってきている。

ＵＶによるウイルスの不活化は、薬剤のように残留するものがなく、安全性において優れている。また、紫外線はウイルスのＤＮＡ又はＲＮＡを破壊すると言われ、薬剤殺菌と違い耐性菌を作らないという利点もある。ＵＶによる殺菌機構については、一般に次の説明がされている。細菌をはじめ、生物の細胞内には遺伝情報をつかさどる核酸（ＤＮＡ又はＲＮＡ）が存在し、紫外線が照射されると核酸はその光を吸収し、一部の核酸に障害が起こり遺伝子からの転写制御が滞り新陳代謝に支障をきたし不活化される。

図１は現在、国際的に標準のものとして認められている紫外線殺菌作用の波長特性を示している（非特許文献参照）。図１から明らかな通り、殺菌作用の最大値を示す波長は２６０ｎｍ付近にあり、この波長に近い２５３．７ｎｍのＵＶ（殺菌線または殺菌放射と呼ばれる）を効率的に放射するランプが殺菌灯（又は殺菌ランプ）として常用されている。しかし、殺菌灯は、殺菌線を透過させる特殊ガラス管で作られており、小型化や軽量化がし難く、また、形状にも制約があり、ＬＥＤに比べ消費電力が大きい等の問題がある。また、管内にはアルゴンガスと環境汚染物質である水銀が封入されており、廃棄時に特別な制約があり、煩雑であるなどの問題点がある。

この様に問題点のある殺菌灯に代わって、近年、ＬＥＤを使用する紫外線殺菌装置の提案がなされている（特許文献１ないし５参照）。特許文献１ないし４は、酸化チタンからなる光触媒をＬＥＤの紫外線で活性化して殺菌作用を発生させることを目的としているものであって、効果的な殺菌のためには光触媒に直接に接触させる必要があるので使用状態に制限を受け、また、光触媒を必須としているため、材料費や光触媒を固着させるための加工が余分に必要であり、また光触媒の性能のばらつきや劣化に左右されるため、殺菌効果が不安定であるなどの問題がある。

さらに、特許文献５は、ＬＥＤの浄化装置を記載する。この浄化装置は、浄化チャンバと、紫外線光を生成するＬＥＤを備える。ＬＥＤは、浄化チャンバの内部を照射するよう配置している。この特許文献は、紫外線照射による殺菌効果の最適範囲が２４５ｎｍと２８５ｎｍとの間の紫外線照射であることと、ウイルスが水銀放出の２５４ｎｍより上の波長に敏感であることを記載する。波長領域を２５４ｎｍとする短波長の紫外線は、目に見えないばかりでなく、人体に悪い影響を与える。このため、ウイルスを効果的に殺菌できても、安全に使用できない欠点がある。

一方、光触媒を用いない紫外線のみの殺菌においては、図１に示すように、波長が３００ｎｍ以上になると、殺菌作用が１／１００以下と急激に低下して殺菌効果が期待されず、殺菌用としては不要なものとして排除されている。

さらに、波長を２６０ｎｍ付近とする紫外線は、優れた殺菌効果があるが、この波長の紫外線が優れた殺菌作用を実現するには、殺菌する部分に紫外線を照射する必要がある。紫外線が直接に照射されない陰の部分、あるいは紫外線の照射強度が著しく弱くなる部分では、紫外線による殺菌効果が著しく低下する。

さらにまた、牛乳などの有色の液体に紫外線を照射して殺菌する装置が開発されている（特許文献６参照）。ただ、有色の液体は、紫外線の透過率が悪く、内部まで紫外線を照射して全体を殺菌できない。とくに、紫外線ランプから放射される波長を２５４ｎｍとする紫外線は、有色の液体の透過性が悪い。このため、特許文献６に記載されるように、牛乳等を薄膜に流して紫外線を照射する必要があり、構造が複雑になる欠点があった。

特開平９−９４０号公報 特開平９−８３６１号公報 特開平９−３８１９０号公報 特開２００４−６６３号公報 特表２００４−５０８１６２号公報 特開平８−５７４７６号公報 ［Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｇｅｒｍｉｃｉｄａｌ，Ｅｒｙｔｈｅｍａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ １ｓｔ．ｅｄ．１９４６］、１１１頁、著者［Ｍａｔｔｈｅｗ Ｌｕｃｋｉｅｓｈ］、出版社［Ｄ．Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．］ 東芝レビュー（１１巻９号）昭和３１年 論文名「殺菌とその応用」１０２０頁

本発明は、近紫外線と可視光線との境界にある紫外線であって、従来の紫外線殺菌からの常識からは殺菌効果がほとんど期待されないとされている特定波長領域の紫外線を使用し、さらに、ＬＥＤから放射される特定波長領域の紫外線を均一に放射するのではなくて、その反対に集光レンズで集束して局部的に極めて強い紫外線強度として、紫外線によるウイルスの不活化や有色の液体の優れた殺菌効果、とくに紫外線を集束して紫外線強度を極めて強くする領域に加えて、紫外線強度の極めて弱い領域においても実用的な殺菌効果を実現することに成功したものである。すなわち、従来の紫外線殺菌の常識からは殺菌効果がほとんど期待できない特定波長領域の紫外線を使用し、さらに、均一に紫外線を照射して均一に殺菌しようとする通常の技術思想とは反対に、紫外線を集光レンズで集束して特定の領域には極めて強い紫外線を放射することで、紫外線強度の極めて強い領域のみでなく、紫外線強度の極めて弱い領域においても、従来の紫外線殺菌からは想像もできない優れたウイルスの不活化や有色の液体の殺菌効果を実現するという、従来の技術からは想像もできない優れた特徴を実現するもので、本発明の第１の大切な目的は、従来の常識では殺菌効果が期待されない近紫外線を集光することでウイルスを不活化して有色の液体を殺菌し、さらに紫外線を均一に照射するのが難しい用途においては、紫外線が充分に照射されない部分においても、ウイルスや有色の液体の殺菌効果を飛躍的に向上できる紫外線殺菌装置を提供することにある。

また、本発明の他の大切な目的は、従来では不可能であった、小型、軽量で形状の設計に自由度があり、さらに省エネで、安全性が高く、携帯可能なウイルスや有色の液体の紫外線殺菌装置を提供することにあり、また、光触媒を用いた紫外ＬＥＤの欠点である材料面の影響を受けず、かつ低コストの紫外線殺菌装置を提供することにある。

本発明の請求項１に記載する紫外線でウイルスを不活化する紫外線殺菌装置は、紫外線を放射するＬＥＤを備える。ＬＥＤは、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有する発光チップと、この発光チップの発光を集束する集光レンズとを備え、ＬＥＤが発光チップの発光を集光レンズで集束して放射する。

本発明の請求項２に記載する紫外線を有色の液体に照射して殺菌する紫外線殺菌装置は、紫外線を放射するＬＥＤを備える。このＬＥＤは、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有する発光チップと、この発光チップの発光を集束する集光レンズとを備え、ＬＥＤが発光チップの発光を集光レンズで集束して放射する。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤの集光レンズでもって、集束して放射される発光出力の指向特性が、中心線上の放射強度の５０％となる角度を、中心線から６０度以内とすることができる。さらに、ＬＥＤの集光レンズでもって集束して放射される発光出力の指向特性は、中心線上の放射強度の７５％となる角度を、中心線から３５度以内とすることができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤの集光レンズが、発光チップから放射される発光エネルギーの８０％以上を、中心線から６０度の範囲に集束して放射することができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤから１ｃｍ離れた中心線上の放射強度を３００ｍＷ／ｃｍ^２以上、好ましくは、５００ｍＷ／ｃｍ^２以上とすることができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤの主発光ピークを、３６５ないし３７０ｎｍの波長域とすることができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤの主発光ピーク波長における発光スペクトルの半値幅を、５ｎｍ以上であって１５ｎｍ以下とすることができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるＬＥＤを使用することができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤの発光のすべて又は一部が殺菌作用を奏する光源として、ＬＥＤの近傍における光触媒もしくは波長変換材料の有無に関わらず、殺菌対象物に直接照射することができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤを、棒状、筒状、箱状、平面状、球状もしくは任意の形状の取り付け部材の表面及び／又は裏面に並べて取り付けて、ＬＥＤの発光を、取り付け部材の形状に応じて周囲に発散されるようにすることができる。

本発明の紫外線殺菌装置は、水に対する密閉性と防水性を備え、かつ紫外線を透過する透明性のある容器またはカプセルにＬＥＤを内蔵することができる。

本発明の請求項１４に記載する紫外線殺菌方法は、有色の液体に紫外線を放射する紫外線殺菌方法であって、有色の液体にリボフラビンを添加し、リボフラビンの添加された有色の液体に、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有するＬＥＤから放射される紫外線を照射する。

本発明の紫外線殺菌方法は、有色の液体を牛乳とすることができる。また、本発明の紫外線殺菌方法は、リボフラビンの添加量を、好ましくは０．５重量％以上とすることができる。

本発明のウイルスや有色の液体の紫外線殺菌装置は、殺菌効果が極めて低いと考えられている波長領域にある３６０ないし３８０ｎｍの紫外線を使用し、さらに、この紫外線の照射強度が極めて弱くなる部分においても、ウイルスや有色の液体の殺菌効果を飛躍的に向上できる。ちなみに、主発光ピークを３６５ｎｍ、半値幅を１０ｎｍ、放射強度が５０％となる角度が中心線に対して５０度となる指向特性のＬＥＤを使用し、ＬＥＤから２ｃｍ離れた紫外線の直接照射部分であって紫外線強度を２５０ｍＷ／ｃｍ^２とする直接照射部分のインフルエンザウイルスとヘルペスウイルスの不活化率を図６に示す。図６から明らかなように、インフルエンザウイルスの直接照射部分の不活化率は、５分後、１０分後、２０分後、３０分後において、順番に約８５％、１００％、１００％、１００％となり、わずか１０分後に不活化率を１００％と極めて優れた殺菌効果が実現される。また、ヘルペスウイルスの直接照射部分の不活化率は、１０分後、２０分後、３０分後において、順番に約３０％、６５％、９０％と極めて優れた殺菌効果が実現される。

また、直接照射部分のみでなく間接照射部分においても、インフルエンザウイルスの不活化率は優れた状態となる。間接照射部分は、ＬＥＤの中心線に対して８０度の方向にあって、直接照射部分から５ｃｍ離れた部分であって、紫外線強度が直接照射部分の１／１００以下となる部分である。間接照射部分の１０分後におけるインフルエンザウイルスの不活化率は約７０％となって、優れた不活化率を示す。このことは、紫外線照射強度が１／１００以下とほとんど照射されない間接照射部分においても、インフルエンザウイルスは直接照射部分と同じように不活化されることを意味している。間接照射部分は、図１の殺菌効果を示す特性からは、殺菌力から極めて弱い波長領域の紫外線を使用し、さらに紫外線強度を直接照射部分の１／１００以下と極めて弱くしながら、直接照射部分に匹敵する殺菌効果を実現する。

ちなみに、図１に示す殺菌特性からすると、３６５ｎｍの紫外線は、２６０ｎｍの紫外線に比較して、殺菌効果が１／５０００と著しく低下する。さらに、間接照射部分の紫外線強度は直接照射部分の１／１００以下に低下する。このことからすると、理論的には、間接照射部分の殺菌効果はほとんど期待できない。にもかかわらず、本発明の紫外線殺菌装置は、殺菌効果の少ない３６５ｎｍの紫外線を照射し、さらに紫外線強度を１／１００以下と極めて弱くしても、インフルエンザウイルスを充分に不活化できる効果がある。このことから、３６５ｎｍ紫外線を集光レンズで集束して照射する装置は、殺菌線量が極めて弱い間接照射部分においても効果的にウイルスを不活化できる。すなわち、本発明の紫外線殺菌装置は、紫外線を直接に照射しない部分においても飛躍的に向上されたウイルスの不活化が期待される。このように、紫外線を照射しない部分に極めて優れた殺菌効果を実現するのは、本発明の紫外線殺菌装置が、ＬＥＤから放射される３６０ないし３８０ｎｍを主発光ピークとする紫外線を、集束して局部的に強い紫外線を照射すことで、空気がウイルスを不活化する環境となり、この空気が流動して、紫外線の照射されない部分においてもウイルスを不活化するからである。すなわち、集束して強くなった紫外線を局部的に照射することで、空気を、ウイルスを不活化させる状態に変化し、この空気が紫外線の直接照射されない部分のウイルスを不活化する。このため、本発明の紫外線殺菌装置は、紫外線を照射しない部分においても、ウイルスを効果的に不活化できるという、従来の装置では実現できない極めて優れた特徴を実現する。このことは、ウイルスの紫外線殺菌装置にとって極めて大切な特性である。それは、紫外線殺菌装置は、殺菌しようとする全面に均一に紫外線を照射することが、現実にはほとんど不可能な用途が多々あるからである。

有色の液体は、紫外線の直接照射部分においては、３０分の紫外線照射で約４０％の大腸菌が死滅し、間接照射部分においても、３０分の照射で約３０％の大腸菌が死滅する。紫外線の波長を短くしてＵＶＣの紫外線を、同一の条件で照射した牛乳は、大腸菌が死滅しない。さらに、牛乳にリボフラビンを添加すると、３０分の紫外線照射で大腸菌の死滅率は約８０％と著しく増加する。リボフラビンはビタミンＢ２であるから、これを牛乳に添加して一緒に食べることができる。

また、本発明の紫外線殺菌装置は、小型、軽量、省エネの殺菌装置となるので、従来の殺菌灯では設置が困難な狭隘な場所、大電力の供給が難しい場所に設置でき、また普段でも人が携帯して便利に使用できる。また光触媒を必須としないので、経済的であり、触媒性能の低下の心配がなく、長期間殺菌効果を維持できる。

さらに、本発明の紫外線殺菌装置は、主発光ピーク波長を３６０ｎｍないし３８０ｎｍとする紫外線ＬＥＤを使用してウイルスを不活化するので、ＬＥＤの発光を淡い紫色として目で見ることができる。人の目に見える可視光線の最短波長が３８０ｎｍであるからである。このため、本発明の紫外線殺菌装置は、どの部分に紫外線を照射して殺菌しているかを目で確認できる特徴がある。また、紫外線で殺菌している状態にあるかどうかも簡単に判別できる。このため、あらゆる使用状態において均一にむらなく、あるいは必要な部分をより効果的に殺菌できる特徴がある。

さらに、主発光ピークを３６０ないし３８０ｎｍとする紫外線であって、従来は殺菌効果がないとされていた、紫外線としては可視光線に近い波長領域に発光するＬＥＤを使用するので、人の目に与える悪影響を防止しながら効果的に殺菌できるという理想的な特徴を実現する。従来の殺菌灯は、見えない紫外線を使用するにもかかわらず、人がエリア内に居る場合には消灯して紫外線照射を停止する必要であったが、本発明の紫外線殺菌装置は、目で殺菌状態を確認しながら、人が居る場合もオン・オフの必要がなく、２４時間連続点灯して殺菌効果を発揮することができる。また、壁などの人の目に付く場所でも、特別な遮蔽材を設けることなく設置することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための紫外線殺菌装置と殺菌方法を例示するものであって、本発明は紫外線殺菌装置と殺菌方法を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２に示す、ウイルスと有色の液体を殺菌する紫外線殺菌装置は、殺菌作用を奏する光源としてＬＥＤ１を備える。このＬＥＤ１は、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有する紫外線を放射する発光チップを備える。より好ましくは、発光チップが放射する紫外線の主発光ピークは３６５ないし３７０ｎｍとさらに狭い波長域とする。主発光ピークをこれ等の波長領域とするＬＥＤ１は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子で実現する。本発明は、主発光ピークを極めて限られた波長領域とするＬＥＤ１を備える。このＬＥＤ１は、主発光ピークの波長領域を、可視光線と近紫外線の境界領域とする。可視光線が３８０ｎｍ以上、近紫外線が３００ｎｍ以上の波長領域にあるからである。さらに、ＬＥＤ１は、好ましくは、発光スペクトルの半値幅を５ｎｍ以上とし、かつ１５ｎｍ以下とする。半値幅は、ＬＥＤ１の発光スペクトルを特定する。

半値幅が１５ｎｍ以上のＬＥＤは、狭い波長領域のみの紫外線を放射できなくなって、殺菌効果の少ない波長域に分散する。反対に半値幅が５ｎｍよりも狭いＬＥＤは、可視光線の強度が低下して放射される紫外線を目で見ることができなくなる。したがって、ＬＥＤから放射される紫外線を目で確認しながら、効果的に殺菌できるように、ＬＥＤの半値幅は前述の範囲に特定される。

また、ＬＥＤ１は、発光チップの発光を集束する集光レンズを備える。このＬＥＤ１は、発光チップの発光を集光レンズで集束して外部に放射する。したがって、ＬＥＤ１から外部に放射される発光は、局部的に集束されて放射強度が著しく強くなる。とくに、集光レンズで発光を集束するＬＥＤ１は、中心線の放射強度が強く、中心線からずれるにしたがって放射強度は低下する。

集光レンズで発光チップの光を集束して放射するＬＥＤの指向特性を、図３と図４に示す。図３のＬＥＤは、中心線に対して約８度の範囲内に紫外線を照射する。中心線に対して８度の方向に放射される放射強度は、中心線上の５０％となる。図４のＬＥＤは、中心線に対して約４７度の範囲内に紫外線を照射する。中心線に対して４７度の方向に放射される放射強度は、中心線上の５０％となる。ＬＥＤは、中心線の方向により強く紫外線を照射する指向特性、いいかえると指向特性をシャープにして、紫外線をより狭い領域に集束して、照射部の紫外線強度を強くできる。したがって、本発明の紫外線殺菌装置に使用するＬＥＤは、好ましくは、中心線上の放射強度の５０％の放射強度となる角度を、中心線から６０度以内とする。また、ＬＥＤは、好ましくは、中心線上の放射強度の７５％に低下する角度を、中心線から３５度以内とする。さらに、ＬＥＤは、好ましくは、発光チップから放射される発光エネルギーの８０％以上を、中心線から６０度の範囲に集束して放射する。

さらにまた、ＬＥＤの出力と指向特性は、ＬＥＤの先端から１ｃｍ離れた中心線上の放射強度を、たとえば３００ｍＷ／ｃｍ^２以上、好ましくは５００ｍＷ／ｃｍ^２以上とするようにして、強い紫外線を集束して放射させて、空気を殺菌効果の強い状態に変化させる。

また、ＬＥＤは、放射する殺菌作用のある紫外線を直接に殺菌対象物のウイルスや、牛乳などの有色の液体に向かって照射することなく、反射させて間接的に殺菌対象物に向かって照射することもできる。また、ＬＥＤから放射される紫外線の一部で光触媒を照射し、光触媒との相乗効果で殺菌することもできる。さらに、紫外線の一部で蛍光体等の波長変換材料を照射し、波長変換材料で紫外線を波長変換することもできる。本発明の紫外線殺菌装置は、ＬＥＤから放射される紫外線で光触媒を活性化する効果も強く、光触媒を併用すると紫外線と活性酸素の相乗効果を利用できる。ただ、光触媒を併用すると、触媒性能のばらつきや劣化、さらには材料費、加工費が増大する。したがって、光触媒や波長変換材料を使用することなく、ＬＥＤから放射される特定波長の紫外線をできる限り効率よくウイルスや有色の液体に照射して、効果的な殺菌が実現できる。

さらに、紫外線殺菌装置は、複数のＬＥＤを、平面状、棒状、筒状、箱状、球状もしくは任意の形状の取り付け部材の表面及び／又は裏面に並べて取り付けることにより、ＬＥＤから放射される紫外線を、取り付け部材の形状に応じて周囲に放射して、ウイルスや有色の液体に特定の照射パターンで照射することができる。

また、紫外線殺菌装置は、水に対する密閉性と防水性を備え、かつＬＥＤから放射される紫外線を透過させる透明性のある容器、またはカプセルにＬＥＤを内蔵することができる。この紫外線殺菌装置は、水滴が付着し、あるいは空気中の水分が結露する用途に便利に使用できる。この構造の紫外線殺菌装置は、水密構造の容器にＬＥＤと一緒に、電池等の電源装置を内蔵させて、さらに便利に使用できる。また、紫外線殺菌装置は、複数のＬＥＤを、発光素子の発光面を外側とする姿勢で、基板側を内側にして集めて組み立てることにより、ＬＥＤから放射される紫外線を四方八方に発散する構造として、小型でかつ広範囲に殺菌効果を実現できる。

（紫外線殺菌装置の作製）
図５に示すように、紫外線殺菌装置は、平面状の基盤２に、２列のＬＥＤ１を１０ｃｍの間隔に離して配置する。ＬＥＤ１は真下に向く姿勢で、基盤２の下面に固定される。ＬＥＤ１（日亜化学工業株式会社製）は、主発光ピーク波長を３６５ｎｍ、発光スペクトルの半値幅を１０ｎｍ、光出力を１００ｍＷ、指向特性を図４に示すものである。２個のＬＥＤ１は直列に接続して電源３（菊水電子工業株式会社製ＰＡＳ４０−９）に接続される。電源３は、出力を安定化している直流安定化電源である。この電源３は、ＬＥＤ１の光出力を１００ｍＷとする定格電流の５００ｍＡで通電する定電流モードで使用する。図に示すように、ＬＥＤ１の下端から２ｃｍ離した真下の直接照射部分と、２個のＬＥＤ１の中間の間接照射部分とに殺菌対象物４を配置する。直接照射部分における紫外線の放射強度は２５０ｍＷ／ｃｍ^２である。間接照射部分における紫外線の放射強度は、図４に示すＬＥＤの指向特性から紫外線がほとんど放射されない方向に配置されて、直接照射部分の１／１００以下である。

以上の紫外線殺菌装置が、ウイルスの不活化と有色の液体の殺菌に優れた効果を有することは、以下の試験で確認される。
（本実験の指標ウイルス）
対象物のウイルスとして、インフルエンザウイルスとヘルペスウイルスを使用する。
（ウイルス液の作成法）
ヘルペスウイルスはベロ細胞、インフルエンザウイルスはＭＤＣＫ細胞にそれぞれ感染させて増幅させて、細胞培養の上清液から増幅してサンプルのウイルス液を９６ウェルプレートに入れる。

（紫外線殺菌装置から紫外線を照射）
ウイルス液を、滅菌済ウェルプレート（BectonDickinson Labware）に１５０μリットル入れ、直接照射部分と間接照射部分とに配置して、５分、１０分、２０分、３０分間紫外線を照射する。紫外線は、ポリスチレンのフタを透過して照射される。統計的な有意差を示すために、各条件とも日を変えて３回ずつ実験を行う。

（紫外線殺菌装置で紫外線を照射した後のウイルス活性の測定）
紫外線照射後のヘルペスウイルス活性の測定は、以下の工程による。
（１）３日間培養したベロ細胞を６ウェルプレートに用意する。
（２）この６ウェルプレートのベロ細胞に、ＬＥＤ照射を行ったウイルス液を２００μリットル／ウェルで添加する。一方、紫外線を照射しないウイルス液を同様に６ウェルプレートのベロ細胞に２００μリットル／ウェルで添加して、これをコントロールとする。
（３）３７℃で１時間放置する。このとき、１５分に１回の割合で、ウイルス液がまんべんなくいきわたるように傾ける。
（４）ウイルス液を取り除いた後、重層用培地（0.5％メチルセルロース、２ｍＭグルタミン、2.2ｇ／Ｌ重層、１％ＦＢＳ、１μｇ／ｍｌファンギゾン、２×ＭＥＭ）を２ｍｌずつ各ウェルに加えて、３７℃で３日間放置する。
（５）各ウェルにクリスタルバイオレット液（10％ホルマリン、0.5％クリスタルバイオレット）を０．５ｍｌずつ加えて３０分間室温で放置した後に、液を除いてプラークの数を測定して感染価（ＰＦＵ／ｍｌ）を求める。

不活化率は、コントロール（紫外線を照射しないサンプル）に対する感染価率で表す。たとえば、コントロールのプラーク数が１×１０^８ＰＦＵ／ｍｌであって、紫外線を照射した後の感染価が０．５×１０^８ＰＦＵ／ｍｌとすれば、ウイルスの不活化率は５０％となる。

紫外線照射後のインフルエンザウイルス活性の測定は、以下の工程による。
（１）６ウェルプレートに３日間培養したＭＤＣＫ細胞を用意する。
（２）ＭＤＣＫ細胞を、１０％ＴＰＢ−ＭＥＭ（10％ＴＰＢ、２ｍＭグルタミン、2.2ｇ／Ｌ重層、１μｇ／ｍｌファンギゾン、0.1ｍｇ／ｍｌストレプトマイシン、２×ＭＥＭ）で洗う。
（３）この６ウェルプレートのＭＤＣＫ細胞に、ＬＥＤ照射を行ったウイルス液を２００μリットル／ウェルで添加する。一方、紫外線を照射しないウイルス液を同様に６ウェルプレートのＭＤＣＫ細胞に２００μリットル／ウェルで添加して、これをコントロールとする。
（３）３７℃で１時間放置する。このとき、１５分に１回の割合で、ウイルス液がまんべんなくいきわたるように傾ける。
（４）ウイルス液を取り除いた後、再び１０％ＴＰＢ−ＭＥＭで細胞を洗い、その後、トリプシンを含む重層用培地（0.5％メチルセルロース、２ｍＭグルタミン、2.2ｇ／Ｌ重層、10％ＴＰＢ、１μｇ／ｍｌファンギゾン、２×ＭＥＭ、１μｇ／ｍｌトリプシン）を２ｍｌずつ各ウェルに加えて、３７℃で３日間放置する。
（５）各ウェルにクリスタルバイオレット液（10％ホルマリン、0.5％クリスタルバイオレット）を０．５mlずつ加えて３０分間室温で放置した後に、液を除いてプラークの数を測定して感染価（ＰＦＵ／ｍｌ）を求める。

不活化率は、コントロールに対する感染価率で表す。たとえば、コントロールのプラークが１×１０^８ＰＦＵ／ｍｌであって、紫外線を照射した後の感染価が０．８×１０^８ＰＦＵ／ｍｌとすれば、不活化率は８０％となる。

以上の方法によるヘルペスウイルスとインフルエンザウイルスの紫外線による不活化率は、図６に示すようになる。この図からインフルエンザウイルスは、わずか１０分の紫外線照射で不活化率を１００％にできる。また、ヘルペスウイルスは、２０分の照射で６５％、３０分の照射で９０％と極めて効果的に不活化できる。

有色の液体である牛乳の殺菌率は以下の工程で測定する。
（培養液の作成法）
殺菌対象物として使用する細菌の培養には、ＬＢ培地を用いる。液体培地と寒天培地（ＬＢプレート）の作成方法を次に述べる。
・ＬＢ 培地の組成；
ｔｒｙｐｔｏｎｅ …………………… １％ （１０ｇ／ｌ）
ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔ …… ０．５％ （ ５ｇ／ｌ）
ＮａＣｌ ……………………………… １％ （１０ｇ／ｌ）
寒天培地の場合は、これに、ａｇａｒを、１．５％、（Ｗ／Ｖ）になるように加える。

ＬＢ培地は、脱イオン水に溶解後、オートクレーブにて滅菌（１２１℃、２０分）する。寒天培地は、スターラーバーを入れておき、オートクレーブ後、スターラーで均一に攪拌し、６５℃程度に冷めたら、１０ｃｍのディスポーザブルプラスチックシャーレ（栄研器材株式会社）に適量を分注し、水平な所に置いて固化させる。

（本実験の指標菌）
殺菌対象物の指標菌として、非病原性大腸菌ＤＨ５α株を使用する。実験で作製した殺菌装置の大腸菌に対する殺菌効果の検討を行うために、大腸菌はＬＢ培地５ｍｌを用いて、３７℃の振盪培養器で１６時間培養したものを使用する。

（菌数の調整法）
実験では、菌数の測定に、平板培養法を用いる。これは、寒天培地上に一定量の菌液を塗抹し培養して生成したコロニー数を数えるというものである。コロニーとは同一の細菌から成る集団のことで、１個の菌体は肉眼では見えないが、コロニーは肉眼で確認できる。菌数の調整には、まず分光光度計でおよその菌数を測定し、その後、段階希釈を行う。

・分光光度計
ある波長の光がある物質の溶液層を通過する間に、その強さがＩ0（入射光の強さ）からＩ（透過光の強さ）に変化したとする。このとき、Ｉ0に対するＩの比（Ｉ／Ｉ0）を透過度（ｔ；transmittance）と言い、透過度を百分率で表したものを透過率（Ｔ；percent transmittance）と言う。光学密度（Ｏ．Ｄ．；optical density）は、透過度の逆数の常用対数である。

Ｔ＝（Ｉ／Ｉ0）×１００、Ａ＝−ｌｏｇｔ＝ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）＝Ｏ．Ｄ．
大腸菌の数を測定するためには波長６００ｎｍの光を用いて計測する。その結果をＯＤ_６００と書く。
実験には、菌液を試料として、ＰＢＳ［phosphate-buffeved saline（リン酸緩衝液）以下ＰＢＳという］を対照にＯＤ_６００を計測する。菌液に希釈液（ＰＢＳ）を混合し、ＯＤ_６００の値が１．０となるように調整する。ＯＤ_６００＝１．０に調整した菌液を原液とし、これを牛乳（成分無調整）により１０^６倍まで段階希釈する。試料原液１００μｌを牛乳９００μｌに混合し、１０倍希釈液とし、さらに１０倍希釈液１００μｌを牛乳に混合し１００倍希釈液とする。同様に順次希釈し６段階まで調整した。

（紫外線殺菌装置が紫外線を照射する前の菌数の測定）
予備実験により、１０^５倍、１０^６倍に希釈した菌液が紫外線照射前の菌数の測定に適しているので、それぞれを１００μｌずつＬＢプレートに滴下し、コンラージ棒でまんべんなく塗抹し、３７℃、１６時間培養する。その後、ＬＢ寒天培地上に出現したコロニー数の測定を行う。コロニー数を数えるには、シャーレの裏側から全てのコロニーを肉眼で数える。菌数は、各希釈倍数のプレートのコロニー数にその希釈倍数を乗じ、平均して求める。

（紫外線殺菌装置から紫外線を照射）
前述した調整法にて調整した菌液を、滅菌済ウェルプレート（BectonDickinson Labware）に１５０μｌ入れ、直接照射部分と間接照射部分とに配置して、３０分間紫外線を照射する。紫外線は、ポリスチレンのフタを透過して照射される。統計的な有意差を示すために、各条件とも日を変えて３回ずつ実験を行う。

（紫外線殺菌装置で紫外線を照射した後の菌数の測定）
紫外線照射後の菌数の測定は、紫外線照射後の菌液を取り出しＰＢＳにより１０倍、１００倍に希釈する。そして、希釈なし（原液）、１０倍希釈、１００倍希釈した菌液をそれぞれ１００μｌずつＬＢプレートに滴下しコンラージ棒でまんべんなく塗抹する。これを３７℃、１６時間培養した後、ＬＢ寒天培地上に出現したコロニー数の測定を行い、各条件下における紫外線照射後の残存している菌数を算定する。

ＬＥＤ１による紫外線照射における殺菌効果を評価するために、紫外線照射後の菌数を紫外線照射前の菌数で割り、菌の生存率Ｐ、菌の致死率Ｑ（殺菌率）を以下の式で計算する。
Ｐ＝（Ｎ／Ｎ0）×１００、Ｑ＝１００―Ｐ
Ｐ：菌の生存率、Ｑ：菌の致死率、
Ｎ0：紫外線照射前の菌数、Ｎ：紫外線照射後の菌の生存数

（紫外線照射時間と殺菌率の関係）
紫外線照射時間を３０分とすると、図７に示すように、大腸菌の直接照射部分の殺菌率は約４０％、間接照射部分の殺菌率は約３０％となる。

紫外線照射前の菌数は、約４０００個（ＳＤ＋−８００）である。実験後の紫外線照射器の放熱板の温度は約３６℃、また、実験終了時の菌液の温度は約３５℃である。３０分間の紫外線照射で、直接照射部分と間接照射部分のいずれも殺菌率は３０〜４０％となる。

直接照射部分は、紫外線の照射時間を３０分として約４０％の大腸菌が死滅し、間接照射部分においても、約３０％の大腸菌が死滅する。紫外線の波長を短くしてＵＶＣの紫外線を、同一の条件で照射した牛乳は、大腸菌が死滅しなかった。

牛乳に、１重量％のリボフラビンを添加する以外、同様の実験をすると、大腸菌の死滅率は、４０％から８０％まで増加する。リボフラビンの添加量が０．３重量％よりも少なくなると、添加の効果は期待されない。また、リボフラビンの添加量が２重量％よりも多くなっても、添加の効果は少なくなる。したがって、リボフラビンの添加量は、好ましくは０．１重量％ないし２重量％、さらに好ましくは０．３重量％ないし１重量％とする。

紫外線殺菌作用の波長特性を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる紫外線殺菌装置の概略構成図である。 ＬＥＤの指向特性の一例を示す図である。 ＬＥＤの指向特性の他の一例を示す図である。 本発明の実施例に使用する紫外線殺菌装置の概略構成図である。 本発明の実施例におけるインフルエンザウイルスとヘルペスウイルスの直接照射部分の不活化率を示すグラフである。 本発明の実施例における牛乳の殺菌率を示すグラフである。

符号の説明

１…ＬＥＤ
２…基盤
３…電源
４…殺菌対象物

Claims (16)

1. 紫外線でウイルスを不活化するウイルスの紫外線殺菌装置であって、紫外線を放射するＬＥＤを備え、このＬＥＤは、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有する発光チップと、この発光チップの紫外線を含む発光を集束する集光レンズとを備え、ＬＥＤが発光チップの発光を集光レンズで集束して放射するようにしてなる紫外線殺菌装置。
2. 紫外線を有色の液体に照射して殺菌する有色の液体の紫外線殺菌装置であって、紫外線を放射するＬＥＤを備え、このＬＥＤは、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有する発光チップと、この発光チップの発光を集束する集光レンズとを備え、ＬＥＤが発光チップの発光を集光レンズで集束して放射するようにしてなる紫外線殺菌装置。
3. ＬＥＤの集光レンズでもって集束して放射される発光出力の指向特性が、中心線上の放射強度の５０％となる角度を、中心線から６０度以内としている請求項１又は２に記載される紫外線殺菌装置。
4. ＬＥＤの集光レンズでもって集束して放射される発光出力の指向特性が、中心線上の放射強度の７５％となる角度を、中心線から３５度以内としている請求項１又は２に記載される紫外線殺菌装置。
5. ＬＥＤの集光レンズが、発光チップから放射される発光エネルギーの８０％以上を、中心線から６０度の範囲に集束して放射する請求項１又は２に記載される紫外線殺菌装置。
6. ＬＥＤから１ｃｍ離れた中心線上の放射強度が３００ｍＷ／ｃｍ^２以上である請求項１又は２に記載される紫外線殺菌装置。
7. ＬＥＤから１ｃｍ離れた中心線上の放射強度が５００ｍＷ／ｃｍ^２以上である請求項１又は２に記載される紫外線殺菌装置。
8. ＬＥＤの主発光ピークが３６５ないし３７０ｎｍの波長域にあることを特徴とする請求項１又は２に記載される紫外線殺菌装置。
9. ＬＥＤの主発光ピーク波長における発光スペクトルの半値幅が５ｎｍ以上であって１５ｎｍ以下である請求項１ないし４のいずれかに記載される紫外線殺菌装置。
10. ＬＥＤが窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなることを特徴とする請求項１、２、又は８のいずれかに記載される紫外線殺菌装置。
11. ＬＥＤの発光のすべて又は一部が殺菌作用を奏する光源として、ＬＥＤの近傍における光触媒もしくは波長変換材料の有無に関わらず、殺菌対象物に直接照射されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載される紫外線殺菌装置。
12. ＬＥＤを、棒状、筒状、箱状、平面状、球状もしくは任意の形状の取り付け部材の表面及び／又は裏面に並べて取り付けることにより、ＬＥＤの発光が、取り付け部材の形状に応じて周囲に発散されるようにしたことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載される紫外線殺菌装置。
13. 水に対する密閉性と防水性を備え、かつ紫外線を透過する透明性のある容器またはカプセルにＬＥＤを内蔵したことを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれかに記載される紫外線殺菌装置。
14. 有色の液体に紫外線を照射して殺菌する紫外線殺菌方法であって、
    有色の液体にリボフラビンを添加し、リボフラビンの添加された有色の液体に、３６０ないし３８０ｎｍの波長域に主発光ピークを有するＬＥＤから放射される紫外線を照射することを特徴とする有色の液体の紫外線殺菌方法。
15. 有色の液体が牛乳である請求項１４に記載される紫外線殺菌方法。
16. 有色の液体に、０．５重量％以上のリボフラビンを添加する請求項１４に記載される有色の液体の紫外線殺菌方法。

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