Radiația ultravioletă – Atributele și beneficiile sale

Un scurt istoric

Fizicianul german, Johann Wilhelm Ritter, a descoperit radiația UV în 1801. El a observat o întunecare accelerată a hârtiei îmbibate cu clorură de argint atunci când aceasta era expusă la raze invizibile chiar dincolo de spectrul vizibil, la capătul violet. Pentru a distinge aceste raze de „razele de căldură” (IR) descoperite în anul precedent la celălalt capăt al spectrului vizibil, el a numit radiațiile UV „raze oxidante”, ceea ce sublinia reactivitatea chimică pe care o observase. Acest termen a fost înlocuit rapid cu cel de "raze chimice", care a rămas popular în restul secolului^{al XIX-lea}. În cele din urmă, termenii de raze chimice și raze de căldură au fost înlocuiți cu denumirile comune din prezent – raze ultraviolete și, respectiv, infraroșii.

Ce este UV?

În spectrul electromagnetic, radiația ultravioletă (UV) este clasificată ca având o lungime de undă cuprinsă între 100 nm și 400 nm. Aceste lungimi de undă sunt mai scurte decât cele ale luminii vizibile și mai lungi decât cele ale razelor X. Există trei clasificări ale luminii UV: UVA are lungimi de undă între 315 și 400 nm, UVB are lungimi de undă între 280 și 315 nm, iar UVC are lungimi de undă între 100 și 280 nm.

Figura 1: lungimile de undă UV sunt cele care se află imediat sub ceea ce poate vedea ochiul uman. (Imagine oferită de W.S. Badger Company, Inc.)

Soarele nostru emite radiații UV în spectrul 100-400 nm. La marginea atmosferei Pământului, lumina solară este formată din aproximativ 50% radiații infraroșii (IR), 40% lumină vizibilă și 10% lumină UV. În momentul în care ajunge la suprafața Pământului, când soarele se află la cel mai înalt punct, lumina solară este compusă din 53% IR, 44% vizibil și 3% UV. Din cei 3% de radiații UV care ajung la sol, aproximativ 95% sunt UVA și 5% sunt UVB. Desigur, aceste procente variază oarecum în funcție de acoperirea norilor și de alte condiții atmosferice.

O mare parte din lungimile de undă UVC sunt absorbite de oxigenul din atmosfera superioară, care generează apoi ozon în stratul de ozon. Stratul de ozon blochează cea mai mare parte a razelor UVB și restul de UVC care nu sunt deja absorbite de oxigen.

Emițători UV artificiali

Soarele nu este singura sursă de radiații UV. Există mai multe dispozitive create de om care generează aceste unde.

Lumini negre

Generatoarele de UV cele mai cunoscute oamenilor sunt luminile negre (Figura 2). Lămpile obișnuite cu lumină neagră emit unde UVA cu foarte puțină lumină vizibilă. De exemplu, luminile negre fluorescente folosesc un strat de fosfor pe interiorul tubului de sticlă pentru a emite unde UVA în loc de lumină vizibilă. Luminile negre mai puternice, cu vapori de mercur, utilizează același principiu pentru a emite radiații UVA la scară mai mare, în special pentru concerte și spectacole de teatru.

Figura 2: luminile negre fluorescente tipice emit unde UVA

Principalele aplicații pentru luminile negre sunt cele în care lumina vizibilă neesențială nu este de dorit, în timp ce se observă fluorescența rezultată atunci când anumite substanțe sunt expuse la lumina UV.

Lămpile UV cu unde scurte

Lămpile UV cu unde scurte constau din tuburi de lămpi fluorescente fără strat de fosfor. Lumina UV cu vârfuri la 253,7 nm și 185 nm, ambele în banda UVC, este emisă în principal datorită mercurului din tub. Cu toate acestea, numai radiația de 253,7 nm trece prin tubul de sticlă din cuarț topit, în timp ce lungimea de undă de 185 nm este complet blocată. Eficiența tipică a acestor lămpi este de la 30% până la 40%, iar acestea au o putere UVC de două-trei ori mai mare decât cea a lămpilor fluorescente convenționale.

Principala aplicație a acestor lămpi este dezinfectarea suprafețelor de laborator, a suprafețelor de prelucrare a alimentelor și a surselor de apă.

Lămpi UV cu descărcare în gaz

Lămpile cu descărcare în gaz conțin diferite gaze alese pentru a produce radiații UV la anumite linii spectrale și sunt utilizate în aplicații științifice specializate. Aceste lămpi sunt utilizate în principal în echipamentele de spectroscopie UV folosite în analiza chimică.

Lasere

Laserele pot fi fabricate special pentru a produce lumină UV. În funcție de tehnologia laser (lasere cu gaz, diode laser sau lasere în stare solidă) și de materialele utilizate, laserele pot fi realizate pentru a acoperi întreaga bandă UV.

Există multe aplicații pentru laserele UV, inclusiv gravura cu laser, dermatologia, keratectomia, chimia, comunicațiile, stocarea optică și fabricarea de circuite integrate.

Diode emițătoare de lumină

Diodele emițătoare de lumină (leduri) sunt fabricate special pentru a produce lumină UV. Aceste dispozitive sunt utilizate în prezent în aplicații de polimerizare UV, sterilizare, terapie cutanată și în chimie pentru identificarea amestecurilor de componente.

Probleme de sănătate

Radiațiile UV au un impact asupra sănătății umane, atât benefic, cât și dăunător. O expunere prea mare poate fi dăunătoare, în timp ce o expunere moderată are efecte benefice.

Efecte nocive

Expunerea excesivă la radiații UV (ledurile UVA sunt disponibile la DigiKey) are potențialul de a provoca efecte dăunătoare pentru ochi, piele și sistemul imunitar.

Radiațiile UVA provoacă puține reacții imediate sau chiar niciuna, dar la lungimi de undă apropiate de începutul benzii UVB (315 nm), încep să apară fotokeratita (o afecțiune dureroasă a ochilor) și înroșirea pielii (pielea mai deschisă la culoare este mai sensibilă), iar daunele cresc rapid pe măsură ce lungimile de undă se apropie de 300 nm. Radiația UV din intervalul 265 nm - 275 nm, în banda UVC, este cea mai dăunătoare pentru ochi și piele.

Supraexpunerea la UVB nu numai că poate provoca arsuri solare, dar este responsabilă și pentru unele forme de cancer de piele.

Efecte benefice

Oricât de nocivă ar fi supraexpunerea la razele UV, există și beneficii pentru sănătate, cu condiția ca expunerea la acestea să fie moderată. Cele trei beneficii principale pentru sănătate ale expunerii la razele UV sunt producția de vitamina D, îmbunătățirea stării de spirit și creșterea nivelului de energie.

Vitamina D

Expunerea moderată la radiațiile UV este o sursă bună de vitamina D. Această vitamină ajută la reglarea metabolismului calciului, a secreției de insulină, a tensiunii arteriale, a imunității și a înmulțirii celulelor. Nivelurile mai ridicate de vitamina D au fost corelate cu rate mai scăzute de boli de inimă, accidente vasculare cerebrale și diabet, precum și cu o tendință de scădere a tensiunii arteriale.

Afecțiuni ale pielii

Există anumite afecțiuni ale pielii care pot fi tratate cu ajutorul radiațiilor UV. Cu ajutorul fototerapiei moderne, este acum posibil tratamentul cu succes al eczemelor, dermatitei, rahitismului, sclerodermiei atopice și localizate, icterului, psoriazisului și vitiligo.

Afecțiuni cardiovasculare și hipertensiune arterială

La pacienții cu tensiune arterială ridicată și deficit de vitamina D, s-a demonstrat că expunerea la UVB poate reduce tensiunea arterială. Alte teste și studii medicale au arătat că radiațiile UV, independent de vitamina D, au beneficii măsurabile pentru sănătate.

Serotonină

Crearea de serotonină este promovată de vitamina D, iar producția acesteia este direct proporțională cu expunerea organismului la radiațiile UV. Modificările nivelului de serotonină afectează starea de spirit și comportamentul. Efectul său exact asupra corpului uman nu este cunoscut în întregime, dar se crede că serotonina oferă senzații de bunăstare, seninătate și fericire.

Melanină

Expunerea moderată la UV crește cantitatea de melanină, pigmentul brun, din piele (cunoscut și sub numele de bronz). Melanina absoarbe atât radiațiile UVA, cât și UVB, disipându-le sub formă de căldură. Aceasta protejează pielea atât de deteriorarea directă, cât și indirectă a ADN-ului.

Aplicații

Există mai multe aplicații care exploatează proprietățile radiațiilor UV și care oferă numeroase beneficii pentru sănătatea și bunăstarea oamenilor. Capacitatea undelor UV de a distruge microbii și de a elimina contaminanții este principala utilizare în prezent.

Purificarea aerului

Contaminanții din mediul interior sunt în mare parte compuși organici pe bază de carbon care se descompun la expunerea la UVC de intensitate mare, în intervalul 240 nm - 280 nm. De asemenea, poate distruge ADN-ul din microorganisme. Prin urmare, trecerea ciclului de aer printr-un emițător UVC, cum ar fi ledul UVC SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B (Figura 3), poate ajuta la purificarea aerului din încăperea în care este amplasat. Acest led UVC de 275 nm (nominal) este disponibil sub formă de unitate Star Board cu o putere radiantă tipică de 11,5 mW – potrivită pentru multe aplicații diferite, inclusiv pentru purificarea aerului.

Figura 3: acest led UVC SETi/Seoul Viosys este disponibil ca o unitate Star Board pentru simplificarea ingineriei termice. (Imagine oferită de SETi/Seoul Viosys)

Sterilizare și dezinfecție

Ledurile UVC pot fi, de asemenea, utilizate pentru o varietate de aplicații de sterilizare și dezinfectare. În laboratoarele de medicină și biologie, radiațiile UVC sunt utilizate, împreună cu alte tehnici, pentru a steriliza instrumentele și suprafețele spațiilor de lucru.

Alte aplicații comune pentru radiațiile UVC includ tratarea apelor uzate și a apei potabile municipale. Acestea sunt folosite chiar și de către îmbuteliatorii de apă de izvor pentru a-și steriliza produsul. În plus, radiațiile UVC sunt utilizate pentru a distruge microorganismele în industria de prelucrare a alimentelor. De exemplu, sucurile de fructe pot fi pasteurizate cu UVC, pe măsură ce trec pe lângă o sursă.

Terapie

Radiația UV nu este utilă doar pentru purificare și sterilizare, ci și pentru tratamentul pielii în cazul unor afecțiuni precum psoriazisul și vitiligo (o afecțiune în care pe piele apar pete fără pigment). În acest caz, nu undele UVC, ci undele UVB sunt utile. Aici, ledurile UVB sunt ideale pentru această aplicație. Aceste dispozitive de la 280 nm până la 315 nm pot fi baza pe care se proiectează dispozitivele de terapie a pielii. Aceste dispozitive sunt disponibile într-o varietate de opțiuni de montare și de ieșire radiantă.

Concluzie

Radiațiile UV au atât efecte dăunătoare, cât și benefice asupra oamenilor. Cu un design adecvat, atributele benefice ale undelor UVB și UVC pot fi exploatate atât pentru a ne proteja de infecții, cât și pentru a trata anumite afecțiuni ale pielii. În acest scop, DigiKey oferă leduri UV care sunt ideale pentru aceste aplicații și sunt mai ușor de proiectat decât alte surse UV.