Promieniowanie ultrafioletowe - jego atrybuty i zalety

Trochę historii

W roku 1801 niemiecki fizyk Johann Wilhelm Ritter odkrywa promieniowanie ultrafioletowe (UV). Zaobserwował on przyspieszone ciemnienie papieru nasączonego chlorkiem srebra po wystawieniu go na działanie niewidzialnych promieni o zakresie tuż poza zakresem światła widzialnego od strony koloru fioletowego. Aby odróżnić te promienie od „promieni cieplnych” (podczerwień, IR) odkrytych przez siebie rok wcześniej na drugim końcu widma światła widzialnego, nazywa promieniowanie UV terminem „promienie utleniające”, który podkreśla zaobserwowaną przez niego reaktywność chemiczną. Termin ten został szybko zastąpiony terminem „promienie chemiczne”, który cieszył się popularnością przez resztę XIX wieku. Ostatecznie terminy „promienie chemiczne” i „promienie cieplne” zostały zastąpione przez obecnie powszechnie stosowane terminy, odpowiednio „promieniowanie ultrafioletowe” i „promieniowanie podczerwone”.

Czym jest promieniowanie ultrafioletowe (UV)?

W widmie elektromagnetycznym promieniowanie ultrafioletowe (UV) jest klasyfikowane jako promieniowanie o długości fal od 100nm do 400nm. Jego fale są krótsze niż fale światła widzialnego i dłuższe niż fale promieniowania rentgenowskiego. Istnieją trzy rodzaje światła UV: UVA o długości fal od 315 do 400nm, UVB o długości fal od 280 do 315nm oraz UVC o długości fal od 100 do 280nm.

Ilustracja 1: fale UV mają długości bezpośrednio poniżej długości fal widocznych dla ludzkiego oka. (Ilustracja dzięki uprzejmości W.S. Badger Company, Inc.)

Nasze słońce emituje promieniowanie UV w zakresie od 100 do 400nm. Na skraju atmosfery ziemskiej światło słoneczne składa się z około 50% promieniowania podczerwonego (IR), 40% światła widzialnego i 10% światła ultrafioletowego (UV). Światło słoneczne, docierając do powierzchni Ziemi, gdy słońce znajduje się w najwyższym punkcie, składa się w 53% z promieniowania podczerwonego, w 44% ze światła widzialnego i w 3% ze światła ultrafioletowego. W tych 3% promieniowania UV, które dociera do powierzchni Ziemi, około 95% to UVA, a 5% to UVB. Oczywiście te wartości procentowe różnią się nieco w zależności od zachmurzenia i innych warunków atmosferycznych.

Większość fal UVC jest pochłaniana przez tlen w górnej części atmosfery, na skutek czego w warstwie ozonowej powstaje ozon. Warstwa ozonowa blokuje większość promieniowania UVB oraz pozostałą część promieniowania UVC, która nie została jeszcze wchłonięta przez tlen.

Sztuczne emitery UV

Słońce nie jest jedynym źródłem promieniowania UV. Istnieje szereg urządzeń wykonanych przez człowieka, które również generują te fale.

Lampy światła czarnego

Najbardziej znanymi generatorami UV są lampy światła czarnego (ilustracja 2). Typowe lampy światła czarnego generują fale UVA oraz minimalną ilość światła widzialnego. Na przykład fluorescencyjne lampy światła czarnego emitujące fale UVA zamiast światła widzialnego wykorzystują warstwę fosforową na wewnętrznej stronie szklanej rury. Mocniejsze rtęciowe lampy światła czarnego wykorzystują tę samą zasadę do emitowania promieniowania UVA na większą skalę, głównie na potrzeby koncertów i efektów teatralnych.

Ilustracja 2: typowe fluorescencyjne lampy światła czarnego emitują fale UVA

Lampy światła czarnego znajdują zastosowanie głównie tam, gdzie zewnętrzne światło widzialne jest niepożądane podczas obserwacji zjawiska fluorescencji spowodowanego ekspozycją określonych substancji na działanie światła UV.

Krótkofalowe lampy UV

Krótkofalowe lampy UV zawierają fluorescencyjne rury bez powłoki fosforowej. Promieniowanie UV o skrajnych długościach fal 185nm i 253,7nm, również w paśmie UVC, jest emitowane głównie dzięki zawartości rtęci w rurze. Jednak przez rurę ze szkła kwarcowego przechodzi tylko promieniowanie o długości fali 253,7nm, podczas gdy fale o długości 185nm są całkowicie blokowane. Lampy te charakteryzuje zazwyczaj sprawność od 30% do 40% oraz moc UVC w zakresie od dwukrotności do trzykrotności mocy konwencjonalnych lamp fluorescencyjnych.

Podstawowym zastosowaniem tych lamp jest dezynfekcja powierzchni laboratoryjnych, powierzchni przeznaczonych do przetwórstwa żywności i instalacji wodociągowych.

Lampy wyładowcze UV

W lampach wyładowczych znajdują się różne gazy emitujące promieniowanie UV w określonych prążkach widmowych. Lampy te znajdują zastosowanie w specjalistycznych laboratoriach naukowych. Lampy tego typu są głównie używane w urządzeniach spektroskopii UV wykorzystywanych do analiz chemicznych.

Lasery

Lasery mogą być produkowane specjalnie do wytwarzania światła UV. Lasery, odpowiednio dobrane pod kątem technologii (gazowy, diodowy lub półprzewodnikowy) i użytych materiałów, są w stanie pokryć całe pasmo UV.

Lasery UV mają wiele zastosowań, m.in. grawerowanie laserowe, dermatologia, keratektomia, chemia, łączność, pamięci optyczne i produkcja układów scalonych.

Diody elektroluminescencyjne

Diody elektroluminescencyjne (LED) są produkowane specjalnie do wytwarzania światła UV. Urządzenia te są obecnie stosowane do utwardzania światłem ultrafioletowym, sterylizacji, leczenia skóry, a także w chemii do identyfikacji składników mieszanek.

Kwestie zdrowotne

Promieniowanie UV może mieć zarówno korzystny, jak i szkodliwy wpływ na zdrowie ludzkie. Zbyt duża ekspozycja może być szkodliwa, ale umiarkowana daje korzystne efekty.

Szkodliwe skutki

Nadmierna ekspozycja na promieniowanie UV (w ofercie firmy DigiKey znajdują się diody LED UVA) może mieć szkodliwe skutki dla oczu, skóry i układu odpornościowego.

Promieniowanie UVA nie powoduje natychmiastowej reakcji lub powoduje ją w niewielkim stopniu, choć przy falach o długościach bliskich początkowi pasma UVB (315nm), zaczyna występować zapalenie rogówki (bolesne schodzenie oczu) i zaczerwienienie skóry (bledsza skóra jest bardziej wrażliwa). Gdy długości fal zbliżają się do 300nm, uszkodzenia są coraz poważniejsze. Najbardziej szkodliwe dla oczu i skóry jest promieniowanie UV w zakresie od 265nm do 275nm, w paśmie UVC.

Nadmierna ekspozycja na promieniowanie UVB może nie tylko powodować poparzenia słoneczne, ale także pewne formy raka skóry.

Korzystne skutki

O ile nadmierna ekspozycja na promieniowanie UV może być bardzo szkodliwa, o tyle umiarkowana może być korzystna dla zdrowia. Trzy podstawowe korzyści zdrowotne wynikające z ekspozycji na promieniowanie UV to: produkcja witaminy D, poprawa nastroju i zwiększenie energii.

Witamina D

Umiarkowana ekspozycja na promieniowanie UV jest dobrym źródłem witaminy D. Witamina ta pomaga w regulacji metabolizmu wapnia, wydzielania insuliny, ciśnienia krwi, odporności i rozmnażania komórek. Wyższe poziomy witaminy D są skorelowane z niższym prawdopodobieństwem występowania chorób serca, udaru mózgu i cukrzycy, a także z tendencją do niższego ciśnienia krwi.

Choroby skóry

Istnieją pewne choroby skóry, które można leczyć promieniowaniem UV. Dzięki nowoczesnej fototerapii możliwe jest teraz skuteczne leczenie wyprysków, atopowego zapalenia skóry, krzywicy, twardziny miejscowej, żółtaczki, łuszczycy i bielactwa.

Układ krążenia i nadciśnienie

U pacjentów z wysokim ciśnieniem krwi i niedoborem witaminy D wykazano, że ekspozycja na promieniowanie UVB może obniżyć ciśnienie krwi. Inne próby i badania medyczne wykazały, że promieniowanie UV, niezależnie od poziomu witaminy D, ma mierzalne korzyści zdrowotne.

Serotonina

Witamina D wspomaga produkcję serotoniny, której wielkość jest wprost proporcjonalna do ekspozycji organizmu na promieniowanie UV. Zmiany poziomu serotoniny wpływają na nastrój i zachowanie. Jej dokładny wpływ na ludzkie ciało nie jest w pełni znany, ale uważa się, że serotonina zapewnia dobre samopoczucie, uczucie spokoju i szczęścia.

Melanina

Umiarkowana ekspozycja na promieniowanie UV zwiększa ilość melaniny, brązowego pigmentu w skórze (opalenizna). Melanina pochłania zarówno promieniowanie UVA, jak i UVB, rozpraszając je w postaci ciepła. Chroni to skórę przed bezpośrednim i pośrednim uszkodzeniem DNA.

Zastosowania

Istnieje kilka zastosowań, które wykorzystują właściwości promieniowania UV i zapewniają wiele korzyści dla zdrowia i dobrego samopoczucia ludzi. Obecnie fale UV wykorzystuje się głównie z myślą o ich zdolności do zabijania drobnoustrojów i usuwania zanieczyszczeń.

Oczyszczanie powietrza

Zanieczyszczenia środowiska występujące w pomieszczeniach to w większości związki organiczne na bazie węgla, które ulegają rozkładowi przy ekspozycji na promieniowanie UVC o dużej intensywności w zakresie od 240nm do 280nm. Takie promieniowanie może również niszczyć DNA w mikroorganizmach. Dzięki temu cyrkulowanie powietrza przez emiter promieniowania UVC, np. przez emiter LED UVC TUD7MF1B firmy SETi/Seoul Viosys (ilustracja 3) może pomóc w oczyszczeniu powietrza w pomieszczeniu. Wspomniany emiter LED UVC o długości fal 275nm (nominalnej) jest dostępny w formie płytki w kształcie gwiazdy o standardowej mocy promieniowania 11,5mW - nadaje się do wielu różnych zastosowań, w tym do oczyszczania powietrza.

Ilustracja 3: emiter LED UVC firmy SETi/Seoul Viosys jest dostępny w formie płytki w kształcie gwiazdy, co pozwala uprościć odprowadzanie ciepła. (Ilustracja dzięki uprzejmości SETi/Seoul Viosys)

Sterylizacja i dezynfekcja

Diody LED UVC mogą być również używane w różnych zastosowaniach związanych z sterylizacją i dezynfekcją. W laboratoriach medycznych i biologicznych promieniowanie UVC stosuje się w połączeniu z innymi technikami do sterylizacji narzędzi i powierzchni roboczych.

Inne powszechne zastosowania promieniowania UVC to m.in. oczyszczanie ścieków i komunalnej wody pitnej. Jest też wykorzystywane przez rozlewnie wody źródlanej do sterylizacji produktów. Dodatkowo promieniowania UVC używa się do zabijania mikroorganizmów w przemyśle spożywczym. Można za jego pomocą na przykład pasteryzować soki owocowe, kierując ich przepływ w pobliżu źródła promieniowania.

Leczenie

Promieniowanie UV jest nie tylko przydatne do oczyszczania i sterylizacji, ale stanowi także pomocne narzędzie do leczenia różnych dolegliwości skóry, takich jak łuszczyca czy bielactwo (choroba powodująca utratę pigmentu w płatach skóry). W tym przypadku użyteczne są promienie UVB a nie UVC. Idealne do tego zastosowania są diody LED UVB. Te urządzenia generujące fale świetlne o długości od 280nm do 315nm mogą być podstawą do projektowania urządzeń do leczenia skóry. Są one dostępne w wersjach z różnymi typami montażu i mocami promieniowania.

Podsumowanie

Promieniowanie UV ma zarówno szkodliwy, jak i korzystny wpływ na ludzi. Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu urządzeń korzystne cechy fal UVB i UVC można wykorzystać zarówno do ochrony przed infekcjami, jak i do leczenia niektórych chorób skóry. Firma DigiKey oferuje diody LED UV, które idealnie nadają się do tych zastosowań i są łatwiejsze w projektowaniu w porównaniu z innymi źródłami promieniowania UV.