Ultrafialové záření – jeho vlastnosti a přínosy

Stručná historie

Německý fyzik Johann Wilhelm Ritter objevil ultrafialové (UV) záření v roce 1801. Pozoroval zrychlené tmavnutí papíru nasáklého chloridem stříbrným, když byl vystaven neviditelným paprskům těsně za hranicí viditelného spektra na fialovém konci. K odlišení těchto paprsků od „tepelných paprsků“ (IR) objevených v předchozím roce na druhém konci viditelného spektra nazval UV záření „oxidačními paprsky“, což zdůraznilo chemickou reaktivitu, kterou pozoroval. To bylo rychle nahrazeno termínem „chemické paprsky“, který zůstal populární po zbytek 19^čt století. Nakonec byly termíny chemické a tepelné paprsky nahrazeny nyní běžným označením ultrafialové a infračervené záření.

Co je UV záření?

V elektromagnetickém spektru je ultrafialové (UV) záření klasifikováno jako záření s vlnovou délkou od 100 do 400 nm. Tyto vlnové délky jsou kratší než u viditelného světla a delší než u rentgenového záření. Existují tři klasifikace UV světla: UVA má vlnové délky mezi 315 a 400 nm, UVB má vlnové délky mezi 280 a 315 nm a UVC má vlnové délky mezi 100 a 280 nm.

Obrázek 1: UV vlnové délky jsou ty, které jsou těsně pod hranicí toho, co vidí lidské oko. (Obrázek se svolením společnosti W.S. Badger Company, Inc.)

Naše slunce vyzařuje UV záření ve spektru 100 až 400 nm. Na okraji zemské atmosféry se sluneční světlo skládá z přibližně 50 % infračerveného (IR), 40 % viditelného a 10 % UV záření. V době, kdy dosáhne zemského povrchu, je složení slunečního světla se sluncem v nejvyšším bodě 53 % IR, 44 % viditelného a 3 % UV záření. Z těchto 3 % UV záření, které dopadá na zem, je přibližně 95 % UVA a 5 % UVB. Tato procenta se samozřejmě poněkud liší podle oblačnosti a dalších atmosférických podmínek.

Velká část vlnových délek UVC je absorbována kyslíkem v horní vrstvě atmosféry, který pak v ozonové vrstvě vytváří ozon. Ozonová vrstva blokuje většinu UVB a zbytek UVC záření, které ještě není absorbováno kyslíkem.

Umělé zdroje UV záření

Slunce není jediným zdrojem UV záření. Existuje několik umělých zařízení, která tyto vlnové délky generují také.

Černá světla

Nejznámějšími generátory UV záření jsou černá světla (obrázek 2). Typická černá světla vyzařují UVA vlny s velmi malým množstvím viditelného světla. Například fluorescenční černá světla využívají k vyzařování UVA vln místo viditelného světla fosforový povlak na vnitřní straně skleněné trubice. Výkonnější černá světla s parami rtuti využívají stejný princip k vyzařování UVA záření ve větším měřítku, především pro koncertní a divadelní představení.

Obrázek 2: Typická fluorescenční černá světla vyzařující UVA vlny

Hlavní aplikace pro černá světla jsou ty, kde je při pozorování výsledné fluorescence způsobené při vystavení určitých látek UV světlu nežádoucí vnější viditelné světlo.

Krátkovlnné UV lampy

Krátkovlnné UV lampy se skládají z fluorescenčních zářivkových trubic bez fosforového povlaku. UV světlo s vrcholy při 253,7 nm a 185 nm, obojí v pásmu UVC, je emitováno primárně díky rtuti v trubici. Avšak pouze 253,7nm záření prochází trubicí z taveného křemenného skla, zatímco vlnová délka 185 nm je zcela blokována. Typická účinnost těchto lamp je 30 % až 40 % a jejich UVC výkon je dvakrát až třikrát vyšší než u běžných fluorescenčních lamp.

Primární použití těchto lamp představuje dezinfekce laboratorních povrchů, povrchů používaných při zpracování potravin a zásobování vodou.

UV plynové výbojky

Plynové výbojky obsahují různé plyny vybrané k produkci UV záření na specifických spektrálních liniích, které se používají ve specializovaných vědeckých aplikacích. Hlavní použití těchto světel je v UV spektroskopických zařízeních používaných v chemické analýze.

Lasery

Lasery mohou být vyrobeny speciálně tak, aby produkovaly UV světlo. V závislosti na laserové technologii (plynové lasery, laserové diody nebo pevnolátkové lasery) a použitých materiálech lze vyrobit lasery tak, aby pokryly celé UV pásmo.

Pro UV lasery existuje mnoho aplikací včetně laserového gravírování, dermatologie, keratektomie, chemie, komunikace, optických úložišť a výroby integrovaných obvodů.

Světelné diody

Světelné diody (LED) se vyrábějí speciálně pro produkci UV světla. Tato zařízení se v současnosti používají v aplikacích vytvrzování UV zářením, ke sterilizaci, kožní terapii a v chemii k identifikaci směsí složek.

Aspekty týkající se zdraví

UV záření má vliv na lidské zdraví, a to jak prospěšný, tak škodlivý. Příliš velké vystavení může být škodlivé, zatímco mírné vystavení má příznivé účinky.

Škodlivé účinky

Nadměrné vystavení UV záření (UVA LED diody jsou u společnosti DigiKey k dispozici) má potenciál mít škodlivé účinky na oči, pokožku a imunitní systém.

UVA záření způsobuje malou nebo žádnou okamžitou reakci, ale vlnové délky blízko začátku pásma UVB (315 nm) začínají způsobovat fotokeratitidu (bolestivé oční onemocnění) a zarudnutí kůže (světlejší kůže je k tomu náchylnější) s rychle narůstajícím poškozením s tím, jak se vlnová délka blíží 300 nm. Nejvíce poškozuje oči a pokožku UV záření v rozsahu 265 nm až 275 nm v pásmu UVC.

Nadměrné vystavení UVB záření může způsobit nejen spálení sluncem, ale je také zodpovědné za některé formy rakoviny kůže.

Blahodárné účinky

Jakkoli špatné může být nadměrné vystavování UV záření, když člověk dokáže vystavení UV záření zmírnit, existují i zdravotní přínosy tohoto záření. Tři primární blahodárné účinky vystavení UV záření jsou produkce vitamínu D, zlepšení nálady a zvýšení energie.

Vitamín D

Mírné vystavení UV záření je dobrým zdrojem vitaminu D. Tento vitamin pomáhá při regulaci metabolismu vápníku, sekrece inzulínu, krevního tlaku, imunity a množení buněk. Vyšší hladiny vitaminu D souvisejí s nižším výskytem srdečních chorob, mrtvice a cukrovky spolu s tendencí k nižšímu krevnímu tlaku.

Stavy pokožky

Existují určitá kožní onemocnění, která lze léčit UV zářením. S moderní fototerapií je nyní možná úspěšná léčba ekzémů, dermatitid, křivice, atopické a lokalizované sklerodermie, žloutenky, psoriázy a vitiliga.

Kardiovaskulární onemocnění a hypertenze

U pacientů s vysokým krevním tlakem a nedostatkem vitaminu D bylo prokázáno, že vystavení UVB záření může jejich krevní tlak snížit. Jiné lékařské testy a studie prokázaly, že UV záření má nezávisle na vitamínu D měřitelné zdravotní přínosy.

Serotonin

Tvorbu serotoninu podporuje vitamin D a jeho tvorba je přímo úměrná vystavení organismu UV záření. Změny hladiny serotoninu ovlivňují náladu a chování. Jeho přesný účinek na lidské tělo není zcela znám, ale předpokládá se, že serotonin navozuje pocity pohody, klidu a štěstí.

Melanin

Mírné vystavení UV záření zvyšuje množství melaninu, hnědého pigmentu, v pokožce (jinak známého jako opálení). Melanin pohlcuje UVA i UVB záření a rozptyluje ho jako teplo. To chrání pokožku před přímým i nepřímým poškozením DNA.

Aplikace

Existuje několik aplikací, které využívají vlastnosti UV záření a poskytují mnoho výhod pro zdraví a pohodu lidí. Primárním využitím je dnes schopnost UV vln zabíjet mikroby a odstraňovat kontaminanty.

Čištění vzduchu

Kontaminanty vnitřního prostředí jsou do značné míry organické sloučeniny na bázi uhlíku, které se rozkládají vystavením vysoce intenzivnímu UVC záření v rozsahu 240 až 280 nm. Toto záření může také zničit DNA v mikroorganismech. Proto cyklující vzduch procházející UVC zářičem, jako je např. model UVC LED diody TUD7MF1B společnosti SETi/Seoul Viosys (obrázek 3), může pomoci při čištění vzduchu v místnosti, kde je umístěn. Tato UVC LED dioda s vlnovou délkou 275 nm (nominální) je k dispozici jako jednotka Star Board s typickým zářivým výkonem 11,5 mW – vhodným pro mnoho různých aplikací včetně čištění vzduchu.

Obrázek 3: Tato UVC LED dioda společnosti SETi/Seoul Viosys je k dispozici jako jednotka Star Board pro zjednodušení tepelného inženýrství. (Obrázek s laskavým svolením společnosti SETi/Seoul Viosys)

Sterilizace a dezinfekce

UVC LED diody lze také použít pro různé sterilizační a dezinfekční aplikace. V lékařských a biologických laboratořích se UVC záření používá ve spojení s jinými technikami ke sterilizaci nástrojů a povrchů pracovních prostor.

Mezi další běžné aplikace UVC záření patří čištění odpadních vod a městské pitné vody. Používají ho dokonce ve stáčírnách pramenité vody ke sterilizaci svých produktů. Kromě toho se UVC záření používá k zabíjení mikroorganismů v potravinářském průmyslu. Například ovocné šťávy mohou být pasterizovány UVC zářením při protékání zdrojem.

Terapie

UV záření není užitečné pouze k čištění a sterilizaci, ale také jako pomůcka pro ošetření kůže při onemocněních, jako je lupénka a vitiligo (stav, kdy kožní skvrny ztrácejí pigment). V tomto případě není užitečné UVC záření, ale UVB vlny. Ideální jsou pro tuto aplikaci UVB LED diody. Tato zařízení s vlnovou délkou 280 až 315 nm mohou být základem, na kterém se navrhují zařízení pro kožní terapii. Tato zařízení jsou k dispozici v různých možnostech montáže a s různým výkonem záření.

Závěr

UV záření má na člověka škodlivé i příznivé účinky. Při správném návrhu lze využít příznivé vlastnosti UVB i UVC vln k ochraně před infekcí a k léčbě určitých kožních onemocnění. Za tímto účelem nabízí společnost DigiKey UV LED diody, které jsou pro tyto aplikace ideální a pracuje se s nimi v návrzích snáze než s jinými zdroji UV záření.