Radiazione ultravioletta: attributi e benefici

Un breve riassunto storico

Il fisico tedesco Johann Wilhelm Ritter scoprì la radiazione UV nel 1801. Osservò un oscuramento accelerato della carta impregnata di cloruro d'argento quando esposta a raggi invisibili appena oltre lo spettro visibile all'estremità violetta. Per distinguere questi raggi dai "raggi di calore" (IR) scoperti l'anno precedente all'altra estremità dello spettro visibile, chiamò la radiazione UV "raggi ossidanti", il che sottolineava la reattività chimica che aveva osservato. Questo fu rapidamente sostituito dal termine "raggi chimici" che rimase popolare per tutto il resto del ^XIX secolo. Alla fine, i termini raggio chimico e raggio di calore sono stati sostituiti con le designazioni ultraviolette e infrarosse, ora comuni.

Che cos'è l'ultravioletto?

Nello spettro elettromagnetico, la radiazione ultravioletta (UV) è classificata come avente una lunghezza d'onda da 100 nm a 400 nm. Queste lunghezze d'onda sono più corte di quelle della luce visibile e più lunghe di quelle dei raggi X. Ci sono tre classificazioni di luce UV: UVA ha lunghezze d'onda tra 315 e 400 nm, UVB ha lunghezze d'onda tra 280 e 315 nm e UVC ha lunghezze d'onda tra 100 e 280 nm.

Figura 1: Le lunghezze d'onda UV sono quelle immediatamente al di sotto di ciò che può vedere l'occhio umano. (Immagine per gentile concessione di W.S. Badger Company, Inc.)

Il nostro sole emette radiazioni UV attraverso lo spettro da 100 a 400 nm. Ai margini dell'atmosfera terrestre la luce del sole consiste di circa il 50% di infrarossi (IR), 40% di luce visibile e 10% di luce UV. Quando raggiunge la superficie terrestre, con il sole nel suo punto più alto, la composizione della luce solare è 53% IR, 44% visibile e 3% UV. Di questo 3% di UV che raggiunge il suolo, circa il 95% è UVA e il 5% è UVB. Naturalmente, queste percentuali variano un po' con la copertura nuvolosa e in altre condizioni atmosferiche.

Gran parte delle lunghezze d'onda UVC è assorbita dall'ossigeno nell'atmosfera superiore, che poi genera l'ozono nello strato di ozono. Lo strato di ozono blocca la maggior parte degli UVB e il resto degli UVC non già assorbiti dall'ossigeno.

Emettitori UV artificiali

Il sole non è l'unica fonte di radiazioni UV. Esistono anche diversi dispositivi artificiali che generano queste onde.

Luci nere

I generatori UV più comuni sono le luci nere (Figura 2). Le tipiche lampade a luce nera emettono onde UVA con pochissima luce visibile. Ad esempio, le luci nere fluorescenti usano un rivestimento di fosforo all'interno del tubo di vetro per emettere onde UVA al posto di luce visibile. Luci nere a vapori di mercurio più potenti usano lo stesso principio per emettere radiazioni UVA su una scala maggiore, principalmente per concerti e spettacoli teatrali.

Figura 2: Le tipiche luci nere fluorescenti emettono onde UVA

Le principali applicazioni delle luci nere sono quelle in cui la luce visibile estranea è indesiderabile mentre si osserva la fluorescenza risultante causata quando alcune sostanze sono esposte alla luce UV.

Lampade UV a onde corte

Le lampade UV a onde corte sono costituite da tubi di lampade fluorescenti senza rivestimento di fosforo. La luce UV con picchi a 253,7 nm e 185 nm, entrambi nella banda UVC, viene emessa principalmente a causa del mercurio nel tubo. Tuttavia, solo la radiazione di 253,7 nm passa attraverso il tubo di vetro di quarzo fuso, mentre la lunghezza d'onda di 185 nm è completamente bloccata. L'efficienza tipica di queste lampade è del 30% al 40% che hanno da due a tre volte il potere UVC delle lampade fluorescenti convenzionali.

L'applicazione principale di queste lampade è la disinfezione delle superfici nei laboratori, delle superfici di trasformazione alimentare e delle forniture di acqua.

Lampade a scarica di gas UV

Le lampade a scarica di gas contengono diversi gas scelti per produrre radiazioni UV in specifiche linee spettrali e sono utilizzate in applicazioni scientifiche specializzate. L'uso principale di queste lampade è nelle apparecchiature di spettroscopia UV utilizzate nell'analisi chimica.

Laser

I laser possono essere fabbricati specificamente per produrre luce UV. A seconda della tecnologia laser (laser a gas, diodi laser o laser a stato solido) e dei materiali utilizzati, i laser possono essere realizzati per coprire l'intera banda UV.

Ci sono molte applicazioni per i laser UV tra cui l'incisione laser, la dermatologia, la cheratectomia, la chimica, le comunicazioni, l'archiviazione ottica e la produzione di circuiti integrati.

Diodi luminescenti

I diodi luminescenti (LED) sono costruiti specificamente per produrre luce UV. Questi dispositivi sono attualmente utilizzati in applicazioni di polimerizzazione UV, sterilizzazione, trattamenti dermici e nella chimica per identificare miscele di componenti.

Problemi di salute

Le radiazioni UV hanno un impatto sulla salute umana, sia benefico che dannoso. Troppa esposizione può essere dannosa, mentre un'esposizione moderata ha effetti benefici.

Effetti nocivi

Un'eccessiva esposizione ai raggi UV (i LED UVA sono disponibili presso DigiKey) può potenzialmente causare effetti dannosi all'occhio, alla pelle e al sistema immunitario.

Le radiazioni UVA causano poche o nessuna reazione immediata, ma a lunghezze d'onda vicine all'inizio della banda UVB (315 nm), iniziano a verificarsi fotocheratite (una condizione dolorosa per gli occhi) e arrossamenti della pelle (la pelle più chiara è più sensibile) con un danno rapidamente crescente più le lunghezze d'onda si avvicinano ai 300 nm. Gli UV nella gamma da 265 nm a 275 nm, nella banda UVC, sono i più dannosi per gli occhi e la pelle.

La sovraesposizione agli UVB non solo può causare eritema solare, ma è anche responsabile di alcune forme di tumore della pelle.

Effetti benefici

Per quanto la sovraesposizione ai raggi UV possa essere negativa, ci sono anche benefici per la salute se si può moderare l'esposizione ai raggi UV. I tre principali benefici per la salute dell'esposizione ai raggi UV sono la produzione di vitamina D, il miglioramento dell'umore e l'aumento dell'energia.

Vitamina D

L'esposizione moderata ai raggi UV è una buona fonte di vitamina D. Questa vitamina aiuta a regolare il metabolismo del calcio, la secrezione di insulina, la pressione arteriosa, l'immunità e la propagazione cellulare. Livelli più alti di vitamina D sono stati correlati a tassi più bassi di malattie cardiache, ictus e diabete, oltre a una tendenza verso una pressione arteriosa più bassa.

Condizioni della pelle

Ci sono alcune condizioni della pelle che possono essere trattate con i raggi UV. Con la fototerapia moderna, è ora possibile il trattamento di eczema, dermatite, rachitismo, sclerodermia atopica e localizzata, ittero, psoriasi e vitiligine.

Cardiovascolare e ipertensione

In pazienti con pressione alta e una carenza di vitamina D, è stato dimostrato che l'esposizione agli UVB può abbassare la pressione arteriosa. Altre prove e studi medici hanno dimostrato che i raggi UV, indipendentemente dalla vitamina D, hanno benefici misurabili per la salute.

Serotonina

La creazione di serotonina è promossa dalla vitamina D e la sua produzione è direttamente proporzionale all'esposizione del corpo ai raggi UV. I cambiamenti del livello di serotonina influenzano l'umore e il comportamento. Il suo effetto esatto sul corpo umano non è del tutto noto, ma si pensa che la serotonina fornisca sensazioni di benessere, serenità e felicità.

Melanina

L'esposizione moderata ai raggi UV aumenta la quantità di melanina, il pigmento marrone, nella pelle (altrimenti nota come abbronzatura). La melanina assorbe entrambe le radiazioni UVA e UVB, dissipandole come calore. Questo protegge la pelle dai danni diretti e indiretti al DNA.

Applicazioni

Ci sono diverse applicazioni che sfruttano le proprietà dei raggi UV e forniscono molti benefici alla salute e al benessere delle persone. La capacità delle onde UV di uccidere i microbi e rimuovere i contaminanti è oggi l'uso primario.

Depurazione dell'aria

I contaminanti ambientali interni sono praticamente composti organici a base di carbonio che si rompono con l'esposizione a UVC ad alta intensità nella gamma da 240 nm a 280 nm. L'UVC può anche distruggere il DNA dei microrganismi. Perciò, far passare l'aria attraverso un emettitore UVC, come il LED UVC TUD7MF1B di SETi/Seoul Viosys (Figura 3), può aiutare la depurazione dell'aria nella stanza in cui è collocato. Questo LED UVC da 275 nm (nominale) è disponibile come unità Star Board con un'uscita radiante tipica di 11,5 mW adatta a molte applicazioni diverse, compresa la depurazione dell'aria.

Figura 3: Questo LED UVC di SETi/Seoul Viosys è disponibile come unità Star Board per semplificare l'ingegneria termica. (Immagine per gentile concessione di SETi/Seoul Viosys)

Sterilizzazione e disinfezione

I LED UVC possono anche essere utilizzati per una varietà di applicazioni di sterilizzazione e disinfezione. Nei laboratori medici e biologici, le radiazioni UVC sono utilizzate, insieme ad altre tecniche, per sterilizzare gli strumenti e le superfici di lavoro.

Altre applicazioni comuni per la radiazione UVC includono il trattamento delle acque reflue e dell'acqua potabile comunale. Viene anche usata dagli imbottigliatori di acqua di sorgente per sterilizzare il prodotto. Inoltre, la radiazione UVC è utilizzata per annientare i microrganismi nel settore alimentare. Ad esempio, i succhi di frutta possono essere pastorizzati con UVC mentre passano attraverso una sorgente.

Terapia

I raggi UV non sono solo utili per la depurazione e la sterilizzazione, ma sono anche un aiuto per il trattamento della pelle in condizioni come la psoriasi e la vitiligine (una condizione in cui le macchie della pelle perdono pigmento). In questo caso, non sono gli UVC ma le onde UVB ad essere utili. I LED UVB sono ideali per questa applicazione. Questi dispositivi da 280 nm a 315 nm possono essere la base su cui sono progettati i dispositivi per i trattamenti dermici. Questi dispositivi sono disponibili in una varietà di opzioni di montaggio e di uscita radiante.

Conclusione

Le radiazioni UV hanno sia effetti nocivi che benefici sugli esseri umani. Con un design adeguato, gli attributi benefici delle onde UVB e UVC possono essere sfruttati per proteggerci dalle infezioni e trattare alcune condizioni della pelle. A tal fine, DigiKey offre LED UV ideali per queste applicazioni e più facili da progettare rispetto ad altre fonti di UV.