Ultraviolette straling - de eigenschappen en voordelen

Een korte geschiedenis

De Duitse natuurkundige Johann Wilhelm Ritter ontdekte UV-straling in 1801. Hij constateerde dat met zilverchloride doordrenkt papier sneller donker werd wanneer het werd blootgesteld aan onzichtbare stralen die net buiten het zichtbare spectrum in het violette gedeelte vielen. Om deze stralen te onderscheiden van de "warmtestraling" (IR) die het jaar daarvoor was ontdekt aan de andere kant van het zichtbare spectrum, noemde hij de UV-straling "oxiderende stralen", wat de chemische reactiviteit benadrukte die hij waarnam. Deze term werd al snel vervangen door de term "chemische stralen", die gedurende de rest van de 19^e eeuw populair bleef. Uiteindelijk werden de chemische en warmtestralingstermen vervangen door de nu gangbare benamingen, respectievelijk ultraviolet en infrarood.

Wat is UV?

In het elektromagnetisch spectrum wordt ultraviolette (UV) straling geclassificeerd als straling met een golflengte van 100 nm tot 400 nm. Deze golflengten zijn korter dan die van zichtbaar licht en langer dan die van röntgenstraling. Er zijn drie classificaties van UV-licht: UVA heeft golflengtes tussen 315 en 400 nm, UVB heeft golflengtes tussen 280 en 315 nm, en UVC heeft golflengtes tussen 100 en 280 nm.

Afbeelding 1: De UV-golflengten liggen onmiddellijk onder wat het menselijk oog kan waarnemen. (Afbeelding met dank aan W.S. Badger Company, Inc.)

Onze zon zendt UV-straling uit over het spectrum van 100 tot 400 nm. Aan de rand van de dampkring van de aarde bestaat het zonlicht uit ongeveer 50% infrarood (IR), 40% zichtbaar en 10% UV-licht. Tegen de tijd dat het het aardoppervlak bereikt, met de zon op haar hoogste punt, is de samenstelling van het zonlicht 53% IR, 44% zichtbaar, en 3% UV. Van deze 3% UV die de grond bereikt, is ongeveer 95% UVA en 5% UVB. Uiteraard variëren deze percentages enigszins naar gelang van de bewolking en andere atmosferische omstandigheden.

Een groot deel van de UVC-golflengten wordt geabsorbeerd door zuurstof in de bovenste atmosfeer, die vervolgens ozon genereert in de ozonlaag. De ozonlaag blokkeert het grootste deel van de UVB en de rest van de UVC die nog niet door zuurstof zijn geabsorbeerd.

Kunstmatige UV-stralers

De zon is niet de enige bron van UV-straling. Er zijn verschillende door de mens gemaakte apparaten die deze golven ook opwekken.

Zwarte lichten

De UV-generatoren waarmee de mensen het meest vertrouwd zijn, zijn blacklights (Afbeelding 2). Typische blacklight-lampen zenden UVA-golven uit met zeer weinig zichtbaar licht. Fluorescerende blacklights bijvoorbeeld gebruiken een fosforlaag aan de binnenkant van de glazen buis om UVA-golven uit te zenden in plaats van zichtbaar licht. Krachtigere kwikdamp blacklights gebruiken hetzelfde principe om op grotere schaal UVA-straling uit te zenden, vooral voor concerten en theatervoorstellingen.

Afbeelding 2: Typische fluorescerende blacklights zenden UVA-golven uit

De belangrijkste toepassingen van blacklights zijn die waarbij vreemd zichtbaar licht ongewenst is en waarbij de resulterende fluorescentie wordt waargenomen die wordt veroorzaakt wanneer bepaalde stoffen aan UV-licht worden blootgesteld.

Kortegolf UV-lampen

Kortegolf-UV-lampen bestaan uit fluorescentielampbuizen zonder fosforcoating. UV-licht met pieken bij 253,7 nm en 185 nm, beide in de UVC-band, wordt voornamelijk door het kwik in de buis uitgezonden. Alleen de 253,7 nm straling passeert echter door de buis van gesmolten kwartsglas, terwijl de 185 nm golflengte volledig wordt geblokkeerd. Het typische rendement van deze lampen is 30% tot 40% en zij hebben twee tot driemaal zoveel UVC-vermogen als conventionele fluorescentielampen.

De voornaamste toepassing van deze lampen is de ontsmetting van laboratoriumoppervlakken, voedselverwerkende oppervlakken en watervoorraden.

UV-gasontladingslampen

Gasontladingslampen bevatten verschillende gassen die zijn gekozen om UV-straling te produceren bij specifieke spectraallijnen en worden gebruikt in gespecialiseerde wetenschappelijke toepassingen. Deze lampen worden hoofdzakelijk gebruikt in UV-spectroscopieapparatuur die bij chemische analyse wordt gebruikt.

Lasers

Lasers kunnen speciaal worden vervaardigd om UV-licht te produceren. Afhankelijk van de lasertechnologie (gaslasers, laserdioden of lasers met een vast lichaam) en de gebruikte materialen, kunnen lasers worden gemaakt die de gehele UV-band bestrijken.

Er zijn vele toepassingen voor UV-lasers, waaronder lasergraveren, dermatologie, keratectomie, chemie, communicatie, optische opslag en de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen.

Light emitting diodes

Light emitting diodes (LED's) worden speciaal vervaardigd om UV-licht te produceren. Deze toestellen worden momenteel gebruikt bij UV-uithardingstoepassingen, sterilisatie, huidtherapie, en in de chemie om mengsels van componenten te identificeren.

Gezondheidsproblemen

UV-straling heeft een invloed op de menselijke gezondheid, zowel heilzaam als schadelijk. Te veel blootstelling kan schadelijk zijn, terwijl matige blootstelling gunstige effecten heeft.

Schadelijke effecten

Overmatige blootstelling aan UV-straling (UVA-LED's zijn verkrijgbaar bij DigiKey) kan schadelijke gevolgen hebben voor de ogen, de huid en het immuunsysteem.

UVA-straling veroorzaakt weinig of geen onmiddellijke reactie, maar bij golflengten dicht bij het begin van de UVB-band (315 nm) beginnen fotokeratitis (een pijnlijke oogaandoening) en roodheid van de huid (de lichtere huid is gevoeliger) op te treden met snel toenemende schade naarmate de golflengten dichter bij 300 nm komen. UV in het bereik van 265 nm tot 275 nm, in de UVC-band, is het schadelijkst voor de ogen en de huid.

Overmatige blootstelling aan UVB kan niet alleen zonnebrand veroorzaken, maar is ook verantwoordelijk voor sommige vormen van huidkanker.

Gunstige effecten

Hoe slecht overmatige blootstelling aan UV ook kan zijn, er zijn ook voordelen voor de gezondheid als men de blootstelling aan UV kan matigen. De drie voornaamste gezondheidsvoordelen van UV-blootstelling zijn de aanmaak van vitamine D, verbetering van de stemming en meer energie.

Vitamine D

Matige blootstelling aan UV-straling is een goede bron van vitamine D. Deze vitamine helpt bij de regulering van het calciummetabolisme, de insulinesecretie, de bloeddruk, de immuniteit en de celvermeerdering. Een hoger vitamine D-gehalte wordt in verband gebracht met een lager aantal hartziekten, beroertes en diabetes, en een lagere bloeddruk.

Huidaandoeningen

Er zijn bepaalde huidaandoeningen die met UV-straling kunnen worden behandeld. Met moderne fototherapie is een succesvolle behandeling van eczeem, dermatitis, rachitis, atopische en gelokaliseerde sclerodermie, geelzucht, psoriasis en vitiligo nu mogelijk.

Hart- en vaatziekten en hoge bloeddruk

Bij patiënten met hoge bloeddruk en een tekort aan vitamine D is aangetoond dat blootstelling aan UVB hun bloeddruk kan verlagen. Andere medische proeven en studies hebben aangetoond dat UV-straling, onafhankelijk van vitamine D, meetbare gezondheidsvoordelen heeft.

Serotonine

De aanmaak van serotonine wordt bevorderd door vitamine D en de productie ervan is recht evenredig met de blootstelling van het lichaam aan UV-straling. Veranderingen in het serotonineniveau beïnvloeden de stemming en het gedrag. Het precieze effect ervan op het menselijk lichaam is niet helemaal bekend, maar men denkt dat serotonine een gevoel van welzijn, sereniteit en geluk opwekt.

Melanine

Matige blootstelling aan UV verhoogt de hoeveelheid melanine, het bruine pigment, in de huid (ook bekend als een bruine kleur). Melanine absorbeert zowel UVA- als UVB-straling en geeft die af in de vorm van warmte. Dit beschermt de huid tegen zowel directe als indirecte DNA-beschadiging.

Toepassingen

Er zijn verschillende toepassingen die gebruik maken van de eigenschappen van UV-straling en die vele voordelen bieden voor de gezondheid en het welzijn van de mens. Het vermogen van UV-golven om microben te doden en verontreinigende stoffen te verwijderen is tegenwoordig de voornaamste toepassing.

Luchtzuivering

Verontreinigingen in het binnenmilieu zijn vrijwel uitsluitend organische koolstofverbindingen die afbreken bij blootstelling aan UVC van hoge intensiteit in het bereik van 240 nm tot 280 nm. Het kan ook het DNA in micro-organismen vernietigen. Daarom kan het laten passeren van lucht door een UVC-straler, zoals de SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC LED (Afbeelding 3), helpen bij de zuivering van de lucht in de kamer waar hij is geplaatst. Deze 275 nm (nominaal) UVC LED is verkrijgbaar als Star Board unit met een typische stralingsoutput van 11,5 mW - geschikt voor veel verschillende toepassingen, waaronder luchtzuivering.

Afbeelding 3: Deze SETi/Seoul Viosys UVC LED is beschikbaar als een Star Board unit om de thermische engineering te vereenvoudigen. (Afbeelding met dank aan SETi/Seoul Viosys)

Sterilisatie en ontsmetting

UVC LED's kunnen ook worden gebruikt voor een verscheidenheid van sterilisatie- en desinfectietoepassingen. In medische en biologielaboratoria wordt UVC-straling, in combinatie met andere technieken, gebruikt om instrumenten en werkoppervlakken te steriliseren.

Andere veel voorkomende toepassingen van UVC-straling zijn de behandeling van afvalwater en gemeentelijk drinkwater. Het wordt zelfs gebruikt door bronwaterbottelaars om hun product te steriliseren. Bovendien wordt UVC-straling gebruikt om micro-organismen te doden in de voedselverwerkende industrie. Vruchtensappen kunnen bijvoorbeeld worden gepasteuriseerd door UVC terwijl het langs een bron stroomt.

Therapie

UV-straling is niet alleen nuttig voor zuivering en sterilisatie, maar is ook een hulpmiddel voor huidbehandeling bij aandoeningen als psoriasis en vitiligo (een aandoening waarbij huidvlekken pigment verliezen). In dit geval zijn niet UVC maar UVB-golven nuttig. Hier zijn UVB-LED's ideaal voor deze toepassing. Deze apparaten van 280 nm tot 315 nm kunnen de basis vormen waarop huidtherapieapparaten worden ontworpen. Deze toestellen zijn verkrijgbaar in verschillende montage- en stralingsvermogensopties.

Conclusie

UV-straling heeft zowel schadelijke als gunstige gevolgen voor de mens. Met een goed ontwerp kunnen de gunstige eigenschappen van zowel UVB- als UVC-golven worden benut om ons zowel tegen infecties te beschermen als bepaalde huidaandoeningen te behandelen. Daarom biedt DigiKey UV-LED's aan die ideaal zijn voor deze toepassingen en gemakkelijker te ontwerpen zijn dan andere UV-bronnen.