Ultravioleta ( UV ) es una forma de radiación electromagnética con longitud de onda de 10 nm [1] (con una frecuencia correspondiente alrededor de 30 PHz) a 400 nm (750 THz), más corta que la de la luz visible , pero más largo que los rayos X . La radiación ultravioleta está presente en la luz solar y constituye aproximadamente el 10% de la emisión total de radiación electromagnética del sol. También es producido por los arcos eléctricos y luces especializados, tales como lámparas de vapor de mercurio , lámparas de bronceado , y luces negras . Aunque el ultravioleta de longitud de onda larga no se considera unradiación ionizante debido a que sus fotones carecen de energía para ionizar átomos , puede provocar reacciones químicas y hacer que muchas sustancias brillen o emitan fluorescencia . En consecuencia, los efectos químicos y biológicos de los rayos ultravioleta son mayores que los simples efectos de calentamiento y muchas aplicaciones prácticas de la radiación ultravioleta se derivan de sus interacciones con moléculas orgánicas.
La luz ultravioleta de onda corta daña el ADN y esteriliza las superficies con las que entra en contacto. Para los seres humanos, el bronceado y las quemaduras solares son efectos familiares de la exposición de la piel a la luz ultravioleta, junto con un mayor riesgo de cáncer de piel . La cantidad de luz ultravioleta producida por el Sol significa que la Tierra no podría mantener la vida en tierra firme si la mayor parte de esa luz no fuera filtrada por la atmósfera. [2] Los rayos ultravioleta "extremos" de longitud de onda más corta y más enérgicos por debajo de 121 nm ionizan el aire con tanta fuerza que es absorbido antes de que llegue al suelo. [3] Sin embargo, la luz ultravioleta (específicamente, UVB) también es responsable de la formación de vitamina D en la mayoría de los vertebrados terrestres, incluidos los humanos. [4] El espectro UV, por tanto, tiene efectos tanto beneficiosos como perjudiciales para la vida.
El límite inferior de longitud de onda de la visión humana se toma convencionalmente como 400 nm, por lo que los rayos ultravioleta son invisibles para los humanos, aunque algunas personas pueden percibir la luz en longitudes de onda ligeramente más cortas que esta. Los insectos, las aves y algunos mamíferos pueden ver rayos ultravioleta cercanos (es decir, longitudes de onda ligeramente más cortas que las que los humanos pueden ver).
Visibilidad
Los rayos ultravioleta son invisibles para la mayoría de los humanos. El cristalino del ojo humano bloquea la mayor parte de la radiación en el rango de longitud de onda de 300 a 400 nm; la córnea bloquea las longitudes de onda más cortas . [5] Los seres humanos también carecen de adaptaciones de receptores de color para los rayos ultravioleta. Sin embargo, los fotorreceptores de la retina son sensibles a los rayos UV cercanos, y las personas que carecen de lentes (una condición conocida como afaquia ) perciben los rayos UV cercanos como azul blanquecino o violeta blanquecino. [6] Bajo algunas condiciones, los niños y adultos jóvenes pueden ver ultravioleta hasta longitudes de onda alrededor de 310 nm. [7] [8] La radiación ultravioleta cercana es visible para insectos, algunos mamíferos y aves . Los pájaros pequeños tienen un cuarto receptor de color para los rayos ultravioleta; esto le da a las aves una visión ultravioleta "verdadera". [9] [10]
Descubrimiento
"Ultravioleta" significa "más allá del violeta" (del latín ultra , "más allá"), siendo el violeta el color de las frecuencias más altas de luz visible. El ultravioleta tiene una frecuencia más alta (por lo tanto, una longitud de onda más corta) que la luz violeta.
La radiación ultravioleta se descubrió en 1801 cuando el físico alemán Johann Wilhelm Ritter observó que los rayos invisibles más allá del extremo violeta del espectro visible oscurecían el papel empapado en cloruro de plata más rápidamente que la propia luz violeta. Los llamó "rayos ( des ) oxidantes" ( alemán : de-oxidierende Strahlen ) para enfatizar la reactividad química y para distinguirlos de los " rayos de calor ", descubiertos el año anterior en el otro extremo del espectro visible. El término más simple "rayos químicos" se adoptó poco después, y siguió siendo popular durante todo el siglo XIX, aunque algunos dijeron que esta radiación era completamente diferente de la luz (en particular, John William Draper , quien los llamó "rayos tithónicos" [11] [12] ). Los términos "rayos químicos" y "rayos de calor" finalmente se abandonaron en favor de la radiación ultravioleta e infrarroja , respectivamente. [13] [14] En 1878, se descubrió el efecto esterilizante de la luz de longitud de onda corta al matar bacterias. En 1903, se sabía que las longitudes de onda más efectivas estaban alrededor de 250 nm. En 1960, se estableció el efecto de la radiación ultravioleta sobre el ADN. [15]
El descubrimiento de la radiación ultravioleta con longitudes de onda inferiores a 200 nm, denominada "ultravioleta de vacío" porque es fuertemente absorbida por el oxígeno del aire, fue realizada en 1893 por el físico alemán Victor Schumann . [dieciséis]
Subtipos
El espectro electromagnético de la radiación ultravioleta (UVR), definido más ampliamente como 10 a 400 nanómetros, se puede subdividir en una serie de rangos recomendados por la norma ISO ISO-21348: [17]
Nombre | Abreviatura | Longitud de onda (nm) | Energía fotónica (eV, aJ) | Notas / nombres alternativos |
---|---|---|---|---|
Ultravioleta A | UV-A | 315–400 | 3,10–3,94, 0,497–0,631 | UV de onda larga, luz negra , no absorbida por la capa de ozono : UV suave. |
Ultravioleta B | UV-B | 280-315 | 3,94–4,43, 0,631–0,710 | UV de onda media, principalmente absorbido por la capa de ozono: UV intermedio; Radiación Dorno | .
Ultravioleta C | UV-C | 100–280 | 4.43–12.4, 0.710–1.987 | UV de onda corta, UV germicida , radiación ionizante en longitudes de onda más cortas, completamente absorbida por la capa de ozono y la atmósfera: UV duro. |
Cerca de ultravioleta | N ‑ UV | 300–400 | 3.10–4.13, 0.497–0.662 | Visible para pájaros, insectos y peces. |
Ultravioleta medio | M ‑ UV | 200–300 | 4.13–6.20, 0.662–0.993 | |
Ultravioleta lejano | F-UV | 122-200 | 6.20–10.16, 0.993–1.628 | Radiación ionizante en longitudes de onda más cortas. |
Hidrógeno Lyman-alfa | H Lyman-α | 121-122 | 10.16-10.25, 1.628-1.642 | Línea espectral a 121,6 nm, 10,20 eV. |
Ultravioleta extrema | UNIÓN EUROPEA V | 10-121 | 10.25-124, 1.642-19.867 | Radiación totalmente ionizante según algunas definiciones; completamente absorbido por la atmósfera. |
Vacío ultravioleta | V ‑ UV | 10-200 | 6.20-124, 0.993-19.867 | Muy absorbido por el oxígeno atmosférico, aunque las longitudes de onda de 150 a 200 nm pueden propagarse a través del nitrógeno. |
Se han explorado varios dispositivos de estado sólido y de vacío para su uso en diferentes partes del espectro UV. Muchos enfoques buscan adaptar los dispositivos de detección de luz visible, pero estos pueden sufrir una respuesta no deseada a la luz visible y diversas inestabilidades. El ultravioleta se puede detectar mediante fotodiodos y fotocátodos adecuados , que se pueden adaptar para que sean sensibles a diferentes partes del espectro UV. Se encuentran disponibles fotomultiplicadores UV sensibles . Los espectrómetros y radiómetros están hechos para medir la radiación ultravioleta. Los detectores de silicio se utilizan en todo el espectro. [18]
Las longitudes de onda de vacío UV, o VUV, (menores de 200 nm) son fuertemente absorbidas por el oxígeno molecular en el aire, aunque las longitudes de onda más largas alrededor de 150-200 nm pueden propagarse a través del nitrógeno . Los instrumentos científicos pueden, por lo tanto, utilizar este rango espectral operando en una atmósfera libre de oxígeno (comúnmente nitrógeno puro), sin la necesidad de costosas cámaras de vacío. Ejemplos significativos incluyen equipos de fotolitografía de 193 nm (para la fabricación de semiconductores ) y espectrómetros de dicroísmo circular .
La tecnología para la instrumentación VUV fue impulsada en gran medida por la astronomía solar durante muchas décadas. Si bien la óptica se puede utilizar para eliminar la luz visible no deseada que contamina el VUV, en general; Los detectores pueden verse limitados por su respuesta a la radiación no VUV, y el desarrollo de dispositivos "ciegos al sol" ha sido un área importante de investigación. Los dispositivos de estado sólido de amplio espacio o los dispositivos de vacío con fotocátodos de corte alto pueden ser atractivos en comparación con los diodos de silicio.
Los rayos ultravioleta extremos (EUV o, a veces, XUV) se caracterizan por una transición en la física de la interacción con la materia. Las longitudes de onda superiores a unos 30 nm interactúan principalmente con los electrones de valencia externos de los átomos, mientras que las longitudes de onda más cortas interactúan principalmente con los electrones y núcleos de la capa interna. El extremo largo del espectro EUV está establecido por una línea espectral de He + prominente a 30,4 nm. El EUV es fuertemente absorbido por la mayoría de los materiales conocidos, pero es posible sintetizar ópticas multicapa que reflejan hasta aproximadamente el 50% de la radiación EUV con una incidencia normal . Esta tecnología fue iniciada por los cohetes de sondeo NIXT y MSSTA en la década de 1990, y se ha utilizado para fabricar telescopios para imágenes solares. Véase también el satélite Extreme Ultraviolet Explorer .
Algunas fuentes utilizan la distinción de "UV duro" y "UV suave"; en el caso de la astrofísica, el límite puede estar en el límite de Lyman, es decir, la longitud de onda de 91,2 nm, siendo el "UV duro" más enérgico. [19] Los mismos términos también pueden usarse en otros campos, como cosmetología , optoelectrónica , etc. - el valor numérico del límite entre duro / blando, incluso dentro de campos científicos similares, no necesariamente coincide; por ejemplo, una publicación de física aplicada utilizó un límite de 190 nm entre las regiones UV duras y blandas. [20]
Ultravioleta solar
Los objetos muy calientes emiten radiación ultravioleta (ver radiación de cuerpo negro ). El Sol emite radiación ultravioleta en todas las longitudes de onda, incluido el ultravioleta extremo donde se cruza con los rayos X a 10 nm. Las estrellas extremadamente calientes emiten proporcionalmente más radiación ultravioleta que el Sol. La luz solar en el espacio en la parte superior de la atmósfera de la Tierra (ver constante solar ) está compuesta por aproximadamente un 50% de luz infrarroja, un 40% de luz visible y un 10% de luz ultravioleta, para una intensidad total de aproximadamente 1400 W / m 2 en el vacío. [21]
La atmósfera bloquea aproximadamente el 77% de los rayos ultravioleta del Sol, cuando el Sol está más alto en el cielo (en el cenit), y la absorción aumenta a longitudes de onda de rayos ultravioleta más cortas. A nivel del suelo con el sol en el cenit, la luz solar es 44% luz visible, 3% ultravioleta y el resto infrarroja. [22] [23] De la radiación ultravioleta que llega a la superficie de la Tierra, más del 95% son las longitudes de onda más largas de los UVA, con el pequeño resto de los UVB. Casi ningún UVC llega a la superficie de la Tierra. [24] La fracción de UVB que permanece en la radiación ultravioleta después de atravesar la atmósfera depende en gran medida de la cobertura de nubes y las condiciones atmosféricas. En días "parcialmente nublados", los parches de cielo azul que se muestran entre las nubes también son fuentes de UVA y UVB (dispersos), que son producidos por la dispersión de Rayleigh de la misma manera que la luz azul visible de esas partes del cielo. Los UVB también juegan un papel importante en el desarrollo de las plantas, ya que afectan a la mayoría de las hormonas vegetales. [25] Durante el nublado total, la cantidad de absorción debida a las nubes depende en gran medida del grosor de las nubes y la latitud, sin mediciones claras que correlacionen el grosor específico y la absorción de UVB. [26]
Las bandas más cortas de UVC, así como la radiación UV aún más enérgica producida por el Sol, son absorbidas por el oxígeno y generan el ozono en la capa de ozono cuando los átomos de oxígeno individuales producidos por la fotólisis UV del dioxígeno reaccionan con más dioxígeno. La capa de ozono es especialmente importante para bloquear la mayoría de los rayos UVB y la parte restante de los UVC que aún no está bloqueada por el oxígeno ordinario en el aire.
Bloqueadores, absorbentes y ventanas
Los absorbentes ultravioleta son moléculas que se utilizan en materiales orgánicos ( polímeros , pinturas , etc.) para absorber la radiación UV y reducir la degradación UV (fotooxidación) de un material. Los absorbentes pueden degradarse por sí mismos con el tiempo, por lo que es necesario monitorear los niveles de absorbentes en materiales degradados.
En los protectores solares , los ingredientes que absorben los rayos UVA / UVB, como la avobenzona , la oxibenzona [27] y el metoxicinamato de octilo , son absorbentes químicos orgánicos o "bloqueadores". Se contrastan con los absorbentes / "bloqueadores" inorgánicos de la radiación ultravioleta, como el negro de carbón , el dióxido de titanio y el óxido de zinc .
Para la ropa, el factor de protección ultravioleta (UPF) representa la proporción de las quemaduras solares que causan los rayos UV sin y con la protección de la tela, similar a las clasificaciones del factor de protección solar (FPS) para el protector solar . [ cita requerida ] Las telas de verano estándar tienen UPF alrededor de 6, lo que significa que pasará aproximadamente el 20% de los rayos UV. [ cita requerida ]
Las nanopartículas suspendidas en vidrieras evitan que los rayos UV provoquen reacciones químicas que cambian los colores de la imagen. [ cita requerida ] Se planea usar un conjunto de chips de referencia de color de vidrieras para calibrar las cámaras a color para la misión del rover de la ESA Mars 2019 , ya que permanecerán sin decolorarse por el alto nivel de UV presente en la superficie de Marte. [ cita requerida ]
El vidrio de sosa-cal común , como el vidrio de ventana, es parcialmente transparente a los rayos UVA, pero es opaco a longitudes de onda más cortas, pasando aproximadamente el 90% de la luz por encima de 350 nm, pero bloqueando más del 90% de la luz por debajo de 300 nm. [28] [29] [30] Un estudio encontró que las ventanas de los automóviles permiten el paso del 3-4% de los rayos ultravioleta del ambiente, especialmente si los rayos ultravioleta son superiores a 380 nm. [31] Otros tipos de ventanillas de automóviles pueden reducir la transmisión de rayos ultravioleta superior a 335 nm. [31] El cuarzo fundido , según la calidad, puede ser transparente incluso para aspirar longitudes de onda UV . El cuarzo cristalino y algunos cristales como CaF 2 y MgF 2 transmiten bien hasta 150 nm o 160 nm de longitud de onda. [32]
El vidrio de Wood es un vidrio de silicato de sodio y bario de color azul violeta intenso con aproximadamente un 9% de óxido de níquel desarrollado durante la Primera Guerra Mundial para bloquear la luz visible para las comunicaciones encubiertas. Permite comunicaciones de luz diurna infrarroja y ultravioleta nocturna al ser transparente entre 320 nm y 400 nm y también las longitudes de onda infrarrojas más largas y rojas apenas visibles. Su máxima transmisión UV es de 365 nm, una de las longitudes de onda de las lámparas de mercurio .
Fuentes artificiales
"Luces negras"
Una lámpara de luz negra emite radiación UV-A de onda larga y poca luz visible. Las lámparas fluorescentes de luz negra funcionan de manera similar a otras lámparas fluorescentes , pero utilizan un fósforo en la superficie del tubo interior que emite radiación UV-A en lugar de luz visible. Algunas lámparas utilizan un filtro óptico de vidrio de Wood de color púrpura azulado intenso que bloquea casi toda la luz visible con longitudes de onda superiores a 400 nanómetros. [33] Otros usan vidrio simple en lugar del vidrio de Wood, que es más caro, por lo que aparecen de color azul claro a la vista cuando están en funcionamiento. También se producen luces negras incandescentes, utilizando un revestimiento de filtro en la envoltura de una bombilla incandescente que absorbe la luz visible ( consulte la sección a continuación ). Estos son más baratos pero muy ineficientes, y emiten solo una pequeña fracción de un porcentaje de su potencia en forma de rayos ultravioleta. Las luces negras de vapor de mercurio en clasificaciones de hasta 1 kW con fósforo emisor de rayos ultravioleta y una envoltura de vidrio de Wood se utilizan para exhibiciones teatrales y de conciertos. Las luces negras se utilizan en aplicaciones en las que se debe minimizar la luz visible extraña; principalmente para observar la fluorescencia , el resplandor de color que emiten muchas sustancias cuando se exponen a la luz ultravioleta. Las bombillas que emiten UV-A / UV-B también se venden para otros fines especiales, como las lámparas de bronceado y la cría de reptiles.
Lámparas ultravioleta de onda corta
Las lámparas UV de onda corta se fabrican con un tubo de lámpara fluorescente sin recubrimiento de fósforo, compuesto de cuarzo fundido o vycor , ya que el vidrio ordinario absorbe los rayos UV-C. Estas lámparas emiten luz ultravioleta con dos picos en la banda UV-C a 253,7 nm y 185 nm debido al mercurio dentro de la lámpara, así como algo de luz visible. Del 85% al 90% de la radiación ultravioleta producida por estas lámparas se encuentra a 253,7 nm, mientras que solo del 5 al 10% está a 185 nm. [ cita requerida ] El tubo de cuarzo fundido pasa la radiación de 253,7 nm pero bloquea la longitud de onda de 185 nm. Estos tubos tienen dos o tres veces la potencia UV-C de un tubo de lámpara fluorescente normal. Estas lámparas de baja presión tienen una eficiencia típica de aproximadamente 30 a 40%, lo que significa que por cada 100 vatios de electricidad consumidos por la lámpara, producirán aproximadamente 30 a 40 vatios de salida total de UV. También emiten luz visible de color blanco azulado, debido a las otras líneas espectrales del mercurio. Estas lámparas "germicidas" se utilizan ampliamente para desinfectar superficies en laboratorios e industrias de procesamiento de alimentos, y para desinfectar suministros de agua.
Lámparas incandescentes
Las lámparas incandescentes de 'luz negra' también están hechas de una bombilla incandescente con un revestimiento de filtro que absorbe la mayor parte de la luz visible. Las lámparas halógenas con envolturas de cuarzo fundido se utilizan como fuentes de luz ultravioleta económicas en el rango de los rayos ultravioleta cercanos, de 400 a 300 nm, en algunos instrumentos científicos. Debido a su espectro de cuerpo negro, una bombilla de luz de filamento es una fuente ultravioleta muy ineficiente, que emite solo una fracción de un porcentaje de su energía en forma de UV.
Lámparas de descarga de gas
Las lámparas de descarga de gas UV especializadas que contienen diferentes gases producen radiación UV en líneas espectrales particulares con fines científicos. Las lámparas de arco de argón y deuterio se utilizan a menudo como fuentes estables, ya sea sin ventanas o con varias ventanas, como el fluoruro de magnesio . [34] Estas son a menudo las fuentes emisoras en los equipos de espectroscopia UV para análisis químicos.
Otras fuentes UV con espectros de emisión más continuos incluyen lámparas de arco de xenón (comúnmente utilizadas como simuladores de luz solar), lámparas de arco de deuterio , lámparas de arco de mercurio-xenón y lámparas de arco de haluro metálico .
La lámpara de excímero , una fuente de rayos ultravioleta desarrollada a principios de la década de 2000, se está utilizando cada vez más en los campos científicos. Tiene las ventajas de alta intensidad, alta eficiencia y operación en una variedad de bandas de longitud de onda en el ultravioleta de vacío.
LED ultravioleta
Se pueden fabricar diodos emisores de luz (LED) para emitir radiación en el rango ultravioleta. En 2019, luego de avances significativos en los cinco años anteriores, estuvieron disponibles LED UV-A de 365 nm y longitudes de onda más largas, con eficiencias del 50% a una salida de 1.0 W. Actualmente, los tipos más comunes de LED UV que se pueden encontrar / comprar están en longitudes de onda de 395 nm y 365 nm, ambos en el espectro UV-A. Cuando se hace referencia a la longitud de onda de los LED UV, la longitud de onda nominal es la longitud de onda máxima que emiten los LED, y hay luz en frecuencias de longitud de onda más altas y más bajas cerca de la longitud de onda máxima, lo cual es importante tener en cuenta al buscar aplicarlos para ciertos propósitos.
Los LED UV de 395 nm más baratos y más comunes están mucho más cerca del espectro visible, y los LED no solo funcionan en su longitud de onda máxima, sino que también emiten un color púrpura y terminan sin emitir luz UV pura, a diferencia de otros LED UV que son más profundos en el espectro. [35] Dichos LED se utilizan cada vez más para aplicaciones como aplicaciones de curado UV , carga de objetos que brillan en la oscuridad como pinturas o juguetes, y se están volviendo muy populares en un proceso conocido como retrobrillamiento, que acelera la proceso de restauración / blanqueo de plásticos viejos y linternas portátiles para detectar dinero falso y fluidos corporales, y ya tienen éxito en aplicaciones de impresión digital y entornos de curado UV inertes. Ahora son posibles densidades de potencia cercanas a 3 W / cm 2 (30 kW / m 2 ), y esto, junto con los desarrollos recientes de fotoiniciadores y formuladores de resinas, hace probable la expansión de los materiales UV curados con LED.
Los LED UV-C se están desarrollando rápidamente, pero pueden requerir pruebas para verificar una desinfección eficaz. Las citas para la desinfección de áreas grandes son para fuentes UV no LED [36] conocidas como lámparas germicidas . [37] Además, se utilizan como fuentes de línea para reemplazar las lámparas de deuterio en los instrumentos de cromatografía líquida . [38]
Láseres ultravioleta
Se pueden fabricar láseres de gas , diodos láser y láseres de estado sólido para emitir rayos ultravioleta, y hay láseres disponibles que cubren todo el rango de rayos ultravioleta. El láser de gas nitrógeno utiliza la excitación electrónica de moléculas de nitrógeno para emitir un rayo que es principalmente UV. Las líneas ultravioleta más fuertes están a 337,1 nm y 357,6 nm de longitud de onda. Otro tipo de láseres de gas de alta potencia son los láseres excimer . Son láseres ampliamente utilizados que emiten en rangos de longitud de onda ultravioleta y ultravioleta de vacío. En la actualidad, los láseres excímeros UV de argón-fluoruro que funcionan a 193 nm se utilizan de forma rutinaria en la producción de circuitos integrados mediante fotolitografía . El actual [ marco de tiempo? ] El límite de longitud de onda de producción de UV coherente es de aproximadamente 126 nm, característico del láser excímero Ar 2 *.
Los diodos láser de emisión directa de rayos ultravioleta están disponibles a 375 nm. [39] láseres de estado sólido bombeados por diodo UV se han demostrado usando cerio - dopado cristales de litio aluminio estroncio fluoruro (Ce: LiSAF), un proceso desarrollado en la década de 1990 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [40] Las longitudes de onda inferiores a 325 nm se generan comercialmente en láseres de estado sólido bombeados por diodos . Los láseres ultravioleta también se pueden fabricar aplicando conversión de frecuencia a láseres de baja frecuencia.
Los láseres ultravioleta tienen aplicaciones en la industria ( grabado láser ), medicina ( dermatología y queratectomía ), química ( MALDI ), comunicaciones seguras al aire libre , informática ( almacenamiento óptico ) y fabricación de circuitos integrados.
Ultravioleta de vacío sintonizable (VUV)
La banda ultravioleta de vacío (V-UV) (100-200 nm) se puede generar mediante una mezcla no lineal de 4 ondas en gases mediante la mezcla de frecuencias de suma o diferencia de 2 o más láseres de longitud de onda más larga. La generación se realiza generalmente en gases (por ejemplo, criptón, hidrógeno que son resonantes de dos fotones cerca de 193 nm) [41] o vapores metálicos (por ejemplo, magnesio). Al hacer que uno de los láseres se pueda sintonizar, el V-UV se puede sintonizar. Si uno de los láseres resuena con una transición en el gas o vapor, se intensifica la producción de V-UV. Sin embargo, las resonancias también generan dispersión de longitud de onda y, por lo tanto, la adaptación de fase puede limitar el rango sintonizable de la mezcla de 4 ondas. Mezcla de frecuencia diferencial (es decir, f 1 + f 2 - f 3 ) como una ventaja sobre la mezcla de frecuencia de suma porque la adaptación de fase puede proporcionar una mayor sintonía. [41]
En particular, la mezcla de frecuencias diferenciales de dos fotones de un láser excímero Ar F (193 nm) con un láser sintonizable visible o infrarrojo cercano en hidrógeno o criptón proporciona una cobertura V-UV sintonizable mejorada resonantemente de 100 nm a 200 nm. [41] Prácticamente, la falta de materiales de ventana de celda de gas / vapor adecuados por encima de la longitud de onda de corte de fluoruro de litio limita el rango de sintonización a más de aproximadamente 110 nm. Se lograron longitudes de onda sintonizables V-UV de hasta 75 nm utilizando configuraciones sin ventanas. [42]
Fuentes de plasma y sincrotrón de rayos ultravioleta extremos
Se han utilizado láseres para generar indirectamente radiación ultravioleta extrema no coherente (E-UV) a 13,5 nm para la litografía ultravioleta extrema . El E-UV no es emitido por el láser, sino por transiciones de electrones en un plasma de estaño o xenón extremadamente caliente, que es excitado por un láser excimer. [43] Esta técnica no requiere un sincrotrón, pero puede producir UV en el borde del espectro de rayos X. Las fuentes de luz de sincrotrón también pueden producir todas las longitudes de onda de UV, incluidas las que se encuentran en el límite de los espectros de rayos X y UV a 10 nm.
El impacto de la radiación ultravioleta en la salud humana tiene implicaciones para los riesgos y beneficios de la exposición al sol y también está implicado en cuestiones como las lámparas fluorescentes y la salud . Exponerse demasiado al sol puede ser perjudicial, pero con moderación, la exposición al sol es beneficiosa. [44]
Efectos benéficos
La luz ultravioleta (específicamente, UV-B) hace que el cuerpo produzca vitamina D , que es esencial para la vida. Los seres humanos necesitan algo de radiación ultravioleta para mantener niveles adecuados de vitamina D. Según la Organización Mundial de la Salud [45]
¡No hay duda de que un poco de luz solar es buena para ti! Pero 5 a 15 minutos de exposición casual al sol de las manos, la cara y los brazos dos o tres veces por semana durante los meses de verano es suficiente para mantener altos los niveles de vitamina D.
La vitamina D también se puede obtener a partir de alimentos y suplementos. [46] Sin embargo, la exposición excesiva al sol produce efectos nocivos. [45]
La vitamina D promueve la creación de serotonina . La producción de serotonina es directamente proporcional al grado de luz solar brillante que recibe el cuerpo. [47] Se cree que la serotonina proporciona sensaciones de felicidad, bienestar y serenidad a los seres humanos. [48]
Condiciones de la piel
Los rayos ultravioleta también tratan ciertas afecciones de la piel. La fototerapia moderna se ha utilizado para tratar con éxito la psoriasis , el eccema , la ictericia , el vitíligo , la dermatitis atópica y la esclerodermia localizada . [49] [50] Además, se ha demostrado que la luz ultravioleta, en particular la radiación UV-B, induce la detención del ciclo celular en los queratinocitos , el tipo más común de células cutáneas. [51] Como tal, la terapia con luz solar puede ser un candidato para el tratamiento de afecciones como la psoriasis y la queilitis exfoliativa , afecciones en las que las células de la piel se dividen más rápidamente de lo habitual o necesario. [52]
Efectos dañinos
En los seres humanos, la exposición excesiva a la radiación ultravioleta puede provocar efectos nocivos agudos y crónicos sobre el sistema dióptrico del ojo y la retina . El riesgo es elevado a grandes altitudes y las personas que viven en áreas de latitudes altas donde la nieve cubre el suelo hasta principios del verano y las posiciones del sol, incluso en el cenit, son bajas, están particularmente en riesgo. [53] La piel, el sistema circadiano y el sistema inmunológico también pueden verse afectados. [54]
Los efectos diferenciales de varias longitudes de onda de luz sobre la córnea y la piel humanas se denominan a veces "espectro de acción eritematosa". [55] El espectro de acción muestra que los rayos UVA no causan una reacción inmediata, sino que los rayos UV comienzan a causar fotoqueratitis y enrojecimiento de la piel (y las personas de piel más clara son más sensibles) en longitudes de onda que comienzan cerca del comienzo de la banda UVB a 315 nm, y rápidamente aumentando a 300 nm. La piel y los ojos son más sensibles al daño de los rayos UV a 265-275 nm, que se encuentra en la banda de UV-C inferior. A longitudes de onda de UV aún más cortas, el daño continúa ocurriendo, pero los efectos evidentes no son tan grandes con tan poca penetración en la atmósfera. El índice ultravioleta estándar de la OMS es una medida ampliamente publicitada de la fuerza total de las longitudes de onda de los rayos ultravioleta que causan quemaduras solares en la piel humana, al ponderar la exposición a los rayos ultravioleta para los efectos del espectro de acción en un momento y lugar determinados. Este estándar muestra que la mayoría de las quemaduras solares ocurren debido a los rayos ultravioleta en longitudes de onda cercanas al límite de las bandas UV-A y UV-B.
Daño cutáneo
La sobreexposición a la radiación UV-B no solo puede causar quemaduras solares, sino también algunas formas de cáncer de piel . Sin embargo, el grado de enrojecimiento e irritación de los ojos (que en gran parte no son causados por los rayos UV-A) no predicen los efectos a largo plazo de los rayos ultravioleta, aunque reflejan el daño directo del ADN por los rayos ultravioleta. [56]
Todas las bandas de radiación ultravioleta dañan las fibras de colágeno y aceleran el envejecimiento de la piel. Tanto los rayos UV-A como los UV-B destruyen la vitamina A en la piel, lo que puede causar más daño. [57]
La radiación UVB puede causar daño directo al ADN. [58] Esta conexión con el cáncer es un motivo de preocupación por el agotamiento de la capa de ozono y el agujero de ozono.
La forma más mortal de cáncer de piel , el melanoma maligno , se debe principalmente al daño del ADN independientemente de la radiación UV-A. Esto se puede ver en la ausencia de una mutación de firma UV directa en el 92% de todos los melanomas. [59] La sobreexposición ocasional y las quemaduras solares son probablemente factores de riesgo mayores para el melanoma que la exposición moderada a largo plazo. [60] La UV-C es el tipo de radiación ultravioleta de mayor energía y más peligroso, y causa efectos adversos que pueden ser mutagénicos o cancerígenos. [61]
En el pasado, el UV-A no se consideraba dañino o menos dañino que el UV-B, pero hoy se sabe que contribuye al cáncer de piel a través del daño indirecto del ADN (radicales libres como las especies reactivas del oxígeno). [ cita requerida ] UV-A puede generar intermediarios químicos altamente reactivos, como radicales hidroxilo y oxígeno, que a su vez pueden dañar el ADN. El daño del ADN causado indirectamente a la piel por los rayos UV-A consiste principalmente en roturas de una sola hebra del ADN, mientras que el daño causado por los rayos UV-B incluye la formación directa de dímeros de timina o dímeros de citosina y la rotura del ADN de doble hebra. [62] La radiación UV-A es inmunosupresora para todo el cuerpo (representa una gran parte de los efectos inmunosupresores de la exposición a la luz solar) y es mutagénica para los queratinocitos de células basales en la piel. [63]
Los fotones UVB pueden causar daño directo al ADN. La radiación UV-B excita las moléculas de ADN en las células de la piel, lo que hace que se formen enlaces covalentes aberrantes entre bases de pirimidina adyacentes , produciendo un dímero . La mayoría de los dímeros de pirimidina inducidos por UV en el ADN se eliminan mediante el proceso conocido como reparación por escisión de nucleótidos que emplea alrededor de 30 proteínas diferentes. [58] Los dímeros de pirimidina que escapan a este proceso de reparación pueden inducir una forma de muerte celular programada ( apoptosis ) o pueden causar errores de replicación del ADN que conducen a una mutación .
Como defensa contra la radiación ultravioleta, la cantidad del pigmento marrón melanina en la piel aumenta cuando se expone a niveles moderados de radiación (según el tipo de piel ); esto se conoce comúnmente como bronceado . El propósito de la melanina es absorber la radiación ultravioleta y disipar la energía en forma de calor inofensivo, protegiendo la piel contra el daño directo e indirecto del ADN provocado por los rayos ultravioleta. UV-A proporciona un bronceado rápido que dura días al oxidar la melanina que ya estaba presente y desencadena la liberación de melanina de los melanocitos. UV-B produce un bronceado que tarda aproximadamente 2 días en desarrollarse porque estimula al cuerpo a producir más melanina.
Debate sobre la seguridad de los protectores solares
Las organizaciones médicas recomiendan que los pacientes se protejan de la radiación ultravioleta mediante el uso de protector solar . Se ha demostrado que cinco ingredientes de protección solar protegen a los ratones contra los tumores de piel. Sin embargo, algunos productos químicos de protección solar producen sustancias potencialmente dañinas si se iluminan mientras están en contacto con células vivas. [64] [65] La cantidad de protector solar que penetra en las capas inferiores de la piel puede ser lo suficientemente grande como para causar daño. [66]
El protector solar reduce el daño directo al ADN que causa las quemaduras solares, al bloquear los rayos UV-B, y la clasificación de SPF habitual indica la eficacia con la que se bloquea esta radiación. Por lo tanto, SPF también se denomina UVB-PF, por "factor de protección UV-B". [67] Sin embargo, esta clasificación no ofrece datos sobre una protección importante contra los rayos UVA, [68] que no causan principalmente quemaduras solares, pero siguen siendo dañinos, ya que provocan daños indirectos en el ADN y también se consideran cancerígenos. Varios estudios sugieren que la ausencia de filtros UV-A puede ser la causa de la mayor incidencia de melanoma que se encuentra en los usuarios de protectores solares en comparación con los no usuarios. [69] [70] [71] [72] [73] Algunas lociones de protección solar contienen dióxido de titanio , óxido de zinc y avobenzona , que ayudan a proteger contra los rayos UV-A.
Las propiedades fotoquímicas de la melanina la convierten en un excelente fotoprotector . Sin embargo, los productos químicos de los filtros solares no pueden disipar la energía del estado excitado con tanta eficacia como la melanina y, por tanto, si los ingredientes del filtro solar penetran en las capas inferiores de la piel, la cantidad de especies reactivas de oxígeno puede aumentar. [74] [64] [65] [75] La cantidad de protector solar que penetra a través del estrato córneo puede o no ser lo suficientemente grande como para causar daño.
En un experimento de Hanson et al . que se publicó en 2006, se midió la cantidad de especies reactivas de oxígeno (ROS) nocivas en la piel no tratada y tratada con protector solar. En los primeros 20 minutos, la película de protector solar tuvo un efecto protector y el número de especies ROS fue menor. Sin embargo, después de 60 minutos, la cantidad de protector solar absorbido fue tan alta que la cantidad de ROS fue mayor en la piel tratada con protector solar que en la piel no tratada. [74] El estudio indica que el protector solar debe volver a aplicarse en un plazo de 2 horas para evitar que la luz ultravioleta penetre en las células cutáneas vivas infundidas con protector solar. [74]
Agravamiento de ciertas afecciones de la piel.
La radiación ultravioleta puede agravar varias condiciones y enfermedades de la piel, incluyendo [76] lupus eritematoso sistémico , síndrome de Sjögren , síndrome de Usher Sinear , la rosácea , la dermatomiositis , enfermedad de Darier , y síndrome de Kindler-Weary .
Daño ocular
El ojo es más sensible al daño de los rayos UV en la banda UV-C inferior a 265-275 nm. La radiación de esta longitud de onda está casi ausente de la luz solar, pero se encuentra en las luces de arco del soldador y otras fuentes artificiales. La exposición a estos puede causar "destello de soldador" o "ojo de arco" ( fotoqueratitis ) y puede provocar cataratas , formación de pterigión y pinguécula . En menor medida, los rayos UV-B en la luz solar de 310 a 280 nm también causan fotoqueratitis ("ceguera de la nieve") y la córnea , el cristalino y la retina pueden dañarse. [77]
Los anteojos protectores son beneficiosos para las personas expuestas a la radiación ultravioleta. Dado que la luz puede llegar a los ojos desde los lados, la protección ocular de cobertura total suele estar justificada si existe un mayor riesgo de exposición, como en el montañismo a gran altitud. Los alpinistas están expuestos a niveles de radiación ultravioleta superiores a los normales, tanto porque hay menos filtrado atmosférico como por la reflexión de la nieve y el hielo. [78] [79] Los anteojos ordinarios sin tratamiento brindan cierta protección. La mayoría de las lentes de plástico brindan más protección que las lentes de vidrio porque, como se señaló anteriormente, el vidrio es transparente a los rayos UV-A y el plástico acrílico común que se usa para las lentes lo es menos. Algunos materiales plásticos para lentes, como el policarbonato , bloquean inherentemente la mayoría de los rayos UV. [80]
Degradación de polímeros, pigmentos y colorantes.
La degradación por rayos UV es una forma de degradación de los polímeros que afecta a los plásticos expuestos a la luz solar . El problema aparece como decoloración o decoloración, agrietamiento, pérdida de resistencia o desintegración. Los efectos del ataque aumentan con el tiempo de exposición y la intensidad de la luz solar. La adición de absorbentes de UV inhibe el efecto.
Los polímeros sensibles incluyen termoplásticos y fibras especiales como las aramidas . La absorción de UV conduce a la degradación de la cadena y a la pérdida de resistencia en puntos sensibles de la estructura de la cadena. La cuerda de aramida debe protegerse con una funda de termoplástico para que conserve su resistencia.
Muchos pigmentos y tintes absorben los rayos UV y cambian de color, por lo que las pinturas y los textiles pueden necesitar protección adicional tanto de la luz solar como de las bombillas fluorescentes, dos fuentes comunes de radiación ultravioleta. El vidrio de la ventana absorbe algunos rayos UV dañinos, pero los artefactos valiosos necesitan protección adicional. Muchos museos colocan cortinas negras sobre acuarelas y textiles antiguos, por ejemplo. Dado que las acuarelas pueden tener niveles de pigmento muy bajos, necesitan protección adicional contra los rayos UV. Varias formas de vidrio para marcos de cuadros , incluidos acrílicos (plexiglás), laminados y revestimientos, ofrecen diferentes grados de protección UV (y luz visible).
Aplicaciones
Debido a su capacidad para provocar reacciones químicas y excitar la fluorescencia en los materiales, la radiación ultravioleta tiene varias aplicaciones. La siguiente tabla [81] da algunos usos de bandas de longitud de onda específicas en el espectro UV.
- 13,5 nm : litografía ultravioleta extrema
- 30-200 nm : fotoionización , espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta , fabricación de circuitos integrados estándar mediante fotolitografía
- 230–365 nm : UV-ID, seguimiento de etiquetas, códigos de barras
- 230–400 nm : sensores ópticos , instrumentación diversa
- 240–280 nm : Desinfección , descontaminación de superficies y agua ( la absorción de ADN tiene un pico a 260 nm), lámparas germicidas [37]
- 200–400 nm : análisis forense , detección de drogas
- 270–360 nm : análisis de proteínas , secuenciación de ADN , descubrimiento de fármacos
- 280–400 nm : imágenes médicas de células
- 300-320 nm : terapia de luz en medicina
- 300–365 nm : curado de polímeros y tintas de impresora
- 350-370 nm : eliminadores de insectos (las moscas se sienten más atraídas por la luz a 365 nm) [82]
Fotografía
La película fotográfica responde a la radiación ultravioleta, pero las lentes de vidrio de las cámaras generalmente bloquean la radiación de menos de 350 nm. Los filtros de bloqueo de rayos ultravioleta ligeramente amarillos se utilizan a menudo para fotografías al aire libre para evitar el azulado no deseado y la sobreexposición a los rayos ultravioleta. Para la fotografía en los rayos ultravioleta cercanos, se pueden utilizar filtros especiales. La fotografía con longitudes de onda inferiores a 350 nm requiere lentes de cuarzo especiales que no absorben la radiación. Los sensores de las cámaras digitales pueden tener filtros internos que bloquean los rayos UV para mejorar la precisión de la reproducción del color. A veces, estos filtros internos se pueden quitar, o pueden faltar, y un filtro de luz visible externo prepara la cámara para fotografías cercanas a los rayos ultravioleta. Algunas cámaras están diseñadas para su uso en los rayos ultravioleta.
La fotografía por radiación ultravioleta reflejada es útil para investigaciones médicas, científicas y forenses, en aplicaciones tan extendidas como la detección de hematomas en la piel, alteraciones de documentos o trabajos de restauración de pinturas. La fotografía de la fluorescencia producida por la iluminación ultravioleta utiliza longitudes de onda de luz visibles.
En astronomía ultravioleta , las mediciones se utilizan para discernir la composición química del medio interestelar y la temperatura y composición de las estrellas. Debido a que la capa de ozono bloquea muchas frecuencias UV para que no lleguen a los telescopios en la superficie de la Tierra, la mayoría de las observaciones UV se realizan desde el espacio.
Industria eléctrica y electrónica
La descarga de corona en aparatos eléctricos puede detectarse por sus emisiones ultravioleta. Corona provoca la degradación del aislamiento eléctrico y la emisión de ozono y óxido de nitrógeno . [83]
Las EPROM (memoria de sólo lectura programable y borrable) se borran al exponerse a la radiación ultravioleta. Estos módulos tienen una ventana transparente ( cuarzo ) en la parte superior del chip que permite la entrada de la radiación UV.
Usos de tintes fluorescentes
Los tintes fluorescentes incoloros que emiten luz azul bajo los rayos UV se agregan como abrillantadores ópticos al papel y las telas. La luz azul emitida por estos agentes contrarresta los tintes amarillos que pueden estar presentes y hace que los colores y los blancos parezcan más blancos o con colores más brillantes.
UV fluorescent dyes that glow in the primary colors are used in paints, papers, and textiles either to enhance color under daylight illumination or to provide special effects when lit with UV lamps. Blacklight paints that contain dyes that glow under UV are used in a number of art and aesthetic applications.
Amusement parks often use UV lighting to fluoresce ride artwork and backdrops. This often has the side effect of causing rider's white clothing to glow light-purple.
To help prevent counterfeiting of currency, or forgery of important documents such as driver's licenses and passports, the paper may include a UV watermark or fluorescent multicolor fibers that are visible under ultraviolet light. Postage stamps are tagged with a phosphor that glows under UV rays to permit automatic detection of the stamp and facing of the letter.
UV fluorescent dyes are used in many applications (for example, biochemistry and forensics). Some brands of pepper spray will leave an invisible chemical (UV dye) that is not easily washed off on a pepper-sprayed attacker, which would help police identify the attacker later.
In some types of nondestructive testing UV stimulates fluorescent dyes to highlight defects in a broad range of materials. These dyes may be carried into surface-breaking defects by capillary action (liquid penetrant inspection) or they may be bound to ferrite particles caught in magnetic leakage fields in ferrous materials (magnetic particle inspection).
Analytic uses
Forensics
UV is an investigative tool at the crime scene helpful in locating and identifying bodily fluids such as semen, blood, and saliva.[84] For example, ejaculated fluids or saliva can be detected by high-power UV sources, irrespective of the structure or colour of the surface the fluid is deposited upon.[85]UV–vis microspectroscopy is also used to analyze trace evidence, such as textile fibers and paint chips, as well as questioned documents.
Other applications include the authentication of various collectibles and art, and detecting counterfeit currency. Even materials not specially marked with UV sensitive dyes may have distinctive fluorescence under UV exposure or may fluoresce differently under short-wave versus long-wave ultraviolet.
Enhancing contrast of ink
Using multi-spectral imaging it is possible to read illegible papyrus, such as the burned papyri of the Villa of the Papyri or of Oxyrhynchus, or the Archimedes palimpsest. The technique involves taking pictures of the illegible document using different filters in the infrared or ultraviolet range, finely tuned to capture certain wavelengths of light. Thus, the optimum spectral portion can be found for distinguishing ink from paper on the papyrus surface.
Simple NUV sources can be used to highlight faded iron-based ink on vellum.[86]
Sanitary compliance
Ultraviolet light helps detect organic material deposits that remain on surfaces where periodic cleaning and sanitizing may have failed. It is used in the hotel industry, manufacturing, and other industries where levels of cleanliness or contamination are inspected.[87][88][89][90]
Perennial news features for many television news organizations involve an investigative reporter using a similar device to reveal unsanitary conditions in hotels, public toilets, hand rails, and such.[91][92]
Chemistry
UV/Vis spectroscopy is widely used as a technique in chemistry to analyze chemical structure, the most notable one being conjugated systems. UV radiation is often used to excite a given sample where the fluorescent emission is measured with a spectrofluorometer. In biological research, UV radiation is used for quantification of nucleic acids or proteins.
In pollution control applications, ultraviolet analyzers are used to detect emissions of nitrogen oxides, sulfur compounds, mercury, and ammonia, for example in the flue gas of fossil-fired power plants.[93] Ultraviolet radiation can detect thin sheens of spilled oil on water, either by the high reflectivity of oil films at UV wavelengths, fluorescence of compounds in oil, or by absorbing of UV created by Raman scattering in water.[94]
Ultraviolet lamps are also used as part of the analysis of some minerals and gems.
Material science uses
Fire detection
In general, ultraviolet detectors use either a solid-state device, such as one based on silicon carbide or aluminium nitride, or a gas-filled tube as the sensing element. UV detectors that are sensitive to UV in any part of the spectrum respond to irradiation by sunlight and artificial light. A burning hydrogen flame, for instance, radiates strongly in the 185- to 260-nanometer range and only very weakly in the IR region, whereas a coal fire emits very weakly in the UV band yet very strongly at IR wavelengths; thus, a fire detector that operates using both UV and IR detectors is more reliable than one with a UV detector alone. Virtually all fires emit some radiation in the UVC band, whereas the Sun's radiation at this band is absorbed by the Earth's atmosphere. The result is that the UV detector is "solar blind", meaning it will not cause an alarm in response to radiation from the Sun, so it can easily be used both indoors and outdoors.
UV detectors are sensitive to most fires, including hydrocarbons, metals, sulfur, hydrogen, hydrazine, and ammonia. Arc welding, electrical arcs, lightning, X-rays used in nondestructive metal testing equipment (though this is highly unlikely), and radioactive materials can produce levels that will activate a UV detection system. The presence of UV-absorbing gases and vapors will attenuate the UV radiation from a fire, adversely affecting the ability of the detector to detect flames. Likewise, the presence of an oil mist in the air or an oil film on the detector window will have the same effect.
Photolithography
Ultraviolet radiation is used for very fine resolution photolithography, a procedure wherein a chemical called a photoresist is exposed to UV radiation that has passed through a mask. The exposure causes chemical reactions to occur in the photoresist. After removal of unwanted photoresist, a pattern determined by the mask remains on the sample. Steps may then be taken to "etch" away, deposit on or otherwise modify areas of the sample where no photoresist remains.
Photolithography is used in the manufacture of semiconductors, integrated circuit components,[95] and printed circuit boards. Photolithography processes used to fabricate electronic integrated circuits presently use 193 nm UV and are experimentally using 13.5 nm UV for extreme ultraviolet lithography.
Polymers
Electronic components that require clear transparency for light to exit or enter (photovoltaic panels and sensors) can be potted using acrylic resins that are cured using UV energy. The advantages are low VOC emissions and rapid curing.
Certain inks, coatings, and adhesives are formulated with photoinitiators and resins. When exposed to UV light, polymerization occurs, and so the adhesives harden or cure, usually within a few seconds. Applications include glass and plastic bonding, optical fiber coatings, the coating of flooring, UV coating and paper finishes in offset printing, dental fillings, and decorative fingernail "gels".
UV sources for UV curing applications include UV lamps, UV LEDs, and excimer flash lamps. Fast processes such as flexo or offset printing require high-intensity light focused via reflectors onto a moving substrate and medium so high-pressure Hg (mercury) or Fe (iron, doped)-based bulbs are used, energized with electric arcs or microwaves. Lower-power fluorescent lamps and LEDs can be used for static applications. Small high-pressure lamps can have light focused and transmitted to the work area via liquid-filled or fiber-optic light guides.
The impact of UV on polymers is used for modification of the (roughness and hydrophobicity) of polymer surfaces. For example, a poly(methyl methacrylate) surface can be smoothed by vacuum ultraviolet.[96]
UV radiation is useful in preparing low-surface-energy polymers for adhesives. Polymers exposed to UV will oxidize, thus raising the surface energy of the polymer. Once the surface energy of the polymer has been raised, the bond between the adhesive and the polymer is stronger.
Air purification
Using a catalytic chemical reaction from titanium dioxide and UVC exposure, oxidation of organic matter converts pathogens, pollens, and mold spores into harmless inert byproducts. However, the reaction of titanium dioxide and UVC is not a straight path. Several hundreds of reactions occur prior to the inert byproducts stage and can hinder the resulting reaction creating formaldehyde, aldehyde, and other VOC's en route to a final stage. Thus, the use of titanium dioxide and UVC requires very specific parameters for a successful outcome. The cleansing mechanism of UV is a photochemical process. Contaminants in the indoor environment are almost entirely organic carbon-based compounds, which break down when exposed to high-intensity UV at 240 to 280 nm. Short-wave ultraviolet radiation can destroy DNA in living microorganisms.[97] UVC's effectiveness is directly related to intensity and exposure time.
UV has also been shown to reduce gaseous contaminants such as carbon monoxide and VOCs.[98][99][100] UV lamps radiating at 184 and 254 nm can remove low concentrations of hydrocarbons and carbon monoxide if the air is recycled between the room and the lamp chamber. This arrangement prevents the introduction of ozone into the treated air. Likewise, air may be treated by passing by a single UV source operating at 184 nm and passed over iron pentaoxide to remove the ozone produced by the UV lamp.
Sterilization and disinfection
Ultraviolet lamps are used to sterilize workspaces and tools used in biology laboratories and medical facilities. Commercially available low-pressure mercury-vapor lamps emit about 86% of their radiation at 254 nanometers (nm), with 265 nm being the peak germicidal effectiveness curve. UV at these germicidal wavelengths damage a microorganism's DNA/RNA so that it cannot reproduce, making it harmless, (even though the organism may not be killed).[101] Since microorganisms can be shielded from ultraviolet rays in small cracks and other shaded areas, these lamps are used only as a supplement to other sterilization techniques.
UV-C LEDs are relatively new to the commercial market and are gaining in popularity.[failed verification][102] Due to their monochromatic nature (±5 nm)[failed verification] these LEDs can target a specific wavelength needed for disinfection. This is especially important knowing that pathogens vary in their sensitivity to specific UV wavelengths. LEDs are mercury free, instant on/off, and have unlimited cycling throughout the day.[103]
Disinfection using UV radiation is commonly used in wastewater treatment applications and is finding an increased usage in municipal drinking water treatment. Many bottlers of spring water use UV disinfection equipment to sterilize their water. Solar water disinfection[104] has been researched for cheaply treating contaminated water using natural sunlight. The UV-A irradiation and increased water temperature kill organisms in the water.
Ultraviolet radiation is used in several food processes to kill unwanted microorganisms. UV can be used to pasteurize fruit juices by flowing the juice over a high-intensity ultraviolet source.[105] The effectiveness of such a process depends on the UV absorbance of the juice.
Pulsed light (PL) is a technique of killing microorganisms on surfaces using pulses of an intense broad spectrum, rich in UV-C between 200 and 280 nm. Pulsed light works with xenon flash lamps that can produce flashes several times per second. Disinfection robots use pulsed UV.[106]
Biological
Some animals, including birds, reptiles, and insects such as bees, can see near-ultraviolet wavelengths. Many fruits, flowers, and seeds stand out more strongly from the background in ultraviolet wavelengths as compared to human color vision. Scorpions glow or take on a yellow to green color under UV illumination, thus assisting in the control of these arachnids. Many birds have patterns in their plumage that are invisible at usual wavelengths but observable in ultraviolet, and the urine and other secretions of some animals, including dogs, cats, and human beings, are much easier to spot with ultraviolet. Urine trails of rodents can be detected by pest control technicians for proper treatment of infested dwellings.
Butterflies use ultraviolet as a communication system for sex recognition and mating behavior. For example, in the Colias eurytheme butterfly, males rely on visual cues to locate and identify females. Instead of using chemical stimuli to find mates, males are attracted to the ultraviolet-reflecting color of female hind wings.[107] In Pieris napi butterflies it was shown that females in northern Finland with less UV-radiation present in the environment possessed stronger UV signals to attract their males than those occurring further south. This suggested that it was evolutionarily more difficult to increase the UV-sensitivity of the eyes of the males than to increase the UV-signals emitted by the females.[108]
Many insects use the ultraviolet wavelength emissions from celestial objects as references for flight navigation. A local ultraviolet emitter will normally disrupt the navigation process and will eventually attract the flying insect.
The green fluorescent protein (GFP) is often used in genetics as a marker. Many substances, such as proteins, have significant light absorption bands in the ultraviolet that are of interest in biochemistry and related fields. UV-capable spectrophotometers are common in such laboratories.
Ultraviolet traps called bug zappers are used to eliminate various small flying insects. They are attracted to the UV and are killed using an electric shock, or trapped once they come into contact with the device. Different designs of ultraviolet radiation traps are also used by entomologists for collecting nocturnal insects during faunistic survey studies.
Therapy
Ultraviolet radiation is helpful in the treatment of skin conditions such as psoriasis and vitiligo. Exposure to UVA, while the skin is hyper-photosensitive, by taking psoralens is an effective treatment for psoriasis. Due to the potential of psoralens to cause damage to the liver, PUVA therapy may be used only a limited number of times over a patient's lifetime.
UVB phototherapy does not require additional medications or topical preparations for the therapeutic benefit; only the exposure is needed. However, phototherapy can be effective when used in conjunction with certain topical treatments such as anthralin, coal tar, and vitamin A and D derivatives, or systemic treatments such as methotrexate and Soriatane.[109]
Herpetology
Reptiles need UVB for biosynthesis of vitamin D, and other metabolic processes. Specifically cholecalciferol (vitamin D3), which is needed for basic cellular / neural functioning as well as the utilization of calcium for bone and egg production. The UVA wavelength is also visible to many reptiles and might play a significant role in their ability survive in the wild as well as in visual communication between individuals. Therefore, in a typical reptile enclosure, a fluorescent UV a/b source (at the proper strength / spectrum for the species), must be available for many captive species to survive. Simple supplementation with cholecalciferol (Vitamin D3) will not be enough as there's a complete biosynthetic pathway that is "leapfrogged" (risks of possible overdoses), the intermediate molecules and metabolites also play important functions in the animals health. Natural sunlight in the right levels is always going to be superior to artificial sources, but this might not be possible for keepers in different parts of the world.
It is a known problem that high levels of output of the UVa part of the spectrum can both cause cellular and DNA damage to sensitive parts of their bodies - especially the eyes where blindness is the result of an improper UVa/b source use and placement photokeratitis. For many keepers there must also be a provision for an adequate heat source this has resulted in the marketing of heat and light "combination" products. Keepers should be careful of these "combination" light/ heat and UVa/b generators, they typically emit high levels of UVa with lower levels of UVb that are set and difficult to control so that animals can have their needs met. A better strategy is to use individual sources of these elements and so they can be placed and controlled by the keepers for the max benefit of the animals.[110]
Importancia evolutiva
The evolution of early reproductive proteins and enzymes is attributed in modern models of evolutionary theory to ultraviolet radiation. UVB causes thymine base pairs next to each other in genetic sequences to bond together into thymine dimers, a disruption in the strand that reproductive enzymes cannot copy. This leads to frameshifting during genetic replication and protein synthesis, usually killing the cell. Before formation of the UV-blocking ozone layer, when early prokaryotes approached the surface of the ocean, they almost invariably died out. The few that survived had developed enzymes that monitored the genetic material and removed thymine dimers by nucleotide excision repair enzymes. Many enzymes and proteins involved in modern mitosis and meiosis are similar to repair enzymes, and are believed to be evolved modifications of the enzymes originally used to overcome DNA damages caused by UV.[111]
Ver también
- High-energy visible light
- Ultraviolet catastrophe
- Ultraviolet index
- UV stabilizers in plastics
- Weather testing of polymers
- UV marker
- Infrared
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enlaces externos
- Media related to Ultraviolet light at Wikimedia Commons
- The dictionary definition of ultraviolet at Wiktionary