紫外線輻射的特性及在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

歷史簡述

德國物理學(xué)家 Johann Wilhelm Ritter 在 1801 年發(fā)現(xiàn)了 UV 輻射。他用紙片蘸取氯化銀溶液，并將紙片暴露在可見光譜紫色端外的不可見光下，隨后觀察到紙片加速變黑。為了區(qū)分這種光線和前一年在可見光譜另一端發(fā)現(xiàn)的“熱射線”（紅外線，IR），他將 UV 輻射稱為“氧化射線”，用于強調(diào)他所觀察到的化學(xué)反應(yīng)?！盎瘜W(xué)射線”一詞很快取代了“氧化射線”，并在整個 19 世紀(jì)剩下的時間內(nèi)得以廣泛使用。最后，“化學(xué)射線”和“熱射線”這兩個詞分別被現(xiàn)在通用的名稱“紫外線”和“紅外線”所取代。

UV 是什么？

在電磁波譜中，紫外線 (UV) 輻射被歸類為波長為 10 - 400 nm 的光。這樣的波長比可見光短，比 X 射線長。UV 光一共有三類：UVA 波長在 315 - 400 nm 之間，UVB 波長在 280 - 315 nm 之間，以及 UVC 波長在 100 - 280 nm 之間。

圖 1：UV 波長剛好比人眼可見光的波長短。（圖片由 W.S. Badger Company, Inc. 提供）

太陽發(fā)出 10 - 400 nm 光譜范圍內(nèi)的 UV 輻射。在地球大氣層邊緣，大陽光由大約 50% 的紅外光 (IR)、40% 的可見光和 10% 的 UV 光組成。當(dāng)太陽位于最高點，并且太陽光照射到地球表面時，太陽光的成分是 53% 的 IR、44% 的可見光和 3% 的 UV。在這 3% 到達地面的 UV 中，大約有 95% 是 UVA，5% 是 UVB。當(dāng)然，這些比例可能會因云層覆蓋和其他大氣條件而有所波動。

許多 UVC 波長被上層大氣的氧氣所吸收，然后在臭氧層中產(chǎn)生臭氧。臭氧層能阻擋大部分 UVB 和未被氧氣吸收的剩余 UVC。

人造 UV 發(fā)射器

太陽并不是唯一的 UV 輻射源。有幾種人造設(shè)備也能產(chǎn)生這些光波。

黑光燈

人們最熟悉的 UV 發(fā)生器是黑光燈（圖 2）。典型的黑光燈能發(fā)出 UVA 波和極少的可見光。例如，熒光黑光燈使用玻璃管內(nèi)側(cè)的熒光粉涂層發(fā)出 UVA 波而非可見光。更大功率的水銀黑光燈利用相同原理發(fā)出更大規(guī)模的 UVA 輻射，主要用于音樂會和劇場的顯示器。

圖 2：典型的熒光黑光燈發(fā)出 UVA 波

黑光燈主要應(yīng)用于：在不存在外來可見光的前提下，觀察特定物質(zhì)暴露于 UV 光下產(chǎn)生的熒光。

短波 UV 燈

短波 UV 燈由不涂敷熒光粉涂層的熒光燈管組成。UV 光的波峰為 253.7 nm 和 185 nm，都在 UVC 波段內(nèi)，燈管里的汞是能夠發(fā)出這些 UV 光的主要原因。不過，只有 253.7 nm 輻射能穿過熔凝石英玻璃管，而 185 nm 波長則被完全阻擋。這些燈的能效一般為 30% 至 40%，是傳統(tǒng)熒光燈 UVC 功率的兩到三倍。

它們主要應(yīng)用于實驗室表面、食品加工表面和供水的消毒。

UV 氣體放電燈

氣體放電燈包含不同的特定氣體，能產(chǎn)生位于特定光譜線的 UV 輻射，用于專門的科學(xué)應(yīng)用。這些燈主要用于化學(xué)分析中使用的 UV 光譜設(shè)備。

激光器

專門制造的激光器可產(chǎn)生 UV 光。根據(jù)激光器技術(shù)（氣體激光器、激光二極管或固態(tài)激光器）和所用材料，可以制造覆蓋整個 UV 波段的激光器。

UV 激光器可以應(yīng)用于很多方面，包括光刻、皮膚病學(xué)、角膜切除術(shù)、化學(xué)、通信、光存儲和集成電路制造。

發(fā)光二極管

專門制造的發(fā)光二極管 (LED) 可產(chǎn)生 UV 光。這些設(shè)備目前用于 UV 固化應(yīng)用、滅菌、皮膚治療，以及在化學(xué)領(lǐng)域用于鑒別各種成分的混合物。

健康問題

UV 輻射對人類健康是把雙刃劍。過度接觸有害，而適度接觸有益。

有害影響

過度接觸 UV 輻射有可能傷害眼睛、皮膚和免疫系統(tǒng)。

UVA 輻射極少引起或根本不會引起即時反應(yīng)，但在波長接近 UVB 波段起始端 (315 nm) 時，就會開始引起光性角膜炎（眼睛疼痛）和皮膚發(fā)紅（顏色越淺的皮膚越敏感），而且傷害隨著波長接近 300 nm 而快速加劇。處于 UVC 波段 265 - 275 nm 范圍內(nèi)的 UV 對眼睛和皮膚的傷害最大。

過度接觸 UVB 不僅可導(dǎo)致曬斑，還是某些皮膚癌的誘因。

有益影響

過度接觸 UV 有害健康，而適度接觸 UV 則對健康有益。接觸 UV 對健康有三大益處：促進人體產(chǎn)生維生素 D、改善情緒和增加能量。

維生素 D

適度接觸 UV 輻射是維生素 D 的很好來源。這種維生素有助于調(diào)節(jié)鈣代謝、胰島素分泌、血壓、免疫力和細胞繁殖。維生素 D 含量較高能夠降低心臟病、中風(fēng)和糖尿病的患病率，并有可能降低血壓。

皮膚病

可以利用 UV 輻射治療某些皮膚病。借助現(xiàn)代光療法，成功治愈濕疹、皮炎、佝僂病、特應(yīng)性皮炎、局限性硬皮病、黃疸、銀屑病和白癜風(fēng)現(xiàn)在已成為可能。

心血管和高血壓

經(jīng)證明，高血壓和缺乏維生素 D 的患者照射 UVB 能夠降低血壓。其他醫(yī)學(xué)試驗和研究表明，除了與維生素 D 有關(guān)的影響外，UV 輻射對健康還有其他重大益處。

血清素

維生素 D 促進合成血清素，其產(chǎn)生的量直接與人體接觸 UV 輻射的量成正比。血清素含量的變化會影響情緒和行為。雖然尚不完全清楚血清素對人體的確切作用，但一般認為血清素可提供幸福感、寧靜感和愉悅感。

黑色素

適度接觸 UV 會增加皮膚中的黑色素（褐色的色素）數(shù)量（即所謂的曬黑）。黑色素能夠吸收 UVA 和 UVB 輻射并將其作為熱量散發(fā)掉，從而保護皮膚免受直接和間接的 DNA 傷害。

應(yīng)用

有許多應(yīng)用就是利用了 UV 輻射的特性，為人類的健康和幸福帶來很多好處。UV 波如今的主要用途是殺滅細菌和去除污染物。

空氣凈化

室內(nèi)環(huán)境污染物幾乎全部是有機碳基化合物，暴露于 240 - 280 nm 范圍內(nèi)的高強度 UVC 下即會分解。這樣的 UVC 還可以破壞微生物的 DNA。因此，可以在室內(nèi)放置 RayVio RVXE-280 和 RVXP-280 UV LED 等 UVC 發(fā)射器，讓空氣循環(huán)流經(jīng)發(fā)射器來幫助凈化室內(nèi)空氣。這些 280 nm（標(biāo)稱值）UVC LED 可作為星形板裝置或表面貼裝設(shè)備提供，其典型輻射輸出為 4 mW（RVXE 設(shè)備）、16 mW（RVXP1 設(shè)備）和 50 mW（RVXP4 設(shè)備），適合包括空氣凈化在內(nèi)的許多不同應(yīng)用。

圖 3：RayVio UV LED 可作為星形板單元提供，也可提供表面貼裝封裝。（圖片由 RayVio 提供）

滅菌和消毒

UVC LED 還可用于各種滅菌和消毒應(yīng)用。醫(yī)學(xué)和生物實驗室中將 UVC 輻射與其他技術(shù)配合使用，對工具和工作區(qū)表面進行滅菌。

其他常見的 UVC 輻射應(yīng)用包括污水和市政飲用水的處理。甚至礦泉水灌裝廠也使用 UVC 輻射對產(chǎn)品進行滅菌。此外，食品加工業(yè)還使用 UVC 輻射殺滅微生物。例如，讓果汁流經(jīng) UVC 輻射源進行巴氏滅菌。

治療

UV 輻射不僅可用于凈化和滅菌，還能幫助治療銀屑病和白癜風(fēng)（皮膚色素脫失形成斑塊）等皮膚病。在這種情況下，起作用的不是 UVC 波而是 UVB 波。RayVio 同樣也提供非常適合這種應(yīng)用的 LED。RayVio 的 310 nm LED 元器件（Digi-Key 很快到貨）可以作為皮膚治療設(shè)備的基礎(chǔ)器件。這些設(shè)備的安裝方式和輻射輸出選擇與上述 UVC LED 一樣。

結(jié)論

UV 輻射對人類既有害又有益。恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以利用 UVB 和 UVC 波的有益特性保護我們免受感染并治療某些皮膚病。為此，RayVio 針對這些應(yīng)用提供了多種非常合適的 LED，并且設(shè)計時比使用其他 UV 光源更加簡單。