Ultraviolettisäteily – sen ominaisuudet ja hyödyt

Lyhyt historia

Saksalainen fyysikko Johann Wilhelm Ritter löysi UV-säteilyn vuonna 1801. Hän havaitsi hopeakloridiin kastetun paperin tummumisen nopeutuvan, kun se altistettiin näkymättömille säteille violetissa päässä juuri ja juuri näkyvän spektrin ulkopuolella. Erottaakseen nämä säteet edellisenä vuonna löydetyistä näkyvän spektrin vastakkaisen pään ”lämpösäteistä” (IR) hän kutsui UV-säteilyä ”hapettaviksi säteiksi”. Termi korosti fyysikon havaitsemaa kemiallista reaktiivisuutta. Tämä nimitys korvattiin nopeasti termillä ”kemialliset säteet”, joka säilyi suosittuna koko 1800-luvun loppupuolen. Lopulta termit kemialliset säteet ja lämpösäteet korvattiin nykyisin yleisillä nimityksillä ultravioletti ja infrapuna.

Mitä UV on?

Ultraviolettisäteily (UV-säteily) luokitellaan sähkömagneettisessa spektrissä aallonpituusvälille 100–400 nm. Nämä aallonpituudet ovat näkyvän valon aallonpituuksia lyhyempiä ja röntgensäteilyn aallonpituuksia pidempiä. UV-valo luokitellaan kolmeen eri luokkaan: UVA-säteilyn aallonpituus on 315–400 nm, UVB-säteilyn aallonpituus on 280–315 nm ja UVC-säteilyn aallonpituus on 100–280 nm.

Kuva 1: UV-aallonpituudet sijoittuvat välittömästi ihmissilmän havaitsemien aallonpituuksien alapuolelle. (Kuvan tarjoaa W.S. Badger Company, Inc.)

Aurinko lähettää UV-säteilyä spektrialueella 100–400 nm. Maapallon ilmakehän reunalla auringonvalo koostuu noin 50-prosenttisesti infrapunasta (IR), 40-prosenttisesti näkyvästä valosta ja 10-prosenttisesti UV-valosta. Kun aurinko saavuttaa maanpinnan korkeimmalla ollessaan, auringonvalo koostuu 53-prosenttisesti infrapunasta, 44-prosenttisesti näkyvästä valosta ja 3-prosenttisesti UV-säteilystä. Tästä 3 prosentista maanpinnalle saapuvaa UV-valoa noin 95 % on UVA-säteilyä ja 5 % UVB-säteilyä. Nämä prosenttiosuudet vaihtelevat tietenkin jonkin verran pilvipeitteen ja muiden ilmakehän olosuhteiden mukaan.

Suuri osa UVC-aallonpituuksista absorboituu yläilmakehän happeen, joka sitten tuottaa otsonia otsonikerroksessa. Otsonikerros estää suurimman osan UVB-säteilystä ja jäljellä olevan UVC-säteilyn, jota happi ei ole vielä absorboinut.

Keinotekoiset UV-emitterit

Aurinko ei ole ainoa UV-säteilyn lähde. On olemassa monia ihmisen valmistamia laitteita, jotka tuottavat näitä aaltoja.

Mustavalolamput

Ihmisille tutuimpia UV-säteilyn tuottajia ovat mustavalolamput (kuva 2) Tyypilliset mustavalolamput säteilevät UVA-aaltoja ja hyvin vähän näkyvää valoa. Esimerkiksi mustavaloloisteputkissa käytetään lasiputken sisäpuolella fosforipinnoitetta UVA-aaltojen emittoimiseksi näkyvän valon sijasta. Tehokkaammat elohopeahöyry-mustavalot emittoivat UVA-säteilyä samalla periaatteella suuremmassa mittakaavassa, lähinnä konsertteja ja teatterinäytöksiä varten.

Kuva 2: Tyypilliset mustavaloloisteputket säteilevät UVA-aaltoja

Mustavaloa käytetään pääasiallisesti silloin, kun ei haluta ulkoista näkyvää valoa, vaan halutaan seurata fluoresenssia, jota syntyy tiettyjen aineiden altistuessa UV-valolle.

UV-lyhytaaltolamput

UV-lyhytaaltolamput koostuvat loisteputkista ilman fosforipinnoitetta. Jos UV-valon huippuarvot ovat 253,7 nm ja 185 nm, ne molemmat kuuluvat UVC-alueelle. Niiden emittoitumiseen käytetään pääasiassa putkessa olevaa elohopeaa. Kuitenkin vain 253,7 nm:n säteily pääsee sulatetun kvartsilasiputken läpi, kun taas 185 nm:n aallonpituus estyy kokonaan. Näiden lamppujen tyypillinen hyötysuhde on 30–40 prosenttia, ja niiden UVC-teho on kaksi-kolme kertaa suurempi kuin tavanomaisten loistelamppujen.

Näiden lamppujen ensisijainen käyttökohde on laboratoriopintojen, elintarvikkeiden käsittelypintojen ja vesivarojen desinfiointi.

UV-kaasupurkauslamput

Kaasupurkauslamput sisältävät erilaisia kaasuja, jotka on valittu tuottamaan UV-säteilyä tietyillä spektriviivoilla. Näitä käytetään tieteellisissä erikoissovelluksissa. Näitä lamppuja käytetään pääasiassa kemialliseen analyysiin tarkoitetuissa UV-spektroskopialaitteissa.

Laserit

Lasereita voidaan valmistaa erityisesti UV-valon tuottamista varten. Lasertekniikasta (kaasulaserit, laserdiodit tai puolijohdelaserit) ja käytetyistä materiaaleista riippuen lasereita voidaan valmistaa kattamaan koko UV-kaista.

UV-lasereita käytetään monissa sovelluksissa, kuten laserkaiverrus, ihotautien hoito, keratektomia, kemia, viestintä, optinen tallennus ja integroitujen piirien valmistus.

Valodiodit

Valodiodeja (ledejä) valmistetaan erityisesti UV-valon tuottamista varten. Näitä laitteita käytetään tällä hetkellä UV-kovetussovelluksissa, steriloinnissa, ihonhoidossa sekä kemiassa komponenttiseosten tunnistamiseen.

Terveyskysymykset

UV-säteilyllä on sekä hyödyllisiä että haitallisia vaikutuksia ihmisen terveyteen. Liian suuri altistuminen voi olla haitallista, kun taas kohtuullisella altistumisella on suotuisia vaikutuksia.

Haitalliset vaikutukset

Liiallinen altistuminen UV-säteilylle (UVA-ledit saatavilla Digi-Keyltä) voi aiheuttaa haittavaikutuksia silmille, iholle ja immuunijärjestelmälle.

UVA-säteily aiheuttaa vain vähän tai ei lainkaan välittömiä reaktioita, mutta UVB-alueen alkupäätä (315 nm) lähellä olevilla aallonpituuksilla alkaa esiintyä fotokeratiittia (kivulias silmäsairaus) ja ihon punoitusta (vaaleampi iho on herkempi). Vauriot lisääntyvät nopeasti aallonpituuden lähestyessä 300 nanometriä. 265–275 nm:n UV-säteily UVC-alueella on kaikkein haitallisinta silmille ja iholle.

Paitsi että liiallinen UVB-altistus voi aiheuttaa ihon palamista, se voi myös aiheuttaa joitakin ihosyövän muotoja.

Hyödylliset vaikutukset

Vaikka liiallinen altistuminen UV-säteilylle onkin haitallista, kohtuullinen altistuminen voi tarjota terveyshyötyjä. UV-valon kolme tärkeintä terveyshyötyä ovat D-vitamiinin tuotanto, mielialan paraneminen ja energian lisääntyminen.

D-vitamiini

Kohtuullinen altistuminen UV-säteilylle on hyvä D-vitamiinin lähde. Tämä vitamiini auttaa kalsiumaineenvaihdunnan, insuliinin erityksen, verenpaineen, immuniteetin ja solujen lisääntymisen säätelyssä. Korkeammat D-vitamiinitasot ovat yhteydessä sydänsairauksien, aivohalvauksien ja diabeteksen vähenemiseen sekä verenpaineen laskemiseen.

Ihosairaudet

Tiettyjä ihosairauksia voidaan hoitaa UV-säteilyllä. Nykyaikaisella valohoidolla on mahdollista hoitaa menestyksekkäästi ihottumaa, dermatiittia, riisitautia, atooppista ja paikallista sklerodermaa, keltatautia, psoriaasia ja vitiligoa.

Sydän- ja verisuonisairaudet sekä korkea verenpaine

UVB-säteilyn on osoitettu laskevan korkeasta verenpaineesta ja D-vitamiinin puutteesta kärsivien potilaiden verenpainetta. Muut lääketieteelliset kokeet ja tutkimukset ovat osoittaneet, että UV-säteilyllä on mitattavissa olevia terveyshyötyjä D-vitamiinista riippumatta.

Serotoniini

D-vitamiini edistää serotoniinin muodostumista, ja sen tuotanto on suoraan verrannollinen kehon altistumiseen UV-säteilylle. Serotoniinitason muutokset vaikuttavat mielialaan ja käyttäytymiseen. Sen tarkkaa vaikutusta ihmiskehoon ei täysin tunneta, mutta uskotaan, että serotoniini tuottaa hyvinvoinnin, seesteisyyden ja onnellisuuden tunteita.

Melaniini

Kohtuullinen UV-altistus lisää melaniinin (ruskean pigmentin) määrää ihossa (tunnetaan myös nimellä rusketus). Melaniini imee sekä UVA- että UVB-säteilyä ja haihduttaa sen lämpönä. Tämä suojaa ihoa sekä suorilta että epäsuorilta DNA-vaurioilta.

Sovellukset

On olemassa useita sovelluksia, joissa hyödynnetään UV-säteilyn ominaisuuksia ja jotka tarjoavat monia etuja ihmisten terveydelle ja hyvinvoinnille. UV-aaltoja käytetään nykyään eniten mikrobien tappamiseen ja epäpuhtauksien poistoon.

Ilmanpuhdistus

Sisätilojen epäpuhtaudet ovat pitkälti orgaanisia hiilipohjaisia yhdisteitä, jotka hajoavat niiden altistuessa voimakkaalle UVC-säteilylle alueella 240–280 nm. Tämä säteily voi tuhota myös mikro-organismien DNA:ta. Siksi ilman kierrättäminen UVC-emitterin, kuten SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC -ledin (kuva 3), kautta voi auttaa puhdistamaan ilmaa siinä huoneessa, johon se on sijoitettu. Tämä 275 nm:n (nimellinen) UVC-ledi on saatavana tähdenmuotoisena korttina, ja sen tyypillinen säteilyteho on 11,5 mW. Se soveltuu moniin eri sovelluksiin, kuten ilmanpuhdistukseen.

Kuva 3: Tämä SETi/Seoul Viosys UVC-ledi on saatavana tähdenmuotoisena korttina ja se helpottaa lämpösuunnittelua. (Kuvan tarjoaa SETi/Seoul Viosys)

Sterilointi ja desinfiointi

UVC-ledejä voidaan käyttää myös erilaisiin sterilointi- ja desinfiointisovelluksiin. Lääketieteellisissä ja biologisissa laboratorioissa UVC-säteilyä käytetään yhdessä muiden tekniikoiden kanssa työkalujen ja työtilojen pintojen sterilointiin.

UVC-säteilyn muita yleisiä käyttökohteita ovat jäteveden ja kunnallisen juomaveden käsittely. Lähdeveden pullottajat käyttävät sitä jopa tuotteidensa sterilointiin. Lisäksi UVC-säteilyä käytetään mikro-organismien tuhoamiseen elintarviketeollisuudessa. Esimerkiksi hedelmämehut voidaan pastöroida UVC-säteilyn avulla niiden kulkiessa valonlähteen ohi.

Hoito

UV-säteily ei ole hyödyllistä ainoastaan puhdistuksessa ja steriloinnissa, vaan sitä voidaan käyttää myös ihonhoitoon esimerkiksi psoriaasin ja vitiligon (sairaus, jossa ihoalueet menettävät pigmentin) kaltaisissa sairauksissa. Tällöin hyödyllisiä ovat UVC-aaltojen sijaan UVB-aallot. UVB-ledit ovat ihanteellisia tähän tarkoitukseen. Näitä aallonpituuksien 280–315 nm komponentteja voidaan käyttää perustana ihohoitolaitteiden suunnittelulle. Laitteita on saatavana erilaisilla kiinnitys- ja säteilytehovaihtoehdoilla.

Yhteenveto

UV-säteilyllä on ihmisiin sekä haitallisia että hyödyllisiä vaikutuksia. Huolellisella suunnittelulla UVB- ja UVC-aaltojen hyödyllisiä ominaisuuksia voidaan käyttää suojaamaan meitä infektioilta ja tiettyjen ihosairauksien hoitoon. DigiKey tarjoaa tähän tarkoitukseen UV-ledejä. Ne sopivat erinomaisesti näihin sovelluksiin ja ovat muita UV-lähteitä helpompia suunnitella.