รังสีอัลตราไวโอเลต – คุณสมบัติและประโยชน์

ประวัติโดยย่อ

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Johann Wilhelm Ritter ค้นพบรังสี UV ในปี 1801 เขาสังเกตเห็นการทำให้กระดาษชุบซิลเวอร์คลอไรด์มืดลงอย่างรวดเร็วเมื่อมันถูกสัมผัสกับรังสีที่มองไม่เห็นซึ่งอยู่เหนือสเปกตรัมที่มองเห็นได้บนปลายสีม่วง เพื่อแยกความแตกต่างของรังสีเหล่านี้ออกจาก "รังสีความร้อน" (IR) ที่ค้นพบเมื่อปีที่แล้วในส่วนอื่น ๆ ของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เขาเรียกรังสี UV ว่า "รังสีออกซิไดซ์" ซึ่งเน้นย้ำถึงปฏิกิริยาเคมีที่เขาสังเกตเห็น สิ่งนี้ถูกแทนที่อย่างรวดเร็วด้วยคำว่า "รังสีเคมี" ซึ่งยังคงเป็นที่นิยมตลอดช่วงเวลาที่เหลือของศตวรรษที่ 19 ในที่สุด คำศัพท์ทางเคมีและรังสีความร้อนก็ถูกแทนที่ด้วยการกำหนดรังสีอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรดทั่วไปตามลำดับ

UV คืออะไร?

ในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ถูกจัดประเภทว่ามีความยาวคลื่นตั้งแต่ 100 นาโนเมตร ถึง 400 นาโนเมตร ความยาวคลื่นเหล่านี้สั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้และยาวกว่ารังสีเอกซ์ แสง UV แบ่งออกเป็นสามประเภท: UVA มีความยาวคลื่นระหว่าง 315 ถึง 400 นาโนเมตร UVB มีความยาวคลื่นระหว่าง 280 ถึง 315 นาโนเมตร และ UVC มีความยาวคลื่นระหว่าง 100 ถึง 280 นาโนเมตร

รูปที่ 1: ความยาวคลื่น UV คือความยาวคลื่นที่ต่ำกว่าที่ตามนุษย์มองเห็นทันที (ได้รับความอนุเคราะห์ภาพจาก บริษัท WS Badger, Inc.)

ดวงอาทิตย์ของเราปล่อยรังสี UV ผ่านสเปกตรัม 100 ถึง 400 นาโนเมตร ที่ขอบของชั้นบรรยากาศโลก แสงแดดประกอบด้วยอินฟราเรดประมาณ 50% (IR), 40% ที่มองเห็นได้ และแสง UV 10% เมื่อถึงพื้นผิวโลก โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดสูงสุด องค์ประกอบของแสงแดดคือ 53% IR, 44% ที่มองเห็นได้ และ 3% UV จาก 3% ของ UV นี้ที่มาถึงพื้นดินประมาณ 95% เป็น UVA และ 5% เป็น UVB แน่นอน เปอร์เซ็นต์เหล่านี้แตกต่างกันไปบ้างตามการปกคลุมของเมฆและสภาพบรรยากาศอื่น ๆ

ความยาวคลื่น UVC ส่วนใหญ่ถูกดูดซับโดยออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนซึ่งจะสร้างโอโซนในชั้นโอโซน ชั้นโอโซนปิดกั้น UVB ส่วนใหญ่และ UVC ที่เหลือซึ่งไม่ได้ดูดซับโดยออกซิเจน

เครื่องฉายรังสี UV ประดิษฐ์

ดวงอาทิตย์ไม่ได้เป็นเพียงแหล่งกำเนิดรังสี UV เท่านั้น มีอุปกรณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้นหลายอย่างที่สร้างคลื่นเหล่านี้ด้วย

ไฟสีดำ

เครื่องกำเนิด UV ที่คนคุ้นเคยมากที่สุดคือแสงสีดำ (รูปที่ 2) หลอดไฟสีดำทั่วไปปล่อยคลื่น UVA ด้วยแสงที่มองเห็นได้น้อยมาก ตัวอย่างเช่น ไฟเรืองแสงสีดำใช้สารเคลือบสารเรืองแสงที่ด้านในของหลอดแก้วเพื่อปล่อยคลื่น UVA แทนแสงที่มองเห็นได้ แสงสีดำจากไอปรอทที่ทรงพลังกว่านั้นใช้หลักการเดียวกันนี้ในการปล่อยรังสี UVA ในระดับที่ใหญ่ขึ้น โดยเฉพาะสำหรับการแสดงคอนเสิร์ตและการแสดงละคร

รูปที่ 2: แสงสีดำจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ทั่วไปปล่อยคลื่น UVA

การใช้งานหลักสำหรับแสงสีดำคือแสงที่ไม่ต้องการแสงที่มองเห็นจากภายนอกในขณะที่สังเกตการเรืองแสงที่เกิดขึ้นเมื่อสารบางชนิดสัมผัสกับแสง UV

หลอด UV คลื่นสั้น

หลอด UV แบบคลื่นสั้นประกอบด้วยหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่ไม่มีสารเคลือบสารเรืองแสง แสง UV ที่มีจุดสูงสุดที่ 253.7 นาโนเมตรและ 185 นาโนเมตร ทั้งในแถบ UVC ถูกปล่อยออกมาเป็นหลักเนื่องจากปรอทในหลอด อย่างไรก็ตาม มีเพียงรังสี 253.7 นาโนเมตรเท่านั้นที่ผ่านหลอดแก้วควอทซ์ที่หลอมรวมในขณะที่ความยาวคลื่น 185 นาโนเมตรถูกปิดกั้นอย่างสมบูรณ์ ประสิทธิภาพโดยทั่วไปของหลอดเหล่านี้อยู่ที่ 30% ถึง 40% และมากกว่าพลังงาน UVC ของหลอดฟลูออเรสเซนต์ทั่วไปสองถึงสามเท่า

การใช้งานหลักของหลอดไฟเหล่านี้คือการฆ่าเชื้อพื้นผิวห้องปฏิบัติการ พื้นผิวในการแปรรูปอาหาร และแหล่งน้ำ

หลอดปล่อยก๊าซ UV

หลอดปล่อยก๊าซประกอบด้วยก๊าซต่าง ๆ ที่เลือกไว้เพื่อผลิตรังสี UV ที่เส้นสเปกตรัมเฉพาะซึ่งใช้ในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์เฉพาะทาง การใช้งานหลักของหลอดเหล่านี้อยู่ในอุปกรณ์สเปกโตรสโคปี UV ที่ใช้ในการวิเคราะห์ทางเคมี

เลเซอร์

เลเซอร์สามารถผลิตได้เฉพาะการผลิตแสง UV เท่านั้น ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีเลเซอร์ (เลเซอร์ก๊าซ เลเซอร์ไดโอด หรือเลเซอร์โซลิดสเตต) และวัสดุที่ใช้ เลเซอร์สามารถสร้างให้ครอบคลุมแถบ UV ทั้งหมดได้

เลเซอร์ UV สามารถใช้ในงานได้อย่างหลากหลาย รวมถึงการแกะสลักด้วยเลเซอร์ โรคผิวหนัง การผ่าตัดทำเคราติน เคมี การสื่อสาร การจัดเก็บด้วยแสง และการผลิตวงจรรวม

ไดโอดเปล่งแสง

ไดโอดเปล่งแสง (LED) ผลิตขึ้นเพื่อผลิตแสง UV โดยเฉพาะ ปัจจุบันอุปกรณ์เหล่านี้กำลังใช้งานในการบ่มด้วยแสง UV การฆ่าเชื้อ การบำบัดผิวหนัง และในทางเคมีเพื่อระบุส่วนผสมของส่วนประกอบ

ปัญหาสุขภาพ

รังสี UV มีผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์ทั้งประโยชน์และโทษ การเปิดรับแสงมากเกินไปอาจเป็นอันตรายได้ในขณะที่การได้รับสารในระดับปานกลางมีผลดี

ผลกระทบที่เป็นอันตราย

รังสี UV ที่มากเกินไป (UVA LEDs มีจำหน่ายที่ DigiKey) การเปิดรับแสงมีศักยภาพที่จะก่อให้เกิดผลเสียต่อดวงตา ผิวหนัง และระบบภูมิคุ้มกัน

รังสี UVA ทำให้เกิดปฏิกิริยาเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยในทันที แต่ที่ความยาวคลื่นใกล้กับจุดเริ่มต้นของแถบ UVB (315 nm) photokeratitis (อาการตาเจ็บปวด) และรอยแดงของผิวหนัง (ผิวที่อ่อนกว่านั้นไวกว่า) เริ่มเกิดขึ้นพร้อมกับความเสียหายที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามความยาวคลื่น เข้าใกล้ 300 นาโนเมตร UV ในช่วง 265 nm ถึง 275 nm ในแถบ UVC เป็นอันตรายต่อดวงตาและผิวหนังมากที่สุด

การได้รับรังสี UVB มากเกินไปไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการถูกแดดเผา แต่ยังเป็นสาเหตุของมะเร็งผิวหนังบางรูปแบบด้วย

ประโยชน์

แม้ว่าการได้รับรังสี UV มากเกินไปจะส่งผลเสียต่อสุขภาพ แต่ก็มีประโยชน์ต่อสุขภาพหากเราสามารถลดปริมาณรังสี UV ได้ ประโยชน์ต่อสุขภาพหลักสามประการของการได้รับรังสี UV คือการผลิตวิตามินดี อารมณ์ดีขึ้น และพลังงานที่เพิ่มขึ้น

วิตามินดี

การได้รับรังสี UV ในระดับปานกลางเป็นแหล่งวิตามินดีที่ดี วิตามินนี้ช่วยควบคุมการเผาผลาญแคลเซียม การหลั่งอินซูลิน ความดันโลหิต ภูมิคุ้มกัน และการแพร่กระจายของเซลล์ ระดับวิตามินดีที่สูงขึ้นมีความสัมพันธ์กับอัตราการเกิดโรคหัวใจ โรคหลอดเลือดสมอง และโรคเบาหวานที่ลดลง พร้อมกับแนวโน้มที่ความดันโลหิตจะลดลง

สภาพผิว

มีสภาพผิวบางอย่างที่สามารถรักษาได้ด้วยรังสี UV ด้วยการบำบัดด้วยแสงที่ทันสมัยทำให้ การรักษากลาก, โรคผิวหนัง, โรคกระดูกอ่อน, โรคผิวหนังภูมิแพ้และผิวหนังเฉพาะที่, โรคดีซ่าน, โรคสะเก็ดเงินและโรคด่างขาวประสบความสำเร็จเป็นไปได้ในขณะนี้

โรคหัวใจและหลอดเลือด

ในผู้ป่วยที่มีความดันโลหิตสูงและขาดวิตามินดี พบว่าการได้รับรังสี UVB สามารถลดความดันโลหิตได้ การทดลองทางการแพทย์และการศึกษาอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่ารังสี UV ที่ไม่ขึ้นกับวิตามินดีมีประโยชน์ต่อสุขภาพที่วัดได้

เซโรโทนิน

การสร้างเซโรโทนินได้รับการส่งเสริมโดยวิตามินดีและการผลิตเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการได้รับรังสี UV ของร่างกาย การเปลี่ยนแปลงระดับเซโรโทนินส่งผลต่ออารมณ์และพฤติกรรม ยังไม่ทราบถึงผลกระทบที่แน่นอนต่อร่างกายมนุษย์ทั้งหมด แต่คาดว่าเซโรโทนินจะให้ความรู้สึกเป็นอยู่ที่ดี สงบ และมีความสุข

เมลานิน

การได้รับรังสี UV ในระดับปานกลางจะเพิ่มปริมาณของเมลานินซึ่งเป็นเม็ดสีน้ำตาลในผิวหนัง เมลานินดูดซับทั้งรังสี UVA และ UVB กระจายเป็นความร้อน ปกป้องผิวจากการทำลายของ DNA ทั้งทางตรงและทางอ้อม

การใช้งาน

มีการใช้งานหลายอย่างที่ควบคุมคุณสมบัติของรังสี UV และให้ประโยชน์มากมายต่อสุขภาพและความเป็นอยู่ที่ดีของผู้คน ความสามารถของคลื่น UV ในการฆ่าเชื้อจุลินทรีย์และกำจัดสิ่งปนเปื้อนเป็นการใช้งานหลักในปัจจุบัน

การฟอกอากาศ

สิ่งปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมภายในอาคารเป็นสารประกอบอินทรีย์คาร์บอนที่ค่อนข้างจะสลายตัวเมื่อสัมผัสกับรังสี UVC ที่มีความเข้มสูงในช่วง 240 นาโนเมตรถึง 280 นาโนเมตร นอกจากนี้ยังสามารถทำลาย DNA ในจุลินทรีย์ได้อีกด้วย ดังนั้นการหมุนเวียนอากาศผ่านตัวปล่อย UVC เช่น SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC LED (ภาพที่ 3) สามารถช่วยในการฟอกอากาศภายในห้องที่วางเครื่องเอาไว้ LED UVC ขนาด 275 นาโนเมตร (ระบุ) นี้มีจำหน่ายในรูปแบบ Star Board ที่มีเอาต์พุตการแผ่รังสีโดยทั่วไปที่ 11.5 mW เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลายรวมถึงการฟอกอากาศ

รูปที่ 3: LED SETi/Seoul Viosys UVC นี้มีให้ใช้งานในรูปแบบ Star Board เพื่อลดความซับซ้อนของวิศวกรรมความร้อน (เอื้อเฟื้อรูปภาพโดย SETi/Seoul Viosys)

การทำให้ปราศจากเชื้อโรคและการฆ่าเชื้อโรค

UVC LEDs สามารถใช้ได้กับงานสำหรับการทำให้ปราศจากเชื้อโรคและการฆ่าเชื้อโรคได้อย่างหลากหลาย ในห้องปฏิบัติการทางการแพทย์และชีววิทยา มีการใช้รังสี UVC ร่วมกับเทคนิคอื่น ๆ เพื่อฆ่าเชื้อเครื่องมือและพื้นผิวพื้นที่ทำงาน

การใช้งานทั่วไปอื่น ๆ สำหรับรังสี UVC รวมถึงการบำบัดน้ำเสียและน้ำดื่มในเขตเทศบาล มันยังถูกใช้โดยขวดบรรจุน้ำสปริงเพื่อฆ่าเชื้อผลิตภัณฑ์ของตน นอกจากนี้ รังสี UVC ยังใช้เพื่อฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ในอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร ตัวอย่างเช่น น้ำผลไม้สามารถพาสเจอร์ไรส์ได้ด้วย UVC เมื่อไหลผ่านแหล่งกำเนิด

การบำบัด

รังสี UV ไม่เพียงแต่มีประโยชน์ในการทำให้บริสุทธิ์และฆ่าเชื้อเท่านั้น แต่ยังช่วยในการรักษาผิวหนังสำหรับสภาวะต่าง ๆ เช่น โรคสะเก็ดเงินและโรคด่างขาว (สภาพที่ผิวหนังสูญเสียเม็ดสี) ในกรณีนี้ไม่ใช่ UVC แต่เป็นคลื่น UVB ที่มีประโยชน์ ที่นี่ UVB LEDs เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานนี้ อุปกรณ์ 280 นาโนเมตรถึง 315 นาโนเมตรเหล่านี้ใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบอุปกรณ์บำบัดผิว โดยมีรูปแบบการติดตั้งและการแผ่รังสีให้เลือกหลากหลายรูปแบบ

บทสรุป

รังสี UV มีผลทั้งเป็นอันตรายและเป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม คุณลักษณะที่เป็นประโยชน์ของทั้งคลื่น UVB และ UVC สามารถทำได้ทั้งปกป้องเราจากการติดเชื้อและรักษาสภาพผิวบางอาการได้ ด้วยเหตุนี้ DigiKey จึงขอเสนอ UV LEDs ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานเหล่านี้และออกแบบได้ง่ายกว่าแหล่งกำเนิดแสง UV อื่น ๆ