Promieniowanie UV – czym jest

Widmo promieniowania elektromagnetycznego ma bardzo szeroki zakres. Najbardziej znany jest nam zakres widzialny, czyli światło które postrzegamy. A to czego nie widzimy, czy może raczej nie widzą ludzie? Niektóre zwierzęta mają szerszy zakres postrzegania niż my i nie są one bynajmniej jakieś egzotyczne. Dla przykładu możemy tutaj wymienić jeże, sowy, psy i koty, łososie, pszczoły, renifery i skorpiony. Te ostatnie są bardzo dobrze widzialne, gdy oświetlamy je światłem UV. Generalnie światło UV jest to fala elektromagnetyczna o krótszej długości (100nm÷400nm) od światła widzialnego.

Rys. 1 Widmo słoneczne światła 200nm-1050nm

Co ciekawe, część światła z zakresu UV jest pochłaniana przez atmosferę ziemską.

Rys. 2 Pochłanianie promieniowania słonecznego przez atmosferę ziemską

Dzięki temu bardziej szkodliwe promieniowanie UV-C oraz część promieniowania UV-B nie dociera do naszej skóry i oczu.

Skutki promieniowania UV

Do negatywnych skutków promieniowania UV należy zaliczyć:

– powoduje raka skóry – UV jest ludzkim najbardziej znanym i uniwersalnym czynnikiem powodującym raka,

– powoduje oparzenia słoneczne – dodatkowa krew przepływa do uszkodzonej skóry, próbując ją naprawić,

– uszkadza układ odpornościowy,

– uszkadza oczy – „ślepota śnieżna”, zaćma. UV kumuluje się, więc nigdy nie jest za późno, aby zacząć chronić oczy,

– przyspiesza starzenie się skóry – powoduje zmarszczki, brązowe plamy na wątrobie i utratę elastyczności skóry.

Do pozytywnych skutków promieniowania UV należy zaliczyć:

– wyzwala witaminę D – promieniowanie słoneczne jest potrzebne naszemu organizmowi do produkcji witaminy D,

– może również obniżyć ryzyko zachorowania na niektóre rodzaje nowotworów, takie jak rak jelita grubego,

– pomaga w niektórych stanach skóry – jest stosowane w leczeniu chorób skóry, takich jak łuszczyca,

– pomaga w regulacji nastrojów – światło słoneczne stymuluje szyszynkę w mózgu,

– pomaga w widzeniu niektórych zwierząt,

– wspomaga nawigację niektórych owadów,

– przydatny do dezynfekcji i sterylizacji – UV ma pozytywne zastosowanie w dziedzinie dezynfekcji i sterylizacji. Promieniowanie UV może skutecznie „zabijać” (dezaktywować lub niszczyć) mikroorganizmy, takie jak wirusy i bakterie, na przykład podczas wieszania pieluszek, bielizny i ściereczek na sznurku. Aby zniszczyć mikroorganizmy, promienie UV przenikają przez błonę komórkową, niszcząc DNA, a tym samym hamują jej zdolność do reprodukcji i namnażania. Ten destrukcyjny efekt wyjaśnia, dlaczego możemy używać lamp antybakteryjnych UV do dezynfekcji i sterylizacji.

Jak widać powyżej promieniowanie UV ma zarówno negatywny jak i pozytywny wpływ na organizmy żywe. Dlaczego zatem skrajnie pomaga leczyć problemy skórne, a zarazem powoduje raka skóry? Wszystko jest kwestią ekspozycji (czasu działania i energii promieniowania). Produkcja witaminy D odbywa się przy współudziale promieniowania UV-B. Całkowity promieniowania UV może niekorzystnie wpływać na nasz nastrój. Osoby pracujące przez dłuższy czas w pomieszczeniach bez dostępu światła dziennego są szczególnie narażone na te zjawiska. Jak widać na Rys. 2 promieniowanie UV docierające do powierzchni ziemi to zakres 300nm÷400nm. Skąd zatem promieniowanie UV-C (100nm÷280nm)? Potrafimy je wytwarzać sztucznie.

Sposoby sztucznego wytwarzania promieniowania UV-C

Najbardziej znanym od lat sposobem wytwarzania promieniowania UV-C jest niskociśnieniowa lampa rtęciowa (inaczej mówiąc świetlówka bez luminoforu, który odpowiada za barwę światła).

Rys. 3 Świetlówka bakteriobójcza UV-C

Świetlówki te na rynku znane są jako „bakteriobójcze”. Źródło to wytwarza promieniowanie o długości fali 253,7nm oraz bardzo szkodliwe, blokowane przez specjalne szkło kwarcowe, 185nm (generujące ozon).

Znane są również powszechnie źródła średnio i wysokoprężne, których widmo jest ciągłe.

Rys. 4 Widma lamp rtęciowych w zakresie UV

Technologia LED UV

Czy w dobie prężnego rozwoju technologii LED możemy skorzystać z jej dobrodziejstw w zakresie promieniowania UV? Temat jest o tyle skomplikowany, że główne wysiłki w tym zakresie szły w kierunku światła widzialnego, podczerwieni oraz oświetlenia dla roślin. Z uwagi na zwiększone niebezpieczeństwo wirusologiczne jesteśmy w okresie przed ekspansją rozwiązań LED w tej dziedzinie. Nieliczne rozwiązania są już dostępne, są jednak bardzo drogie. W niektórych wypadkach do ich produkcji używa się szafiru. Obecnie w miarę opanowane są rozwiązania z zakresu bliskiego UV-C (265nm÷280nm), UV-B i UV-A. Przyjrzyjmy się jak wyglądają na chwilę obecną sprawności typowych diod LED UV przy tej samej mocy elektrycznej pobieranej.

Rys. 5 Sprawności diod LED w różnych zakresach promieniowania UV

Sprawność liczona jest jako iloraz mocy wypromieniowanej [W] do mocy pobranej [W].

Widać, że wraz ze zmniejszeniem długości fali sprawność znacznie spada, zatem oprócz trudności procesów technologicznych LED mamy jeszcze do czynienia ze znacznym spadkiem sprawności dla pożądanych długości fali w zakresie UV-C.

Jak wygląda porównanie LED i świetlówek? Według danych katalogowych najbardziej popularna świetlówka UV-C TUV 36W SLV/6 produkcji Philips pobiera moc 36W (z układem elektronicznym) przy mocy wypromieniowanej 15W, zatem jej sprawność wynosi Ƞ = 0,41. To prawie 100 razy więcej!!!

Od razu nasuwa się pytanie o cenę zbliżonych rozwiązań. Gdybyśmy porównywali same źródła (świetlówka VS LED) bez dodatkowych akcesoriów jak zasilacze, stateczniki, obudowy, odbłyśniki, płytki PCB itp. to dla uzyskania 15W energii wypromieniowanej musimy użyć 1500 diod LED o długości fali 267nm. Moc takiej oprawy wyniesie 3,57kW (ok. 10x więcej niż świetlówki), a koszt LED to bagatela 7600 zł. Dla porównania świetlówka TUV 36W SLV/6 kosztuje kilkadziesiąt złotych.

Czy należy zatem skreślać diody UV? Na pewno w najbliższym czasie nastąpi rozkwit tej technologii. Rynek UV będzie wzrastał w sposób wykładniczy. Pojawią się nowe, lepsze rozwiązania. Są poza tym miejsca, gdzie diody LED są niezastąpione. Podobnie jak w przemyśle samochodowym zastępują źródła halogenowe ze względu na brak żarnika, który ulega odparowaniu bądź zerwaniu na skutek wstrząsów, a także ich niskonapięciowe zasilanie na pewno znajdą zastosowanie w urządzeniach przenośnych, trudnych warunkach środowiskowych i tam, gdzie niewielki rozmiar ma znaczenie. Poniżej krótkie porównanie obu technologii.

Tab. 1 Porównanie technologii UV-C świetlówkowej i LED

Należy pamiętać, że trwałość świetlówek UV jest ok. dwa razy krótsza od standardowych świetlówek ze światłem widzialnym. Większość producentów określa czas, po którym użyteczna energia emitowana spada do 80% początkowej (L80). Spotyka się też inne wartości. Z uwagi na specyficzne zastosowania tych źródeł (dezynfekcja) bardzo ważne jest kontrolowanie ich parametrów. Najprostszym sposobem jest pomiar czasu użytkowania. Duża część opraw i urządzeń posiada wbudowany zegar, który resetuje się po wymianie źródeł.

Rys. 6 Spadek strumienia w czasie użytkowania źródła UV-C (L80)

Promieniowanie UV a wirusy

Od dawna znany jest destrukcyjny wpływ promieniowania UV-C na wirusy lub też bardziej uogólniając na istoty żywe. Dzięki barierze ochronnej atmosfery nie dociera do nas bardzo szkodliwe promieniowanie z zakresu UV-C, a promieniowanie UV-B i UV-A jest ograniczane. Jaka zatem powinna być dawka promieniowania w celu dezaktywacji wirusa? W poniższej tabeli przedstawiono dawki promieniowania powodującego 90% dezaktywację znanych już patogenów.

Tab. 2 Dawki promieniowania dezaktywującego patogeny w 90%

Jeżeli mamy do czynienia z wyjątkowo groźnym patogenem o wysokiej śmiertelności i emisji chcielibyśmy usuwać możliwie jak największą ilość wirusa. Jak wygląda to w sytuacji gdy chcemy mieć prawie 100% pewność?

Tab. 3 Dawki promieniowania dezaktywującego patogeny w powiązaniu ze skutecznością

Badania nad wirusem SARS CoV-2 wywołującego chorobę COVID-19 pokazują, że oba jest on w 79% identyczny z wymienionym w tabeli 3 SARS CoV-1. Na podstawie badań Chińskiej Narodowej Komisji Zdrowia dawka promieniowania dla wirusa SARS CoV-2 powinna wynosić 2700 J/m². Jest to równoznaczne z 90-krotnym przekroczeniem wartości dopuszczalnej dla człowieka, którą znajdziemy w Rozporządzeniu Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. Zatem obecność człowieka w pomieszczeniu poddawanym dezynfekcji jest niedopuszczalna.

Jak się z tym policzyć?

Bardzo często spotykam się z ofertami opraw UV. Najczęściej są one okraszone informacjami o ilości opraw na daną powierzchnię pomieszczenia [m²]. Czy jest to słuszne? Dlaczego nie posługujemy się kubaturą [m³]? Jak bardzo jest to dokładne lub niedoskonałe? I tutaj możemy Ci pomóc. Aby profesjonalnie podejść do tematu należy w sposób dokładny wyznaczyć energię jaka dociera do danej powierzchni i określić jaki czas jest wymagany, aby osiągnąć zamierzony efekt.

Wiadomym jest, że natężenie oświetlenia, a więc i energia jaka dociera do danego punktu jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości miedzy źródłem a mierzonym punktem. Założenie jest o tyle słuszne, o ile mamy do czynienia ze źródłem w miarę punktowym. Wszystko zmienia się, gdy wielkość źródła nie jest pomijalnie mała, a tak jest często w przypadku świetlówek UV. Przyjrzyjmy się wykresowi poniżej.

Rys. 7 Moc wypromieniowana w funkcji odległości od lampy UV-C

Jak widać w przypadku niewielkich odległości mamy bardzo dużą rozbieżność miedzy rzeczywistą a teoretyczną mocą docierającą do badanego punktu. Jeżeli chcemy dokładnie wiedzieć jaka energia została dostarczona nie możemy opierać się na rozważaniach teoretycznych przy tak dużym zagrożeniu ze strony wirusa. Do tego wielu producentów opiera się tylko i wyłącznie na danych katalogowych źródła zapominając o całym osprzęcie oprawy (obudowa, odbłyśniki, układy zasilające). Należy też dodać, że należy dokładnie określić moc wypromieniowaną w układzie źródło-układ zasilający.

Najbardziej profesjonalnym podejściem ze strony producenta opraw do dezynfekcji jest przygotowanie charakterystyki rozsyłu źródła światła UV, podobnie jak się to dzieje w przypadku klasycznych opraw oświetleniowych. Badamy wówczas nie całkowity strumień świetlny [lm], a moc wypromieniowaną P[W].

Rys. 8 Krzywa rozsyłu mocy oprawy UV-C

Na bazie przygotowanej przez nas krzywej możemy przygotować dokładną symulację rozmieszczenia opraw UV wraz z policzeniem czasu dezynfekcji dla konkretnego miejsca.

Rys. 9 Przykładowe obliczenia w programie Dialux mocy UV-C dostarczonej do materaca łóżka szpitalnego

Tak wygląda rozkład mocy docierającej do materaca szpitalnego łóżka:

Rys. 10 Wyniki obliczeń dla materaca łóżka szpitalnego

Zgodnie z zaleceniami dla wirusa SARS CoV-2 energia powinna wynosić 2700 J/m².

Jak widać z powyższego przykładu do pełnego zdezynfekowania najważniejszych powierzchni pomieszczenia przy 3 szt. opraw wymagany jest czas 17 min.

W ten sposób przygotowane przez nas pliki mogą posłużyć do profesjonalnego projektu i kompleksowego obsłużenia klienta na bardzo wysokim poziomie.

Jakie zagrożenia ze strony UV-C?

Każdy system dezynfekcji UVC musi być używany prawidłowo, aby były bezpieczny. Światło powoduje ciężką reakcję podobną do oparzeń słonecznych na skórę, a także może uszkodzić siatkówkę oka, jeśli zostanie naświetlone.

Rys. 11 Banan przed projekcją UV-C (przesłonięty materiałem) oraz po projekcji ze śladami „oparzeń”

Na powyższym zdjęciu przedstawiono banana osłoniętego na środku paskiem materiału nieprzepuszczającego promieniowania, a następnie poddanemu 6-cio godzinnej ekspozycji na promieniowanie UV-C o mocy ok. 15W/m².

W przestrzeni publicznej możemy się spotkać z różnego rodzaju ostrzeżeniami przed używaniem technologii UV-C przez osoby nieuprawnione (niewyedukowane pod kątem zagrożeń i bezpiecznego korzystania z tej technologii). Jest to zapewne słuszna droga, gdyż przy gwałtownym wzroście zapotrzebowania na tego rodzaju sprzęt wypadki będą się zdarzały. Jak zawsze w takim przypadku normowania prawne nie nadążają za technologią. Producenci często pytają się jakie badania należy wykonać w odniesieniu do produktu UV, aby spełnić wszystkie normy i zapewnić bezpieczeństwo. Można, a nawet trzeba oznakować osprzęt w odpowiedni sposób i stworzyć zabezpieczenia przed nieuprawnionym uruchomieniem np. przez małe dzieci (czujniki obecności, timery, sygnały ostrzegawcze itp.).

Ze strony naszego Laboratorium proponujemy również wykonanie badań bezpieczeństwa fotobiologicznego, które określa dokładnie jakie środki zaradcze należy zastosować oraz minimalną odległość obserwacji. Zabezpiecza to producentów przed ewentualnymi roszczeniami ze strony nieuważnych użytkowników. Po wykonaniu takich badań wymaga się umieszczenia wyraźnej etykiety ostrzegawczej na produkcie.

Rys. 12 Etykieta ostrzegawcza po wykonaniu badania na bezpieczeństwo fotobiologiczne

Zabawa w UV-C

Każdy rynek stara się wykorzystać swoją szansę. To samo dzieje się w przypadku dezynfekcji UV-C. Pojawia się wiele zabawek w kształcie i formie odświeżaczy powietrza, które wystarczy postawić na swoim biurku, w miejscu pracy i zapewnić sobie bezpieczne otoczenie. Dla przykładu oferowany sterylizator bateryjny posiada LED o mocy 2,2W o widmie jak poniżej.

Rys. 13 Widmo mini sterylizatora LED z odległości 10 cm

Załóżmy użycie takiego sprzętu z odległości 10 cm nad dezynfekowana powierzchnię. Z wcześniejszego wzoru uzyskujemy czas ok. 70 minut dla pełnej skuteczności. To jednak tylko 10 cm. Dla odległości 50 cm to już czas ok 20 godzin. Pamiętajmy jednocześnie, że musi się to odbywać podczas naszej nieobecności. Przy tych założeniach należy zwrócić uwagę na jeszcze jeden bardzo ważny szczegół, a mianowicie badania naukowe dowodzę, że ważny jest nie tylko czas działania, ale również minimalna moc P [W/m²], która dociera do dezynfekowanego miejsca. Przy wykorzystaniu tej metody należy pamiętać, iż tylko dobranie odpowiedniej dawki promieniowania skutecznie zabije patogen. Za niskie dawki oraz za krótki czas działania lampy, może doprowadzić do nasilonych mutacji w komórkach i tym samym może wywołać odmienny skutek. 

Można się również spotkać z pseudo profesjonalnymi produktami LED, w szczególności dalekowschodnimi. Do naszego Laboratorium trafiają importerzy z produktami o rzekomo rewelacyjnych parametrach i proszą o ich weryfikację. Oprawy te wyglądają nawet bardzo profesjonalnie, a ich parametry techniczne zawarte w kartach katalogowych robią wrażenie.

Dla przykładu oprawa LED typu High Bay o mocy elektrycznej 200W została zareklamowana jako bezpośredni zamiennik 30W świetlówki UV-C. Już sama 7-mio krotnie większa moc nie jest zachęcająca. Dodatkowo należy sobie powiedzieć, że jej koszt jest 40-to krotnie większy od systemu ze świetlówką. W ulotce reklamowej jako zaletę podano dodatkowe diody LED w zakresie UV-A z pogranicza światła widzialnego w celu identyfikacji pracy oprawy (informacja, czy oprawa jest załączona, czy też nie).

Rys. 14 Widmo badanej oprawy LED High Bay UVC

Jak widać na rysunku powyżej mamy jakąś część promieniowania z pogranicza UV-C i UV-B oraz znaczną z pogranicza UV-A i światła niebieskiego. Gdyby porównywać tylko najskuteczniejszą część widma z okolicy 280 nm to okazuje się, że to rozwiązanie jest 2x gorsze od systemu świetlówkowego 30W.

Podsumowując (High Bay LED 200W VS świetlówka 30W):

– 2 razy gorszy,

– 7 razy bardziej prądożerny,

– 40 razy droższy.

Podsumowanie

Jak w wielu przypadkach, tak i w tym potrzebne jest krytyczne spojrzenie i ocena możliwości technologii UV. Należy bezwzględnie testować wszystkie wprowadzane rozwiązania, tak aby nie dać się oszukać, nie stwarzać zagrożenia dla siebie i innych. Maksimum potwierdzonych efektów możemy osiągnąć podchodząc do tematu w sposób profesjonalny. Niezależne Laboratorium Fotometryczne jest w pełni wyposażone w sprzęt dedykowany do pomiarów UV. Goniometr wraz ze spektrometrem GL Optic Spectis 5.0 touch (200nm÷1050nm) zapewniają obsługę w pełnym zakresie pomiarowym. Możemy przeprowadzić cały proces od pomiaru źródła/oprawy do profesjonalnego projektu włącznie.

Źródła:

1. Walker CM, Ko G. (2007). Effect of ultraviolet germicidal irradiation on viral aerosols. Environ Sci Technol 41,5460-5465.

2. Weiss M, Horzinek MC. (1986). Resistance of Berne virus to physical and chemical treatment. Vet Microbiol 11,41-49.

3. Hirano N, Hino S, Fujiwara K. (1978). Physico-chemical properties of mouse hepatitis virus (MHV-2) grown on DBT cell culture. Microbiol Immunol 22,377-90.

4. Saknimit M, Inatsuki I, Sugiyama Y, Yagami K. (1988). Virucidal efficacy of physico-chemical treatments against coronaviruses and parvoviruses of laboratory animals. Jikken Dobutsu 37,341-345.

5. Duan SM, Zhao XS, Wen RF, Huang JJ, Pi GH, Zhang SX, Han J, Bi SL, Ruan L, Dong XP. (2003). Stability of SARS Coronavirus in Human Specimens and Environment and its Sensitivity to Heating and Environment and UV Irradiation. Biomed Environ Sci 16,246-255.

6. Liu Y, Cai Y, Zhang X. (2003). Induction of caspase-dependent apoptosis in cultured rat oligodendrocytes by murine coronavirus is mediated during cell entry and does not require virus replication. J Virol 77,11952-63.

7. Kariwa H, Fujii N, Takashima I. (2004). Inactivation of SARS coronavirus by means of povidone-iodine, physical conditions, and chemical reagents. Jpn J Vet Res 52,105-112.

8. Darnell MER, Subbarao K, Feinstone SM, Taylor DR. (2004). Inactivation of the coronavirus that induces severe acute respiratory syndrome, SARS-CoV. J Virol Meth 121,85-91.

9. M. Eickmann, U. Gravemann, W. Handke, F. Tolksdorf, S. Reichenberg, T. H. M¨uller, and A. Seltsam, “Inactivation of three emerging viruses–severe acute respiratory syndrome coronavirus, Crimean–Congo haemorrhagic fever virus and Nipah virus–in platelet concentrates by ultraviolet C light and in plasma by methylene blue plus visible light,” Vox Sa n g u inis