紫外线辐射的特性及在医疗领域的应用

历史简述

德国物理学家 Johann Wilhelm Ritter 在 1801 年发现了 UV 辐射。他用纸片蘸取氯化银溶液，并将纸片暴露在可见光谱紫色端外的不可见光下，随后观察到纸片加速变黑。为了区分这种光线和前一年在可见光谱另一端发现的“热射线”（红外线，IR），他将 UV 辐射称为“氧化射线”，用于强调他所观察到的化学反应。“化学射线”一词很快取代了“氧化射线”，并在整个 19 世纪剩下的时间内得以广泛使用。最后，“化学射线”和“热射线”这两个词分别被现在通用的名称“紫外线”和“红外线”所取代。

UV 是什么？

在电磁波谱中，紫外线 (UV) 辐射被归类为波长为 10 - 400 nm 的光。这样的波长比可见光短，比 X 射线长。UV 光一共有三类：UVA 波长在 315 - 400 nm 之间，UVB 波长在 280 - 315 nm 之间，以及 UVC 波长在 100 - 280 nm 之间。

图 1：UV 波长刚好比人眼可见光的波长短。（图片由 W.S. Badger Company, Inc. 提供）

太阳发出 10 - 400 nm 光谱范围内的 UV 辐射。在地球大气层边缘，大阳光由大约 50% 的红外光 (IR)、40% 的可见光和 10% 的 UV 光组成。当太阳位于最高点，并且太阳光照射到地球表面时，太阳光的成分是 53% 的 IR、44% 的可见光和 3% 的 UV。在这 3% 到达地面的 UV 中，大约有 95% 是 UVA，5% 是 UVB。当然，这些比例可能会因云层覆盖和其他大气条件而有所波动。

许多 UVC 波长被上层大气的氧气所吸收，然后在臭氧层中产生臭氧。臭氧层能阻挡大部分 UVB 和未被氧气吸收的剩余 UVC。

人造 UV 发射器

太阳并不是唯一的 UV 辐射源。有几种人造设备也能产生这些光波。

黑光灯

人们最熟悉的 UV 发生器是黑光灯（图 2）。典型的黑光灯能发出 UVA 波和极少的可见光。例如，荧光黑光灯使用玻璃管内侧的荧光粉涂层发出 UVA 波而非可见光。更大功率的水银黑光灯利用相同原理发出更大规模的 UVA 辐射，主要用于音乐会和剧场的显示器。

图 2：典型的荧光黑光灯发出 UVA 波

黑光灯主要应用于：在不存在外来可见光的前提下，观察特定物质暴露于 UV 光下产生的荧光。

短波 UV 灯

短波 UV 灯由不涂敷荧光粉涂层的荧光灯管组成。UV 光的波峰为 253.7 nm 和 185 nm，都在 UVC 波段内，灯管里的汞是能够发出这些 UV 光的主要原因。不过，只有 253.7 nm 辐射能穿过熔凝石英玻璃管，而 185 nm 波长则被完全阻挡。这些灯的能效一般为 30% 至 40%，是传统荧光灯 UVC 功率的两到三倍。

它们主要应用于实验室表面、食品加工表面和供水的消毒。

UV 气体放电灯

气体放电灯包含不同的特定气体，能产生位于特定光谱线的 UV 辐射，用于专门的科学应用。这些灯主要用于化学分析中使用的 UV 光谱设备。

激光器

专门制造的激光器可产生 UV 光。根据激光器技术（气体激光器、激光二极管或固态激光器）和所用材料，可以制造覆盖整个 UV 波段的激光器。

UV 激光器可以应用于很多方面，包括光刻、皮肤病学、角膜切除术、化学、通信、光存储和集成电路制造。

发光二极管

专门制造的发光二极管 (LED) 可产生 UV 光。这些设备目前用于 UV 固化应用、灭菌、皮肤治疗，以及在化学领域用于鉴别各种成分的混合物。

健康问题

UV 辐射对人类健康是把双刃剑。过度接触有害，而适度接触有益。

有害影响

过度接触 UV 辐射有可能伤害眼睛、皮肤和免疫系统。

UVA 辐射极少引起或根本不会引起即时反应，但在波长接近 UVB 波段起始端 (315 nm) 时，就会开始引起光性角膜炎（眼睛疼痛）和皮肤发红（颜色越浅的皮肤越敏感），而且伤害随着波长接近 300 nm 而快速加剧。处于 UVC 波段 265 - 275 nm 范围内的 UV 对眼睛和皮肤的伤害最大。

过度接触 UVB 不仅可导致晒斑，还是某些皮肤癌的诱因。

有益影响

过度接触 UV 有害健康，而适度接触 UV 则对健康有益。接触 UV 对健康有三大益处：促进人体产生维生素 D、改善情绪和增加能量。

维生素 D

适度接触 UV 辐射是维生素 D 的很好来源。这种维生素有助于调节钙代谢、胰岛素分泌、血压、免疫力和细胞繁殖。维生素 D 含量较高能够降低心脏病、中风和糖尿病的患病率，并有可能降低血压。

皮肤病

可以利用 UV 辐射治疗某些皮肤病。借助现代光疗法，成功治愈湿疹、皮炎、佝偻病、特应性皮炎、局限性硬皮病、黄疸、银屑病和白癜风现在已成为可能。

心血管和高血压

经证明，高血压和缺乏维生素 D 的患者照射 UVB 能够降低血压。其他医学试验和研究表明，除了与维生素 D 有关的影响外，UV 辐射对健康还有其他重大益处。

血清素

维生素 D 促进合成血清素，其产生的量直接与人体接触 UV 辐射的量成正比。血清素含量的变化会影响情绪和行为。虽然尚不完全清楚血清素对人体的确切作用，但一般认为血清素可提供幸福感、宁静感和愉悦感。

黑色素

适度接触 UV 会增加皮肤中的黑色素（褐色的色素）数量（即所谓的晒黑）。黑色素能够吸收 UVA 和 UVB 辐射并将其作为热量散发掉，从而保护皮肤免受直接和间接的 DNA 伤害。

应用

有许多应用就是利用了 UV 辐射的特性，为人类的健康和幸福带来很多好处。UV 波如今的主要用途是杀灭细菌和去除污染物。

空气净化

室内环境污染物几乎全部是有机碳基化合物，暴露于 240 - 280 nm 范围内的高强度 UVC 下即会分解。这样的 UVC 还可以破坏微生物的 DNA。因此，可以在室内放置 RayVio RVXE-280 和 RVXP-280 UV LED 等 UVC 发射器，让空气循环流经发射器来帮助净化室内空气。这些 280 nm（标称值）UVC LED 可作为星形板装置或表面贴装设备提供，其典型辐射输出为 4 mW（RVXE 设备）、16 mW（RVXP1 设备）和 50 mW（RVXP4 设备），适合包括空气净化在内的许多不同应用。

图 3：RayVio UV LED 可作为星形板单元提供，也可提供表面贴装封装。（图片由 RayVio 提供）

灭菌和消毒

UVC LED 还可用于各种灭菌和消毒应用。医学和生物实验室中将 UVC 辐射与其他技术配合使用，对工具和工作区表面进行灭菌。

其他常见的 UVC 辐射应用包括污水和市政饮用水的处理。甚至矿泉水灌装厂也使用 UVC 辐射对产品进行灭菌。此外，食品加工业还使用 UVC 辐射杀灭微生物。例如，让果汁流经 UVC 辐射源进行巴氏灭菌。

治疗

UV 辐射不仅可用于净化和灭菌，还能帮助治疗银屑病和白癜风（皮肤色素脱失形成斑块）等皮肤病。在这种情况下，起作用的不是 UVC 波而是 UVB 波。RayVio 同样也提供非常适合这种应用的 LED。RayVio 的 310 nm LED 元器件（Digi-Key 很快到货）可以作为皮肤治疗设备的基础器件。这些设备的安装方式和辐射输出选择与上述 UVC LED 一样。

结论

UV 辐射对人类既有害又有益。恰当的设计可以利用 UVB 和 UVC 波的有益特性保护我们免受感染并治疗某些皮肤病。为此，RayVio 针对这些应用提供了多种非常合适的 LED，并且设计时比使用其他 UV 光源更加简单。