Ultravioleta

Lámpara ultravioleta portátil (UVA y UVB)

La radiación UV también se produce por arcos eléctricos . Los soldadores de arco deben usar protección ocular y cubrirse la piel para prevenir la fotoqueratitis y las quemaduras solares graves .

La radiación ultravioleta ( UV ; a veces llamada luz ultravioleta ) es radiación electromagnética con longitudes de onda de 100 a 400 nanómetros , más cortas que las de la luz visible , pero más largas que las de los rayos X. Las longitudes de onda entre 10 y 100 nanómetros se denominan ultravioleta extremo y comparten algunas propiedades con los rayos X blandos. La radiación UV está presente en la luz solar y constituye aproximadamente el 10 % de la radiación electromagnética total emitida por el Sol. También se produce por arcos eléctricos , radiación Cherenkov y luces especializadas, como lámparas de vapor de mercurio , lámparas de bronceado y luces negras .

Los fotones ultravioleta tienen mayor energía que los de la luz visible, de aproximadamente 3,1 a 12 electronvoltios , alrededor de la energía mínima requerida para ionizar átomos . ^[¹^]^:^25–26 Aunque la radiación ultravioleta de onda larga no se considera una radiación ionizante ^[²^] porque sus fotones carecen de energía suficiente, puede inducir reacciones químicas y hacer que muchas sustancias brillen o fluorescan . Muchas aplicaciones prácticas, incluidos efectos químicos y biológicos, se derivan de la forma en que la radiación UV puede interactuar con moléculas orgánicas . Estas interacciones pueden implicar la excitación de electrones orbitales a estados de energía más altos en moléculas que potencialmente rompen enlaces químicos . En contraste, el efecto principal de la radiación de longitud de onda más larga es excitar estados vibracionales o rotacionales de estas moléculas, aumentando su temperatura. ^[¹^]^:²⁸ La luz ultravioleta de onda corta es radiación ionizante . ^[²^] En consecuencia, la radiación UV de onda corta daña el ADN y esteriliza las superficies con las que entra en contacto.

Para los humanos, el bronceado y las quemaduras solares son efectos comunes de la exposición de la piel a los rayos UV, junto con un mayor riesgo de cáncer de piel . La cantidad de radiación UV producida por el Sol significa que la Tierra no podría sustentar la vida en tierra firme si la mayor parte de esa luz no fuera filtrada por la atmósfera . ^{[ 3 ]} Los rayos UV "extremos" más energéticos y de longitud de onda más corta, por debajo de 121 nm, ionizan el aire con tanta fuerza que se absorben antes de llegar al suelo. ^{[ 4 ]} Sin embargo, los rayos UV (específicamente, los UVB) también son responsables de la formación de vitamina D en la mayoría de los vertebrados terrestres , incluidos los humanos. ^{[ 5 ]} El espectro UV, por lo tanto, tiene efectos tanto beneficiosos como perjudiciales para la vida.

El límite inferior de longitud de onda del espectro visible se considera convencionalmente 400 nm. Aunque los rayos ultravioleta generalmente no son visibles para los humanos , 400 nm no es un límite recto, ya que las longitudes de onda cada vez más cortas se vuelven cada vez menos visibles en este rango. ^{[ 6 ]} Los insectos, las aves y algunos mamíferos pueden ver el ultravioleta cercano (NUV), porque pueden ver longitudes de onda algo más cortas que las que pueden ver los humanos. ^{[ 7 ]}

Visibilidad

Los humanos generalmente no pueden usar los rayos ultravioleta para la visión. El cristalino del ojo humano y los lentes implantados quirúrgicamente producidos desde 1986 bloquean la mayor parte de la radiación en el rango de longitud de onda UV cercano de 300–400 nm; las longitudes de onda más cortas son bloqueadas por la córnea . ^{[ 8 ]} Los humanos también carecen de adaptaciones de receptores de color para los rayos ultravioleta. Los fotorreceptores de la retina son sensibles al UV cercano, pero el cristalino no enfoca esta luz correctamente, lo que hace que las bombillas UV se vean borrosas. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Las personas que carecen de cristalino (una condición conocida como afaquia ) perciben el UV cercano como blanco azulado o blanco violeta. ^{[ 6 ]} La radiación UV cercana es visible para los insectos, algunos mamíferos y algunas aves . Las aves tienen un cuarto receptor de color para los rayos ultravioleta; esto, junto con estructuras oculares que transmiten más UV, da a las aves más pequeñas una visión UV "verdadera". ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Historia y descubrimiento

"Ultravioleta" significa "más allá del violeta" (del latín ultra , "más allá"), siendo el violeta el color de las frecuencias más altas de la luz visible . El ultravioleta tiene una frecuencia más alta (y, por lo tanto, una longitud de onda más corta) que la luz violeta.

La radiación UV fue descubierta en febrero de 1801 cuando el físico alemán Johann Wilhelm Ritter observó que los rayos invisibles justo más allá del extremo violeta del espectro visible oscurecían el papel empapado en cloruro de plata más rápidamente que la propia luz violeta. Anunció el descubrimiento en una carta muy breve a los Annalen der Physik ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} y más tarde los denominó "rayos (des)oxidantes" ( en alemán : de-oxidierende Strahlen ) para enfatizar la reactividad química y distinguirlos de los " rayos de calor ", descubiertos el año anterior en el otro extremo del espectro visible. El término más simple "rayos químicos" se adoptó poco después y se mantuvo popular durante todo el siglo XIX, aunque algunos afirmaron que esta radiación era completamente diferente de la luz (en particular John William Draper , quien los denominó "rayos titónicos" ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} ). Los términos "rayos químicos" y "rayos de calor" fueron finalmente abandonados en favor de la radiación ultravioleta e infrarroja , respectivamente. ^[¹⁷^]^[¹⁸^] En 1878, se descubrió el efecto esterilizante de la luz de longitud de onda corta al matar bacterias. Para 1903, se sabía que las longitudes de onda más efectivas estaban alrededor de los 250 nm. En 1960, se estableció el efecto de la radiación ultravioleta sobre el ADN. ^[¹⁹^]

El descubrimiento de la radiación ultravioleta con longitudes de onda inferiores a 200 nm, denominada "ultravioleta de vacío" debido a su fuerte absorción por el oxígeno del aire, fue realizado en 1893 por el físico alemán Victor Schumann . ^{[ 20 ]} La división de la radiación UV en UVA, UVB y UVC fue decidida "unánimemente" por un comité del Segundo Congreso Internacional sobre la Luz el 17 de agosto de 1932, en el Castillo de Christiansborg en Copenhague. ^{[ 21 ]}

Subtipos

El espectro electromagnético de la radiación ultravioleta (UV), definido de forma más amplia como de 10 a 400 nanómetros, se puede subdividir en varios rangos recomendados por la norma ISO 21348: ^{[ 22 ]}

Se han explorado varios dispositivos de estado sólido y de vacío para su uso en diferentes partes del espectro UV. Muchos enfoques buscan adaptar dispositivos de detección de luz visible, pero estos pueden sufrir de una respuesta no deseada a la luz visible y diversas inestabilidades. La radiación ultravioleta se puede detectar mediante fotodiodos y fotocátodos adecuados , que se pueden adaptar para ser sensibles a diferentes partes del espectro UV. Existen fotomultiplicadores UV sensibles. Se fabrican espectrómetros y radiómetros para la medición de la radiación UV. Los detectores de silicio se utilizan en todo el espectro. ^{[ 28 ]}

Ultravioleta de vacío

Las longitudes de onda del ultravioleta de vacío (UVV) (inferiores a 200 nm) son fuertemente absorbidas por el oxígeno molecular del aire, aunque las longitudes de onda más largas, alrededor de 150-200 nm, pueden propagarse a través del nitrógeno . Por lo tanto, los instrumentos científicos pueden utilizar este rango espectral operando en una atmósfera libre de oxígeno (nitrógeno puro o argón para longitudes de onda más cortas), sin necesidad de costosas cámaras de vacío. Algunos ejemplos significativos incluyen equipos de fotolitografía de 193 nm (para la fabricación de semiconductores ) y espectrómetros de dicroísmo circular . ^{[ 29 ]}

Durante décadas, la tecnología para instrumentación VUV estuvo impulsada principalmente por la astronomía solar. Si bien la óptica puede utilizarse para eliminar la luz visible no deseada que contamina el VUV, en general, los detectores pueden verse limitados por su respuesta a la radiación que no es VUV, y el desarrollo de dispositivos insensibles a la radiación solar ha sido un área importante de investigación. Los dispositivos de estado sólido de banda ancha o los dispositivos de vacío con fotocátodos de alta potencia de corte pueden resultar atractivos en comparación con los diodos de silicio.

Ultravioleta extremo

La radiación ultravioleta extrema (EUV o a veces XUV) se caracteriza por una transición en la física de interacción con la materia. ^{[ 30 ]}^{: 2} Las longitudes de onda mayores a unos 30 nm interactúan principalmente con los electrones de valencia externos de los átomos, mientras que las longitudes de onda menores a eso interactúan principalmente con los electrones de la capa interna y los núcleos. El extremo largo del espectro EUV está determinado por una prominente línea espectral de He ⁺ a 30,4 nm. La EUV es fuertemente absorbida por la mayoría de los materiales conocidos, pero es posible sintetizar ópticas multicapa que reflejen hasta aproximadamente el 50% de la radiación EUV en incidencia normal . Esta tecnología fue pionera en los cohetes sonda NIXT y MSSTA en la década de 1990, y se ha utilizado para hacer telescopios para imágenes solares. Véase también el satélite Extreme Ultraviolet Explorer .

Ultravioleta duro y suave

Algunas fuentes utilizan la distinción entre "UV duro" y "UV blando". Por ejemplo, en el caso de la astrofísica , el límite puede estar en el límite de Lyman (longitud de onda de 91,2 nm, la energía necesaria para ionizar un átomo de hidrógeno desde su estado fundamental), siendo el "UV duro" más energético; ^{[ 31 ]} los mismos términos también pueden usarse en otros campos, como la cosmetología , la optoelectrónica , etc. Los valores numéricos del límite entre duro/blando, incluso dentro de campos científicos similares, no necesariamente coinciden; por ejemplo, una publicación de física aplicada utilizó un límite de 190 nm entre las regiones UV dura y blanda. ^{[ 32 ]}

radiación ultravioleta solar

Los objetos muy calientes emiten radiación UV (véase radiación de cuerpo negro ). El Sol emite radiación ultravioleta en todas las longitudes de onda, incluyendo el ultravioleta extremo, donde se convierte en rayos X a 10 nm. Las estrellas extremadamente calientes (como las de tipo O y B) emiten proporcionalmente más radiación UV que el Sol. La luz solar en el espacio, en la parte superior de la atmósfera terrestre (véase constante solar ), se compone de aproximadamente un 50 % de luz infrarroja, un 40 % de luz visible y un 10 % de luz ultravioleta, para una intensidad total de aproximadamente 1400 W/m² ^en el vacío. ^[³³^]

La atmósfera bloquea aproximadamente el 77% de la radiación UV del Sol, cuando el Sol está en su punto más alto en el cielo (en el cenit), y la absorción aumenta en longitudes de onda UV más cortas. A nivel del suelo, con el Sol en el cenit, la luz solar es 44% luz visible, 3% ultravioleta y el resto infrarrojo. ^{[ 34 ]}^{[ 35 ]} De la radiación ultravioleta que llega a la superficie terrestre, más del 95% son longitudes de onda más largas de UVA, y el pequeño resto es UVB. Casi nada de UVC llega a la superficie terrestre. ^{[ 36 ]} La fracción de UVA y UVB que permanece en la radiación UV después de pasar por la atmósfera depende en gran medida de la cobertura de nubes y las condiciones atmosféricas. En días "parcialmente nublados", los parches de cielo azul que se ven entre las nubes también son fuentes de UVA y UVB (dispersos), que se producen por dispersión de Rayleigh de la misma manera que la luz azul visible de esas partes del cielo. El UVB también juega un papel importante en el desarrollo de las plantas, ya que afecta a la mayoría de las hormonas vegetales. ^{[ 37 ]} Durante la nubosidad total, la cantidad de absorción debida a las nubes depende en gran medida del espesor de las nubes y la latitud, sin que existan mediciones claras que correlacionen el espesor específico y la absorción de UVA y UVB. ^{[ 38 ]}

Las bandas más cortas de radiación UVC, así como la radiación UV aún más energética producida por el Sol, son absorbidas por el oxígeno y generan ozono en la capa de ozono cuando los átomos de oxígeno individuales producidos por la fotólisis UV del dioxígeno reaccionan con más dioxígeno. La capa de ozono es especialmente importante para bloquear la mayor parte de la radiación UVB y la parte restante de la radiación UVC que no es bloqueada por el oxígeno común del aire.

Bloqueadores, absorbentes y ventanas

Los absorbentes de rayos ultravioleta son moléculas que se utilizan en materiales orgánicos ( polímeros , pinturas , etc.) para absorber la radiación UV y reducir la degradación (fotooxidación) del material. Estos absorbentes pueden degradarse con el tiempo, por lo que es necesario controlar sus niveles en los materiales expuestos a la intemperie.

En los protectores solares , los ingredientes que absorben los rayos UVA/UVB, como la avobenzona , la oxibenzona ^{[ 39 ]} y el metoxicinamato de octilo , son absorbentes químicos orgánicos o "bloqueadores". Se diferencian de los absorbentes/"bloqueadores" inorgánicos de la radiación UV, como el dióxido de titanio y el óxido de zinc . ^{[ 40 ]}

En la ropa, el factor de protección ultravioleta (FPU) representa la proporción de rayos UV que causan quemaduras solares con y sin la protección del tejido, de forma similar a los factores de protección solar (FPS) de los protectores solares . Los tejidos estándar de verano tienen un FPU de alrededor de 6, lo que significa que aproximadamente el 20 % de los rayos UV los atraviesan. ^[⁴¹^]

Las nanopartículas suspendidas en el vitral evitan que los rayos UV provoquen reacciones químicas que alteren los colores de la imagen. ^{[ 42 ]} Se prevé utilizar un conjunto de chips de referencia de color de vitral para calibrar las cámaras de color de la misión del rover de la ESA a Marte en 2019, ya que no se verán afectadas por el alto nivel de radiación UV presente en la superficie de Marte. ^{[ 43 ]}

El vidrio común de cal sodada , como el vidrio de las ventanas, es parcialmente transparente a los rayos UVA, pero es opaco a longitudes de onda más cortas, dejando pasar aproximadamente el 90% de la luz por encima de 350 nm, pero bloqueando más del 90% de la luz por debajo de 300 nm. ^{[ 44 ]}^{[ 45 ]}^{[ 46 ]} Un estudio encontró que las ventanas de los automóviles permiten el paso de un 3-4% de los rayos UV ambientales, especialmente si los rayos UV eran mayores de 380 nm. ^{[ 47 ]} Otros tipos de ventanas de automóviles pueden reducir la transmisión de rayos UV mayores de 335 nm. ^{[ 47 ]} El cuarzo fundido , dependiendo de la calidad, puede ser transparente incluso a longitudes de onda de rayos UV de vacío . El cuarzo cristalino y algunos cristales como CaF ₂ y MgF ₂ transmiten bien hasta longitudes de onda de 150 nm o 160 nm. ^{[ 48 ]}

El vidrio de Wood es un vidrio de silicato de bario y sodio de color azul violeta intenso con aproximadamente un 9 % de óxido de níquel(II), desarrollado durante la Primera Guerra Mundial para bloquear la luz visible y permitir comunicaciones encubiertas. Es transparente entre 320 nm y 400 nm, así como a través de la luz infrarroja de mayor longitud de onda y la luz roja lejana . Su máxima transmisión UV se produce a 365 nm, una de las longitudes de onda de las lámparas de mercurio .

Fuentes artificiales

"Luces negras"

Dos tubos fluorescentes de luz negra, mostrando signos de uso. El tubo más largo es un F15T8/BLB de 45,7 cm (18 pulgadas) y 15 vatios, que se muestra en la imagen inferior en una lámpara fluorescente estándar enchufable. El más corto es un F8T5/BLB de 30,5 cm (12 pulgadas) y 8 vatios, utilizado en una lámpara fluorescente portátil a pilas que se vende como detector de orina de mascotas.

Una lámpara de luz negra emite radiación UVA de onda larga y poca luz visible. Las lámparas fluorescentes de luz negra funcionan de manera similar a otras lámparas fluorescentes , pero utilizan un fósforo en la superficie del tubo interior que emite radiación UVA en lugar de luz visible. Algunas lámparas utilizan un filtro óptico de vidrio Wood de color azul violáceo intenso que bloquea casi toda la luz visible con longitudes de onda mayores a 400 nanómetros. ^{[ 49 ]} El brillo púrpura que emiten estos tubos no es el ultravioleta en sí, sino la luz púrpura visible de la línea espectral de 404 nm del mercurio que no es filtrada por el recubrimiento. Otras luces negras utilizan vidrio común en lugar del vidrio Wood, que es más caro, por lo que parecen de color azul claro a simple vista cuando están en funcionamiento.

También se fabrican lámparas negras incandescentes, que utilizan un recubrimiento filtrante en la envoltura de una bombilla incandescente que absorbe la luz visible ( véase la sección siguiente ). Estas son más económicas, pero muy ineficientes, ya que emiten solo una pequeña fracción de su potencia en forma de rayos UV. Algunas lámparas negras de vapor de mercurio utilizan una envoltura de vidrio de Wood que absorbe fuertemente la luz visible a la vez que transmite los rayos UV-A. ^{[ 50 ]}

Las luces negras se utilizan en aplicaciones donde se debe minimizar la luz visible externa; principalmente para observar la fluorescencia , el brillo de color que emiten muchas sustancias al exponerse a la luz ultravioleta. También se venden bombillas emisoras de UVA/UVB para otros fines especiales, como lámparas de bronceado y cría de reptiles.

Lámparas de vapor de mercurio

Bombilla germicida UV de 9 vatios, en formato fluorescente compacto (CF).

Lámpara germicida comercial en carnicería

Las lámparas de vapor de mercurio, compuestas por tubos de cuarzo fundido rellenos de mercurio y argón , emiten luz ultravioleta con dos picos en la banda UVC a 253,7 nm y 185 nm, además de algo de luz visible. Entre el 85 % y el 90 % de la radiación UV producida por estas lámparas se encuentra a 253,7 nm, lo que las hace muy eficaces como germicida . Las lámparas también producen radiación UV a 185 nm, eficaz para generar ozono con efectos germicidas adicionales. ^{[ 51 ]} Estos tubos tienen dos o tres veces la potencia UVC de un tubo fluorescente convencional. Estas lámparas de baja presión tienen una eficiencia típica de aproximadamente el 30-40 %, lo que significa que por cada 100 vatios de electricidad consumidos, producen aproximadamente entre 30 y 40 vatios de radiación UV total. También emiten luz visible blanco azulada, debido a otras líneas espectrales del mercurio. Estas lámparas germicidas se utilizan ampliamente para la desinfección de superficies en laboratorios e industrias de procesamiento de alimentos. ^{[ 52 ]}

lámparas incandescentes

Las lámparas incandescentes de "luz negra" también se fabrican a partir de una bombilla incandescente con un recubrimiento filtrante que absorbe la mayor parte de la luz visible. Las lámparas halógenas con envolturas de cuarzo fundido se utilizan como fuentes de luz UV económicas en el rango del ultravioleta cercano, de 400 a 300 nm, en algunos instrumentos científicos. Debido a su espectro de cuerpo negro, una bombilla incandescente es una fuente ultravioleta muy ineficiente, ya que emite solo una fracción de un porcentaje de su energía como UV, como explica el espectro de cuerpo negro .

Lámparas de descarga de gas

Las lámparas de descarga de gas UV especializadas , que contienen diferentes gases, producen radiación UV en líneas espectrales específicas para fines científicos. Las lámparas de arco de argón y deuterio se utilizan frecuentemente como fuentes estables, ya sea sin ventana o con ventanas de diversos tipos, como fluoruro de magnesio . ^{[ 53 ]} Estas son a menudo las fuentes emisoras en equipos de espectroscopia UV para análisis químico.

Otras fuentes de luz ultravioleta con espectros de emisión más continuos incluyen las lámparas de arco de xenón (que se utilizan comúnmente como simuladores de luz solar), las lámparas de arco de deuterio , las lámparas de arco de mercurio-xenón y las lámparas de arco de halogenuros metálicos .

LEDs ultravioleta

Los diodos emisores de luz (LED) pueden fabricarse para emitir radiación en el rango ultravioleta. En 2019, tras importantes avances en los cinco años anteriores, se dispuso de LED UVA de 365 nm y longitudes de onda mayores, con eficiencias del 50 % a una potencia de salida de 1,0 W. Actualmente, los tipos más comunes de LED UV son los de 395 nm y 365 nm, ambos pertenecientes al espectro UVA. La longitud de onda nominal es la longitud de onda máxima que emiten los LED, pero también existen longitudes de onda mayores y menores. ^{[ 54 ]}

Los LED UV de 395 nm, más económicos y comunes, están mucho más cerca del espectro visible y emiten luz púrpura. Otros LED UV, situados más al fondo del espectro, no emiten tanta luz visible. ^{[ 55 ]} Los LED se utilizan en aplicaciones como el curado UV , la carga de objetos fosforescentes como pinturas o juguetes, y la detección de billetes falsos y fluidos corporales. También se emplean en aplicaciones de impresión digital y en entornos inertes de curado UV. Gracias a los avances tecnológicos que comenzaron a principios de la década de 2000, que mejoraron su rendimiento y eficiencia, se han convertido en alternativas cada vez más viables a las lámparas UV tradicionales para aplicaciones de curado UV. El desarrollo de nuevos sistemas de curado con LED UV para aplicaciones de mayor intensidad es un tema central de investigación en el campo de la tecnología de curado UV. ^{[ 56 ]}

Los LED UVC se están desarrollando rápidamente, pero podrían requerir pruebas para verificar su eficacia en la desinfección. Las referencias para la desinfección de grandes áreas se refieren a fuentes UV no LED ^{[ 57 ]} conocidas como lámparas germicidas ^{[ 58 ]} . Además, se utilizan como fuentes lineales para reemplazar las lámparas de deuterio en instrumentos de cromatografía líquida ^[⁵⁹^] .

láseres ultravioleta

Los láseres de excímeros que emiten en los rangos de longitud de onda ultravioleta y ultravioleta de vacío se utilizan ampliamente en muchas industrias. ^{[ 60 ]}^{: 3} Los láseres de excímeros de fluoruro de argón que operan a 193 nm se utilizan de forma rutinaria en la producción de circuitos integrados mediante fotolitografía . Se dispone de fuentes coherentes hasta un límite de longitud de onda de alrededor de 126 nm, característico del láser de excímeros Ar ₂ *. ^{[ 60 ]}^{: 41}

Los diodos láser de emisión UV directa están disponibles a 375 nm. ^{[ 61 ]} Se han demostrado láseres de estado sólido bombeados por diodos UV utilizando cristales de fluoruro de aluminio y estroncio de litio dopados con cerio (Ce:LiSAF), un proceso desarrollado en la década de 1990 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . ^[⁶²^] Las longitudes de onda más cortas que 325 nm se generan comercialmente en láseres de estado sólido bombeados por diodos . Los láseres ultravioleta también se pueden fabricar aplicando conversión de frecuencia a láseres de menor frecuencia. ^[⁶³^]

Los láseres ultravioleta tienen aplicaciones en la industria ( grabado láser ), medicina ( dermatología y queratectomía ), química ( MALDI ), comunicación óptica en espacio libre , informática ( almacenamiento óptico ) y fabricación de circuitos integrados. ^{[ 64 ]}^{[ 65 ]}

Ultravioleta de vacío (VUV) sintonizable

La banda ultravioleta de vacío (UVV) (100-200 nm) se puede generar mediante mezcla no lineal de cuatro ondas en gases, utilizando la mezcla de frecuencia suma o diferencia de dos o más láseres de longitud de onda más larga. La generación se realiza generalmente en gases (p. ej., criptón, hidrógeno, que presentan resonancia de dos fotones cerca de 193 nm) ^{[ 66 ]} o vapores metálicos (p. ej., magnesio). Al sintonizar uno de los láseres, se puede ajustar la UVV. Si uno de los láseres resuena con una transición en el gas o vapor, la producción de UVV se intensifica. Sin embargo, las resonancias también generan dispersión de longitud de onda, por lo que la adaptación de fase puede limitar el rango de sintonización de la mezcla de cuatro $ondas$ . La mezcla de frecuencia diferencia (es decir, _f₁ $+$ f₂ ₋ f₃ _{) tiene una ventaja sobre la mezcla de frecuencia suma} $,$ ya que la adaptación de fase permite una mayor sintonización. ^{[ 66 ]}

En particular, la mezcla de frecuencia diferencial de dos fotones de un láser de excímero Ar F (193 nm) con un láser visible o infrarrojo cercano sintonizable en hidrógeno o criptón proporciona una cobertura V-UV sintonizable mejorada por resonancia de 100 nm a 200 nm. ^{[ 66 ]} En la práctica, la falta de materiales adecuados para las ventanas de celdas de gas/vapor por encima de la longitud de onda de corte del fluoruro de litio limita el rango de sintonización a más de aproximadamente 110 nm. Se lograron longitudes de onda V-UV sintonizables de hasta 75 nm utilizando configuraciones sin ventana. ^{[ 67 ]}

Fuentes de plasma y sincrotrón de radiación ultravioleta extrema

Se han utilizado láseres para generar indirectamente radiación ultravioleta extrema (E-UV) no coherente a 13,5 nm para litografía ultravioleta extrema . La E-UV no es emitida por el láser, sino por transiciones electrónicas en un plasma de estaño o xenón extremadamente caliente, que es excitado por un láser de excímeros. ^{[ 68 ]} Esta técnica no requiere un sincrotrón, pero puede producir UV en el borde del espectro de rayos X. Las fuentes de luz de sincrotrón también pueden producir todas las longitudes de onda de UV, incluidas aquellas en el límite de los espectros UV y de rayos X a 10 nm.

Efectos relacionados con la salud humana

El impacto de la radiación ultravioleta en la salud humana tiene implicaciones para los riesgos y beneficios de la exposición al sol y también está relacionado con cuestiones como las lámparas fluorescentes y la salud . Una exposición excesiva al sol puede ser perjudicial, pero con moderación, resulta beneficiosa. ^{[ 69 ]}

Efectos beneficiosos

La radiación UV (específicamente, UVB) hace que el cuerpo produzca vitamina D , ^{[ 70 ]} que es esencial para la vida. Los humanos necesitan cierta radiación UV para mantener niveles adecuados de vitamina D. Según la Organización Mundial de la Salud: ^{[ 71 ]}

¡Sin duda, un poco de sol es bueno para la salud! Pero con 5 a 15 minutos de exposición solar ocasional en manos, rostro y brazos dos o tres veces por semana durante los meses de verano es suficiente para mantener altos los niveles de vitamina D.

La vitamina D también se puede obtener de los alimentos y los suplementos. ^{[ 72 ]} Sin embargo, la exposición excesiva al sol produce efectos nocivos. ^{[ 71 ]}

afecciones de la piel

Los rayos UV también tratan ciertas afecciones de la piel. La fototerapia moderna se ha utilizado con éxito para tratar la psoriasis , el eccema , la ictericia , el vitíligo , la dermatitis atópica y la esclerodermia localizada . ^{[ 73 ]}^{[ 74 ]} Además, se ha demostrado que la radiación UV, en particular la radiación UVB, induce la detención del ciclo celular en los queratinocitos , el tipo más común de célula cutánea. ^{[ 75 ]} Por lo tanto, la terapia con luz solar puede ser una opción para el tratamiento de afecciones como la psoriasis y la queilitis exfoliativa , afecciones en las que las células de la piel se dividen más rápidamente de lo habitual o necesario. ^{[ 76 ]}

Efectos nocivos

En los seres humanos, la exposición excesiva a la radiación UV puede provocar efectos nocivos agudos y crónicos en el sistema dióptrico y la retina del ojo . El riesgo es mayor en altitudes elevadas , y las personas que viven en zonas de latitudes altas , donde la nieve cubre el suelo hasta principios del verano y la posición del sol, incluso en el cenit , es baja, corren un riesgo particular. ^{[ 77 ]} La piel, el sistema circadiano y el sistema inmunitario también pueden verse afectados. ^{[ 78 ]}

Los efectos diferenciales de varias longitudes de onda de luz en la córnea y la piel humanas se denominan a veces "espectro de acción eritematosa". ^{[ 79 ]} El espectro de acción muestra que la radiación UVA no causa una reacción inmediata, sino que comienza a provocar fotoqueratitis y enrojecimiento de la piel (siendo más sensibles las personas de piel clara) en longitudes de onda que comienzan cerca del inicio de la banda UVB a 315 nm y aumentan rápidamente hasta 300 nm. La piel y los ojos son más sensibles al daño por radiación UV a 265-275 nm, que se encuentra en la banda UVC inferior. A longitudes de onda aún más cortas de radiación UV, el daño continúa, pero los efectos evidentes no son tan grandes debido a la escasa penetración en la atmósfera. El índice ultravioleta estándar de la OMS es una medida ampliamente difundida de la intensidad total de las longitudes de onda UV que causan quemaduras solares en la piel humana, ponderando la exposición a la radiación UV según los efectos del espectro de acción en un momento y lugar determinados. Este estándar muestra que la mayoría de las quemaduras solares se producen debido a la radiación UV en longitudes de onda cercanas al límite de las bandas UVA y UVB.

Daños en la piel

La sobreexposición a la radiación UVB no solo puede causar quemaduras solares , sino también algunos tipos de cáncer de piel . Sin embargo, el grado de enrojecimiento e irritación ocular (que en gran medida no son causados por la radiación UVA) no predice los efectos a largo plazo de la radiación UV, aunque sí refleja el daño directo al ADN causado por la radiación ultravioleta. ^{[ 80 ]}

Todas las bandas de radiación UV dañan las fibras de colágeno y aceleran el envejecimiento de la piel. Tanto la radiación UVA como la UVB destruyen la vitamina A en la piel, lo que puede causar daños adicionales. ^{[ 81 ]}

La radiación UVB puede causar daño directo al ADN. ^{[ 82 ]} Esta conexión con el cáncer es una de las razones de preocupación por el agotamiento de la capa de ozono y el agujero de la capa de ozono .

La forma más letal de cáncer de piel , el melanoma , se debe principalmente al daño del ADN, independientemente de la radiación UVA. Esto se evidencia en la ausencia de una mutación directa asociada a la radiación UV en el 92 % de todos los casos de melanoma. ^{[ 83 ]} La sobreexposición ocasional y las quemaduras solares probablemente constituyen factores de riesgo mayores para el melanoma que la exposición moderada a largo plazo. ^{[ 84 ]} La radiación UVC es el tipo de radiación ultravioleta de mayor energía y más peligroso, y causa efectos adversos que pueden ser mutagénicos o carcinogénicos. ^{[ 85 ]}

En el pasado, se consideraba que la radiación UVA no era dañina o era menos dañina que la UVB, pero hoy se sabe que contribuye al cáncer de piel a través del daño indirecto al ADN ( radicales libres como las especies reactivas de oxígeno). ^{[ 86 ]} La radiación UVA puede generar intermediarios químicos altamente reactivos, como radicales hidroxilo y oxígeno, que a su vez pueden dañar el ADN. El daño al ADN causado indirectamente a la piel por la radiación UVA consiste principalmente en rupturas de cadena simple en el ADN, mientras que el daño causado por la radiación UVB incluye la formación directa de dímeros de timina o dímeros de citosina y rupturas de doble cadena de ADN. ^{[ 87 ]} La radiación UVA es inmunosupresora para todo el cuerpo (lo que explica gran parte de los efectos inmunosupresores de la exposición a la luz solar) y es mutagénica para los queratinocitos de células basales en la piel. ^{[ 88 ]}

Los fotones UVB pueden causar daño directo al ADN. La radiación UVB excita las moléculas de ADN en las células de la piel, provocando la formación de enlaces covalentes aberrantes entre bases pirimídicas adyacentes, lo que produce un dímero . La mayoría de los dímeros de pirimidina inducidos por UV en el ADN se eliminan mediante el proceso conocido como reparación por escisión de nucleótidos , que emplea alrededor de 30 proteínas diferentes. ^{[ 82 ]} Aquellos dímeros de pirimidina que escapan a este proceso de reparación pueden inducir una forma de muerte celular programada ( apoptosis ) o pueden causar errores de replicación del ADN que conducen a mutaciones . ^{[ 89 ]}

La radiación UVB daña el ARNm ^{[ 90 ].} Esto desencadena una vía rápida que conduce a la inflamación de la piel y quemaduras solares. El daño al ARNm inicialmente activa una respuesta en los ribosomas a través de una proteína conocida como ZAK-alfa en una respuesta de estrés ribotóxico. Esta respuesta actúa como un sistema de vigilancia celular. Tras la detección de este daño en el ARN, se produce una señalización inflamatoria y el reclutamiento de células inmunitarias. Esto, y no el daño al ADN (que es más lento de detectar), es lo que produce la inflamación de la piel por UVB y las quemaduras solares agudas. ^{[ 91 ]}

Como defensa contra la radiación UV, la cantidad de melanina , el pigmento marrón de la piel, aumenta al exponerse a niveles moderados de radiación (según el tipo de piel ); esto se conoce comúnmente como bronceado . La función de la melanina es absorber la radiación UV y disipar la energía en forma de calor inofensivo, protegiendo la piel contra el daño directo e indirecto al ADN causado por los rayos UV. La radiación UVA produce un bronceado rápido que dura varios días al oxidar la melanina ya presente y desencadenar la liberación de melanina por parte de los melanocitos . La radiación UVB produce un bronceado que tarda aproximadamente dos días en desarrollarse, ya que estimula al cuerpo a producir más melanina.

Debate sobre la seguridad de los protectores solares

Las organizaciones médicas recomiendan que los pacientes se protejan de la radiación UV usando protector solar . Se ha demostrado que cinco ingredientes de los protectores solares protegen a los ratones contra los tumores de piel. Sin embargo, algunos componentes químicos de los protectores solares producen sustancias potencialmente dañinas si se iluminan mientras están en contacto con células vivas. ^{[ 92 ]}^{[ 93 ]} La cantidad de protector solar que penetra en las capas inferiores de la piel puede ser lo suficientemente grande como para causar daño. ^{[ 94 ]}

El protector solar reduce el daño directo al ADN que causa quemaduras solares, al bloquear los rayos UVB, y el factor de protección solar (FPS) habitual indica la eficacia con la que se bloquea esta radiación. Por lo tanto, el FPS también se denomina UVB-PF, por "factor de protección UVB". [ ^{95 ] Sin} embargo, este factor no ofrece datos sobre la protección importante contra los rayos UVA, ^{[ 96 ]} que no causan quemaduras solares principalmente, pero que siguen siendo dañinos, ya que causan daño indirecto al ADN y también se consideran carcinógenos. Varios estudios sugieren que la ausencia de filtros UVA puede ser la causa de la mayor incidencia de melanoma encontrada en los usuarios de protectores solares en comparación con los no usuarios. ^{[ 97 ]}^{[ 98 ]}^{[ 99 ]}^{[ 100 ]}^{[ 101 ]} Algunas lociones de protección solar contienen dióxido de titanio , óxido de zinc y avobenzona , que ayudan a proteger contra los rayos UVA.

Las propiedades fotoquímicas de la melanina la convierten en un excelente fotoprotector . Sin embargo, los químicos de los protectores solares no pueden disipar la energía del estado excitado con la misma eficacia que la melanina y, por lo tanto, si los ingredientes de los protectores solares penetran en las capas inferiores de la piel, la cantidad de especies reactivas de oxígeno puede aumentar. ^{[ 102 ]}^{[ 92 ]}^{[ 93 ]}^{[ 103 ]} La cantidad de protector solar que penetra a través del estrato córneo puede o no ser suficiente para causar daño.

En un experimento realizado por Hanson et al . y publicado en 2006, se midió la cantidad de especies reactivas de oxígeno (ERO) dañinas en piel sin tratar y en piel tratada con protector solar. Durante los primeros 20 minutos, la película de protector solar tuvo un efecto protector y la cantidad de ERO fue menor. Sin embargo, después de 60 minutos, la cantidad de protector solar absorbido fue tan alta que la cantidad de ERO fue mayor en la piel tratada con protector solar que en la piel sin tratar. ^{[ 102 ]} El estudio indica que el protector solar debe reaplicarse dentro de las 2 horas para evitar que la luz UV penetre en las células vivas de la piel impregnadas con protector solar. ^{[ 102 ]}

Agravamiento de ciertas afecciones cutáneas

La radiación ultravioleta puede agravar varias afecciones y enfermedades de la piel, entre ellas ^{[ 104 ]} lupus eritematoso sistémico , síndrome de Sjögren , síndrome de Sinear Usher , rosácea , dermatomiositis , enfermedad de Darier , síndrome de Kindler-Weary y porokeratosis . ^{[ 105 ]}

Daño ocular

El ojo es más sensible al daño por radiación UV en la banda UVC inferior, entre 265 y 275 nm. La radiación de esta longitud de onda está prácticamente ausente en la luz solar en la superficie terrestre, pero es emitida por fuentes artificiales como los arcos eléctricos empleados en la soldadura por arco . La exposición sin protección a estas fuentes puede causar fotoqueratitis (o "ojo de arco" ) y provocar cataratas , pterigión y pinguécula . En menor medida, la radiación UVB de la luz solar, entre 310 y 280 nm, también causa fotoqueratitis ("ceguera de la nieve"), y puede dañar la córnea , el cristalino y la retina . ^{[ 106 ]}

Las gafas protectoras son beneficiosas para quienes están expuestos a la radiación ultravioleta. Dado que la luz puede llegar a los ojos desde los lados, generalmente se justifica una protección ocular de cobertura total si existe un mayor riesgo de exposición, como en el montañismo de alta montaña. Los montañeros están expuestos a niveles de radiación UV superiores a lo normal, tanto por la menor filtración atmosférica como por el reflejo de la nieve y el hielo. ^{[ 107 ]}^{[ 108 ]} Las gafas comunes, sin tratamiento, ofrecen cierta protección. La mayoría de las lentes de plástico ofrecen más protección que las de vidrio, porque, como se mencionó anteriormente, el vidrio es transparente a los rayos UVA y el plástico acrílico común utilizado para las lentes lo es menos. Algunos materiales de lentes de plástico, como el policarbonato , bloquean inherentemente la mayor parte de los rayos UV. ^{[ 109 ]}

Degradación de polímeros, pigmentos y colorantes

Cuerda de polipropileno dañada por los rayos UV (izquierda) y cuerda nueva (derecha).

La degradación por rayos UV es una forma de degradación de polímeros que afecta a los plásticos expuestos a la luz solar . El problema se manifiesta como decoloración, agrietamiento, pérdida de resistencia o desintegración. Los efectos de la degradación aumentan con el tiempo de exposición y la intensidad de la luz solar. La adición de absorbentes de rayos UV inhibe este efecto.

Entre los polímeros sensibles se incluyen los termoplásticos y las fibras especiales como las aramidas . La absorción de rayos UV provoca la degradación de la cadena y la pérdida de resistencia en los puntos sensibles de su estructura. Para que la cuerda de aramida conserve su resistencia, debe recubrirse con una funda de termoplástico.

Muchos pigmentos y tintes absorben la radiación UV y cambian de color, por lo que las pinturas y los textiles pueden necesitar protección adicional tanto de la luz solar como de las lámparas fluorescentes, dos fuentes comunes de radiación UV. El vidrio de las ventanas absorbe parte de la radiación UV dañina, pero los objetos valiosos necesitan protección adicional. Muchos museos colocan cortinas negras sobre acuarelas y textiles antiguos, por ejemplo. Dado que las acuarelas pueden tener niveles muy bajos de pigmento, necesitan protección adicional contra la radiación UV. Diversos tipos de vidrio para enmarcar cuadros , incluidos los acrílicos (plexiglás), los laminados y los recubrimientos, ofrecen diferentes grados de protección contra la radiación UV (y la luz visible). ^{[ 110 ]}

Aplicaciones

Debido a su capacidad para provocar reacciones químicas y excitar la fluorescencia en los materiales, la radiación ultravioleta tiene diversas aplicaciones. La siguiente tabla ^{[ 111 ]} muestra algunos usos de bandas de longitud de onda específicas en el espectro UV.

13,5 nm : Litografía ultravioleta extrema
30–200 nm : Fotoionización , espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta , fabricación estándar de circuitos integrados mediante fotolitografía.
230–365 nm : identificación UV, seguimiento de etiquetas, códigos de barras
230–400 nm : Sensores ópticos , instrumentación diversa
240–280 nm : Desinfección , descontaminación de superficies y agua ( la absorción de ADN tiene un pico a 260 nm), lámparas germicidas ^{[ 58 ]}
200–400 nm : Análisis forense , detección de drogas
270–360 nm : Análisis de proteínas , secuenciación de ADN , descubrimiento de fármacos
280–400 nm : Imágenes médicas de células
300–320 nm : Terapia con luz en medicina
300–365 nm : Curado de polímeros y tintas de impresora
350–370 nm : matamoscas eléctricos (las moscas se sienten más atraídas por la luz a 365 nm) ^{[ 112 ]}

Fotografía

La película fotográfica responde a la radiación ultravioleta, pero las lentes de vidrio de las cámaras suelen bloquear la radiación con longitudes de onda inferiores a 350 nm. Para fotografía al aire libre, se suelen utilizar filtros UV ligeramente amarillentos para evitar el sobrecalentamiento y la sobreexposición indeseados por los rayos UV. Para fotografía en el ultravioleta cercano, se pueden utilizar filtros especiales. La fotografía con longitudes de onda inferiores a 350 nm requiere lentes de cuarzo especiales que no absorban la radiación. Los sensores de las cámaras digitales pueden tener filtros internos que bloquean los rayos UV para mejorar la precisión de la reproducción del color. A veces, estos filtros internos se pueden quitar o no existen, y un filtro externo de luz visible prepara la cámara para la fotografía en el ultravioleta cercano. Algunas cámaras están diseñadas para su uso en el ultravioleta. ^{[ 113 ]}

La fotografía mediante radiación ultravioleta reflejada es útil para investigaciones médicas, científicas y forenses, con aplicaciones tan diversas como la detección de hematomas en la piel, alteraciones en documentos o trabajos de restauración de pinturas. La fotografía de la fluorescencia producida por la iluminación ultravioleta utiliza longitudes de onda de luz visible.

Aurora en el polo norte de Júpiter vista en luz ultravioleta por el Telescopio Espacial Hubble.

En astronomía ultravioleta , las mediciones se utilizan para discernir la composición química del medio interestelar, así como la temperatura y composición de las estrellas. Debido a que la capa de ozono bloquea muchas frecuencias UV que llegan a los telescopios en la superficie de la Tierra, la mayoría de las observaciones UV se realizan desde el espacio. ^{[ 114 ]}

Industria eléctrica y electrónica

La descarga de corona en aparatos eléctricos puede detectarse por sus emisiones ultravioleta. La corona provoca la degradación del aislamiento eléctrico y la emisión de ozono y óxido de nitrógeno . ^{[ 115 ]}

Las EPROM (memoria de solo lectura programable y borrable) se borran mediante exposición a radiación ultravioleta. Estos módulos tienen una ventana transparente ( de cuarzo ) en la parte superior del chip que permite el paso de la radiación ultravioleta.

Usos de los tintes fluorescentes

Los colorantes fluorescentes incoloros que emiten luz azul bajo luz ultravioleta se añaden como blanqueadores ópticos al papel y a los tejidos. La luz azul que emiten estos agentes contrarresta los tonos amarillentos que puedan estar presentes y hace que los colores y los blancos parezcan más blancos o más brillantes.

Los colorantes fluorescentes UV que emiten luz en los colores primarios se utilizan en pinturas, papeles y textiles para realzar el color bajo la luz del día o para crear efectos especiales al iluminarlos con lámparas UV. Las pinturas de luz negra que contienen colorantes que brillan bajo la luz ultravioleta se utilizan en diversas aplicaciones artísticas y estéticas.

Para ayudar a prevenir la falsificación de moneda o de documentos importantes como licencias de conducir y pasaportes , el papel puede incluir una marca de agua UV o fibras fluorescentes multicolores visibles bajo luz ultravioleta. Los sellos postales llevan un fósforo que brilla bajo los rayos UV para permitir la detección automática del sello y de la cara de la carta.

Los colorantes fluorescentes UV se utilizan en numerosas aplicaciones (por ejemplo, bioquímica y medicina forense ). Algunas marcas de gas pimienta dejan una sustancia química invisible (colorante UV) que no se elimina fácilmente de la piel del agresor, lo que facilitaría a la policía su posterior identificación.

En algunos tipos de ensayos no destructivos, la luz ultravioleta estimula los colorantes fluorescentes para resaltar los defectos en una amplia gama de materiales. Estos colorantes pueden penetrar en los defectos superficiales por acción capilar ( inspección por líquidos penetrantes ) o pueden unirse a partículas de ferrita atrapadas en campos magnéticos de fuga en materiales ferrosos ( inspección por partículas magnéticas ).

Usos analíticos

Ciencias forenses

La luz ultravioleta (UV) es una herramienta de investigación en la escena del crimen que resulta útil para localizar e identificar fluidos corporales como semen, sangre y saliva. ^{[ 116 ]} Por ejemplo, los fluidos eyaculados o la saliva pueden detectarse mediante fuentes de luz UV de alta potencia, independientemente de la estructura o el color de la superficie sobre la que se deposita el fluido. ^{[ 117 ]} La microespectroscopia UV-Vis también se utiliza para analizar indicios, como fibras textiles y fragmentos de pintura, así como documentos cuestionados.

Otras aplicaciones incluyen la autenticación de diversos objetos de colección y obras de arte, así como la detección de billetes falsos. Incluso los materiales que no están marcados con tintes sensibles a los rayos UV pueden presentar una fluorescencia distintiva bajo exposición a la luz ultravioleta o fluorescer de forma diferente bajo luz ultravioleta de onda corta o de onda larga.

Mejora del contraste de la tinta

Mediante imágenes multiespectrales es posible leer papiros ilegibles , como los papiros quemados de la Villa de los Papiros o de Oxirrinco , o el palimpsesto de Arquímedes . La técnica consiste en fotografiar el documento ilegible utilizando diferentes filtros en el rango infrarrojo o ultravioleta, ajustados con precisión para capturar ciertas longitudes de onda de luz. De este modo, se puede encontrar la porción espectral óptima para distinguir la tinta del papel en la superficie del papiro.

Se pueden utilizar fuentes NUV simples para resaltar la tinta a base de hierro descolorida sobre vitela . ^{[ 118 ]}

Cumplimiento sanitario

La luz ultravioleta ayuda a detectar depósitos de materia orgánica que permanecen en superficies donde la limpieza y desinfección periódicas pueden haber fallado. Se utiliza en la industria hotelera, manufacturera y otras industrias donde se inspeccionan los niveles de limpieza o contaminación . ^{[ 119 ]}^{[ 120 ]}^{[ 121 ]}^{[ 122 ]}

Las secciones habituales de noticias de muchas cadenas de televisión involucran a un reportero de investigación que utiliza un dispositivo similar para revelar condiciones insalubres en hoteles, baños públicos, pasamanos, etc. ^{[ 123 ]}^{[ 124 ]}

Química

La espectroscopia UV/Vis se utiliza ampliamente como técnica en química para analizar la estructura química , siendo los sistemas conjugados los más notables . La radiación UV se emplea a menudo para excitar una muestra determinada, cuya emisión fluorescente se mide con un espectrofluorímetro . En investigación biológica, la radiación UV se utiliza para la cuantificación de ácidos nucleicos o proteínas . En química ambiental, la radiación UV también puede utilizarse para detectar contaminantes emergentes en muestras de agua. ^{[ 125 ]}

En aplicaciones de control de la contaminación, los analizadores ultravioleta se utilizan para detectar emisiones de óxidos de nitrógeno, compuestos de azufre, mercurio y amoníaco, por ejemplo, en los gases de combustión de centrales eléctricas de combustibles fósiles. ^{[ 126 ]} La radiación ultravioleta puede detectar finas capas de petróleo derramado en el agua, ya sea por la alta reflectividad de las películas de petróleo en longitudes de onda UV, la fluorescencia de los compuestos en el petróleo o por la absorción de UV creada por la dispersión Raman en el agua. ^{[ 127 ]} La absorbancia UV también se puede utilizar para cuantificar contaminantes en aguas residuales. La absorbancia UV de 254 nm, la más utilizada, se usa generalmente como un parámetro sustituto para cuantificar NOM. ^{[ 125 ]} Otra forma de detección basada en la luz utiliza una matriz de excitación-emisión (EEM) para detectar e identificar contaminantes en función de sus propiedades de fluorescencia. ^{[ 125 ]}^{[ 128 ]} La EEM podría utilizarse para discriminar diferentes grupos de NOM en función de la diferencia en la emisión de luz y la excitación de fluoróforos. Se ha informado que los NOM con ciertas estructuras moleculares tienen propiedades fluorescentes en un amplio rango de longitudes de onda de excitación/emisión. ^{[ 129 ]}^{[ 125 ]} Las lámparas ultravioleta también se utilizan como parte del análisis de algunos minerales y gemas .

La ciencia de los materiales utiliza

detección de incendios

En general, los detectores ultravioleta utilizan un dispositivo de estado sólido, como uno basado en carburo de silicio o nitruro de aluminio , o un tubo lleno de gas como elemento sensor. Los detectores UV sensibles a la radiación ultravioleta en cualquier parte del espectro responden a la irradiación de la luz solar y la luz artificial . Por ejemplo, una llama de hidrógeno emite radiación intensa en el rango de 185 a 260 nanómetros y muy débilmente en la región infrarroja , mientras que un incendio de carbón emite muy débilmente en la banda UV pero muy fuertemente en longitudes de onda infrarrojas; por lo tanto, un detector de incendios que funcione con detectores UV e IR es más fiable que uno que solo tenga un detector UV. Prácticamente todos los incendios emiten algo de radiación en la banda UVC, mientras que la radiación solar en esta banda es absorbida por la atmósfera terrestre . El resultado es que el detector UV es "ciego al sol", lo que significa que no activará una alarma en respuesta a la radiación solar, por lo que puede utilizarse fácilmente tanto en interiores como en exteriores.

Los detectores UV son sensibles a la mayoría de los incendios, incluidos los de hidrocarburos , metales, azufre , hidrógeno , hidracina y amoníaco . La soldadura por arco , los arcos eléctricos, los rayos , los rayos X utilizados en equipos de ensayo no destructivo de metales (aunque esto es muy improbable) y los materiales radiactivos pueden producir niveles que activarán un sistema de detección UV. La presencia de gases y vapores que absorben la radiación UV la atenuará, afectando negativamente la capacidad del detector para detectar llamas. Del mismo modo, la presencia de una neblina de aceite en el aire o una película de aceite en la ventana del detector tendrá el mismo efecto.

Fotolitografía

La radiación ultravioleta se utiliza en la fotolitografía de alta resolución , un procedimiento en el que una sustancia química llamada fotorresina se expone a la radiación UV que ha atravesado una máscara. Esta exposición provoca reacciones químicas en la fotorresina. Tras eliminar la fotorresina sobrante, queda en la muestra un patrón determinado por la máscara. Posteriormente, se pueden realizar procesos para eliminar, depositar o modificar de otro modo las zonas de la muestra donde no queda fotorresina.

La fotolitografía se utiliza en la fabricación de semiconductores , componentes de circuitos integrados ^{[ 130 ]} y placas de circuitos impresos . Los procesos de fotolitografía utilizados para fabricar circuitos integrados electrónicos actualmente utilizan UV de 193 nm y están utilizando experimentalmente UV de 13,5 nm para litografía ultravioleta extrema .

Polímeros

Los componentes electrónicos que requieren una transparencia absoluta para que la luz entre o salga (paneles fotovoltaicos y sensores) pueden encapsularse con resinas acrílicas que se curan mediante energía UV. Las ventajas son las bajas emisiones de COV y el curado rápido.

Ciertas tintas, recubrimientos y adhesivos se formulan con fotoiniciadores y resinas. Al exponerse a la luz ultravioleta, se produce la polimerización , lo que provoca que los adhesivos se endurezcan o curen, generalmente en cuestión de segundos. Entre sus aplicaciones se incluyen la unión de vidrio y plástico, recubrimientos de fibra óptica , revestimiento de suelos, recubrimientos UV y acabados de papel en impresión offset , empastes dentales, adhesivos hidrofóbicos fotoactivables y geles decorativos para uñas.

Las fuentes de luz UV para aplicaciones de curado UV incluyen lámparas UV , LED UV y lámparas de destello de excímero . Los procesos rápidos, como la impresión flexográfica u offset, requieren luz de alta intensidad enfocada mediante reflectores sobre un sustrato y medio en movimiento, por lo que se utilizan bombillas de alta presión basadas en Hg (mercurio) o Fe (hierro dopado), energizadas con arcos eléctricos o microondas. Para aplicaciones estáticas, se pueden utilizar lámparas fluorescentes y LED de menor potencia. Las lámparas pequeñas de alta presión pueden enfocar y transmitir la luz al área de trabajo mediante guías de luz rellenas de líquido o de fibra óptica.

El impacto de la radiación UV en polímeros se utiliza para modificar la rugosidad y la hidrofobicidad de las superficies poliméricas. Por ejemplo, una superficie de poli(metacrilato de metilo) puede alisarse mediante radiación ultravioleta de vacío. ^{[ 131 ]}

La radiación UV es útil para preparar polímeros de baja energía superficial para adhesivos. Los polímeros expuestos a la radiación UV se oxidan, aumentando así su energía superficial . Una vez que aumenta la energía superficial del polímero, la unión entre el adhesivo y el polímero es más fuerte.

Usos relacionados con la biología

Purificación de aire

La luz UV-C se utiliza en sistemas de aire acondicionado para mejorar la calidad del aire interior, desinfectándolo y previniendo el crecimiento microbiano. La luz UV-C es eficaz para eliminar o inactivar microorganismos dañinos, como bacterias, virus, moho y hongos. Al integrarse en un sistema de aire acondicionado, la luz ultravioleta se suele colocar en zonas como la unidad de tratamiento de aire o cerca del serpentín del evaporador . En los sistemas de aire acondicionado, la luz UV-C funciona irradiando el flujo de aire dentro del sistema, eliminando o neutralizando los microorganismos dañinos antes de que se recirculen al ambiente interior. Su eficacia en los sistemas de aire acondicionado depende de factores como la intensidad de la luz, la duración de la exposición, la velocidad del flujo de aire y la limpieza de los componentes del sistema. ^{[ 132 ]}^{[ 133 ]}

Mediante una reacción química catalítica a partir de dióxido de titanio y exposición a UVC, la oxidación de la materia orgánica convierte patógenos , polen y esporas de moho en subproductos inertes inofensivos. Sin embargo, la reacción del dióxido de titanio y UVC no es lineal. Varios cientos de reacciones ocurren antes de la etapa de subproductos inertes y pueden obstaculizar la reacción resultante, creando formaldehído , aldehído y otros COV en el camino hacia una etapa final. Por lo tanto, el uso de dióxido de titanio y UVC requiere parámetros muy específicos para un resultado exitoso. El mecanismo de limpieza de UV es un proceso fotoquímico. Los contaminantes en el ambiente interior son casi en su totalidad compuestos orgánicos a base de carbono, que se descomponen cuando se exponen a UV de alta intensidad a 240 a 280 nm. La radiación ultravioleta de onda corta puede destruir el ADN en microorganismos vivos. ^[¹³⁴^] La efectividad de UVC está directamente relacionada con la intensidad y el tiempo de exposición.

También se ha demostrado que la radiación UV reduce contaminantes gaseosos como el monóxido de carbono y los COV . ^{[ 135 ]}^{[ 136 ]}^{[ 137 ]} Las lámparas UV que emiten a 184 y 254 nm pueden eliminar bajas concentraciones de hidrocarburos y monóxido de carbono si el aire se recircula entre la habitación y la cámara de la lámpara. Esta disposición evita la introducción de ozono en el aire tratado. Asimismo, el aire puede tratarse haciéndolo pasar por una única fuente UV que opere a 184 nm y luego sobre pentóxido de hierro para eliminar el ozono producido por la lámpara UV.

Esterilización y desinfección

Las lámparas ultravioleta se utilizan para esterilizar espacios de trabajo y herramientas en laboratorios de biología e instalaciones médicas. Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión disponibles comercialmente emiten aproximadamente el 86 % de su radiación a 254 nanómetros (nm), siendo 265 nm el punto de máxima eficacia germicida. La radiación UV a estas longitudes de onda germicidas daña el ADN/ARN de los microorganismos, impidiendo su reproducción y haciéndolos inofensivos (aunque el organismo no muera). ^{[ 138 ]} Dado que los microorganismos pueden protegerse de los rayos ultravioleta en pequeñas grietas y otras zonas sombreadas, estas lámparas se utilizan únicamente como complemento de otras técnicas de esterilización.

Los LED UVC son relativamente nuevos en el mercado comercial y están ganando popularidad. ^[¹³⁹^] Debido a su naturaleza monocromática (±5 nm), estos LED pueden dirigirse a una longitud de onda específica necesaria para la desinfección. Esto es especialmente importante sabiendo que los patógenos varían en su sensibilidad a longitudes de onda UV específicas. Los LED no contienen mercurio, se encienden y apagan instantáneamente y tienen ciclos ilimitados durante todo el día. ^[¹⁴⁰^]

La desinfección mediante radiación UV se utiliza comúnmente en el tratamiento de aguas residuales y su uso está aumentando en el tratamiento de agua potable municipal . Muchos embotelladores de agua de manantial utilizan equipos de desinfección UV para esterilizar su agua. La desinfección solar del agua ^{[ 141 ]} se ha investigado como una forma económica de tratar agua contaminada utilizando la luz solar natural . La irradiación UVA y el aumento de la temperatura del agua eliminan los microorganismos presentes en ella.

La radiación ultravioleta se utiliza en diversos procesos alimentarios para eliminar microorganismos indeseados . La luz ultravioleta se puede emplear para pasteurizar zumos de frutas haciéndolos circular sobre una fuente de luz ultravioleta de alta intensidad. La eficacia de este proceso depende de la capacidad de absorción de la luz ultravioleta del zumo.

La luz pulsada (LP) es una técnica para eliminar microorganismos en superficies mediante pulsos de un espectro amplio e intenso, rico en UVC entre 200 y 280 nm . La luz pulsada funciona con lámparas de destello de xenón que pueden producir destellos varias veces por segundo. Los robots de desinfección utilizan luz UV pulsada. ^{[ 142 ]}

La eficacia antimicrobiana de la luz UVC lejana filtrada (222 nm) sobre diversos patógenos, incluyendo bacterias y hongos, demostró la inhibición del crecimiento de estos. Dado que tiene efectos nocivos menores, proporciona información esencial para una desinfección fiable en entornos sanitarios, como hospitales y residencias de ancianos. ^{[ 143 ]} También se ha demostrado que la luz UVC es eficaz para degradar el virus SARS-CoV-2. ^{[ 144 ]}

Biológico

La mayoría de las aves, reptiles, insectos (como las abejas) y algunos mamíferos como ratones, renos, perros y gatos pueden ver longitudes de onda cercanas al ultravioleta. ^{[ 145 ]} Muchas frutas, flores y semillas destacan más del fondo en longitudes de onda ultravioleta en comparación con la visión del color humana. Los escorpiones brillan o adquieren un color amarillo a verde bajo iluminación UV, lo que ayuda al control de estos arácnidos. Las gambas mantis como Neogonodactylus oerstedii pueden detectar longitudes de onda ultravioleta que les ayudan a cazar y sobrevivir. ^{[ 146 ]} Muchas aves tienen patrones en su plumaje que son invisibles en longitudes de onda habituales pero observables en ultravioleta, y la orina y otras secreciones de algunos animales, incluidos perros, gatos y seres humanos, son mucho más fáciles de detectar con ultravioleta. Los técnicos de control de plagas pueden detectar rastros de orina de roedores para el tratamiento adecuado de viviendas infestadas.

Las mariposas utilizan la luz ultravioleta como sistema de comunicación para el reconocimiento sexual y el comportamiento de apareamiento. Por ejemplo, en la mariposa Colias eurytheme , los machos se basan en señales visuales para localizar e identificar a las hembras. En lugar de utilizar estímulos químicos para encontrar pareja, los machos se sienten atraídos por el color ultravioleta de las alas posteriores de las hembras. ^{[ 147 ]} En las mariposas Pieris napi se demostró que las hembras del norte de Finlandia, con menor radiación UV en el ambiente, poseían señales UV más fuertes para atraer a sus machos que las que se encontraban más al sur. Esto sugiere que, desde el punto de vista evolutivo, es más difícil aumentar la sensibilidad a la luz UV de los ojos de los machos que aumentar las señales UV emitidas por las hembras. ^{[ 148 ]}

Muchos insectos utilizan las emisiones ultravioleta de los objetos celestes como referencia para la navegación en vuelo. Un emisor ultravioleta local normalmente interrumpe el proceso de navegación y, con el tiempo, atrae al insecto volador.

La proteína verde fluorescente (GFP) se utiliza frecuentemente en genética como marcador. Muchas sustancias, como las proteínas, presentan bandas de absorción de luz significativas en el ultravioleta, de interés en bioquímica y campos afines. Los espectrofotómetros con capacidad UV son comunes en estos laboratorios.

Las trampas ultravioleta, también conocidas como matainsectos eléctricos, se utilizan para eliminar diversos insectos voladores pequeños. Estos son atraídos por la luz ultravioleta y mueren mediante una descarga eléctrica o quedan atrapados al entrar en contacto con el dispositivo. Los entomólogos también utilizan diferentes diseños de trampas de radiación ultravioleta para recolectar insectos nocturnos durante estudios faunísticos .

Terapia

La radiación ultravioleta es útil en el tratamiento de afecciones cutáneas como la psoriasis y el vitíligo . La exposición a los rayos UVA, cuando la piel es hiperfotosensible, mediante la administración de psoralenos , es un tratamiento eficaz para la psoriasis . Debido al potencial de los psoralenos para dañar el hígado , la terapia PUVA solo puede utilizarse un número limitado de veces a lo largo de la vida del paciente.

La fototerapia UVB no requiere medicamentos ni preparaciones tópicas adicionales para obtener el beneficio terapéutico; solo se necesita la exposición. Sin embargo, la fototerapia puede ser eficaz cuando se usa junto con ciertos tratamientos tópicos como antralina, alquitrán de hulla y derivados de las vitaminas A y D, o tratamientos sistémicos como metotrexato y Soriatane . ^{[ 149 ]}

Herpetología

Los reptiles necesitan UV-B para la biosíntesis de vitamina D y otros procesos metabólicos. ^{[ 150 ]} Específicamente colecalciferol (vitamina D3 ₎ , que es necesario para el funcionamiento celular/neural básico, así como para la utilización de calcio para la producción de huesos y huevos. La longitud de onda UV-A también es visible para muchos reptiles y podría desempeñar un papel significativo en su capacidad de supervivencia en la naturaleza, así como en la comunicación visual entre individuos. Por lo tanto, en un recinto típico para reptiles, una fuente fluorescente UV-A/UV-B (con la intensidad y cobertura espectral adecuadas para la especie) debe estar disponible para que muchas especies en cautiverio sobrevivan. La simple suplementación con colecalciferol (vitamina D3 ) no será suficiente _, ya que hay una vía biosintética completa que se "salta" metabólicamente (riesgos de posibles sobredosis), las moléculas intermedias y los metabolitos también desempeñan funciones importantes en la salud de los animales. La luz solar natural en los niveles adecuados siempre será superior a las fuentes artificiales, pero esto puede no ser posible para los cuidadores de aves en diferentes partes del mundo.

Es un problema conocido que los altos niveles de emisión de la parte UV-A del espectro pueden causar daño celular y al ADN en partes sensibles de sus cuerpos, especialmente en los ojos, donde la ceguera es el resultado de una colocación y uso inadecuados de las fuentes UV-A y UV-B (una sobredosis se llama fotoqueratitis ). Para muchos cuidadores, también es necesario contar con una fuente de calor adecuada, lo que ha dado lugar a la comercialización de productos que combinan calor y luz. Los cuidadores deben tener cuidado con la combinación de luz y calor que irradian las lámparas compuestas UV-A y UV-B; las lámparas típicas emiten altos niveles de UV-A con bajos niveles de UV-B, que a menudo tienen diferentes intensidades fijas en diferentes longitudes de onda, lo que dificulta su ajuste para satisfacer las diferentes necesidades metabólicas de los reptiles. Una mejor estrategia es usar lámparas separadas para diferentes bandas UV, de modo que los cuidadores puedan colocar y controlar la intensidad de las lámparas para una mejor salud animal. ^[¹⁵¹^]

Importancia evolutiva

La evolución de las primeras proteínas y enzimas reproductivas se atribuye en los modelos modernos de la teoría evolutiva a la radiación ultravioleta. La radiación UVB provoca que los pares de bases de timina adyacentes en las secuencias genéticas se unan formando dímeros de timina , una interrupción en la cadena que las enzimas reproductivas no pueden copiar. Esto conduce a un cambio de marco de lectura durante la replicación genética y la síntesis de proteínas , lo que generalmente causa la muerte celular. Antes de la formación de la capa de ozono que bloquea la radiación UV, cuando los primeros procariotas se acercaban a la superficie del océano, casi invariablemente se extinguían. Los pocos que sobrevivieron habían desarrollado enzimas que monitoreaban el material genético y eliminaban los dímeros de timina mediante enzimas de reparación por escisión de nucleótidos . Muchas enzimas y proteínas involucradas en la mitosis y la meiosis modernas son similares a las enzimas de reparación, y se cree que son modificaciones evolutivas de las enzimas utilizadas originalmente para superar los daños en el ADN causados por la radiación UV. ^{[ 152 ]}

También se ha especulado que los niveles elevados de radiación ultravioleta, en particular UV-B, son una causa de extinciones masivas en el registro fósil. ^{[ 153 ]}

Fotobiología

La fotobiología es el estudio científico de las interacciones beneficiosas y perjudiciales de la radiación no ionizante en los organismos vivos, convencionalmente delimitada en torno a los 10 eV, la primera energía de ionización del oxígeno. El rango de energía UV oscila aproximadamente entre 3 y 30 eV. Por lo tanto, la fotobiología abarca parte del espectro UV, pero no la totalidad.

Véase también

Referencias

1 2 Maqbool, Muhammad (2023). Introducción a la radiación no ionizante . Bentham Science Publishers. ISBN 978-981-5136-90-6.
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Enlaces externos

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