A radiação ultravioleta (UV), ocasionalmente chamada de luz ultravioleta, é uma forma de radiação eletromagnética caracterizada por comprimentos de onda que variam de 100 a 400 nanômetros. Este espectro é mais curto que o da luz visível, mas se estende além dos raios X. Comprimentos de onda que variam de 10 a 100 nanômetros são designados como ultravioleta extremo, exibindo características semelhantes aos raios X suaves. A radiação UV é um componente da luz solar, representando aproximadamente 10% da produção eletromagnética total do Sol. Além disso, é gerado por diversas fontes artificiais, incluindo arcos elétricos, radiação Cherenkov e dispositivos de iluminação especializados, como lâmpadas de vapor de mercúrio, lâmpadas de bronzeamento e luzes negras.
Radiação ultravioleta (UV; às vezes chamada de luz ultravioleta) é a radiação eletromagnética de comprimentos de onda de 100 a 400 nanômetros, mais curta que a da luz visível, mas mais longa que os raios X. Comprimentos de onda entre 10 e 100 nanômetros são chamados de ultravioleta extremo e compartilham algumas propriedades com os raios X suaves. A radiação UV está presente na luz solar e constitui cerca de 10% da emissão total de radiação eletromagnética do Sol. Também é produzido por arcos elétricos, radiação Cherenkov e luzes especializadas, como lâmpadas de vapor de mercúrio, lâmpadas de bronzeamento e luzes negras. Os fótons ultravioleta possuem níveis de energia mais elevados do que os da luz visível, normalmente variando de aproximadamente 3,1 a 12 elétron-volts, que se aproxima da energia mínima necessária para a ionização atômica. Embora o ultravioleta de longo comprimento de onda não seja classificado como radiação ionizante devido à energia insuficiente dos fótons, ele é capaz de induzir reações químicas e provocar fluorescência ou fosforescência em inúmeras substâncias. Muitas aplicações práticas, particularmente aquelas que envolvem efeitos químicos e biológicos, decorrem da capacidade da radiação UV de interagir com moléculas orgânicas. Essas interações podem envolver a excitação de elétrons orbitais para estados de energia elevados dentro das moléculas, levando potencialmente à clivagem de ligações químicas. Por outro lado, a radiação de comprimento de onda mais longo excita principalmente os estados vibracionais ou rotacionais das moléculas, aumentando assim a sua temperatura. A luz ultravioleta de ondas curtas, entretanto, constitui radiação ionizante. Consequentemente, sabe-se que os raios UV de ondas curtas danificam o ADN e esterilizam eficazmente as superfícies em contacto.
Para os humanos, a exposição da pele à radiação UV resulta normalmente em bronzeamento e queimaduras solares, juntamente com um risco elevado de cancro da pele. A quantidade substancial de radiação UV emitida pelo Sol indica que a vida terrestre seria insustentável se a maior parte desta luz não fosse atenuada pela atmosfera terrestre. O UV "extremo" mais energético e de comprimento de onda mais curto, especificamente abaixo de 121 nm, ioniza os gases atmosféricos tão intensamente que é completamente absorvido antes de atingir o solo. No entanto, a radiação UV, particularmente a UVB, também é crucial para a síntese de vitamina D na maioria dos vertebrados terrestres, incluindo os humanos. Portanto, o espectro UV abrange efeitos que são vantajosos e desvantajosos para a vida.
O limite inferior do comprimento de onda do espectro visível é convencionalmente definido como 400 nm. Embora os raios ultravioleta sejam geralmente imperceptíveis para os humanos, a marca de 400 nm não representa uma demarcação absoluta, uma vez que comprimentos de onda progressivamente mais curtos dentro desta faixa tornam-se cada vez menos visíveis. Notavelmente, insetos, pássaros e certos mamíferos possuem a capacidade de perceber UV próximo (NUV), abrangendo comprimentos de onda um pouco mais curtos do que aqueles discerníveis pelos humanos.
Visibilidade
Os humanos geralmente são incapazes de perceber visualmente a radiação ultravioleta. A lente do olho humano, juntamente com as lentes implantadas cirurgicamente fabricadas desde 1986, atenua a maior parte da radiação na faixa de comprimento de onda UV próximo de 300–400 nm, enquanto comprimentos de onda mais curtos são bloqueados pela córnea. Além disso, os humanos não possuem adaptações específicas dos receptores de cores para a luz ultravioleta. Embora os fotorreceptores da retina exibam sensibilidade ao UV próximo, o cristalino não consegue focar adequadamente essa luz, resultando em uma percepção turva das fontes de luz UV. Indivíduos que sofrem de afacia (ausência de lente) percebem o UV próximo como azul esbranquiçado ou violeta esbranquiçado. Em contraste, a radiação UV próxima é visível para insetos, certos mamíferos e algumas espécies de aves. Os pássaros possuem um quarto receptor de cor específico para os raios ultravioleta; isso, combinado com estruturas oculares que transmitem mais UV, confere a "verdadeira" visão UV às aves menores.
História e descoberta
O termo "Ultravioleta" deriva seu nome de "além do violeta" (do latim ultra, que significa "além"), com violeta representando a extremidade de frequência mais alta do espectro de luz visível. Consequentemente, a radiação ultravioleta possui uma frequência mais elevada e, correlativamente, um comprimento de onda mais curto do que a luz violeta.
A descoberta da radiação ultravioleta (UV) ocorreu em fevereiro de 1801, quando o físico alemão Johann Wilhelm Ritter observou que os raios invisíveis, posicionados logo além da extremidade violeta do espectro visível, escureceram o papel embebido em cloreto de prata mais rapidamente do que a própria luz violeta. Ritter anunciou esta descoberta em uma breve carta ao Annalen der Physik e mais tarde referiu-se a eles como "raios (des)oxidantes" (alemão: de-oxidierende Strahlen), enfatizando sua reatividade química e distinguindo-os dos "raios de calor", que haviam sido descobertos no ano anterior no extremo oposto do espectro visível. O termo mais simples "raios químicos" foi posteriormente adotado e permaneceu predominante ao longo do século 19, embora alguns, incluindo John William Draper, que os chamou de "raios titônicos", argumentassem que essa radiação era totalmente distinta da luz. Eventualmente, os termos “raios químicos” e “raios de calor” foram substituídos por “ultravioleta” e “radiação infravermelha”, respectivamente. Em 1878, foi descoberto o efeito esterilizante da luz de comprimento de onda curto sobre as bactérias. Em 1903, sabia-se que os comprimentos de onda mais eficazes eram de aproximadamente 250 nm. O efeito da radiação ultravioleta no DNA foi estabelecido em 1960.
O físico alemão Victor Schumann descobriu a radiação ultravioleta com comprimentos de onda abaixo de 200 nm em 1893; isso foi chamado de "ultravioleta de vácuo" devido à sua forte absorção pelo oxigênio atmosférico. A divisão do UV em UVA, UVB e UVC foi decidida por unanimidade por um comitê do Segundo Congresso Internacional sobre Luz em 17 de agosto de 1932, no Castelo de Christiansborg, em Copenhague.
Subtipos
O espectro eletromagnético da radiação ultravioleta (UVR), amplamente definido como 10–400 nanômetros, pode ser subdividido em diversas faixas, conforme recomendado pela norma ISO 21348:
Vários dispositivos de estado sólido e de vácuo foram explorados para aplicações em diferentes partes do espectro UV. Muitas abordagens visam adaptar dispositivos sensores de luz visível; no entanto, estes podem apresentar respostas indesejadas à luz visível e várias instabilidades. A radiação ultravioleta pode ser detectada por fotodiodos e fotocátodos adequados, que podem ser adaptados para sensibilidade a regiões específicas do espectro UV. Fotomultiplicadores UV sensíveis também estão disponíveis. Espectrômetros e radiômetros são projetados para medir a radiação UV, e detectores de silício são utilizados em todo o espectro.
Vácuo ultravioleta
Os comprimentos de onda ultravioleta de vácuo (VUV), que são menores que 200 nm, são fortemente absorvidos pelo oxigênio molecular do ar; no entanto, comprimentos de onda mais longos, especificamente aqueles em torno de 150–200 nm, podem se propagar através do nitrogênio. Consequentemente, os instrumentos científicos podem utilizar esta faixa espectral operando em uma atmosfera livre de oxigênio (por exemplo, nitrogênio puro ou argônio para comprimentos de onda mais curtos), evitando assim a necessidade de câmaras de vácuo dispendiosas. Exemplos significativos incluem equipamentos de fotolitografia de 193 nm, usados na fabricação de semicondutores, e espectrômetros de dicroísmo circular.
Por muitas décadas, a tecnologia para instrumentação VUV foi amplamente impulsionada pela astronomia solar. Embora a óptica possa ser empregada para remover luz visível indesejada que contamina o VUV, os detectores são geralmente limitados por sua resposta à radiação não-VUV; conseqüentemente, o desenvolvimento de dispositivos cegos solares constituiu uma importante área de pesquisa. Dispositivos de estado sólido de grande intervalo ou dispositivos de vácuo equipados com fotocátodos de alto corte podem oferecer vantagens em comparação aos diodos de silício.
Ultravioleta extremo
UV extremo (EUV, ou às vezes XUV) é caracterizado por uma transição na física de sua interação com a matéria. Comprimentos de onda maiores que aproximadamente 30 nm interagem principalmente com os elétrons de valência externos dos átomos, enquanto comprimentos de onda mais curtos interagem predominantemente com elétrons e núcleos da camada interna. A extremidade longa do espectro EUV é definida por uma linha espectral He+ proeminente em 30,4 nm. O EUV é fortemente absorvido pela maioria dos materiais conhecidos; no entanto, é possível sintetizar ópticas multicamadas que refletem até cerca de 50% da radiação EUV na incidência normal. Esta tecnologia foi pioneira nos foguetes de sondagem NIXT e MSSTA na década de 1990 e tem sido utilizada para construir telescópios para imagens solares.
Ultravioleta forte e suave
Certas fontes empregam a distinção entre "UV forte" e "UV suave". Na astrofísica, por exemplo, o ponto de demarcação pode ser definido pelo limite de Lyman, comprimento de onda de 91,2 nm, que corresponde à energia de ionização de um átomo de hidrogênio em seu estado fundamental, onde “UV forte” denota radiação mais energética. Esses termos também são empregados em diversas disciplinas, incluindo cosmetologia e optoeletrônica. No entanto, os limites numéricos precisos que distinguem UV forte e suave variam frequentemente, mesmo em domínios científicos estreitamente relacionados; por exemplo, uma publicação de física aplicada estabeleceu um limite em 190 nm para delinear essas regiões UV.
Ultravioleta Solar
Objetos em temperaturas extremamente altas emitem radiação ultravioleta (UV). O espectro de emissão do Sol abrange a radiação ultravioleta em todos os comprimentos de onda, estendendo-se até a faixa ultravioleta extrema, que faz a transição para raios X em aproximadamente 10 nm. Estrelas de temperaturas excepcionalmente altas, como estrelas do tipo O e B, emitem uma proporção maior de radiação UV em comparação com o Sol. A radiação solar no espaço, medida no topo da atmosfera da Terra, compreende aproximadamente 50% de luz infravermelha, 40% de luz visível e 10% de luz ultravioleta, produzindo uma intensidade total de cerca de 1400 W/m2 no vácuo.
A atmosfera da Terra atenua aproximadamente 77% da radiação UV solar quando o Sol está no seu zénite, com a eficiência de absorção aumentando para comprimentos de onda UV mais curtos. Ao nível do solo, sob condições solares zenitais, a luz solar consiste em 44% de luz visível, 3% de radiação ultravioleta e o restante como infravermelho. A radiação ultravioleta que atinge a superfície da Terra é predominantemente (mais de 95%) composta pelos comprimentos de onda UVA mais longos, com uma fração menor sendo UVB. Praticamente nenhuma radiação UVC penetra na superfície da Terra. A proporção de UVA e UVB que atravessa a atmosfera é significativamente influenciada pela cobertura de nuvens e pelas condições atmosféricas prevalecentes. Durante períodos parcialmente nublados, manchas visíveis de céu azul entre as nuvens também contribuem para a dispersão de UVA e UVB, gerada através do espalhamento Rayleigh, análogo à produção de luz azul visível. Além disso, a radiação UVB influencia significativamente o desenvolvimento das plantas, afetando numerosos hormônios vegetais. Sob condições de nublado total, a espessura das nuvens e a latitude geográfica determinam criticamente a extensão da absorção, embora correlações precisas entre a espessura específica das nuvens e a absorção de UVA/UVB permaneçam indefinidas.
Os comprimentos de onda mais curtos de UVC, juntamente com a radiação UV solar ainda mais energética, são absorvidos pelo oxigênio atmosférico, iniciando a formação de ozônio dentro da camada de ozônio. Este processo ocorre quando átomos únicos de oxigênio, gerados pela fotólise UV do dioxigênio, reagem subsequentemente com moléculas adicionais de dioxigênio. A camada de ozônio desempenha um papel crucial na atenuação da maior parte da radiação UVB e do UVC residual que ainda não é absorvido pelo oxigênio molecular na baixa atmosfera.
Bloqueadores, absorvedores e janelas
Absorventes ultravioleta são compostos moleculares incorporados em materiais orgânicos, como polímeros e tintas, para mitigar a degradação induzida por UV (foto-oxidação), absorvendo a radiação UV incidente. Esses absorventes são suscetíveis à degradação ao longo do tempo, necessitando de monitoramento regular de suas concentrações em materiais expostos ao intemperismo ambiental.
Em formulações de filtros solares, compostos químicos orgânicos como avobenzona, oxibenzona e metoxicinamato de octila funcionam como absorvedores de UV ou "bloqueadores", atenuando a radiação UVA/UVB. Esses compostos orgânicos são distintos dos absorvedores de UV inorgânicos ou "bloqueadores", que incluem substâncias como dióxido de titânio e óxido de zinco.
Para produtos têxteis, o Fator de Proteção Ultravioleta (UPF) quantifica a proporção da radiação UV indutora de queimadura solar transmitida através da pele desprotegida versus a pele protegida pelo tecido, análogo ao Fator de Proteção Solar (FPS) usado para protetores solares. Os tecidos típicos de verão possuem valores de UPF em torno de 6, indicando que aproximadamente 20% da radiação UV incidente pode penetrá-los.
A incorporação de nanopartículas suspensas em vitrais inibe a radiação UV de induzir reações químicas que alteram as cores das imagens. Consequentemente, um conjunto de chips de referência de cores com vitrais está previsto para uso na calibração das câmeras coloridas da missão Mars Rover da ESA de 2019, aproveitando sua resistência ao desbotamento, apesar da intensa radiação UV predominante na superfície marciana.
O vidro comum de cal sodada, exemplificado pelo vidro de janela, exibe transparência parcial à radiação UVA, mas é opaco para comprimentos de onda mais curtos, permitindo especificamente aproximadamente 90% de transmissão de luz acima de 350 nm, enquanto obstrui mais de 90% da luz abaixo de 300 nm. Pesquisas indicam que as janelas automotivas normalmente permitem a penetração de 3 a 4% da radiação UV ambiente, especialmente para comprimentos de onda superiores a 380 nm. Por outro lado, certos tipos especializados de janelas de automóveis podem diminuir significativamente a transmissão UV acima de 335 nm. O quartzo fundido, dependendo do seu grau, pode manter a transparência mesmo em comprimentos de onda UV de vácuo. Quartzo cristalino e cristais específicos, incluindo CaF2 e MgF2, demonstram transmissão eficaz até comprimentos de onda de 150 nm ou 160 nm.
O vidro de Wood, um vidro de silicato de bário-sódio azul violeta profundo contendo aproximadamente 9% de óxido de níquel (II), foi desenvolvido durante a Primeira Guerra Mundial para facilitar comunicações secretas, obstruindo a luz visível. Este material permite a comunicação infravermelha diurna e ultravioleta noturna devido à sua transparência na faixa de 320 nm a 400 nm, bem como para comprimentos de onda infravermelhos mais longos e vermelhos quase visíveis. Seu pico de transmissão UV ocorre em 365 nm, um comprimento de onda característico emitido por lâmpadas de mercúrio.
Fontes Artificiais
Luzes Negras
Uma lâmpada de luz negra emite principalmente radiação UVA de onda longa enquanto produz luz visível mínima. As lâmpadas fluorescentes de luz negra operam segundo princípios análogos às lâmpadas fluorescentes convencionais, mas incorporam um revestimento de fósforo especializado na superfície do tubo interno que gera radiação UVA em vez de luz visível. Certas lâmpadas empregam um filtro óptico de vidro Wood roxo-azulado profundo, que obstrui efetivamente quase toda a luz visível com comprimentos de onda superiores a 400 nanômetros. A luminescência roxa característica que emana destes tubos não é a radiação ultravioleta em si, mas sim a luz roxa visível proveniente da linha espectral de 404 nm do mercúrio, que contorna o revestimento do filtro. Por outro lado, outros designs de luz negra utilizam vidro padrão em vez do vidro Wood, mais caro, resultando em uma aparência azul clara durante a operação. Luzes negras incandescentes também são fabricadas, apresentando um revestimento de filtro no envelope da lâmpada projetado para absorver a luz visível. Embora mais econômicas, essas lâmpadas são altamente ineficientes, convertendo apenas uma pequena fração de sua energia em radiação UV. Luzes negras de vapor de mercúrio, disponíveis em classificações de até 1 kW e equipadas com fósforo emissor de UV e envelope de vidro de Wood, são comumente utilizadas em produções teatrais e de concertos.
As luzes negras encontram aplicação em cenários onde a presença de luz visível estranha deve ser minimizada, principalmente para observar a fluorescência – a emissão colorida característica exibida por várias substâncias após exposição à luz UV. Além disso, lâmpadas que emitem radiação UVA/UVB são comercializadas para fins especializados, incluindo bronzeamento e criação de répteis.
Lâmpadas de vapor de mercúrio
Lâmpadas de vapor de mercúrio, construídas a partir de tubos de quartzo fundido contendo mercúrio e argônio, emitem luz ultravioleta caracterizada por dois picos distintos dentro da banda UVC em 253,7 nm e 185 nm, juntamente com alguma luz visível. Uma porção significativa, especificamente 85% a 90%, da radiação UV gerada por estas lâmpadas ocorre em 253,7 nm, tornando-a altamente eficaz como agente germicida. Além disso, estas lâmpadas produzem UV a 185 nm, o que é fundamental na geração de ozono, contribuindo para propriedades germicidas adicionais. Esses tubos possuem duas a três vezes a potência UVC de um tubo de lâmpada fluorescente padrão. Essas lâmpadas de baixa pressão normalmente exibem uma eficiência de aproximadamente 30–40%, o que implica que para cada 100 watts de energia elétrica consumida, elas produzem aproximadamente 30–40 watts de produção total de UV. Eles também emitem uma luz visível branco-azulada, atribuível a outras linhas espectrais de mercúrio. Essas lâmpadas "germicidas" são amplamente utilizadas para desinfecção de superfícies em laboratórios e indústrias de processamento de alimentos.
Lâmpadas incandescentes
Também são fabricadas lâmpadas incandescentes de 'luz negra', compostas por uma lâmpada incandescente equipada com um revestimento de filtro projetado para absorver a maior parte da luz visível. As lâmpadas halógenas com envelopes de quartzo fundido servem como fontes econômicas de luz UV na faixa próxima do UV (400 a 300 nm) em determinados instrumentos científicos. Devido ao seu espectro de corpo negro, uma lâmpada incandescente constitui uma fonte ultravioleta altamente ineficiente, convertendo apenas uma pequena fração de sua energia em radiação UV, uma característica explicada pelos princípios da radiação de corpo negro.
Lâmpadas de descarga de gás
Lâmpadas UV especializadas de descarga de gás, incorporando vários gases, geram radiação UV em linhas espectrais específicas para aplicações científicas. Lâmpadas de arco de argônio e deutério são frequentemente utilizadas como fontes de radiação estáveis, disponíveis em configurações sem janelas ou com diversos materiais de janela, como fluoreto de magnésio. Essas lâmpadas geralmente servem como fontes de emissão em equipamentos de espectroscopia UV empregados para análises químicas.
Fontes adicionais de ultravioleta (UV) que exibem espectros de emissão mais contínuos incluem lâmpadas de arco de xenônio, frequentemente empregadas como simuladores de luz solar, juntamente com lâmpadas de arco de deutério, lâmpadas de arco de mercúrio-xenônio e lâmpadas de arco de iodetos metálicos.
A lâmpada excimer, uma fonte ultravioleta (UV) introduzida no início dos anos 2000, está sendo cada vez mais adotada nas disciplinas científicas. Seus benefícios incluem alta intensidade, eficiência superior e capacidade de operar em diversas bandas de comprimento de onda, estendendo-se até o espectro ultravioleta de vácuo.
Diodos emissores de luz ultravioleta (LEDs)
Os diodos emissores de luz (LEDs) podem ser projetados para emitir radiação dentro do espectro ultravioleta. Em 2019, um progresso substancial nos cinco anos anteriores levou à disponibilidade de LEDs UVA com comprimentos de onda de 365 nm e mais, alcançando eficiências de 50% com uma saída de 1,0 W. Atualmente, os tipos predominantes de LED UV operam em comprimentos de onda de 395 nm e 365 nm, ambos dentro do espectro UVA. Embora o comprimento de onda nominal indique o pico de emissão, esses LEDs também produzem luz em comprimentos de onda superiores e inferiores.
Os LEDs UV de 395 nm, mais econômicos e predominantes, estão situados mais próximos do espectro visível, emitindo consequentemente uma tonalidade roxa. Por outro lado, outros LEDs UV, posicionados mais profundamente no espectro ultravioleta, produzem consideravelmente menos luz visível. Esses diodos são úteis em diversas aplicações, incluindo cura UV, ativação de objetos fosforescentes como pinturas ou brinquedos e servindo como iluminação para detecção de moeda falsificada e fluidos biológicos. Além disso, os LEDs UV são integrados em processos de impressão digital e ambientes de cura UV inertes. Desde o início dos anos 2000, os avanços tecnológicos melhoraram a sua produção e eficiência, estabelecendo-as como alternativas cada vez mais viáveis às lâmpadas UV convencionais para aplicações de cura. Consequentemente, o desenvolvimento de novos sistemas de cura UV LED para usos de alta intensidade constitui uma área de pesquisa significativa dentro da tecnologia de cura UV.
Os LEDs UVC estão passando por um rápido desenvolvimento; no entanto, a sua eficácia na desinfecção pode exigir verificação através de testes. As referências relativas à desinfecção de grandes áreas normalmente referem-se a fontes UV não LED, especificamente lâmpadas germicidas. Além disso, os LEDs UVC servem como fontes de linha, substituindo as lâmpadas de deutério em instrumentos de cromatografia líquida.
Lasers ultravioleta
Lasers a gás, diodos laser e lasers de estado sólido podem ser projetados para emitir radiação ultravioleta, com lasers disponíveis abrangendo todo o espectro UV. O laser de gás nitrogênio gera um feixe predominantemente UV através da excitação eletrônica de moléculas de nitrogênio, com suas linhas ultravioleta mais intensas ocorrendo nos comprimentos de onda de 337,1 nm e 357,6 nm. Os lasers Excimer representam outra categoria de lasers de gás de alta potência, amplamente empregados para sua emissão nas faixas de comprimento de onda ultravioleta e ultravioleta a vácuo. Atualmente, lasers excimer UV de fluoreto de argônio, operando a 193 nm, são utilizados rotineiramente na fabricação de circuitos integrados via fotolitografia. O atual limite de comprimento de onda para a produção coerente de UV é de aproximadamente 126 nm, uma característica do excimer laser Ar2*. Os diodos de laser com emissão direta de UV são comercialmente acessíveis a 375 nm. O desenvolvimento de lasers de estado sólido bombeados por diodo UV foi demonstrado usando cristais de fluoreto de alumínio e estrôncio dopados com cério (Ce:LiSAF), uma técnica pioneira na década de 1990 no Laboratório Nacional Lawrence Livermore. Lasers de estado sólido bombeados por diodo podem gerar comercialmente comprimentos de onda menores que 325 nm. Além disso, os lasers ultravioleta podem ser produzidos através da aplicação de conversão de frequência em lasers de frequência mais baixa.
Os lasers ultravioleta encontram aplicações em vários setores, incluindo indústria (por exemplo, gravação a laser), medicina (por exemplo, dermatologia e ceratectomia), química (por exemplo, MALDI), comunicação óptica em espaço livre, computação (por exemplo, armazenamento óptico) e fabricação de circuitos integrados.
Vácuo Ultravioleta Ajustável (VUV)
A banda ultravioleta de vácuo (V-UV), abrangendo 100–200 nm, pode ser produzida através da mistura não linear de quatro ondas em gases, utilizando mistura de frequência de soma ou diferença de dois ou mais lasers de comprimento de onda mais longo. Essa geração normalmente ocorre em gases, como o criptônio ou o hidrogênio, que exibem ressonância de dois fótons perto de 193 nm, ou em vapores metálicos, como o magnésio. Ao tornar um dos lasers constituintes sintonizável, a saída V-UV também pode ser ajustada. Quando um dos lasers ressoa com uma transição dentro do gás ou vapor, a produção de V-UV é aumentada. No entanto, tais ressonâncias também induzem a dispersão do comprimento de onda, o que pode, consequentemente, restringir a faixa sintonizável do processo de mistura de quatro ondas. A mixagem de frequência diferencial (ou seja, f§34§ + f§78§ - f§1112§) oferece uma vantagem sobre a mixagem de frequência de soma, pois suas características de correspondência de fase podem facilitar uma faixa de sintonia mais ampla.
Especificamente, a mistura de frequência de diferença de dois fótons de um excimer laser ArF (193 nm) com um laser visível ou infravermelho próximo sintonizável em hidrogênio ou criptônio gera radiação V-UV sintonizável ressonantemente aprimorada abrangendo 100 nm a 200 nm. No entanto, a ausência de materiais de janela de célula de gás/vapor apropriados além do comprimento de onda de corte do fluoreto de lítio restringe a faixa de sintonia a comprimentos de onda superiores a aproximadamente 110 nm. Comprimentos de onda V-UV ajustáveis tão baixos quanto 75 nm foram alcançados através do uso de configurações sem janelas.
Fontes de plasma e síncrotron de radiação ultravioleta extrema
Lasers têm sido empregados para produzir indiretamente radiação ultravioleta extrema (E-UV) não coerente a 13,5 nm, utilizada em litografia ultravioleta extrema. Esta radiação E-UV não é emitida diretamente pelo laser, mas se origina de transições de elétrons dentro de um plasma extremamente quente de estanho ou xenônio, que é excitado por um laser excimer. Este método evita a necessidade de um síncrotron enquanto ainda gera radiação UV na periferia do espectro de raios X. Além disso, as fontes de luz síncrotron são capazes de produzir todos os comprimentos de onda UV, incluindo aqueles no limite de 10 nm entre os espectros UV e de raios X.
Implicações para a saúde humana
O impacto da radiação ultravioleta na saúde humana é significativo para a compreensão dos riscos e benefícios associados à exposição solar, e também se refere às preocupações relativas às lâmpadas fluorescentes e à saúde. Embora a exposição excessiva ao sol possa ser prejudicial, a exposição moderada oferece efeitos benéficos.
Resultados benéficos
A radiação ultravioleta, especialmente UVB, estimula a produção de vitamina D pelo corpo, que é vital para o funcionamento fisiológico. Os humanos necessitam de um certo nível de exposição à radiação UV para manter níveis adequados de vitamina D. De acordo com a Organização Mundial da Saúde:
Não há dúvida de que um pouco de sol faz bem! Mas 5 a 15 minutos de exposição casual das mãos, rosto e braços ao sol, duas a três vezes por semana durante os meses de verão, são suficientes para manter altos os níveis de vitamina D.
A vitamina D também pode ser obtida através da ingestão e suplementação alimentar. Por outro lado, a exposição excessiva ao sol leva a efeitos prejudiciais.
Aplicações dermatológicas
A radiação ultravioleta também é empregada no tratamento de certas condições dermatológicas. A fototerapia moderna tem se mostrado eficaz no tratamento de psoríase, eczema, icterícia, vitiligo, dermatite atópica e esclerodermia localizada. Além disso, sabe-se que a radiação UV, especificamente a radiação UVB, induz a paragem do ciclo celular nos queratinócitos, que são o tipo de célula da pele mais prevalente. Consequentemente, a terapia solar representa uma abordagem terapêutica potencial para doenças como psoríase e queilite esfoliativa, onde as células da pele apresentam divisão acelerada ou excessiva.
Efeitos prejudiciais
Em humanos, a exposição excessiva à radiação ultravioleta pode levar a efeitos prejudiciais agudos e crônicos no sistema dióptrico ocular e na retina. O risco é aumentado em altitudes elevadas, e os indivíduos que residem em regiões de alta latitude, onde a cobertura de neve persiste até o início do verão e os ângulos zenitais solares permanecem baixos, são particularmente suscetíveis. Além disso, a pele, o sistema circadiano e o sistema imunológico podem ser afetados negativamente.
Os efeitos diferenciais de vários comprimentos de onda de luz na córnea e na pele humanas são chamados de "espectro de ação eritemal". Este espectro de ação indica que, embora o UVA não provoque uma reação imediata, a radiação UV inicia fotoceratite e eritema cutâneo (com indivíduos de pele mais clara exibindo maior sensibilidade) em comprimentos de onda começando perto do início da banda UVB em 315 nm e intensificando-se rapidamente em direção a 300 nm. A pele e os olhos demonstram sensibilidade máxima aos danos UV em 265–275 nm, que está dentro da banda UVC inferior. Em comprimentos de onda UV progressivamente mais curtos, os danos persistem, embora as manifestações evidentes sejam menos pronunciadas devido à penetração atmosférica mínima. O índice ultravioleta padrão da OMS é uma métrica amplamente divulgada que quantifica a intensidade cumulativa dos comprimentos de onda UV responsáveis pelas queimaduras solares na pele humana, ponderando a exposição UV de acordo com os efeitos do espectro de ação num momento e local específicos. Este padrão revela que a maioria dos incidentes de queimaduras solares são atribuíveis à radiação UV em comprimentos de onda próximos à interface das bandas UVA e UVB.
Danos Dérmicos
A superexposição à radiação UVB pode causar não apenas queimaduras solares, mas também certas formas de malignidade cutânea. No entanto, a extensão do eritema e da irritação ocular (que em grande parte não são induzidos pelos UVA) não prevêem com segurança as consequências a longo prazo da exposição aos UV, apesar de reflectirem os danos directos ao ADN induzidos pela radiação ultravioleta.
Todas as bandas de radiação ultravioleta induzem danos nas fibras de colagénio e aceleram o envelhecimento dérmico. Tanto os UVA quanto os UVB esgotam a vitamina A da pele, levando potencialmente a danos celulares adicionais.
A radiação UVB é capaz de induzir danos diretos ao DNA. Esta ligação estabelecida com o cancro constitui uma preocupação significativa relativamente à destruição da camada de ozono e à formação do buraco na camada de ozono.
O melanoma, a forma mais letal de cancro da pele, resulta principalmente de danos no ADN distintos da radiação UVA, evidenciados pela ausência de uma mutação direta de assinatura UV em 92% de todos os casos de melanoma. A superexposição intensa e infrequente e as queimaduras solares provavelmente representam um risco maior de desenvolvimento de melanoma do que a exposição moderada e prolongada. O UVC, caracterizado como o tipo de radiação ultravioleta de maior energia e mais perigoso, provoca efeitos prejudiciais que podem ser mutagênicos e cancerígenos.
Historicamente, o UVA era considerado inofensivo ou menos prejudicial do que o UVB; no entanto, o conhecimento actual indica a sua contribuição para o cancro da pele através de danos indirectos no ADN, mediados por radicais livres, como espécies reactivas de oxigénio. A radiação UVA pode gerar intermediários químicos altamente reativos, incluindo radicais hidroxila e oxigênio, que subsequentemente induzem danos ao DNA. O dano indireto ao DNA causado pela UVA envolve predominantemente quebras de fita simples, enquanto o dano induzido por UVB abrange a formação direta de dímeros de timina ou citosina e quebra de fita dupla de DNA. Além disso, o UVA exerce efeitos imunossupressores sistêmicos, sendo responsável por uma parcela substancial do impacto imunossupressor da exposição à luz solar, e é mutagênico para os queratinócitos das células basais da pele.
Os fótons UVB são capazes de infligir danos diretos ao DNA. Especificamente, a radiação UVB excita moléculas de DNA dentro das células dérmicas, levando à formação de ligações covalentes anômalas entre bases pirimidinas contíguas, gerando assim um dímero. A maioria dos dímeros de pirimidina induzidos por UV no DNA são subsequentemente eliminados através do reparo por excisão de nucleotídeos, um processo que envolve aproximadamente 30 proteínas distintas. Os dímeros de pirimidina que escapam a este mecanismo de reparação podem desencadear a morte celular programada (apoptose) ou induzir erros de replicação do ADN, resultando em mutações.
A radiação UVB induz danos no ARNm, iniciando uma via rápida que culmina em inflamação cutânea e queimaduras solares. Inicialmente, o dano ao mRNA provoca uma resposta ribossômica mediada pela proteína ZAK-alfa, característica de uma resposta ribotóxica ao estresse. Este mecanismo funciona como um sistema de vigilância celular. A detecção subsequente de danos no RNA leva à sinalização inflamatória e ao recrutamento de células imunológicas. Este processo, em vez da detecção mais lenta de danos no DNA, é responsável pela inflamação da pele induzida por UVB e queimaduras solares agudas.
Em resposta a níveis moderados de radiação UV, que variam de acordo com o tipo de pele, a pele aumenta a produção do pigmento marrom melanina, um fenômeno comumente denominado bronzeado solar. A principal função da melanina é absorver a radiação UV e dissipar a energia absorvida como calor inócuo, protegendo assim a pele dos danos diretos e indiretos do DNA induzidos pelos UV. A exposição UVA resulta num bronzeado rápido e transitório que dura vários dias, conseguido através da oxidação da melanina existente e da estimulação da sua libertação dos melanócitos. Por outro lado, a exposição UVB provoca um bronzeado que normalmente requer aproximadamente dois dias para se manifestar, pois estimula a síntese de melanina adicional no corpo.
A segurança das formulações de protetores solares é um assunto de debate contínuo.
As autoridades médicas defendem a proteção dos pacientes contra a radiação UV através da aplicação de protetor solar. A pesquisa demonstrou que cinco ingredientes específicos de proteção solar oferecem proteção contra tumores de pele em modelos murinos. No entanto, certos filtros solares químicos podem gerar substâncias potencialmente deletérias quando expostos à luz na presença de células vivas. A quantidade de protetor solar absorvida nas camadas dérmicas mais profundas pode ser suficiente para induzir danos celulares.
O protetor solar mitiga os danos diretos ao DNA responsáveis pelas queimaduras solares, obstruindo a radiação UVB, com a classificação FPS padrão quantificando a eficácia desse bloqueio. Conseqüentemente, o FPS também é conhecido como UVB-PF, denotando “fator de proteção UVB”. Esta classificação, no entanto, não fornece informações sobre a proteção crucial contra os raios UVA, que, embora não causem principalmente queimaduras solares, permanecem prejudiciais devido à sua indução de danos indiretos no DNA e à sua classificação como cancerígena. Múltiplas investigações propõem que a falta de filtros UVA poderia explicar a elevada incidência de melanoma observada entre usuários de protetor solar em comparação com não usuários. Certas formulações de filtros solares incorporam dióxido de titânio, óxido de zinco e avobenzona, que contribuem para a proteção contra raios UVA.
Os atributos fotoquímicos da melanina a estabelecem como um fotoprotetor excepcional. Em contraste, os compostos de proteção solar são menos eficazes que a melanina na dissipação da energia do estado excitado. Consequentemente, se os componentes do filtro solar permeiam as camadas dérmicas mais profundas, existe um potencial para um aumento nas espécies reativas de oxigênio. A quantidade de filtro solar que penetra no estrato córneo pode ou não ser suficiente para induzir danos celulares.
Um estudo de 2006 realizado por Hanson et al. quantificaram espécies reativas de oxigênio (ROS) prejudiciais tanto na pele não tratada quanto na pele tratada com protetor solar. Durante os 20 minutos iniciais, o filme protetor solar demonstrou efeito protetor, resultando em contagem reduzida de ERO. No entanto, após 60 minutos, a concentração do filtro solar absorvido tornou-se suficientemente elevada para causar um nível mais elevado de ERO na pele tratada em comparação com a pele não tratada. Esta pesquisa sugere que a reaplicação do protetor solar dentro de duas horas é crucial para evitar que a luz ultravioleta atinja células vivas da pele permeadas pelo protetor solar.
Agravação de condições dermatológicas específicas
A radiação ultravioleta tem o potencial de exacerbar inúmeras condições e doenças dermatológicas, como lúpus eritematoso sistêmico, síndrome de Sjögren, síndrome de Sinear Usher, rosácea, dermatomiosite, doença de Darier, síndrome de Kindler-Weary e poroceratose.
Deficiência ocular
O olho humano apresenta um pico de suscetibilidade aos danos ultravioleta na faixa UVC inferior, especificamente entre 265 e 275 nm. Embora a radiação solar neste comprimento de onda esteja praticamente ausente na superfície da Terra, ela é gerada por fontes artificiais, como os arcos elétricos usados na soldagem a arco. A exposição desprotegida a tais fontes pode induzir "flash de soldador" ou "arco ocular" (fotoceratite), levando potencialmente ao desenvolvimento de catarata, pterígio e pinguécula. Além disso, a radiação solar UVB, variando de 310 a 280 nm, também pode causar fotoceratite ("cegueira da neve"), com danos potenciais que se estendem à córnea, cristalino e retina.
Indivíduos expostos à radiação ultravioleta beneficiam-se significativamente com óculos de proteção. Dado que a luz pode acessar os olhos lateralmente, uma proteção ocular abrangente é normalmente aconselhável em situações que envolvam risco de exposição elevado, como montanhismo em grandes altitudes. Os montanhistas encontram níveis invulgarmente elevados de radiação UV devido à diminuição da filtração atmosférica e ao aumento da reflexão da neve e do gelo. Óculos padrão e não tratados oferecem um certo grau de proteção. A maioria das lentes plásticas oferece proteção superior em comparação às lentes de vidro, principalmente porque o vidro é permeável aos UVA, enquanto os plásticos acrílicos comuns usados nas lentes apresentam menor permeabilidade. Certos materiais plásticos para lentes, incluindo policarbonato, obstruem intrinsecamente a maior parte da radiação UV.
Deterioração de polímeros, pigmentos e corantes
A degradação ultravioleta (UV) representa um tipo específico de degradação de polímeros que afeta os plásticos submetidos à radiação solar. Este fenômeno se manifesta como descoloração, desbotamento, rachaduras, diminuição da resistência mecânica ou desintegração do material. A gravidade destes efeitos intensifica-se com a duração prolongada da exposição e o aumento da intensidade da luz solar. A incorporação de absorvedores de UV pode mitigar esses resultados prejudiciais.
Os polímeros suscetíveis à degradação por UV incluem termoplásticos e fibras especializadas, como aramidas. A absorção da radiação UV inicia a degradação da cadeia, resultando numa redução da resistência em locais vulneráveis dentro da estrutura molecular do polímero. Consequentemente, as cordas de aramida necessitam de proteção com uma bainha termoplástica para manter sua integridade estrutural.
Numerosos pigmentos e corantes absorvem a radiação ultravioleta, levando à alteração cromática; portanto, as pinturas e os têxteis requerem frequentemente protecção adicional tanto da luz solar como das lâmpadas fluorescentes, que são fontes predominantes de radiação UV. Embora o vidro de janela padrão absorva uma porção de UV prejudicial, artefatos valiosos normalmente exigem proteção aprimorada. Por exemplo, muitos museus utilizam cortinas pretas para cobrir pinturas em aquarela e tecidos antigos. Dado que as aquarelas frequentemente possuem baixas concentrações de pigmentos, elas necessitam particularmente de uma proteção UV robusta. Diversos tipos de vidro para molduras de quadros, incluindo acrílicos (plexiglas), laminados e revestimentos especializados, fornecem níveis variados de proteção contra luz UV e visível.
Aplicativos
Devido à sua capacidade de induzir reações químicas e excitar a fluorescência do material, a radiação ultravioleta possui uma ampla gama de aplicações. A tabela a seguir descreve vários usos associados a bandas de comprimento de onda específicas dentro do espectro UV.
- 13,5 nm: litografia ultravioleta extrema
- 30–200 nm: Fotoionização, espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta, fabricação de circuitos integrados convencionais via fotolitografia
- 230–365 nm: UV-ID, rastreamento de etiquetas, identificação de código de barras
- Na faixa 230–400 nm, a radiação ultravioleta é empregada em sensores ópticos e diversos instrumentos.
- O espectro 240–280 nm é utilizado para desinfecção e descontaminação de superfícies e água, aproveitando o pico de absorção de DNA em 260 nm, e é comumente encontrado em lâmpadas germicidas.
- Para análise forense e detecção de drogas, a faixa de comprimento de onda 200–400 nm é aplicada.
- Aplicações em análise de proteínas, sequenciamento de DNA e descoberta de medicamentos frequentemente empregam a faixa ultravioleta 270–360 nm.
- As imagens médicas de células utilizam radiação ultravioleta na banda 280–400 nm.
- Na medicina, a fototerapia geralmente envolve a faixa de comprimento de onda 300–320 nm.
- A cura de polímeros e tintas de impressora é realizada usando luz ultravioleta no espectro 300–365 nm.
- Os exterminadores de insetos operam na faixa de 350–370 nm, visando especificamente o comprimento de onda de 365 nm, para o qual as moscas são mais atraídas.
Fotografia
Embora o filme fotográfico apresente sensibilidade à radiação ultravioleta, as lentes de câmeras convencionais, normalmente feitas de vidro, geralmente obstruem comprimentos de onda abaixo de 350 nm. Para mitigar o azulamento indesejável e a superexposição causada pelos raios UV na fotografia ao ar livre, filtros bloqueadores de UV levemente amarelados são frequentemente empregados. Filtros especializados são necessários para fotografia quase UV. A captura de imagens com comprimentos de onda inferiores a 350 nm requer o uso de lentes de quartzo dedicadas, projetadas para não absorver essa radiação. Os sensores de câmeras digitais geralmente incorporam filtros internos para bloquear a luz UV, melhorando assim a precisão da reprodução de cores. Esses filtros internos às vezes podem ser removidos ou estar ausentes, permitindo que um filtro externo de luz visível adapte a câmera para fotografia quase UV. Além disso, um número limitado de câmeras é projetado especificamente para imagens ultravioleta.
A fotografia que utiliza radiação ultravioleta refletida mostra-se valiosa em investigações médicas, científicas e forenses. Suas aplicações são amplas, abrangendo a detecção de hematomas na pele, a identificação de alterações documentais e a avaliação de trabalhos de restauração de pinturas. Ao capturar a fluorescência gerada pela iluminação ultravioleta, são empregados comprimentos de onda de luz visível.
A astronomia ultravioleta emprega medições para determinar a composição química do meio interestelar, juntamente com a temperatura e a composição elementar das estrelas. Dado que a camada de ozono da Terra impede que numerosas frequências UV cheguem aos telescópios terrestres, a maioria das observações ultravioleta são realizadas a partir do espaço.
Indústria Elétrica e Eletrônica
A descarga corona que ocorre em aparelhos elétricos é detectável através de suas emissões ultravioletas características. Este fenômeno leva à degradação do isolamento elétrico e à liberação de ozônio e óxidos de nitrogênio.
As memórias somente leitura programáveis apagáveis (EPROMs) são apagadas através da exposição à radiação ultravioleta. Esses módulos possuem uma janela de quartzo transparente situada na superfície superior do chip, o que facilita a entrada da radiação UV.
Aplicações de corantes fluorescentes
Corantes fluorescentes incolores, que emitem luz azul quando expostos à radiação ultravioleta, são incorporados em papéis e tecidos como branqueadores ópticos. A luminescência azul produzida por esses agentes neutraliza efetivamente quaisquer tonalidades amarelas inerentes, aumentando assim a brancura ou vibração percebida das cores.
Corantes fluorescentes ultravioleta, que exibem luminescência em cores primárias, são utilizados em tintas, papéis e têxteis. Sua finalidade é aumentar a intensidade da cor sob condições de luz diurna ou gerar efeitos visuais distintos quando iluminados por lâmpadas UV. As tintas Blacklight, contendo corantes que fluorescem sob a luz UV, encontram aplicação em vários contextos artísticos e estéticos.
Para combater a falsificação de moeda e a falsificação de documentos essenciais, como carteiras de motorista e passaportes, o papel pode incorporar uma marca d'água UV ou fibras multicoloridas fluorescentes, ambas visíveis sob luz ultravioleta. Além disso, os selos postais são frequentemente marcados com um fósforo que fica fluorescente sob os raios UV, permitindo a detecção e orientação automatizadas da correspondência.
Os corantes fluorescentes ultravioleta são empregados em inúmeras aplicações, incluindo bioquímica e forense. Certas formulações de spray de pimenta depositam uma substância química invisível, especificamente um corante UV, no agressor. Este corante é resistente à fácil remoção, auxiliando assim a aplicação da lei na posterior identificação do indivíduo.
Dentro de certas metodologias de testes não destrutivos, a luz ultravioleta estimula corantes fluorescentes para revelar defeitos em uma ampla variedade de materiais. Esses corantes podem penetrar em imperfeições superficiais por meio de ação capilar, um processo conhecido como inspeção por líquido penetrante. Alternativamente, eles podem aderir a partículas de ferrita aprisionadas em campos de vazamento magnético em materiais ferrosos, uma técnica chamada inspeção de partículas magnéticas.
Aplicativos analíticos
Forense
A radiação ultravioleta (UV) serve como um instrumento de investigação crucial em cenas de crime, facilitando a localização e identificação de fluidos biológicos como sêmen, sangue e saliva. Fontes UV de alta potência, por exemplo, podem detectar fluidos ejaculados ou saliva, independentemente da textura ou cor da superfície onde o fluido está depositado. Além disso, a microespectroscopia UV-visível é empregada para a análise de vestígios, incluindo fibras têxteis, lascas de tinta e documentos contestados.
Aplicações adicionais abrangem a autenticação de diversos itens colecionáveis e obras de arte, juntamente com a detecção de moeda falsa. Notavelmente, mesmo materiais não tratados especificamente com corantes sensíveis aos UV podem exibir fluorescência característica quando expostos à radiação UV, ou podem apresentar fluorescência distinta sob ondas curtas em comparação com a luz ultravioleta de ondas longas.
Aprimorar o contraste da tinta
A imagem multiespectral permite a decifração de papiros ilegíveis, incluindo os pergaminhos carbonizados da Vila dos Papiros ou Oxirrinco e o palimpsesto de Arquimedes. Esta metodologia envolve fotografar o documento obscurecido através de vários filtros no espectro infravermelho ou ultravioleta, calibrados com precisão para capturar comprimentos de onda de luz específicos. Consequentemente, a região espectral ideal pode ser identificada para diferenciar a tinta do substrato de papiro.
Fontes básicas de ultravioleta próximo (NUV) são eficazes para acentuar tinta desbotada à base de ferro em pergaminho.
Conformidade Sanitária
A radiação ultravioleta auxilia na identificação de depósitos residuais de materiais orgânicos em superfícies onde os processos rotineiros de limpeza e higienização podem ter sido inadequados. Sua aplicação se estende ao setor de hospitalidade, manufatura e outras indústrias que exigem inspeção de padrões de limpeza ou níveis de contaminação.
Um tema jornalístico recorrente para inúmeras organizações de notícias televisivas envolve repórteres investigativos que empregam dispositivos comparáveis para expor condições insalubres em estabelecimentos como hotéis, banheiros públicos e corrimãos.
Química
A espectroscopia UV/Vis é amplamente utilizada em química para análise de estrutura química, particularmente para sistemas conjugados. A radiação ultravioleta frequentemente serve para excitar uma amostra, com a subsequente emissão fluorescente medida por um espectrofluorômetro. Na investigação biológica, a radiação UV é aplicada para a quantificação de ácidos nucleicos ou proteínas. Na química ambiental, a radiação UV também pode facilitar a detecção de contaminantes de preocupação emergente em amostras de água.
Para aplicações de controle de poluição, analisadores ultravioleta são empregados para detectar emissões como óxidos de nitrogênio, compostos de enxofre, mercúrio e amônia, por exemplo, nos gases de combustão de usinas de energia movidas a combustíveis fósseis. A radiação ultravioleta é capaz de identificar filmes finos de óleo derramado na água, aproveitando a alta refletividade dos filmes de óleo em comprimentos de onda UV, a fluorescência dos compostos dentro do óleo ou a absorção da luz UV gerada pelo espalhamento Raman na água. Além disso, a absorbância de UV pode ser utilizada para quantificar contaminantes em águas residuais, com a absorbância de UV de 254 nm comumente servindo como um parâmetro substituto para quantificar a matéria orgânica natural (NOM). Um método alternativo de detecção baseado em luz envolve uma matriz de emissão de excitação (EEM) para identificar e caracterizar contaminantes com base em suas propriedades de fluorescência inerentes. EEM pode diferenciar vários grupos de NOM observando diferenças na emissão de luz e excitação de fluoróforos. Está documentado que NOMs que possuem estruturas moleculares específicas exibem propriedades fluorescentes em um amplo espectro de comprimentos de onda de excitação/emissão. Além disso, as lâmpadas ultravioleta são essenciais para a análise de certos minerais e pedras preciosas.
Aplicações da Ciência dos Materiais
Detecção de incêndio
Geralmente, os detectores ultravioleta incorporam um dispositivo de estado sólido, como um fabricado de carboneto de silício ou nitreto de alumínio, ou um tubo cheio de gás como elemento sensor primário. Os detectores UV, que são sensíveis à radiação ultravioleta em qualquer parte do espectro, reagem à irradiação da luz solar e de fontes de luz artificial. Por exemplo, uma chama de hidrogénio emite fortemente na faixa de 185 a 260 nanômetros, mas muito fracamente na região do infravermelho (IR), enquanto uma chama de carvão exibe emissão muito fraca na banda UV, mas forte emissão em comprimentos de onda IR. Consequentemente, um detector de incêndio que integra capacidades de detecção UV e IR oferece maior confiabilidade do que um detector UV independente. Quase todos os incêndios produzem alguma radiação na banda UVC, uma região espectral onde a radiação solar é absorvida pela atmosfera terrestre. Esta característica torna o detector UV "cego solar", o que significa que ele não acionará um alarme devido à radiação solar, permitindo assim sua implantação eficaz em ambientes internos e externos.
Os detectores ultravioleta (UV) apresentam sensibilidade a um amplo espectro de incêndios, abrangendo hidrocarbonetos, metais, enxofre, hidrogênio, hidrazina e amônia. Vários fenômenos, como soldagem a arco, arcos elétricos, raios, raios X utilizados em equipamentos de teste de metais não destrutivos (embora altamente improváveis) e materiais radioativos, são capazes de gerar níveis de radiação suficientes para ativar um sistema de detecção UV. Por outro lado, a presença de gases e vapores que absorvem UV causa a atenuação da radiação UV emitida por um incêndio, comprometendo assim a capacidade do detector de identificar chamas. Da mesma forma, a névoa de óleo transportada pelo ar ou uma película de óleo depositada na janela do detector produzirá um efeito prejudicial análogo.
Fotolitografia
A radiação ultravioleta é empregada para fotolitografia de alta resolução, um processo que envolve a exposição de um produto químico fotorresistente à radiação UV transmitida através de uma máscara. Esta exposição inicia reações químicas dentro do fotorresistente. Após a remoção do fotorresiste não exposto ou indesejado, um padrão preciso, ditado pela máscara, é retido no substrato da amostra. Outras etapas de processamento podem então ser implementadas para gravar, depositar material ou de outra forma modificar as regiões da amostra não protegidas pelo fotorresistente restante. A fotolitografia é uma técnica fundamental na fabricação de semicondutores, componentes de circuitos integrados e placas de circuito impresso. Os processos de fotolitografia utilizados para a fabricação de circuitos integrados eletrônicos empregam atualmente radiação UV de 193 nm, com aplicações experimentais explorando UV de 13,5 nm para litografia ultravioleta extrema (EUV).
Polímeros
Componentes eletrônicos que necessitam de transparência óptica para transmissão de luz (por exemplo, painéis fotovoltaicos e sensores) podem ser encapsulados ou “envasados” com resinas acrílicas, que são posteriormente curadas por meio de energia UV. Este método oferece vantagens distintas, incluindo emissões mínimas de compostos orgânicos voláteis (VOC) e tempos de cura acelerados.
Formulações específicas de tintas, revestimentos e adesivos incorporam fotoiniciadores e resinas. Após a exposição à luz ultravioleta, estes materiais sofrem polimerização, levando ao endurecimento ou cura, normalmente em questão de segundos. Diversas aplicações abrangem colagem de vidro e plástico, revestimentos de fibra óptica, revestimentos de piso, revestimentos UV e acabamentos de papel utilizados em impressão offset, obturações dentárias, adesivos hidrofóbicos ativados por luz e géis decorativos para unhas.
As fontes ultravioleta empregadas em aplicações de cura UV incluem lâmpadas UV, LEDs UV e lâmpadas de excimer flash. Processos industriais rápidos, como impressão flexográfica ou offset, necessitam de luz UV de alta intensidade, que normalmente é focada por refletores em um substrato e meio em movimento. Consequentemente, lâmpadas dopadas com mercúrio (Hg) ou ferro (Fe) de alta pressão, energizadas por arcos elétricos ou microondas, são comumente utilizadas. Por outro lado, lâmpadas fluorescentes e LEDs de baixa potência são adequados para aplicações de cura estática. Além disso, lâmpadas menores de alta pressão podem direcionar e transmitir luz para a área de trabalho através de guias de luz preenchidos com líquido ou de fibra óptica.
A interação da radiação UV com polímeros é aproveitada para modificar as propriedades da superfície, especificamente a rugosidade e a hidrofobicidade. Por exemplo, uma superfície de poli(metacrilato de metila) pode obter suavização através da exposição à radiação ultravioleta a vácuo.
A radiação ultravioleta se mostra benéfica na preparação de polímeros de baixa energia superficial para melhor ligação adesiva. A exposição à radiação UV induz a oxidação dos polímeros, aumentando consequentemente a sua energia superficial. Esta energia superficial elevada resulta subsequentemente numa ligação mais forte entre o adesivo e o substrato polimérico.
Usos relacionados à biologia
Purificação do ar
A radiação UV-C é empregada em sistemas de ar condicionado para melhorar a qualidade do ar interior através da desinfecção do ar e da inibição da proliferação microbiana. A radiação UV-C demonstra eficácia na erradicação ou inativação de microorganismos prejudiciais, incluindo bactérias, vírus, fungos e bolor. Após a integração num sistema de ar condicionado, a fonte de luz ultravioleta é normalmente posicionada dentro da unidade de tratamento de ar ou adjacente à serpentina do evaporador. Nestes sistemas, a luz UV-C funciona irradiando o fluxo de ar circulante, eliminando ou neutralizando assim microorganismos nocivos antes da sua recirculação no ambiente interior. A eficácia geral do UV-C em aplicações de ar condicionado depende de diversas variáveis, incluindo intensidade da luz, duração da exposição, velocidade do fluxo de ar e limpeza dos componentes internos do sistema.
Utilizando uma reação química catalítica envolvendo dióxido de titânio e exposição UVC, a oxidação da matéria orgânica transforma patógenos, pólenes e esporos de mofo em subprodutos inertes e inócuos. No entanto, a via de reação entre o dióxido de titânio e o UVC é complexa e envolve várias etapas. Centenas de reações intermediárias podem ocorrer antes do estágio de subproduto inerte, potencialmente gerando compostos intermediários indesejáveis, como formaldeído, aldeídos e outros compostos orgânicos voláteis (COVs) antes de atingir a inércia completa. Consequentemente, a aplicação de dióxido de titânio e UVC necessita de parâmetros operacionais precisos para alcançar resultados eficazes e seguros. O mecanismo fundamental da purificação baseada em UV é fotoquímico. Contaminantes ambientais internos, predominantemente compostos orgânicos à base de carbono, sofrem degradação após exposição à radiação UV de alta intensidade no espectro de 240 a 280 nm. Especificamente, a radiação ultravioleta de ondas curtas é capaz de danificar o DNA dos microrganismos vivos. A eficácia da UVC está diretamente correlacionada com a sua intensidade e a duração da exposição.
A radiação ultravioleta demonstrou adicionalmente eficácia na mitigação de contaminantes gasosos, como monóxido de carbono e VOCs. Especificamente, as lâmpadas UV que emitem a 184 nm e 254 nm podem eliminar baixas concentrações de hidrocarbonetos e monóxido de carbono, desde que o ar seja recirculado continuamente entre o espaço tratado e a câmara da lâmpada. Esta configuração é crucial para evitar a introdução de ozono no ar purificado. Alternativamente, a purificação do ar pode ser alcançada direcionando o ar através de uma única fonte UV de 184 nm, seguida pela passagem sobre pentóxido de ferro para neutralizar qualquer ozônio gerado pela lâmpada UV.
Esterilização e desinfecção
As lâmpadas ultravioleta são rotineiramente empregadas para a esterilização de espaços de trabalho e instrumentação em laboratórios biológicos e ambientes médicos. As lâmpadas comerciais de vapor de mercúrio de baixa pressão normalmente emitem aproximadamente 86% de sua radiação a 254 nanômetros (nm), um comprimento de onda próximo ao pico de eficácia germicida em 265 nm. Nestes comprimentos de onda germicidas, a radiação UV induz danos no ADN/ARN de um microrganismo, inibindo assim a sua capacidade reprodutiva e tornando-o inócuo, mesmo que o próprio organismo não seja imediatamente destruído. Dado que os microrganismos podem ser protegidos da radiação ultravioleta em pequenas fendas e outras regiões sombreadas, estas lâmpadas servem exclusivamente como complemento às metodologias de esterilização primária.
Os diodos emissores de luz (LEDs) UVC representam uma inovação comercial relativamente recente que está sendo cada vez mais adotada. Seu perfil de emissão monocromática (±5 nm) permite direcionamento preciso de comprimentos de onda específicos otimizados para desinfecção. Esta capacidade é particularmente significativa, considerando as diferentes sensibilidades de diferentes patógenos a comprimentos de onda UV específicos. Além disso, os LEDs não contêm mercúrio, oferecem ativação e desativação instantâneas e permitem ciclos operacionais ilimitados.
A desinfecção baseada em radiação ultravioleta é amplamente implementada no tratamento de águas residuais e está sendo cada vez mais adotada nos processos municipais de purificação de água potável. Numerosas instalações comerciais de engarrafamento de água mineral utilizam sistemas de desinfecção UV para esterilizar seus produtos. A desinfecção solar da água (SODIS) tem sido investigada como um método econômico para purificar água contaminada através da exposição à luz solar natural. Este processo depende dos efeitos sinérgicos da irradiação UVA e das temperaturas elevadas da água para inativar microorganismos.
A radiação ultravioleta é empregada em várias aplicações de processamento de alimentos para eliminar microorganismos indesejáveis. Por exemplo, os raios UV podem pasteurizar sucos de frutas direcionando o líquido sobre uma fonte ultravioleta de alta intensidade. A eficácia deste processo depende das características inerentes de absorção de UV do suco.
A luz pulsada (PL) é uma metodologia para inativação microbiana de superfície que utiliza pulsos de luz intensos e de amplo espectro, particularmente ricos em radiação UVC na faixa de 200 a 280 nm. Os sistemas PL normalmente empregam lâmpadas de flash de xenônio capazes de gerar vários flashes por segundo. A tecnologia UV pulsada também está integrada em robôs de desinfecção autônomos.
A pesquisa demonstrou a eficácia antimicrobiana da luz UVC distante filtrada (222 nm) contra uma ampla gama de patógenos, incluindo bactérias e fungos, inibindo seu crescimento. Dados os seus efeitos nocivos reduzidos, esta tecnologia oferece um potencial significativo para uma desinfecção fiável em ambientes de saúde, como hospitais e instalações de cuidados de longa duração. Além disso, o UVC demonstrou eficácia na degradação do vírus SARS-CoV-2.
Biológico
Uma grande variedade de espécies, incluindo pássaros, répteis, insetos (por exemplo, abelhas) e mamíferos (por exemplo, ratos, renas, cães, gatos), possuem a capacidade de perceber comprimentos de onda quase ultravioleta. Esta capacidade visual aumenta a distinção de numerosos frutos, flores e sementes em relação ao seu fundo quando vistos em luz ultravioleta, um contraste muitas vezes imperceptível à visão humana das cores. Além disso, os escorpiões exibem uma fluorescência amarela a verde sob iluminação UV, uma característica explorada no seu manejo. A plumagem das aves freqüentemente exibe padrões que são invisíveis sob a luz típica, mas que se tornam aparentes no ultravioleta. Da mesma forma, a urina e outras secreções de vários animais, incluindo caninos, felinos e humanos, são significativamente mais discerníveis sob luz ultravioleta. Esta propriedade permite que os técnicos de controle de pragas identifiquem rastros de urina de roedores, facilitando o tratamento eficaz de instalações infestadas.
As borboletas empregam radiação ultravioleta como um sofisticado sistema de comunicação para reconhecimento sexual e comportamentos de acasalamento. Por exemplo, os machos da espécie de borboleta Colias eurytheme utilizam pistas visuais, especificamente a coloração que reflete ultravioleta das asas traseiras das fêmeas, para localizar e identificar potenciais parceiros, em vez de depender de estímulos químicos. A investigação sobre as borboletas Pieris napi revelou que as fêmeas que habitam o norte da Finlândia, um ambiente caracterizado por uma menor radiação UV ambiente, exibiam sinais UV mais potentes para atrair os machos em comparação com as suas congéneres nas regiões mais a sul. Esta observação sugere uma restrição evolutiva, indicando que aumentar a sensibilidade UV ocular masculina pode ser mais desafiador do que aumentar os sinais UV produzidos pelas mulheres.
Numerosas espécies de insetos utilizam emissões ultravioletas de corpos celestes como referências de navegação durante o voo. Consequentemente, a presença de um emissor ultravioleta localizado normalmente perturba este processo natural de navegação, muitas vezes resultando na atração do inseto voador em direção à fonte artificial.
A proteína verde fluorescente (GFP) serve como um marcador amplamente utilizado na pesquisa genética. Além disso, numerosas substâncias biológicas, incluindo várias proteínas, exibem bandas distintas de absorção de luz dentro do espectro ultravioleta, uma característica de considerável interesse na bioquímica e em disciplinas afins. Conseqüentemente, os laboratórios nessas áreas geralmente utilizam espectrofotômetros com capacidade de UV para fins analíticos.
Armadilhas ultravioleta, comumente conhecidas como zappers de insetos, são implantadas para erradicar vários pequenos insetos voadores. Esses dispositivos atraem insetos por meio de luz ultravioleta, neutralizando-os posteriormente por meio de choque elétrico ou aprisionamento físico após contato. Os entomologistas também utilizam diversos designs de armadilhas de radiação ultravioleta para a coleta de insetos noturnos durante investigações de levantamento faunístico.
Terapia
A radiação ultravioleta demonstra utilidade terapêutica no tratamento de condições dermatológicas como psoríase e vitiligo. Especificamente, a terapia com psoraleno mais UVA (PUVA), que envolve a administração de psoralenos para induzir a fotossensibilidade da pele seguida de exposição a UVA, constitui um tratamento eficaz para a psoríase. No entanto, devido ao potencial hepatotóxico dos psoralenos, a terapia PUVA é restrita a um número finito de aplicações ao longo da vida do paciente.
A fototerapia UVB oferece benefícios terapêuticos sem a necessidade de medicamentos suplementares ou preparações tópicas, exigindo apenas exposição direta. No entanto, a fototerapia pode alcançar maior eficácia quando combinada com agentes tópicos específicos, incluindo antralina, alcatrão de carvão e derivados de vitamina A e D, ou com tratamentos sistêmicos como metotrexato e soriatano.
Herpetologia
Os répteis necessitam de radiação UVB para a biossíntese de vitamina D e outros processos metabólicos cruciais. Especificamente, o colecalciferol (vitamina D3) é essencial para funções celulares e neurais fundamentais, juntamente com a utilização de cálcio para a formação de ossos e óvulos. O comprimento de onda UVA também é perceptível para muitas espécies de répteis e pode contribuir significativamente para a sua sobrevivência em habitats naturais, bem como facilitar a comunicação visual entre os indivíduos. Consequentemente, para numerosas espécies de répteis em cativeiro, uma fonte fluorescente UVA/B, calibrada para a intensidade e espectro apropriados para a espécie específica, é indispensável dentro dos seus recintos. A mera suplementação com colecalciferol (vitamina D3) é insuficiente, pois contorna uma via biossintética completa, levando potencialmente a overdoses e negligenciando os papéis vitais das moléculas intermediárias e metabólitos na saúde geral do animal. Embora a luz solar natural, em intensidades apropriadas, supere invariavelmente as fontes artificiais, o seu fornecimento pode não ser viável para os tratadores em todo o mundo.
Altos níveis de radiação ultravioleta A (UVa) são reconhecidos como um perigo significativo, capaz de induzir danos celulares e de DNA em tecidos biológicos sensíveis, particularmente nos olhos, onde a aplicação e posicionamento inadequados da fonte UVa/b podem levar à fotoceratite e à cegueira. A necessidade de fontes de calor adequadas para muitos criadores de animais levou ao desenvolvimento e comercialização de produtos “combinados” de calor e luz. No entanto, recomenda-se cautela em relação a esses geradores integrados de luz, calor e UVa/b, pois eles frequentemente emitem níveis elevados de UVa juntamente com níveis subótimos e de difícil regulação de UVb, que podem não atender adequadamente às necessidades fisiológicas dos animais. Uma abordagem mais eficaz envolve a utilização de fontes separadas para esses elementos ambientais, permitindo aos detentores um controle preciso sobre a localização e a intensidade para maximizar o bem-estar animal.
Significado Evolutivo
Os modelos evolutivos contemporâneos postulam que a radiação ultravioleta desempenhou um papel fundamental na gênese das proteínas e enzimas reprodutivas iniciais. Especificamente, a radiação ultravioleta B (UVB) induz a formação de dímeros de timina, onde pares de bases de timina adjacentes em uma sequência de DNA se ligam covalentemente. Esta ruptura estrutural impede a replicação precisa das enzimas reprodutivas, levando à mudança de estrutura durante a replicação genética e a síntese de proteínas, que muitas vezes é letal para a célula. Antes do estabelecimento da camada de ozônio bloqueadora de UV, os primeiros organismos procarióticos que se aventuravam perto da superfície do oceano normalmente morriam. A sobrevivência de um grupo seleto é atribuída à evolução de enzimas especializadas capazes de monitorar o material genético e extirpar dímeros de timina através do reparo por excisão de nucleotídeos. Numerosas enzimas e proteínas integrantes dos processos mitóticos e meióticos modernos exibem semelhanças estruturais e funcionais com essas antigas enzimas de reparo, sugerindo que elas representam adaptações evolutivas dos mecanismos originais desenvolvidos para mitigar os danos ao DNA induzidos por UV.
Níveis elevados de radiação ultravioleta, particularmente ultravioleta B (UVB), também foram considerados como um fator que contribui para eventos de extinção em massa observados no registro fóssil.
Fotobiologia
A fotobiologia constitui a investigação científica das interações vantajosas e prejudiciais entre a radiação não ionizante e os organismos vivos. Este campo é convencionalmente delineado por um limiar de energia de aproximadamente 10 eV, correspondendo à primeira energia de ionização do oxigênio. Dado que o espectro ultravioleta (UV) abrange uma faixa de energia de aproximadamente 3 a 30 eV, a fotobiologia abrange certos segmentos do espectro UV, mas não a sua totalidade.
Referências
Referências
Allen, Jeannie (6 de setembro de 2001). Radiação ultravioleta: como ela afeta a vida na Terra. Observatório da Terra. NASA, EUA.
- Allen, Jeannie (6 de setembro de 2001). Radiação ultravioleta: como ela afeta a vida na Terra. Observatório da Terra. NASA, EUA.Hockberger, Philip E. (2002). "Uma História da Fotobiologia Ultravioleta para Humanos, Animais e Microorganismos". Fotoquímica e Fotobiologia. 76 (6): 561–569. doi:10.1562/0031-8655(2002)0760561AHOUPF2.0.CO2 PMID 12511035. S2CID 222100404.Hu, S; Mãe, F; Collado-Mesa, F; Kirsner, RS (julho de 2004). "Radiação UV, latitude e melanoma em hispânicos e negros dos EUA". Arco. Dermatol. 140 (7): 819–824. doi:10.1001/archderm.140.7.819. PMID 15262692.Strauss, CEM; Funk, DJ (1991). "Geração de frequência diferencial amplamente ajustável de VUV usando ressonâncias de dois fótons em H2 e Kr". Optics Letters. 16 (15): 1192–4. Bibcode:1991OptL...16.1192S.doi:10.1364/ol.16.001192 PMID 19776917.
- Mídia relacionada à luz ultravioleta no Wikimedia Commons
- A definição do dicionário de ultravioleta no Wikcionário