歷史簡述

德國物理學家 Johann Wilhelm Ritter 在 1801 年發(fā)現(xiàn)了 UV 輻射。他用紙片蘸取氯化銀溶液，并將紙片暴露在可見光譜紫色端外的不可見光下，隨后觀察到紙片加速變黑。為了區(qū)分這種光線和前一年在可見光譜另一端發(fā)現(xiàn)的“熱射線”（紅外線，IR），他將 UV 輻射稱為“氧化射線”，用于強調他所觀察到的化學反應。“化學射線”一詞很快取代了“氧化射線”，并在整個 19 世紀剩下的時間內得以廣泛使用。最后，“化學射線”和“熱射線”這兩個詞分別被現(xiàn)在通用的名稱“紫外線”和“紅外線”所取代。

UV 是什么？

在電磁波譜中，紫外線 (UV) 輻射被歸類為波長為 10 - 400 nm 的光。這樣的波長比可見光短，比 X 射線長。UV 光一共有三類：UVA 波長在 315 - 400 nm 之間，UVB 波長在 280 - 315 nm 之間，以及 UVC 波長在 100 - 280 nm 之間。

圖 1：UV 波長剛好比人眼可見光的波長短。（圖片由 W.S. Badger Company, Inc. 提供）

太陽發(fā)出 10 - 400 nm 光譜范圍內的 UV 輻射。在地球大氣層邊緣，大陽光由大約 50% 的紅外光 (IR)、40% 的可見光和 10% 的 UV 光組成。當太陽位于最高點，并且太陽光照射到地球表面時，太陽光的成分是 53% 的 IR、44% 的可見光和 3% 的 UV。在這 3% 到達地面的 UV 中，大約有 95% 是 UVA，5% 是 UVB。當然，這些比例可能會因云層覆蓋和其他大氣條件而有所波動。

許多 UVC 波長被上層大氣的氧氣所吸收，然后在臭氧層中產生臭氧。臭氧層能阻擋大部分 UVB 和未被氧氣吸收的剩余 UVC。

人造 UV 發(fā)射器

太陽并不是唯一的 UV 輻射源。有幾種人造設備也能產生這些光波。

黑光燈

人們最熟悉的 UV 發(fā)生器是黑光燈（圖 2）。典型的黑光燈能發(fā)出 UVA 波和極少的可見光。例如，熒光黑光燈使用玻璃管內側的熒光粉涂層發(fā)出 UVA 波而非可見光。更大功率的水銀黑光燈利用相同原理發(fā)出更大規(guī)模的 UVA 輻射，主要用于音樂會和劇場的顯示器。

圖 2：典型的熒光黑光燈發(fā)出 UVA 波

黑光燈主要應用于：在不存在外來可見光的前提下，觀察特定物質暴露于 UV 光下產生的熒光。

短波 UV 燈

短波 UV 燈由不涂敷熒光粉涂層的熒光燈管組成。UV 光的波峰為 253.7 nm 和 185 nm，都在 UVC 波段內，燈管里的汞是能夠發(fā)出這些 UV 光的主要原因。不過，只有 253.7 nm 輻射能穿過熔凝石英玻璃管，而 185 nm 波長則被完全阻擋。這些燈的能效一般為 30% 至 40%，是傳統(tǒng)熒光燈 UVC 功率的兩到三倍。

它們主要應用于實驗室表面、食品加工表面和供水的消毒。

UV 氣體放電燈

氣體放電燈包含不同的特定氣體，能產生位于特定光譜線的 UV 輻射，用于專門的科學應用。這些燈主要用于化學分析中使用的 UV 光譜設備。

激光器

專門制造的激光器可產生 UV 光。根據激光器技術（氣體激光器、激光二極管或固態(tài)激光器）和所用材料，可以制造覆蓋整個 UV 波段的激光器。

UV 激光器可以應用于很多方面，包括光刻、皮膚病學、角膜切除術、化學、通信、光存儲和集成電路制造。

發(fā)光二極管

專門制造的發(fā)光二極管 (LED) 可產生 UV 光。這些設備目前用于 UV 固化應用、滅菌、皮膚治療，以及在化學領域用于鑒別各種成分的混合物。

健康問題

UV 輻射對人類健康是把雙刃劍。過度接觸有害，而適度接觸有益。

有害影響

過度接觸 UV 輻射有可能傷害眼睛、皮膚和免疫系統(tǒng)。

UVA 輻射極少引起或根本不會引起即時反應，但在波長接近 UVB 波段起始端 (315 nm) 時，就會開始引起光性角膜炎（眼睛疼痛）和皮膚發(fā)紅（顏色越淺的皮膚越敏感），而且傷害隨著波長接近 300 nm 而快速加劇。處于 UVC 波段 265 - 275 nm 范圍內的 UV 對眼睛和皮膚的傷害最大。

過度接觸 UVB 不僅可導致曬斑，還是某些皮膚癌的誘因。

有益影響

過度接觸 UV 有害健康，而適度接觸 UV 則對健康有益。接觸 UV 對健康有三大益處：促進人體產生維生素 D、改善情緒和增加能量。

維生素 D

適度接觸 UV 輻射是維生素 D 的很好來源。這種維生素有助于調節(jié)鈣代謝、胰島素分泌、血壓、免疫力和細胞繁殖。維生素 D 含量較高能夠降低心臟病、中風和糖尿病的患病率，并有可能降低血壓。

皮膚病

可以利用 UV 輻射治療某些皮膚病。借助現(xiàn)代光療法，成功治愈濕疹、皮炎、佝僂病、特應性皮炎、局限性硬皮病、黃疸、銀屑病和白癜風現(xiàn)在已成為可能。

心血管和高血壓

經證明，高血壓和缺乏維生素 D 的患者照射 UVB 能夠降低血壓。其他醫(yī)學試驗和研究表明，除了與維生素 D 有關的影響外，UV 輻射對健康還有其他重大益處。

血清素

維生素 D 促進合成血清素，其產生的量直接與人體接觸 UV 輻射的量成正比。血清素含量的變化會影響情緒和行為。雖然尚不完全清楚血清素對人體的確切作用，但一般認為血清素可提供幸福感、寧靜感和愉悅感。

黑色素

適度接觸 UV 會增加皮膚中的黑色素（褐色的色素）數量（即所謂的曬黑）。黑色素能夠吸收 UVA 和 UVB 輻射并將其作為熱量散發(fā)掉，從而保護皮膚免受直接和間接的 DNA 傷害。

應用

有許多應用就是利用了 UV 輻射的特性，為人類的健康和幸福帶來很多好處。UV 波如今的主要用途是殺滅細菌和去除污染物。

空氣凈化

室內環(huán)境污染物幾乎全部是有機碳基化合物，暴露于 240 - 280 nm 范圍內的高強度 UVC 下即會分解。這樣的 UVC 還可以破壞微生物的 DNA。因此，可以在室內放置 RayVio RVXE-280 和 RVXP-280 UV LED 等 UVC 發(fā)射器，讓空氣循環(huán)流經發(fā)射器來幫助凈化室內空氣。這些 280 nm（標稱值）UVC LED 可作為星形板裝置或表面貼裝設備提供，其典型輻射輸出為 4 mW（RVXE 設備）、16 mW（RVXP1 設備）和 50 mW（RVXP4 設備），適合包括空氣凈化在內的許多不同應用。

圖 3：RayVio UV LED 可作為星形板單元提供，也可提供表面貼裝封裝。（圖片由 RayVio 提供）

滅菌和消毒

UVC LED 還可用于各種滅菌和消毒應用。醫(yī)學和生物實驗室中將 UVC 輻射與其他技術配合使用，對工具和工作區(qū)表面進行滅菌。

其他常見的 UVC 輻射應用包括污水和市政飲用水的處理。甚至礦泉水灌裝廠也使用 UVC 輻射對產品進行滅菌。此外，食品加工業(yè)還使用 UVC 輻射殺滅微生物。例如，讓果汁流經 UVC 輻射源進行巴氏滅菌。

治療

UV 輻射不僅可用于凈化和滅菌，還能幫助治療銀屑病和白癜風（皮膚色素脫失形成斑塊）等皮膚病。在這種情況下，起作用的不是 UVC 波而是 UVB 波。RayVio 同樣也提供非常適合這種應用的 LED。RayVio 的 310 nm LED 元器件（Digi-Key 很快到貨）可以作為皮膚治療設備的基礎器件。這些設備的安裝方式和輻射輸出選擇與上述 UVC LED 一樣。

結論

UV 輻射對人類既有害又有益。恰當的設計可以利用 UVB 和 UVC 波的有益特性保護我們免受感染并治療某些皮膚病。為此，RayVio 針對這些應用提供了多種非常合適的 LED，并且設計時比使用其他 UV 光源更加簡單。