紫外光源的辐射效应和测量方法

紫外光源的辐射效应和测量方法

一、概述

辐射是一种基本的物理现象，是以电磁波或光子的形式发射或传播的一种特殊形态的能量。辐射作用于物质或生物，就会产生各种物理的、化学的或生物的效应，在科学及应用上有巨大的价值。

紫外辐射就是波长范围约10～400nm的光辐射。在这个波长范围内不同波长的紫外辐射有不同的效应，在研究和应用中，常把紫外辐射划分为：A波段（400～320nm）；B波段（320～280nm）；C波段（280～200nm）；真空紫外波段(200～10nm)。波长小于200nm的紫外辐射由于大气的吸收，所以在空气中不能传播。

太阳的紫外辐射是人类接受的紫外辐射的主体，但是由于紫外线在大气传播中的衰减过程，真正照射到地球表面的紫外辐射量只占总辐射量比例的4%。因此在实际应用中，人造紫外光源就显得尤为重要。人造紫外辐射源解决了自然光源（太阳）在时间、空间上的不足。

紫外线光源的开发和应用目前正处在一个高速发展时期，紫外光源的不断研制开发逐渐地填补各紫外线波段的光源品种空白，如光固化用的超高压紫外汞灯、254nm紫外杀菌灯、A波段紫外日光浴保健灯、B 波段理疗灯等等。近几年，紫外线的应用发展更快，例如感光油漆、油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、复印、皮肤病、内外科疾病治疗、杀菌消毒、保健、荧光分析等领域的应用都有了快速的发展。所以人类在防护紫外线伤害的同时又在开发和利用紫外线。紫外线光源的发展，使我们加深了对电光源的认识，除照明光源外，非照明用的功能性光源也有非常广阔的应用前景。

对照明光源的评价，主要考虑与人眼的视觉特性相关的光度学和色度学参数。如光源的发光颜色[色品坐标x、y，色温Tc，色纯度Pe，显色特性（显色指数Ra,R1～R15），光通量Φ，发光效率η等参数]，而对于非照明光源的光辐射参数的评价，则需根据具体的应用对象，考虑其生物辐射效应或材料的辐射效应。如紫外汞灯，从杀菌效果来评价，主要考虑其254nm的紫外辐射强度，越高越好。若从光固化角度来评价，则主要考虑365nm的紫外强度。若从对人体皮肤及眼睛的危害角度来评价，则需控制其在紫外波段的有效辐射量，尤其是254nm的紫外辐射强度。

二、紫外线的生物效应

紫外线的一个显著特点是它具有生物效应，是指当紫外线照射人体或生物体后，使唤人体或生物体发生生理上的变化。例如紫外线照射人体后，使皮肤产生色素沉着，皮肤变黑。又如细菌体经短波紫外线照射后很快死亡。又如人体经一定波长的紫外线照射后抗病能力加强，皮肤再生力加强，毛发生长速度加快等。所有这些都是紫外线物效应的一些实例。

1)杀菌效应

短波紫外线对微生物的破坏力很强，当波长在200nm～300nm的紫外线照射到细菌体后，细胞的核蛋白和核糖核酸(DNA)强烈的吸收该波段的能量，从而把它们之间的链被打开，因此细菌死亡。紫外线杀菌效果最强的波长为250nm～280nm，杀菌作用的阈曝辐射量平均值为0.35J•m-2～465J•m-2。最大灵敏度波长265nm。

表1是紫外线不同照射剂量时的灭菌率。从表中清楚地看出，对于不同的细菌要达至同一灭菌率，所需的紫外线剂量相差甚大。例如酵母菌要达到90～100%的灭菌率时，则需要紫外线剂量为14,700mw·s/cm2。而大肠杆菌则只需1,550mw·s/cm2，二者相差十倍。

表1 紫外线不同照射剂量时的灭菌率

2)紫外红斑效应

在紫外线辐照下皮肤所发生的急性发红的症状。对神经、内分泌及循环系统等都可以起到良发的作用。该阈曝辐射量平均值为300J•m-2～500J•m-2。最大灵敏度波长297nm。

一定剂量的保健紫外线照射到人的皮肤后，经一定的潜伏期，皮肤会出现红斑反应，即出现有明显界线的红色斑痕，这是由于紫外线照射使皮肤表层细胞分解产生组织胺等物质所引起的毛细管扩张造成的，它同内分泌系统，神经系统和体液等均有关系。紫外线的红斑反应有两个最敏感的波长区，即波长为297nm 和254nm的紫外线对人的皮肤最易造成红斑，所以当紫外线的剂量一定时，红斑反应与紫外线的波长有密切关系。

3）直接色素沉着效应

波长在320nm～400nm紫外线的生物作用较弱，但它对人体照射后使皮肤发黑，皮肤有明显的色素沉着作用，这就叫紫外线的黑斑效应。该波段的紫外线强烈地刺激皮肤，使皮肤新陈代谢加快、皮肤生长力强和使皮肤加厚。因此该波段紫外线是治疗许多皮肤病的重要波段，像牛皮癣（银屑病）、白癜风等疾病，就是用该波段紫外线治疗的。人工皮肤着色，其黑色就是利用紫外线的黑斑效应造成的。

皮肤被辐照后立即会产生色素沉着而引起红斑。它与产生紫外红斑的二次（间接）色素沉着不同，有较宽的作用相对光谱。该阈曝辐射量平均值为100000J•m-2。最大灵敏度波长340nm。

4)胆红素离解效应

胆红素由于被辐照而分解成无水离解物。最大灵敏度波长460nm。

该生物作用效应主要运用在治疗小儿黄胆病（新生儿溶血病）。利用光化学作用，使胆红素分解，而分解后的产物是无毒的，胆红素最大吸收波长在440nm，当胆红素遇到440nm的蓝光后被分解，分解后就变为无毒的产物，所以治疗小儿黄胆的光谱一般用紫蓝光最好。即390nm～490nm波长的光照射治疗效果最好，其光谱峰值在430～440nm。过去也有用长波紫外线加可见光进行照射，如长弧高压汞灯，但疗效不如用紫－蓝光好（波峰在440nm）。目前的治疗光源是辐射390nm～490nm的荧光灯。照射剂量一般要求在1.5mw/cm2左右，常用6～10只40w的蓝紫荧光灯并排为一组，装于小车顶端，装有治疗荧光灯的小车可以移动，治疗时把小车骑放于患儿床上，被治疗婴儿的眼睛用布包住，全身裸露，患病轻的病儿一般照射6～12小时即可见效。

三、光生物学安全

电光源给我们人类带来了巨大的益处，而且与我们每天的工作、生活息息相关。同时，随着光源和照明工程的迅速发展，光的安全性越来越受到人们的重视。例如光污染、光致白内障、光致皮肤癌、光致角膜炎、光致免疫功能变化等等。因此我们在发展高效、高强度光源的同时，还应该考虑光源和照明系统的安全性，注意合理、正确、有效地应用各种光源。因此，国际照明委员会（CIE）于2002年发布了有关“灯和灯系统的生物安全性”的标准性文件。对于光辐射，尤其是紫外线和兰紫光可能引起的皮膜、眼睛的危害作了相应的规定和说明。中国照明学会光生物学和光化学专业委员会于2001年就开始组织国内有关专家对该文件的内容开展了相应的研究。2002年9月在北京召开的第66届IEC大会上，IEC技术小组（TC34）将CIE的文件（CIES009/E）作为重要的内容开展讨论，并将它引入作为IEC标准的一部分。因此，今后对光源的紫外辐射及光生物有效辐射量将作为一项重要的指标进行考核。

1、皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限

对没有采取保护措施的皮肤和眼睛的紫外辐射的曝辐限适用于照射时间在8小时以内的情况。有效辐射照射的曝辐限为30J·m-2。

为了确定由宽波段光源产生的有效紫外辐射照度Es，光源光谱辐射与光化学紫外危害函数Suv(k)加