Коротко о главном — диапазоны, механизмы, формулы и практические применения.
1) Спектр и энергия фотонов
- УФ делят обычно на: UV‑C $(100\text{–}280\mathrm{nm})$, UV‑B $(280\text{–}315\mathrm{nm})$, UV‑A $(315\text{–}400\mathrm{nm})$.
- Энергия фотона: $E=\frac{hc}{\lambda }$. Пример: при $\lambda =254\mathrm{nm}$ $E\approx \frac{1240}{254}\mathrm{eV}\approx 4.9\mathrm{eV}$.
2) Взаимодействие с материалами (физика поглощения/рассеяния)
- Поглощение связано с электронными переходами в молекулах/кристаллах; коэффициент поглощения зависит от материала и длины волны.
- Закон ослабления (Beer–Lambert): $I(x)=I_0{e}^{-\alpha x}$, где $\alpha$ — коэффициент ослабления, $x$ — толщина.
- Отражение и рассеяние зависят от показателей преломления и шероховатости поверхности; прозрачность материалов: кварц пропускает УФ вплоть до VUV, обычное оконное стекло обычно блокирует UV‑C и часть UV‑B, но пропускает UV‑A.
- В полимерах используют УФ‑стабилизаторы (поглотители и радикально‑ловящие добавки), которые уменьшают фотодеградацию.
3) Физико‑химические процессы в биотканях
- Прямое поглощение: нуклеиновые основания (особенно тимин, урацил) и аминокислоты (триптофан, тирозин) поглощают УФ → возбуждение электронов → образование ковалентных дефектов.
- Классические ДНК‑повреждения: циклобутановые пиримидиновые димеры (CPD) и (6–4) фотопродукты, ведущие к искажению спирали и мутациям.
- Косвенное (фотосенсибилизированное) действие: фотохромные молекулы (хромофоры) возбуждаются → образуют активные формы кислорода (ROS: ${}^1{\mathrm{O}}_2$, ${\mathrm{O}}_2^{-}$, $\mathrm{OH}$) → окислительное повреждение липидов, белков и ДНК.
- Фотофизические пути: флуоресценция, фосфоресценция, безызлучательное торможение; часть энергии преобразуется в тепло (обычно мала по сравнению с фотохимией при низкой интенсивности).
- Биологические ответы: фоторепарация (фотолазой), нуклеотидная эксцизионная репарация, апоптоз; эффективность репарации зависит от дозы, длины волны и типа клетки.
4) Кинетика инактивации микробов (применимо к стерилизации)
- Доза (энергия на площадь): $D=E\cdot t$, где $E$ — освещённость (мВт/см${}^2$), $t$ — время (с); часто измеряют в мДж/см${}^2$.
- Простая модель первой порядка: $N=N_0{e}^{-k_{D}D}$ или в логарифмической форме ${\log }_{10}\frac{N_0}{N}=k_{D}D$.
- Параметр $D_{90}$ (доза для 1‑логовой редукции): $D_{90}=\frac{1}{k_D}$.
- Типичные диапазоны доз зависят от вида: бактерии — десятки мДж/см${}^2$, бактериальные споры и некоторые вирусы — сотни мДж/см${}^2$ (точные значения зависят от длины волны и условий).
5) Практические применения — стерилизация
- УФ‑C ($\sim 254\mathrm{nm}$) традиционно используется для дезинфекции воздуха, поверхностей и воды — эффективно прямо повреждает нуклеиновые кислоты.
- Новые источники: $\mathrm{KrCl}$ эксимер ($222\mathrm{nm}$) демонстрируют высокий гермицидный эффект при меньшей проникающей способности в ткани (меньшая потенциальная опасность для кожи/роговицы), но вопросы безопасности и стандартизации остаются.
- Конструкторские факторы: расстояние, геометрия, затенение (линейный обзор), материал поверхности, влажность, наличие органических загрязнений; потоковые установки требуют обеспечения достаточной флюенции по всей поперечной сечении.
- Контроль качества: радиометрия/дозиметры, тест‑штаммы (biological indicators).
6) Практические применения — защита
- Солнцезащита: фильтры поглощают UV‑B/UV‑A (органические — химические поглотители, неорганические — диоксид титана, оксид цинка отражают/рассеивают). SPF характеризует защиту против UV‑B; для полного описания нужен широкий спектр поглощения (UVA/UVB).
- Материалы: добавки‑UV‑стабилизаторы в полимерах, покрытия и ламинирование стекла с UV‑фильтром.
- Инженерные меры: экранирование источников, дистанция, автоматические блокировки, временные ограничения экспозиции.
- Безопасность при использовании УФ‑ламп: соблюдение пределов экспозиции, защитные очки/экраны, знаки предупреждения, контроль доступа.
7) Выводы (кратко)
- UV повреждение обусловлено электронной активацией молекул → прямыми повреждениями ДНК и белков и/или генерацией ROS.
- Для стерилизации используют преимущественно UV‑C с расчётом дозы ($D=E\cdot t$) и учетом ослабления ($I=I_0{e}^{-\alpha x}$); эффективность описывается кинетикой с первой степенью по дозе.
- Для защиты применяют физические барьеры, химические фильтры и инженерный контроль источников.
Если нужно, могу привести типичные значения доз для конкретных микроорганизмов или формулы для расчёта установок с примерами расчётов.