2017-06-07 uv-strahlung - the good, the bad and the ugly€¦ · biopositiv „the good“ •...
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Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1
Die drei Gesichter der UV-Strahlung –
The Good, the Bad and the Ugly
Thomas JüstelInstitut für Optische Technologien
Fachbereich [email protected]
www.fh-muenster.de/juestel
FH MünsterCampus-Fest
07. Juni 2017
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 2
g
Clint EastwoodEli Wallach
Lee van Cleef
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 3
Inhalt1. Optische Strahlung
2. Eindringtiefe und Wirkungen
3. Strahlungsquellen
4. Photobiologie mit UV-Strahlung
5. Photomedizin mit UV-Strahlung
6. Photochemie mit UV-Strahlung
7. Zukünftige Entwicklungen
8. Literatur und Internet-Adressen
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1. Optische Strahlung
200 nm 280 nm 320 nm
Ultraviolett C Ultraviolett B Ultraviolett AVakuum-Ultraviolett
100 nm 400 nm
1400 3000 1000000
IRA IRB IRC
Wellenlängenm100 400 780
Ultraviolett SichtbareStrahlung Infrarot
Kos
mis
che
Stra
hlen
Gam
mas
trahl
enR
öntg
enst
rahl
en
Mik
row
elle
nFe
rnse
hen
/ Rad
ioR
adar
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In die Atmosphäre
Vakuum-UVPhotolyse von Wasser,Stickstoff, Sauerstoff, …Ozonbildung
UV-C Ozonspaltung
UV-B (280 – 300 nm)Ozonspaltung
Luftbestandteile: - Stickstoff ~ 78% - Sauerstoff ~ 21% - Edelgase, H2O, CO2,
CH4, N2O: ~ 1%
2. Eindringtiefe und Wirkungen
Ozonschicht
Vaku
um-U
V
UV-
C
UV-
B (2
80 –
300
nm)
UV-
A &
UV-
B (3
00 –
320
nm)
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In Wasser• Oberfläche: 1000 W/m2
• Photosynthese: 1 – 10 W/m2
• Phototaxis planktischerCrustaceen: 10-7 – 10-8 W/m2
(Vollmond ca. 5 x 10-3 W/m2)
• Lichtwahrnehmung Tiefseefisch 10-11 W/m2
Vergleich: Schwarz-weiß Bildsehen Mensch 10-7 W/m2
aber Wahrnehmungsgrenze bei etwa 10-12 W/m2 (~ Stern 6. Größenordnung)
1E-151E-141E-131E-121E-111E-101E-091E-081E-071E-061E-05
0,00010,001
0,010,1
110
1001000
0 250 500 750 1000 1250 1500
Wassertiefe [m]
Bes
trah
lung
sstä
rke
[W/m
2]
Klares ozeanisches Wasser
Klare Flachwasserzone
2. Eindringtiefe und Wirkungen
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In den menschlichen Körper
UV-C → ErbgutschädenUV-B → Vitamin D Bildung
UV-A → MelaninoxidationBlau → Bilirubinabbau, NO-Bildung
Rot → Gefäßerweiternde Wirkung
2. Eindringtiefe und Wirkungen
UV-Strahlung wirkt an der Oberfläche
Rotes Licht & IR-Strahlung zeigt zudem Tiefenwirkung
IR-B 0.5 mm
IR-A 4 - 5 mm
Oberhaut
Lederhaut
Unterhaut-gewebe
IR-C 0.1 mm
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100 nm 200 nm 280 nm 320 nm 400 nm
UV-B UV-AUV-CVakuum-UV
2. Eindringtiefe und Wirkungen
Eindringtiefe in Materie
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Sonne > 300 nm
Hg-Entladungslampen• Niederdruck 185, 254 nm• Amalgam 185, 254 nm• Mitteldruck 200 – 400 nm
Xe-Entladungslampen 230 – 800 nmD2-Entladungslampen 110 – 400 nm
Excimer-Laser 193 nm
Excimer-Entladungslampen• Xe2* 172 nm• KrCl* 222 nm• XeBr* 282 nm• XeCl* 308 nm
(Al,Ga)N LEDs 205 – 365 nm(In,Ga)N LEDs 365 – 400 nm
3. Strahlungsquellen
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ZentrumTS ~ 107 K
Sonnenoberfläche TS ~ 5800 K
6 x 107 W/m²
1373
W/m²
~240 W/m²absorbiert
(globaler & zeitlicher Mittelwert)
1373 W/m²
Albedo = 30%
σTE4 , TE = 255 K
Zum Vgl.: Globaler Primärenergieverbrauch: 5.2.1020 J/a
3. Strahlungsquellen
Leistung 3.8.1026 W 1.3.1017 WEnergiefluss 1.2.1034 J/a 4.1.1024 J/a
Die Sonne - Strahlungsbilanz
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Die Sonne - Strahlungsspektrum
~ 5% UV ~ 60% VIS ~ 35% IR
Das solare Spektrum hängt von Tages- & Jahres-zeit, Luftdruck, Bewölkung, Staubgehalt usw. ab
AM
0A
M1.
0
Erdoberfläche
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Schwarzer Körper (T = 5800 K)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 AM0 (Extraterrestrisch)
Nor
mie
rte
Spek
tral
e B
estr
ahlu
ngss
tärk
e500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 AM1.5 (Zenitwinkel 48°)
Wellenlänge (nm)
O2
O3
H2O
CO2CO2
<400 400-500 500-600 600-700 >700
37.8 W/m² 130.4 W/m² 144.6 W/m² 134.0 W/m² 269.2 W/m²
5.3% 18.2% 20.2% 18.7% 37.6%
3. Strahlungsquellen
48.2°
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Die Sonne - Direktstrahlung Diffuse Strahlung „Der blaue Himmel“
Farbtemperatur = 5500 - 6500 K Farbtemperatur = 10600 K
5 W/m2 UV und 0.1 W/m2 UV-B Fast kein UV!
~ 1000 W/m2 ~ 50 W/m2
3. Strahlungsquellen
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Die Sonne - Jahreszeitlicher Verlauf hautwirksamer Strahlung (Mitteleuropa)
3. Strahlungsquellen
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Niederdruck-Hg Amalgam Mitteldruck-Hg
Wellenlängenbereich 254 nm 254 nm 200 - 280 nm
Leistungsaufnahme 4 ... 100 W 100 ... 300 W 1 ... 17 kWEffizienz < 40% 30 ... 35% 10 ... 15%Entkeimungswirkung 85% 85% 80%UV-C Leistung 0.2 W / cm 0.7 W / cm 15 W / cmWandtemperatur 40 °C 100 °C 600 - 900 °C
Auswahl abhängig von Anwendung und Betriebskosten
Quecksilberdampflampen - Übersicht
3. Strahlungsquellen
Höhen-sonne
ab 1904zur
Rachitis-Therapie
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Lichtemissiondurch
Elektrolumineszenz
Leitungsband
Valenzband+
–
Band-lückedes Halb-leiters
Licht emittierende Dioden (LED)
3. Strahlungsquellen
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LED - Materialien
Anorganische LED
III – V HalbleiterAl, Ga, In N, P, As, Sb
(Al,Ga)As
(Al,Ga,In) P
(Al,Ga)P
(Ga,In) N
Organische LED (OLED)
Keine UV-Strahlung!
(Al,Ga) N
Komplexe
3. Strahlungsquellen
210 – 400 nm
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„LED Plattform“ 465 nm LEDs Beleuchtung410 nm LEDs Vollkonversion365 nm LEDs Schwarzlicht265 nm LEDs Desinfektion
375 400 425 450 475 500 525 375 400 425 450 475 500 525 550
Emis
sion
s-in
tens
itaet
(a.u
.)
Wellenlaenge (nm)
diodenLaser-
400nm 425nm 450nm 465nm 480nm 500nm
LEDs
„Laserdioden Plattform“940 nm Fernbedienungen785 nm CD655 nm DVD405 nm Blue ray DVD
LED und Laserdioden
3. Strahlungsquellen
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4. Photobiologie - Wirkung von UVBiopositiv „The Good“• Hautbräunung (Pigmentbildung und -dunkelung)• Hautadaptation (Aktivierung des Eigenschutzes „Lichtschwiele“)• Provitamin D Synthese• Therapeutische Wirkungen in der Dermatologie• Desinfektionswirkung• Psychisch aufhellende Wirkung
Bionegativ „The Bad and the Ugly“• UV-Erythem (Hautrötung & Sonnenbrand)• Phototoxische / -allergische Reaktionen• Vorzeitige Hautalterung (Photoaging)• Bildung von freien Radikalen• Folsäureabbau• Photokarzinogenese (BCC, SCC, MM)
Ausschnitt aus dem Melanin
Kinder mit Rachitis, 1920 Quelle: B. Harrow,
Textbook of Biochemistry (1947)
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UV-A (320 - 400 nm)Ca. 95% vom Tageslicht-UV• Bräunung schnell Kurzzeiteffekt
UV-B (280 – 320 nm)Ca. 5% vom Tageslicht-UV• Bräunung nach 2-3 Tagen Langzeiteffekt Hautrötung Sonnenbrand
280 300 320 340 360 380 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 UV-AUV-B
Inte
nsitä
t
Wellenlänge [nm]
UV-Tageslichtspektrum60° Sonnenhöhenwinkel(klarer Himmel)
Bräunung von HautR
efle
xion
sgra
d
400 500 600 700 800
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Zunahme der Absorption
Wellenlänge [nm]
4. Photobiologie - Wirkung von UV
280 300 320 340 360 380 4000,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
L er [
Wnm
-1m
-2]
W ellenlänge [nm]
ErythemalesTageslicht-UV-Spektrum
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Minimal erythemale Dosis (MED) - Hautrötung
Haut- Beispiel MED Eigenschutzzeit in Minuten typ [J/m2] bei UV-Index 8 (~ 0.2 W/m2)
I Nordeuropäer 150 - 300 10II Mitteleuropäer 250 - 400 20III heller Südeuropäer 300 - 500 30IV dunkler Südeuropäer 450 - 600 50V Südasiat 600 - 900 > 60VI Afrikaner 900 - 1500 > 60
4. Photobiologie - Wirkung von UV
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Hautadaptation nach UV-Bestrahlung
Neun Expositionen innerhalb von drei Wochen (n = 26):
● UV-A mit 100 J/cm² oder● UV-B mit 1,5 MED pro Bestrahlung
600
400
200
0Kontrolle UV-A UV-B
MED in J/m²Anzahl der
Hornzelllagen
Kontrolle UV-A UV-B
24
16
8
0
4. Photobiologie - Wirkung von UV
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Chronische Hautschäden
4. Photobiologie - Wirkung von UV
Elastose
Pigmentflecken
Vorzeitige Hautalterung Hautkrebs
Aktinische Keratose
Ulzerierendes Basalkarzinom
Plattenepithelkarzinom
Superfiziell spreitendes
malignes Melanom
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4. Photobiologie - Wirkung von UV
Doppelhelix
DNS = Basen + Zucker + Phosphateinheiten
BasenUV-C (200 - 280 nm)
220 240 260 280 300 320 340 360 380 4000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0Disinfektioneffizienz (DIN 5031-10)
Absorptionsspektrum dTMP
Rel
ativ
e E
ffizi
enz
/ Abs
orpt
ion
Wellenlänge [nm]
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4. Photobiologie - Wirkung von UVEntkeimung mit UV-C Strahlung
Literatur: S. Miwa et al., 2013
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Ort: Bad Tölz, BayernWasserfluss: 200 … 2000 m3/h
UV-Leistung: 18 kWAnzahl UV-Strahler: 144
Ort: Manukau, NeuseelandWasserfluss: 50400 m3/h
UV-Leistung: Mind. ~ 320 kWAnzahl UV-Strahler: ~ 2500
Trinkwasseraufbereitung mit UV-C Strahlung
4. Photobiologie - Wirkung von UV
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Vitamin D3
Suprasterol-1und -2,5,6-Transvitamin D3
Prävitamin D3-Bildung in der Haut
7-Dehydrocholesterol Provitamin D3
Lumisterol
Tachysterol
Haut
BlutVitamin D bindendes Protein (DBP) DBP-D3
4. Photobiologie - Wirkung von UV
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Wirksubstanzen des Vitamin D3
Haut
Vitamin D3
Leber
25(OH)D3
1,25(OH)2D3
Prostata-, Brust-, Darm-und Immunzellen
Kalzium, Muskel-und Knochengesundheit
Regulation des Zellwachstums
(Krebsprävention)
Regulation der Immunfunktionen(Prävention von Diabetes Typ 1
und MS)
Regulation des Blutdrucks und der Insulinproduktion(Prävention von
Herzerkrankungen und Diabetes Typ II)
Niere
4. Photobiologie - Wirkung von UV
Blut
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1,25 (OH)2-Vitamin D3
Kalzium-Resorption
Muskulatur EndokrinesSystem
Nervensystem
Epidermis
Immunsystem
RegulationZellteilungen
Systemische Wirkungen der UV-Strahlung
→ Vitamin D: „Das Superhormon“
4. Photobiologie - Wirkung von UV
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0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
250 260 270 280 290 300 310 320 330
Avd(λ)
Wellenlänge [nm]
Wirkungsspektrum für die Provitamin D3-Bildung in humaner Haut
4. Photobiologie - Wirkung von UV
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Behandlung von
• Tuberkulose (Schwindsucht) seit ca. 1895• Rachitis seit etwa 1920
Sanatorien in Davos, Braunwald usw. Anwendung von Sonnenlicht
Effekt: Bildung von Vitamin D3– hocheffektiv in der Haut– via UV-B Strahlung– Verbesserung der Immunreaktionen!
Vitamin D3-Konzentration im Blutserum– Mangel: < 20 ng/ml– Optimal: 30 - 100 ng/ml– Intoxikation: > 150 ng/ml
90%
10%
5. Photomedizin - Wirkung von UV
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Indikationen in der modernen Dermatologie
● Psoriasis (Schuppenflechte)● Lichtdesensibilisierung (PLE, „Sonnenallergie“)● Atopische Dermatitis (Neurodermitis)● Vitiligo (Weißfleckenkrankheit)● Seborrhoisches Ekzem● Akne
5. Photomedizin - Wirkung von UV
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
320 340 360 380 400 420 440
Aip
a(λ)
Wellenlänge [nm]
Wirkungsspektrum der Inaktivierung von Proprioni Acnes Bakterien
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Hautkrankheiten, die mit UV-B behandelt werden
• Psoriasis • Atopische Dermatitis (Ekzeme)• Seborrhoeische Dermatitis• Vitiligo (Weißfleckenkrankheit)
Bestrahlungskammer mit 8 Hg-Niederdruck-entladungslampen mit UV-B Leuchtstoff (GLBB)
UV-Bestrahlungskammer(Waldmann Typ UV100)
Emission bei 311 nm
Verbesserung der Psoriasis durch eine UV-B-Therapie
5. Photomedizin - Wirkung von UV
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Aufbereitung von Trink-, Prozess- und Abwasser
Desinfektion (Inaktiv. von Mikroorganismen) UV-C Strahlung
Oxidation (Abbau von Mikroschadstoffen), Vakuum-UVz.B. Hormone, Medikamente, Herbizide etc. UV-C und Ozon
UV-C und WasserstoffperoxidUV-A und Photokatalysator
6. Photochemie - Wirkung von UV
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Einige kritische Pharmazeutika im Oberflächenwasser
Staat
Verbindung
Deutschland2000
Deutschland2001
Österreich1997
England2000
Schweiz2004
Australien1998
Dänemark1997
Frankreich1999
Paracetamol[t/Jahr] 641.86 621.65 35.08 390.9 95.20 295.9 0.24 2294
5-Fluorouracil –Zytostatikum
Paracetamol – Analgetikum
Natriumamidotrizoat –Röntgenkontrastmittel
Diclofenac – Analgetikum
Tetracyclin – Antibiotikum Trimethoprim – Antibiotikum
6. Photochemie - Wirkung von UV
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Aufbereitung von Trink-, Prozess- und Abwasser
Mineralisation von Mikroschadstoffen
Geeignete UV-Strahlungsquellen• Quecksilberdampflampen• UV LED• Xe-Excimerstrahler
200 225 250 275 300 325 3500,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5c = 0,001MT = 293 Kp = 1 bar, airSolvent: demi H2OLamp: NIQEm.spectrum: 254nm
5-fluorouracil with 500mg/l H2O2
Abs
orba
nce
Wavelength [nm]
0min 5min 10min 15min 20min 30min
200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 4500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2c = 0,00005 MT = 293 Kp = 1 bar, airSolvent: demi H2OLamp: NIQEm.spectrum: 254,185nm
Abso
rban
ce
Wavelength [nm]
0min 10min 20min 30min 40min 50min 60min 0min without H2O2
Tetracycline with 50mg/l H2O2
6. Photochemie - Wirkung von UV
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Ozongenerator(Wedeco AG)
Flachlampefür LCD-
Bildschirme(Osram AG)
Abgasbehandlung(Siemens AG)
UV-Strahlungsquellen (Xenon)
Heraeus Noblelight
Triton
Osram Xeradex
Quellen auf Basis einer Excimerentladung (Sauerstoff oder Xenon)
7. Zukünftige Entwicklungen
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 37
Xe-Excimerstrahler mit UV-C Konvertermaterialien
Abbau von Sulfamethoxazol (Antibiotikum)
Quelle: A. Nietzsch, DLR
Photolyse mit Xenon-Excimerstrahlern mit einem 225 oder 235 nm Konverter erlauben eine Energieeinsparung von bis zu 95% gegenüber Amalgamstrahlern
7. Zukünftige Entwicklungen
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 38
UV emittierende LED - (Al,Ga)N Halbleiter
UV-Spektren von (Al,Ga)N HalbleiternEntwicklung der externen Quanten-
ausbeute und UV-Leistung von (Al,Ga)N LED zwischen 2000 und 2016
7. Zukünftige Entwicklungen
Literatur: J. Chen et al., 2017
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 39Friday Afternoon
UV emittierende LED - Status 2017
• UV-A emittierende (In,Ga)N LED (365 – 400 nm) mit hoher Effizienz weltweit am Markt
• UV-B bzw. UV-C emittierende (Al,Ga)N LEDs (210 – 320 nm) zeigen rasante Entwicklung bzgl. Effizienz und UV-LeistungHauptproblem: Lebensdauer und Verkapselung
• Januar 2013: United Nations Environmental Program (UNEP) empfiehlt Hg-Verbot ab 2020
7. Zukünftige Entwicklungen
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 40Friday Afternoon
Neue Anwendung: UV-C Strahlung in der Strahlentherapie von Krebs
7. Zukünftige Entwicklungen
Ziel
Reduktion der Strahlenbelastung durch Konversion der Röntgen-strahlung in therapeutisch hoch-wirksame UV-C Strahlung mit Hilfe von Nanopartikeln
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 41
8. Literatur und Internetadressen Literatur
• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung - Von der Glühlampe bis zum Laser, Highlight-Verlag, 2004
• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294
• J. Spitz, Superhormon Vitamin D, Gräfe und Unzer Verlag, 2011• J. Chen, S. Loeb, J-H. Kim, LED Revolution: Fundamentals and Prospects for
UV Disinfection Applications, Envir. Sci.: Water Res. Technol. 3 (2017) 188
Internet-Links
• Homepage T. Jüstel www.fh-muenster.de/juestel• JW Holding http://www.jw-holding.de• Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html• Osram Opto http://www.osram.de/• Philips Lumileds http://www.luxeon.com/• Robert-Koch-Institut www.rki.de• Dt. Krebsforschungszentrum www.dkfz.de• Felix-Burda-Stiftung www.darmkrebs.de
Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 42
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!
FRAGEN?