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Ultravioleta e saúde – Soluções usando LEDs (ART4361)

A pandemia do Corona Vírus ou Covid-19 que assola o mundo no momento em que escrevemos este artigo nos mostra que a tecnologia, mais do que nunca, pode dar uma forte contribuição não apenas ao tratamento dos enfermos como também ser responsável por uma nova leva de equipamentos de prevenção, limpeza, esterilização e até melhoria do meio em que vivemos trazendo alívios a enfermos afetados por outras enfermidades. Aplicações novas envolvendo o uso dos raios ultravioleta ou UV devem ampliar sua gama de ação, abrindo possibilidades incríveis aos makers ávidos por criar um novo produto. Veja neste artigo como o ultravioleta está diretamente ligado à saúde e meio ambiente e as sugestões de projetos usando componentes disponíveis na Mouser Electronics .

 

As propriedades ionizantes da radiação ultravioleta já tem sido alvo de pesquisadores e projetistas que a aproveitam de diversas formas, ou ainda emitem alerta sobre sua presença.

Em excesso, quando incide em nossa pele pode causar mutações genéticas nas células que as leva a uma reprodução descontrolada. No ambiente, pode causar desorientação de insetos afetando o equilíbrio ecológico e usada em equipamentos domésticos e de laboratório pode ser aproveitada em processos de foto oxidação e também de esterilização.

 

Radiação ultravioleta

Para entender como podemos aproveitar a radiação ultravioleta em aplicações práticas, precisamos conhecer a sua natureza, ou seja, saber exatamente o que ela é. Temos alguns artigos adicionais no site que o leitor pode consultar, mas faremos aqui uma abordagem diferente que justamente entender melhor suas aplicações biológicas.

A radiação ultravioleta ou luz ultravioleta é uma forma de radiação eletromagnética, ou seja, exatamente como a luz, consiste em ondas eletromagnéticas com determinada frequência e comprimento de onda.

Assim, podemos localizá-la de forma precisa no espectro das ondas eletromagnéticas que inclui a luz visível e a radiação infravermelha, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Espectro visível, da radiação infravermelha e ultravioleta
Figura 1 – Espectro visível, da radiação infravermelha e ultravioleta

 

Veja que abaixo da faixa visível, com menor frequência temos as radiações infravermelhas, e acima do violeta na faixa visível, temos a radiação ultravioleta, e maior frequência e menor comprimento de onda.

As radiações eletromagnéticas podem ser descritas como pequenos “pacotes de energia”, no caso da luz denominados fótons, que carregam uma quantidade fixa de energia. Esses pacotes são denominados “quantum” (plural quanta) e tem sua energia dependente de sua frequência.

Quanto maior for a frequência e, portanto, menor o comprimento de onda, maior é a quantidade de energia que essas partículas transportam.

Isso significa então que os fótons de radiação ultravioleta carregam muito mais energia que os fótons de luz comum e de infravermelho. Na verdade, dividimos o espectro ultravioleta em 3 faixas, com diferentes energias e, portanto, diferentes penetrações.

- Ultravioleta A – UVA

- Ultravioleta B – UVB

- Ultravioleta C – UVC

O de maior potencial energético e, portanto, maior penetração é o UVC.

Mas o que isso representa para os organismos vivos (e também não vivos)?

 

Potencial Ionizante

Quando um fóton de radiação ultravioleta atinge um átomo, ele pode fazer com que o átomo o absorva do salto de um elétron para um nível superior de energia, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2 – Elétron salta para um nível superior de energia
Figura 2 – Elétron salta para um nível superior de energia

 

Eventualmente, o átomo pode devolver esta energia emitindo um novo fóton. Por exemplo, se o elétron voltar para um nível inferior, mas não o original, num primeiro salto, a energia emitida pode cair numa faixa mais baixa do espectro, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – Devolvendo a energia
Figura 3 – Devolvendo a energia

 

No entanto, pode ocorrer que a energia do fóton seja suficiente para arrancar o elétron ionizando assim o átomo.

Se o átomo fizer parte de uma molécula maior, por exemplo, uma molécula orgânica, isso pode fazer com que a molécula se rompa. Temos então sua destruição.

Isso é o que ocorre quando a radiação ultravioleta de maior energia (UVC) atinge um polímero. Este tipo de material tem moléculas formadas por longas cadeias de átomos. Se elas são rompidas, o material perde suas propriedades. Pode ser áspero, quebradiço, mudar de cor, etc.

No caso de um vírus, por exemplo, a radiação ultravioleta pode romper as moléculas que formam as proteínas de sua capaz externa e com isso ele morre.

Em outros tipos de micro-organismos, ocorre o mesmo. A radiação rompe moléculas vitais, causando a sua morte.

 

Fontes de ultravioleta

Uma fonte natural de radiação ultravioleta é o sol. Por esse motivo não se recomenda o banho de sol nos períodos em que ela é mais intensa. No entanto, precisamos da radiação solar para que ela ajude na síntese da vitamina D. Atuando sobre as substâncias de nosso corpo, com seu potencial ionizante ela ajuda nas reações que a formam.

Artificialmente, uma forma de se obter radiação ultravioleta é através de lâmpadas especiais, como as fluorescentes ultravioleta, em circuitos conforme o mostrado na figura 4.

 

Figura 4 - Fonte de ultravioleta com lâmpada fluorescente
Figura 4 - Fonte de ultravioleta com lâmpada fluorescente

 

Veja que não é uma simples lâmpada de “luz negra” que emite o ultravioleta A (UVA) menos penetrante, mas sim, uma lâmpada do tipo usado em apagadores de memórias EPROM (UVC), muito mais penetrantes.

No artigo ART994, por exemplo, descrevemos um controle de potência para um aparelho de foto-oxidação usado no Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo, que ajudamos a desenvolver em 1998. (figura 5)

 

Figura 5 – Aparelho de foto oxidação
Figura 5 – Aparelho de foto oxidação

 

Este aparelho produz radiações na faixa de 250 nm (UVC).

A terceira fonte, que agora está disponível para os mais diversos projetos, graças ao desenvolvimento das tecnologias dos semicondutores, é a que faz uso dos LEDs.

 

LEDs ultravioleta

A tecnologia atual dos LEDs permite que se desenvolvam aparelhos que se baseiam na emissão da radiação ultravioleta com facilidade.

Podemos ter desde aplicações pequenas e portáteis alimentadas por bateria como esterilizadores de ferramentas cirúrgicas ou alimentos, alimentados por bateria, até os de maior porte.

Na epidemia do Corona Vírus, por exemplo, pesquisadores da USP desenvolveram um rodo ultravioleta que, além de exercer sua função básica de limpar, também esteriliza pela aplicação de radiação ultravioleta. (figura 6)

 

Figura 6 – Rodo ultravioleta da USP (Universidade de São Paulo).
Figura 6 – Rodo ultravioleta da USP (Universidade de São Paulo). | Clique na imagem para ampliar |

 

Para os desenvolvedores de aplicações utilizando LEDs ultravioletas é preciso levar em conta o tipo de radiação a ser usada (UVA, UVB ou UVC), a intensidade e os eventuais efeitos colaterais. Essa radiação não deve incidir nos olhos das pessoas.

Assim, não apenas o desenvolvimento técnico deve ser considerado, mas também o embasamento científico que exige a consulta de documentação ou pessoal especializado.

 

Os LEDs do mercado

Inúmeros fabricantes de LEDs ultravioleta disponibilizam seus componentes através da Mouser Electronics . Fabricantes como a Vishay, Wurth, OSRAM, Lumileds, Luminus Devices disponibilizam LEDs cobrindo as três faixas do ultravioleta.

Tomemos alguns exemplos de UV LEDs que podem ser aproveitados em novos projetos.

Nota: Digite UV LED na busca da Mouser para acessar uma grande quantidade de tipos de tosos os fabricantes.

 

VLMU35CM-280 -120 – Vishay

Datasheet em: https://br.mouser.com/datasheet/2/427/vlmu35cmxx-280-120-1767424.pdf 

Estes LEDs ultravioleta para comprimentos de onda de 265 a 285 nm (UVC) da Vishay, disponíveis na Mouser, tem justamente sua aplicação indicada para as áreas médicas como sensoriamento de germes, DNA, etc.

 

Figura 7 – LED ultravioleta C da Vishay em invólucro SMD
Figura 7 – LED ultravioleta C da Vishay em invólucro SMD

 

A potência de emissão é de 15 mW com uma corrente de 100 mA.

 

WL-SUMW - LEDs ultravioleta de alta potência – Wurth

Mais informações: https://br.mouser.com/new/wurth-elektronik/wurth-high-power-uv-led/ 

 

Figura 8 – LEDs UV da Wurth
Figura 8 – LEDs UV da Wurth

 

Estes LEDs emitem radiação ultravioleta na faixa A, em comprimentos de onda de 385 nm, 395 nm e 405 nm. O fluxo luminoso está entre 850 mW e 1,1 W conforme o tipo.

 

 

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