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 Chemieingenieurwesentj@fh-muenster.de

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

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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

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 29

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

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 30

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

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 35

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

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 36

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

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VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!

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