uv

تعداد کثیری از مولکولهای آلی و گروههای عاملی در بخشهایی از طیف الکترومغناطیسی که نواحی ماورای بنفش (UV) و مرئی (VIS) خوانده می‌شوند (طول موج آنها nm 800-190) شفاف هستند. در نتیجه آن روش طیف سنجی که با این حدود از طول موج سر و کار دارد، از محدودیتهایی برخوردار است. اما در بعضی موارد ، اطلاعات مفیدی از این نواحی طیف بدست می‌آید و هنگامی که این اطلاعات با اطلاعات حاصل از طیفهای مادون قرمز و رزونانس مغناطیسی هسته‌ای جمع گردد، می‌تواند در تعیین ساختمان یک جسم بسیار موثر واقع شود.

برانگیختگی الکترونی

وقتی که تابش مداومی از یک ماده شفاف عبور کند، بخشی از پرتو جذب می‌گردد. اگر این اتفاق افتد، باقیمانده تابش در صورت عبور از یک منشور ، ایجاد طیفی کرده که فواصلی میان خطوط آن وجود دارد و آن را یک طیف جذبی می‌نامند. در اثر جذب انرژی ، اتمها یا مولکولها از یک حالت انرژی کم (حالت اولیه یا پایه) به یک حالت انرژی بالاتر (حالت برانگیخته) منتقل می‌گردد. چنین فرایندی کوانتایی است. مقدار انرژی پرتو الکترومغناطیسی جذب شده کاملا معادل اختلاف انرژی بین حالات برانگیخته و پایه است.

در مورد طیف سنجی ماورای بنفش و مرئی ، انتقالاتی که منجر به جذب تابش الکترمغناطیسی در این ناحیه از طیف می‌گردند، انتقالات بین ترازهای انرژی الکترونی هستند. هنگامی که مولکولی انرژی جذب کند، یک الکترون از یک اوربیتال اشغال شده به یک اوربیتال اشغال نشده با انرژی پتانسیل بالاتر ارتقا می‌یابد. معمولا محتمل‌ترین انتقال از بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) به پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) است. اختلاف انرژی بین ترازهای الکترونی در اکثر مولکولها بین KJ/mol 650-125 متغیر است.

در تعداد کثیری از مولکولها ، پایین‌ترین اوربیتالهای مولکولی اشغال شده ، اوربیتالهای σ بوده که این اوربیتالهای مربوط به پیوندهای σ هستند. اوربیتالهای π در ترازهای بالاتری قرار می‌گیرند و آن اوربیتالهایی که جفت الکترونهای غیرپیوندی را نگاه می‌دارند ( اوربیتالهای مولکولی غیرپیوندی ، n ) حتی در ترازهای انرژی بالاتری قرار دارند. اوربیتالهای خالی یا ضد اتصالی (*π و *σ) دارای بالاترین ترازهای انرژی هستند.

منشاء ساختمان نوار UV

برای اتمی که در ناحیه ماورای بنفش جذب می‌کند، طیف جذبی ، اغلب شامل خطوط بسیار تیزی است که نظیر آن از یک فرایند کوانتایی که بین دو تراز انرژی مجزا رخ می‌دهد، انتظار می‌رود. اما در مولکلولها ، جذب UV معمولا در محدوده گسترده ای از طول موج اتفاق می‌افتد. این بدان دلیل است که در درجه حرارت اتاق ، مولکولها (برخلاف اتمها) معمولا دارای حالات برانگیخته ارتعاشی و چرخشی بسیاری هستند. در واقع ارتعاش مولکولها حتی در صفر مطلق هم بطور کامل متوقف نمی‌گردد. در نتیجه ، مجموعه ای از مولکولها ، اعضای خود را در بسیاری حالات برانگیخته ارتعاشی و چرخشی خواهند داشت. ترازهای انرژی برای چنین حالاتی کاملا نزدیک به یکدیگر بوده ، چنان که اختلاف انرژی میان آنها به مراتب کمتر از اختلاف انرژی ترازهای الکترونی است. بنابراین ترازهای چرخشی و ارتعاشی بر روی ترازهای الکترونی قرار دارند.

پس یک مولکول قادر است که بطور همزمان ، برانگیختگی الکترونی و ارتعاشی- چرخشی را انجام دهد. چون انتقالات بسیاری وجود داشته که هر یک تفاوت اندکی با دیگران دارد، پس هر انتقال الکترونی شامل تعداد بسیاری از خطوط بوده که با فواصل بسیار جزئی از یکدیگر قرار می‌گیرند. فواصل میان این خطوط بقدری اندک است که طیف سنج ، قادر به تفکیک آنها نیست، بلکه دستگاه مجموعه ای از آنها را به‌صورت یک طرح کلی ارائه می‌دهد. آنچه که از این مجموع انتقالات مشاهده می‌شود، آن است که طیف UV یک مولکول شامل یک نوار جذب بوده که مرکز آن نزدیک طول موج انتقال اصلی است.

اصل طیف سنجی جذب

هرچه تعداد مولکولهای جادب نور با طول موج معین بیشتر باشد، مقدار جذب نور نیز فزونی می‌گیرد. به علاوه هرچه یک مولکول جاذب نور با طول موج معین موثرتر عمل کند، مقدار جذب نور هم بیشتر می‌گردد. با این عقاید می‌توان عبارت تجربی زیر را که به عنوان قانون بیر- لامبرت شناخته می‌شود، فرمول بندی کرد:

A=log(I0/I)=εcl

A= مقدار جذب
I0=شدت نور ورودی به سلول محتوی نمونه
I= شدت نور خروجی از سلول محتوی نمونه
C= غلظت مولاری حل شونده
L= طول سلول محتوی نمونه (برحسب cm)
ε= قدرت جذب مولی


عبارت (log(I0/I به‌عنوان مقدار جذب یا چگالی نوری شناخته شده و با A نمایش داده می‌شود. قدرت جذب مولی (قبلا به عنوان ضریب خاموشی مولی شناخته می‌شد) خصوصیت آن مولکولی است که انتقال الکترونی انجام داده و تابع پارامترهای متغیری نیست که در تهیه یک محلول ایجاد می‌شود. قدرت جذب بوسیله اندازه یا بزرگی سیستم جاذب و نیز توسط احتمال وقوع انتقال الکترونی کنترل می‌گردد. قدرت جذب از لحاظ عددی محدوده ای بین صفر تا 106 را در بر می‌گیرد. مقادیر بالاتر از 104 را جذبهای شدید گفته ، در حالی‌که مقادیر پایین ار از 103 را جذبهای ضعیف می‌نامند. انتقالات ممنوع دارای قدرت جذبی بین 100 تا 1000 هستند.

uv

نسان از قرنها پیش اعتقاد داشت که نور خورشید می‌تواند از اشاعه عفونتها جلوگیری کند در سال 1877 دو محقق انگلیسی به نامهای دانز و بلونت دریافتند که تکثیر میکروارگانیسمها زمانی که تحت تابش نورآفتاب قرار می‌گیرد متوقف می‌گردد. تحقیقات بعدی نشان داد که عامل این پدیده طیف غیر قابل رؤیت اشعه خورشید با طول موج 254 نانومتر است. در پی این کشف ، امکان طراحی و ساخت دستگاههای مولد اشعه باکتری کش میسر گردید. امروزه این نوع اشعه که باعث جلوگیری از فعالیت باکتریها می‌گردد به عنوان اشعه ماورای بنفش"UV" شناخته شده است. تحقیقات جدید در مورد تاثیر این پرتو بر روی میکروارگانیسمها منتج به ساخت سیستمهای جدید ضدعفونی برای مایعات ، هوا و همچنین سطح اجسام گردید. بدین ترتیب ، ضدعفونی بدون استفاده از مواد شیمیایی و یه به کارگیری حرارتهای بالات میسر شد و ضدعفونی در مواردی که قبلا مشکل و یا غیر ممکن بود نیز امکان پذیر گردید. امروزه ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش ، نه فقط به عنوان یک روش با ارزش و موثر شناخته شده، بلکه در خیلی از موارد به عنوان مکمل سایر روشهای ضدعفونی بکار گرفته می‌شود.

مکانیسم ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش

برخلاف اغلب ضدعفونی کننده‌ها، تشعشع اشعه ماورای بنفش ، میکروارگانیسمها را به وسیله اثر متقابل شیمیایی غیر فعال نمی‌کند بلکه آنها را به وسیله جذب نور توسط خودشان غیر فعال می نماید که باعث واکنش فتوشیمیایی می‌شود. اشعه مذکور ، مواد مولکولی ضروری برای عامل سلولی را تغییر می دهد. چون اشعه uv در دیواره سلول میکروارگانیسمها نفوذ می‌کند، اسیدهای نوکلئیک و دیگر مواد سلولی حیاتی به وسیله آن اثر، تحت تاثیر قرار می‌گیرند. در نتیجه ، سلولهایی که در معرض این اشعه قرار گرفته اند ضدمه دیده و یا نابود می‌شوند. مدارک کافی وجود دارد که اگر انرژی uv به مقدار کافی به ارگانیسمها تابیده شود، اشعه uv می تواند آب را به اندازه‌ای که نیاز است ضدعفونی کند. برای از بین بردن میکروارگانیسمهای کوچک مانند باکتریها و ویروسها مقداری اشعه uv لازم است اما برای از بین بردن و غیر فعال کردن پروتوزآ مانند ژیاردیا و کریپتواسپوریدیوم انرژی uv مورد نیاز ، چندین برابر انرژی لازم برای غیر فعال کردن باکتریها و ویروسها خواهد بود. در نتیجه اشعه uv برای ضدعفونی کردن و یا برای آبهای زیرزمینی که در آنها ژیاردیا و کریپتواسپوریدیوم وجود ندارد موثر است.

محدوده طول موج اشعه uv برای ضدعفونی

انرژی موجی اشعه uv در محدوده طول موج اشعه الکترومغناطیسیnm) 100-400) بین اشعه ایکس و طیف نور مرئی است. منطقه بهینه برای میکروب‌کشی توسط اشعه uv در محدوده nm) 245-285) است. ضدعفونی توسط اشعه uv، هم به وسیله لامپهای با فشار کم که حداکثر انرژی خروجی آنها در طول موج 7. 253 است و هم با لامپهای فشار متوسط که انرژی آنها در طول موجnm) 180-370) است و یا لامپهایی که انرژی آنها در دیگر طول موج ها با شدتهای زیاد نوسانی منتشر می‌شود، انجام می‌گیرد.

موارد بکارگیری روش ضدعفونی با اشعه uv

سه مورد اصلی استفاده از روش ضدعفونی با اشعه uv وجود دارد:

• ضدعفونی مایعات
• ضدعفونی فضاها
• ضدعفونی سطوح اجسام

ضدعفونی مایعات

روش ضدعفونی با اشعه uv می‌تواند برای آب آشامیدنی ، آبهای فرایندی و فاضلاب یعنی تمامی مواردی که آب بدون آلودگی یا با آلودگی تقلیل یافته مورد نظر است، استفاده شود. امروزه کلرزنی بیش از هر روش دیگری برای ضدعفونی کردن آب ، مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی متاسفانه کلر "هالوفرم" هایی نظیر کلروفرم ایجاد می‌کند که احتمال تاثیر سرطان زایی آنها شناخته شده است. این امر باعث گردید که محققان به طور جدی در صدد جایگزینی و یا محدودکردن به کارگیری این ماده شیمیایی برآیند. تنها روش شناخته شده امروزی که هیچ تغییری در خواص شیمیایی و فیزیکی آب ایجاد نکرده و ماده ای به آب اضافه نمی‌نماید، ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش است.
موارد کاربرد اشعه uv برای ضدعفونی مایعات :

• صنایع غذایی
• آبهای فرایندی و آب آشامیدنی
• پرورش ماهی ، میگو ، دام و طیور
• فاضلابهای شهری و صنعتی
• صنایع آرایشی و بهداشتی ، شیمیایی ، دارویی و الکترونیک (آب فوق العاده تمیز)
• استخرهای شنا ، آب‌نماها و جکوزیها
• سیستمهای آب خنک کننده مدار بسته و سیستمهای تهویه مطبوع

ضدعفونی فضاها و سطوح

ضدعفونی فضا و سطوح بعد از ضدعفونی آب یکی از مهمترین و موفق‌ترین موارد استفاده از اشعه ماورای بنفش به شمار می‌آید. در حالی که ضدعفونی هوا با وسایل متداول ضدعفونی به سختی ممکن بوده و یا عملی نباشند، اشعه ماورای بنفش به عنوان وسیله‌ای موثر برای از بین بردن میکروارگانیسمهای معلق در هوا به کار می‌رود. در این روش کل هوای موجود در فضا به کمک جریان طبیعی از مجاورت لامپها عبور نموده و تراکم میکروبی موجود در فضا به میزان بسیار زیادی تقلیل می‌یابد. بدین ترتیب از انتقال بیماریها و عفونتهایی که از راه تنفسی سرایت می‌کنند جلوگیری می‌گردد.
موارد کاربرد اشعه uv برای ضدعفونی فضاها :

• بیمارستانها (اتاق عمل ، اتاق انتظار ، بخشها و لباسشوییها)
• داروسازی ، آزمایشگاهها و آشپزخانه ها
• صنایع غذایی ، کشتارگاهها ، صنایع لبنی ، پرورش دام و طیور ، تولید خشکبار
• تهویه مطبوع

موارد کاربرد اشعه uv برای ضدعفونی سطوح اجسام

• ضدعفونی مواد بسته در صنایع غذایی مانند فویل ، قوطی و بطری
• جلوگیری از آلودگی مواد در فرآیند تولید و بسته بندی
• مخازن ، ظروف و بطری و همچنین دستگاههای پرکن

عوامل موثر بر بازده ضدعفونی توسط اشعه uv

برخلاف بسیاری از ضدعفونی کننده ها، اشعه uv یک فرایند فیزیکی است که به زمان تماس جهت غیر فعال سازی مواد بیماری زا ، بستگی دارد. برای رسیدن به غیرفعال‌سازی ، اشعه uv باید توسط میکروارگانیسم جذب شود بنابراین هر عاملی که از رسیدن اشعه uv به میکروارگانیسمهای جلوگیری کند باعث کاهش تاثیر ضدعفونی کردن می‌شود. گزارش داده‌اند که pH روی خاصیت ضدعفونی توسط اشعه uv موثر نیست، عواملی که روی بازده ضدعفونی توسط اشعه uv موثرند عبارتند از:

• فیلمهای شیمیایی و مواد آلی و غیر آلی حل شده: رسوب جامدات روی سطح لامپ uv می‌تواند شدت اشعه uv را کاهش داده، در نتیجه باعث کاهش بازده ضدعفونی گردد. به علاوه فیلمهای تشکیل شده، ناشی از تاثیر مواد آلی ، منیزیم ، کلسیم و رسوبات آهن هستند که گزارش شده است. آب که غلظت آهن ، سختی ، سولفید هیدروژن و مواد آلی در آن زیاد باشد بسیار مستعد تشکیل رسوب است، که به تدریج شدت کارایی اشعه uv را کاهش می‌دهد. تنوع مواد شیمیایی می‌تواند عبوردهی اشعه uv را کاهش دهد، که آنها شامل اسیدهای هیومیک ، مواد فنولیک و سولفونات لیگنین ، کروم ، کبالت ، مس و نیکل هستند. همچنین عوامل رنگی مانند چای و مواد استخراج شده برگ گیاهان باعث کاهش شدت uv می‌شود.

 

• اجتماع میکروارگانیسمها و کدورت: سطح ذرات ، محل پرورش و نگهداری باکتریها و دیگر باکتریهای بیماریزا است. لذا وجود ذرات روی بازده ضدعفونی به دلیل اینکه باکتریها را از پرتو اشعه uv محافظت و نیز نور اشعه uv را متفرق می‌کند موثر است به هر حال کدورت زیاد باعث تاثیر ، روی ضدعفونی می‌شود. همانند ذرات که باعث کدورت می‌شوند، اجتماع میکروارگانیسمها نیز می تواند روی بازده ضدعفونی موثر باشد و آن به این دلیل است که باعث می‌شود با کتریهای بیماریزا در آنها جایگزین شده، عملا در پناه قرار گیرند.

مزایای کاربرد اشعه uv

• رفع موثر آلودگی میکروبی بدون آلودگی شیمیایی
• ضدعفونی فوری بدون نیاز به مخزن تماس
• ضدعفونی موثر میکروارگانیسمهای مقاوم در برابر کلر و اوزون
• عدم ایجاد ترکیبات جانبی مضر و بیماری‌زای شیمیایی
• عدم ایجاد طعم و بوی شیمیایی
• عدم تغییر در کیفیت فیزیکی و شیمیایی
• عدم ایجاد عوارض فوری و حساسیت
• عدم تخریب محیط زیست

تاثیر زیست محیطی استفاده از اشعه ماورای بنفش

به سبب آنکه اشعه ماورای بنفش یک عامل شیمیایی نیست ، هیچ باقی مانده سمی تولید نمی‌کند اما ممکن است ترکیبات شیمیایی مخصوصی به وسیله اشعه ماورای بنفش دچار تغییر گردند. عموما تصور می‌شود که این ترکیبات به شکل بی‌ضررتری تجزیه می‌شوند، اما هنوز به پژوهشهای بیشتری در این زمینه نیاز است. در حال حاضر باید باور داشت که ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش هیچ گونه تاثیر زیست محیطی مطلوب یا نامطلوب ندارد.