Bức xạ cực tím là gì? Các nghiên cứu khoa học về Bức xạ cực tím

Định nghĩa và phân loại

Bức xạ cực tím (UV) là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy và dài hơn tia X, nằm trong khoảng $\lambda = 10\text{ nm}–400\text{ nm}$. Bức xạ UV có năng lượng cao, khả năng tương tác mạnh với vật chất và sinh học, tùy theo bước sóng sẽ mang đến những hiệu ứng khác nhau lên da, mắt và các vật liệu.

Theo chuẩn phân loại quốc tế, UV được chia thành ba vùng chính: UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) và UVC (100–280 nm). Mỗi loại có bản chất quang lý và sinh học riêng:

• UVA: Bước sóng dài nhất, xuyên sâu vào lớp biểu bì và hạ bì, gây lão hóa da.
• UVB: Cường độ năng lượng trung bình, gây cháy nắng, tổn thương DNA và ung thư da.
• UVC: Bước sóng ngắn nhất, năng lượng cao nhất, phần lớn bị tầng ozone hấp thụ, ít đến mặt đất.

Vật lý cơ bản

Tần số của bức xạ UV nằm trong khoảng từ khoảng 7,5×10¹⁴ Hz đến 3×10¹⁶ Hz, tương ứng với năng lượng photon từ vài electronvolt đến hơn 10 eV. Công thức tính năng lượng photon được cho bởi $E = h \nu$, trong đó h là hằng số Planck (6,626×10⁻³⁴ J·s) và ν là tần số.

Chỉ số khúc xạ (n) và hệ số hấp thụ (α) của vật liệu đối với UV phụ thuộc vào cấu trúc điện tử và độ rỗng mạng tinh thể. Các vật liệu thông dụng như thủy tinh thường chặn UVB và UVC, trong khi nhựa polycarbonate, acrylic hoặc các loại kính lọc chuyên dụng có khả năng cản UVA.

Phổ UV	Bước sóng (nm)	Năng lượng photon (eV)
UVA	315–400	3,1–3,9
UVB	280–315	3,9–4,4
UVC	100–280	4,4–12,4

Ứng với mỗi vùng, năng lượng photon càng cao thì khả năng ion hóa và phá vỡ liên kết phân tử càng lớn, từ đó xác định mức độ nguy hại và ứng dụng công nghệ.

Nguồn gốc và phân bố tự nhiên

Mặt Trời là nguồn phát UV tự nhiên chính, phát ra toàn bộ phổ UV, trong đó UVC và phần UVB bị tầng ozone hấp thụ mạnh. Lượng UV đến bề mặt Trái Đất thay đổi theo vĩ độ, mùa, độ cao, độ che phủ mây và thời gian trong ngày.

Ở vùng xích đạo hoặc nơi có tầng ozone suy giảm, cường độ UVB và UVC tăng, dẫn đến nguy cơ hại da và mắt cao hơn. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm:

• Vĩ độ: gần xích đạo, góc chiếu mặt trời lớn, UV mạnh hơn.
• Độ cao: trên núi cao, không khí loãng, hấp thụ ít, UV tăng ~10–12% mỗi 1.000 m.
• Mùa và giờ trong ngày: trưa hè, tia UV mạnh nhất do góc chiếu gần vuông góc.
• Độ che phủ mây và phản xạ mặt đất: tuy mây che giảm UV một phần, bề mặt cát, tuyết phản xạ làm tăng UV tiếp xúc.

Ngoài mặt trời, nguồn nhân tạo như đèn huỳnh quang, đèn plasma, hệ thống LED UV và máy khử trùng UVC cũng tạo ra UV với cường độ và bước sóng điều chỉnh theo nhu cầu công nghiệp, y tế hoặc nghiên cứu [EPA].

Cơ chế tương tác với vật chất

Photon UV khi tiếp xúc với vật chất có thể kích thích electron từ mức cơ bản lên mức kích thích, dẫn đến các phản ứng sau:

• Quang kích thích (photoexcitation): electron được kích lên mức năng lượng cao, có thể phát xạ photon hoặc tán xạ.
• Quang ion hóa (photoionization): photon đủ năng lượng tách electron khỏi phân tử, tạo ion và electron tự do.

Các phản ứng quang hóa trong không khí có thể tạo thành ozone (O₃) từ O₂ và các gốc tự do, hoặc phân hủy các hợp chất hữu cơ, hình thành sản phẩm oxy hóa:

1. Phân hủy quang phân (photolysis): A → B· + C·
2. Phản ứng gốc tự do (radical reaction): B· + O₂ → BO₂·
3. Tạo thành ozone: O· + O₂ → O₃

Mức độ tương tác phụ thuộc vào năng lượng photon, thời gian chiếu xạ và bản chất hóa học của chất hấp thụ. Trong y tế, cơ chế này được tận dụng để khử trùng và điều trị da với liều UV chuẩn hóa theo hướng dẫn từ WHO [WHO].

Ảnh hưởng sinh học

Bức xạ UV khi chiếu vào da có thể xuyên qua lớp biểu bì, gây tổn thương trực tiếp lên DNA thông qua tạo photoproducts như pyrimidine dimers, làm gián đoạn quá trình phiên mã và sao chép, dẫn đến đột biến tế bào và nguy cơ ung thư da tăng cao. UVB chủ yếu chịu trách nhiệm hình thành cyclobutane pyrimidine dimers và 6-4 photoproducts, trong khi UVA tạo ra gốc tự do thông qua quang kích thích sắc tố melanin [NCBI].

Liều thấp của UVA và UVB kích thích tổng hợp vitamin D3 (cholecalciferol) trong lớp sừng của da, đóng vai trò quan trọng trong cân bằng canxi và phosphate, hỗ trợ phát triển xương và miễn dịch. Tuy nhiên, phơi nhiễm kéo dài hoặc quá liều gây viêm nhiễm cấp tính (cháy nắng), lão hóa da sớm (photoaging) đặc trưng bởi nếp nhăn, đốm sắc tố và suy giảm độ đàn hồi.

Mắt cũng là mục tiêu dễ tổn thương: quầng sáng UVB có thể gây viêm giác mạc (photokeratitis), còn UVA xuyên sâu, gây tổn thương thủy tinh thể và võng mạc, làm tăng nguy cơ đục thủy tinh thể và thoái hóa điểm vàng [WHO].

Ứng dụng công nghệ

UVC có khả năng diệt khuẩn và virus hiệu quả, được ứng dụng trong hệ thống khử trùng không khí, bề mặt và nước trong bệnh viện, phòng thí nghiệm và quy trình sản xuất thực phẩm. Đèn UVC truyền thống sử dụng đèn thủy ngân phát bước sóng 254 nm; công nghệ LED UVC mới cho phép điều chỉnh bước sóng 260–280 nm để tối ưu hiệu quả diệt khuẩn và giảm tiêu thụ năng lượng [PubMed].

• Khử trùng không khí và bề mặt: buồng chiếu tia UVC trong phòng mổ, hệ thống ống thông gió.
• Ứng dụng công nghiệp: đóng rắn keo UV trong in ấn, sấy nhanh polyme, xử lý bề mặt kim loại và kính.
• Phân tích quang phổ: máy quang phổ UV-Vis dùng để định lượng protein, DNA, thuốc và chất ô nhiễm.

Ứng dụng	Bước sóng (nm)	Lợi ích chính
Khử trùng y tế	254	Diệt khuẩn, virus hiệu quả
In UV	365–405	Sấy nhanh, độ bám dính cao
Quang phổ phân tích	200–800	Định lượng chính xác hợp chất

Biện pháp bảo hộ và tiêu chuẩn đo lường

Chỉ số UV (UV Index) do WHO và EPA đưa ra đánh giá mức độ nguy cơ bức xạ UV ảnh hưởng đến da người, thang điểm từ 0 (thấp) đến 11+ (rất cao). Chỉ số UV được tính dựa vào phổ năng lượng tới mặt đất, phổ biến dùng đơn vị W/m² hoặc mW/cm² cho cường độ bức xạ [EPA].

Biện pháp phòng ngừa gồm:

1. Sử dụng kem chống nắng phổ rộng (bảo vệ UVA/UVB) với SPF ≥ 30, thoa lại sau mỗi 2 giờ hoặc sau khi bơi, ra mồ hôi.
2. Đeo kính râm có khả năng chặn 100% tia UVA và UVB, kính với phim phủ chống UV.
3. Mặc trang phục bảo hộ chống nắng, mũ rộng vành và găng tay khi làm việc ngoài trời.
4. Tránh phơi nắng từ 10:00–16:00, khi chỉ số UV thường ở mức cao nhất.

UV Index	Mức độ nguy cơ	Khuyến nghị
0–2	Thấp	Không cần bảo hộ đặc biệt
3–5	Trung bình	Kem chống nắng, mũ
6–7	Cao	Bảo hộ đầy đủ, hạn chế ngoài trời
8–10	Rất cao	Tránh nắng, áo chống UV
11+	Nguy hiểm	Ở trong nhà, bảo hộ tối đa

Xu hướng nghiên cứu và triển vọng

Nghiên cứu vật liệu phủ nano TiO₂ và ZnO có khả năng hấp thụ và phân tán UV hiệu quả, ứng dụng trong kính chống nắng, lớp phủ ngoài trời và may mặc công nghệ cao. Kích thước hạt nano được tinh chỉnh để đảm bảo độ trong suốt và bền cơ học.

Công nghệ far-UVC (207–222 nm) đang được quan tâm vì cho khả năng khử khuẩn mạnh nhưng an toàn với da và mắt người, do bước sóng này không xuyên qua lớp tế bào sừng. Thử nghiệm lâm sàng tại các cơ sở y tế cho thấy giảm nhiễm khuẩn không khí lên tới 90% trong môi trường bệnh viện [PubMed].

Phát triển LED UV công suất thấp, tuổi thọ cao, hiệu quả năng lượng tốt, ứng dụng trong khử trùng gia dụng và thiết bị cầm tay. Nghiên cứu tích hợp cảm biến UV tự động điều chỉnh độ sáng và cảnh báo người dùng khi tiếp xúc quá ngưỡng an toàn.

Tài liệu tham khảo

1. WHO, “Ultraviolet (UV) Radiation,” https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ultraviolet-(uv)-radiation.
2. EPA, “UV Index Scale,” https://www.epa.gov/sunsafety/uv-index-scale.
3. NCBI, “Mechanisms of UV-Induced DNA Damage,” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2836436/.
4. PubMed, “Far-UVC Light: A New Tool to Control the Spread of Airborne-Mediated Microbial Diseases,” https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31531552/.
5. PubMed, “LED UV Technology for Disinfection,” https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33262551/.
6. NASA, “Ozone Layer Overview,” https://www.nasa.gov/mission_pages/ozone/ozone-layer-overview.html.
7. ACS, “Photochemistry of Ultraviolet Radiation,” https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.7b00399.