Chiếu xạ uv là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chiếu xạ UV

Chiếu xạ tia cực tím (ultraviolet irradiation) là quá trình sử dụng bức xạ điện từ trong vùng bước sóng từ 100–400 nm để tác động lên vật chất hoặc sinh vật. Tia UV có khả năng truyền năng lượng cao, xâm nhập bề mặt và tương tác với các phân tử sinh học, gây thay đổi hóa học hoặc vật lý. Tùy theo bước sóng và cường độ, chiếu xạ UV có thể thúc đẩy phản ứng khử trùng, kích hoạt các phản ứng quang hóa hoặc phá hủy cấu trúc phân tử.

Tia UV được chia thành ba vùng chính dựa trên bước sóng:

• UV-A (315–400 nm): Bước sóng dài, phổ biến trong ánh sáng mặt trời chiếu đến bề mặt Trái Đất, ít năng lượng nhưng xuyên sâu hơn.
• UV-B (280–315 nm): Bước sóng trung bình, năng lượng cao hơn, có thể gây tổn thương da và mắt ở người, đồng thời có ứng dụng y sinh trong liệu pháp quang học.
• UV-C (100–280 nm): Bước sóng ngắn nhất, năng lượng mạnh nhất, bị hấp thụ gần như hoàn toàn bởi tầng ozon và không đến bề mặt, nhưng được tạo ra nhân tạo để khử trùng nước, không khí và bề mặt (CDC).

Về mặt ứng dụng, chiếu xạ UV-C là phương pháp tiêu chuẩn trong xử lý nước và khử trùng trong phòng thí nghiệm nhờ khả năng phá vỡ DNA/RNA của vi sinh vật, ngăn chặn sinh sản và lây lan. UV-B và UV-A có vai trò trong liệu pháp da liễu, tổng hợp vitamin D và nghiên cứu sinh học quang học.

Cơ chế vật lý và hóa học của tia UV

Khi photon UV va chạm với các phân tử sinh học, năng lượng của photon được hấp thu và chuyển đổi theo hai hướng chính: kích hoạt electron lên mức năng lượng cao hơn hoặc sinh ra các gốc tự do thông qua quá trình quang phân tử. Ở vùng UV-C, năng lượng photon đủ lớn để tạo ra photodimer giữa các bazơ thymine trong DNA, dẫn đến đột biến và ngăn chặn khả năng nhân đôi DNA.

Trong tế bào, photodimer thymine chủ yếu hình thành liên kết cyclobutane, làm biến dạng cấu trúc xoắn kép. Nếu không được sửa chữa kịp thời bởi các cơ chế sửa lỗi (nucleotide excision repair), các photodimer này dẫn đến đột biến gen và chết tế bào. Ngoài ra, UV-B và UV-A sinh ra gốc hydroxyl (•OH) và superoxide (O₂•–), kích hoạt phản ứng oxy hóa màng lipid, protein và axit nucleic.

Quá trình huỳnh quang cũng thường xảy ra khi phân tử hấp thu photon UV rồi phát xạ photon với bước sóng dài hơn (visible fluorescence). Hiện tượng này được ứng dụng trong kính hiển vi huỳnh quang và phân tích quang phổ để quan sát bào quan, đánh dấu phân tử và định lượng tương tác sinh học (OSA J. Opt. Soc. Am. B).

Phân loại nguồn chiếu xạ UV

Các nguồn tạo tia UV thường được phân loại dựa trên công nghệ phát xạ và bước sóng chủ đạo:

• Đèn huỳnh quang mercury thấp áp (Low-pressure mercury lamp): phát xạ chủ yếu UV-C 254 nm, công suất từ vài mW đến hàng trăm W, tuổi thọ cao nhưng chứa thủy ngân độc hại.
• Đèn LED UV: phổ hẹp (UV-A/B/C), không chứa thủy ngân, hiệu suất quang-điện cải thiện, dễ tích hợp hệ thống điện tử điều khiển, tuổi thọ >10.000 giờ.
• Đèn natri áp suất cao pha tạp tantalum: phát xạ UV-B/C với công suất lớn, sử dụng cho công nghiệp xử lý nước và không khí quy mô lớn.
• Plasma lạnh phát UV: thiết bị tạo plasma ở nhiệt độ gần môi trường, sinh ra UV-B và UV-C, ứng dụng trong xử lý bề mặt vật liệu và tiệt khuẩn y tế.

Mỗi loại nguồn có độ rọi (irradiance) và phổ phát xạ khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả chiếu xạ. Việc lựa chọn nguồn phù hợp cần cân nhắc về diện tích chiếu, thời gian chiếu và yêu cầu an toàn (ScienceDirect).

Đo lường và liều lượng (dosimetry)

Liều UV (fluence) là thông số quan trọng đánh giá tổng năng lượng bức xạ chiếu lên đơn vị diện tích, được tính theo công thức:

$D = E \times t$, trong đó D là liều (J/cm²), E là độ rọi (irradiance, W/cm²) và t là thời gian chiếu (s).

Các công cụ đo liều UV điển hình bao gồm:

1. Radiometer UV: sử dụng đầu dò quang điện silicon có bộ lọc bước sóng để đo độ rọi tại điểm.
2. Đầu đọc phim cảm quang (UV dosimeter card): phiếu nhạy cảm đổi màu tương ứng với liều UV hấp thụ, dễ sử dụng trong kiểm tra nhanh.
3. Bộ cảm biến quang hợp tích hợp (actinometer): đo phổ rộng, phục vụ nghiên cứu quang hóa học và hiệu chuẩn đèn UV công nghiệp (NIST).

Để đảm bảo hiệu quả và an toàn, cần xác định liều tối thiểu diệt khuẩn (UV-C thường ≥ 5 mJ/cm² cho vi khuẩn Gram âm) và liều tối đa cho phép tiếp xúc với da, mắt theo tiêu chuẩn OSHA (≤ 3 mJ/cm²/8h đối với UV-C) hoặc ICNIRP (OSHA).

Ứng dụng chiếu xạ UV trong diệt khuẩn và khử trùng

Chiếu xạ UV-C là phương pháp khử trùng không sử dụng hóa chất, ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước uống, nước thải và khử trùng bề mặt, không khí trong phòng sạch. Ánh sáng UV-C ở bước sóng 254 nm gây phá vỡ liên kết bazơ trong DNA/RNA của vi sinh vật, ngăn chặn khả năng sinh sản và dẫn đến chết tế bào. Phương pháp này không để lại dư lượng hóa học, ít gây biến đổi chất lượng nước và thân thiện với môi trường (WHO).

Các hệ thống chiếu xạ UV trong xử lý nước thường bao gồm buồng chiếu xạ bằng thép không gỉ, đèn thủy ngân thấp áp hoặc LED UV, cùng bộ cảm biến đo độ rọi. Nước chảy qua buồng chiếu xạ, tiếp xúc với tia UV đủ liều sẽ loại bỏ vi khuẩn E. coli, Salmonella, Cryptosporidium và các mầm bệnh khác mà không thay đổi pH, mùi vị hay màu sắc.

• Hệ thống khử trùng nước uống: lắp đặt trong quy mô hộ gia đình đến công nghiệp.
• Buồng chiếu xạ không khí: tích hợp trong hệ thống thông gió và điều hòa (HVAC).
• Tiệt trùng bề mặt: phòng thí nghiệm, thiết bị y tế, bao bì thực phẩm.

Ứng dụng y sinh và da liễu

Trong y học, chiếu xạ UV-B liều thấp được sử dụng trong liệu pháp ánh sáng (phototherapy) điều trị bệnh vảy nến (psoriasis), viêm da cơ địa (atopic dermatitis) và một số bệnh da khác. Liều điển hình dao động 0,5–2 J/cm² mỗi phiên, với tần suất 2–3 lần/tuần để giảm viêm, thúc đẩy quá trình biệt hóa tế bào biểu bì (FDA).

Phương pháp PUVA (psoralen + UVA) kết hợp psoralen—một hợp chất làm tăng độ nhạy cảm của tế bào với UV-A—với chiếu xạ UV-A để điều trị vảy nến nặng và một số dạng xơ cứng bì. Mặc dù hiệu quả cao, PUVA tiềm ẩn nguy cơ lão hóa da sớm và ung thư biểu mô tế bào vảy, đòi hỏi giám sát chặt chẽ (CDC).

Chiếu xạ UV còn được dùng trong tổng hợp vitamin D qua da, điều chỉnh nhịp sinh học (circadian rhythm) và nghiên cứu quang hoạt tính các thuốc. Ứng dụng fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) với ánh sáng UV giúp khảo sát tương tác protein và động học trao đổi chất tế bào (OSA Biomedical Optics Express).

Tác động sinh học và an toàn

Phơi nhiễm tia UV-B/C có thể gây tổn thương cấp tính và mãn tính cho da và mắt. UV-B làm tổn thương thượng bì, gây cháy nắng (sunburn) và tăng tổng hợp melanin; UV-C có thể gây bỏng da cấp (NIOSH).

Ảnh hưởng lên mắt gồm viêm giác mạc cấp (photokeratitis), quáng gà, và tổn thương kết mạc. Phơi nhiễm lâu dài làm tăng nguy cơ đục thủy tinh thể (cataract) và giảm chức năng thị lực. Để bảo vệ, cần đeo kính chống UV đạt tiêu chuẩn ANSI Z87.1 và đeo trang bị che chắn da.

• Giới hạn phơi nhiễm: UV-C ≤ 3 mJ/cm²/8h (OSHA).
• Giới hạn phơi nhiễm: UV-B ≤ 0,1 J/cm²/8h (ICNIRP).
• Trang bị bảo hộ: kính UV, găng tay, áo phủ kín.

Quy định và tiêu chuẩn quốc tế

Các tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất chiếu xạ UV được ban hành bởi nhiều tổ chức quốc tế để bảo vệ người vận hành và đảm bảo hiệu quả diệt khuẩn:

• IEC 62471: An toàn quang sinh học của nguồn ánh sáng (IEC).
• EN 14897: Hiệu quả diệt khuẩn bằng UV của hệ thống xử lý nước (CEN).
• ISO 15858: An toàn thiết bị chiếu xạ UV-C cố định (ISO).

Tiến bộ công nghệ và xu hướng tương lai

Đèn LED UV-C thế hệ mới với chip AlGaN phủ nano tăng hiệu suất quang-điện lên >20%, tuổi thọ >20.000 giờ và không chứa thủy ngân, dễ lắp đặt tích hợp IoT để giám sát từ xa. Công nghệ này hứa hẹn giảm chi phí vận hành và nâng cao độ bền của hệ thống khử trùng (Science of the Total Environment).

Công nghệ plasma lạnh phát UV trong môi trường áp suất thường cho phép khử khuẩn không khí và bề mặt mà không làm nóng vật liệu, ứng dụng trong y tế, sản xuất thực phẩm và phòng sạch. Kết hợp cảm biến quang học và AI tối ưu hóa liều UV theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả và an toàn (Frontiers in Chemistry).

Tài liệu tham khảo

• World Health Organization (WHO). (2017). Ultraviolet radiation and health. WHO Fact sheet N°373.
• U.S. Food and Drug Administration (FDA). (2018). Ultraviolet Radiation: Health Effects and Safety Guidelines.
• Centers for Disease Control and Prevention (CDC). (2020). UV Radiation: Basics & Safety.
• National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). (2019). UV Radiation Exposure Guidelines.
• International Electrotechnical Commission (IEC). (2016). IEC 62471: Photobiological safety of lamps and lamp systems.