Определение интенсивности и профилактической дозы ультрафиолетовой рациации

Солнечная радиация, ее физические характеристики и спектральный состав.

Солнечная радиация – это интегральный поток корпускулярных частиц (протоны, альфа-частицы, электроны, нейтроны, нейтрино и другие) и электромагнитного (фотонного) излучения (таблица 1).

Таблица 1. Электромагнитный состав солнечной радиации (за R.F. Donnelly, O.R.White, 1980)

	Длина волны в нанометрах
Диапазон радиочастот	> 100 000
Далекий инфракрасный участок	100 000 – 10 000
Инфракрасный участок	10 000 – 760
Видимый или оптический участок	760 – 400
Ультрафиолетовый участок	400 – 120
Крайний ультрафиолетовый участок	120-10
Мягкое рентгеновское излучение	10-0,1
Жесткое рентгеновское излучение	< 0,1

УФР Солнца с длиной волны меньше 290 нм полностью поглощается кислородом и озоном в верхних слоях земной атмосферы. Тем не менее, загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, оказывает содействие разрушению и утоньшению озонового слоя атмосферы, в этих регионах появлению так называемых “озоновых дыр”, из-за которых ближе к поверхности земли проникают более короткие и опасные для всего живого УФ лучи.

Искусственные источники УФР:

• прямые ртутно-кварцевые (ПРК), дуговые ртутно-кварцевые (ДРК) лампы, генерирующие УФР в диапазоне волн 240-380 нм;
• лампы эритемные увиолевые (ЭУВ-15, ЭУВ-30, ЛЭ-30) — в диапазоне 285-380 нм;
• лампы бактерицидные увиолевые БУЛ-30, ЛБ-30 — в диапазоне 240-380 нм.

Весь диапазон Уф-излучения Солнца и искусственных источников делится на три области:

• область А — длинноволновое УФ-излучение: λ = 315-400 нм;
• область В — средневолновое Уф-излучение: λ = 280-315 нм;
• область С — коротковолновое Уф-излучение: λ = 10-280 нм.

Спектральный состав и основные свойства УФИ представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Спектральный состав и основные свойства ультрафиолетового излучения (УФИ)

Биологическое действие УФР: биогенное (общестимулирующее, Д-витаминообразующее, пигментообразующее) и абиогенное (бактерицидное, вирулицидное, канцерогенное и т.п.).

1. Общестимулирующее (эритемное) действие УФР присуще диапазону 250-320 нм, с максимумами 250 и 297 нм (двойной пик), и минимумом при 280 нм. Это действие проявляется фотолизом белков кожи (УФ лучи проникают в кожу на глубину 3-4 мм) с образованием токсических продуктов фотолиза — гистамина, холина, аденазина, пиримидиновых соединений и других. Последние всасываются в кровь, стимулируют обмен веществ в организме, ретикулоэндотелиальную систему, костный мозг, повышают количество гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, активность ферментов дыхания, функцию печени, стимулируют деятельность нервной системы и т.п.

Общестимулирующее действие УФР усиливается благодаря ее эритемному эффекту — рефлекторному расширению капилляров кожи, особенно, если одновременно имеет место достаточно интенсивное инфракрасное излучение. Эритемный эффект при чрезмерном облучении может закончиться ожогом кожи.

2. Д-витаминообразующее (антирахитическое) действие УФР присуще для диапазона 315-270 нм (область В) с максимумом действия в диапазоне длины волны 280-297 нм. Действие состоит в расщеплении кальциферолов: из эргостерина (7,8-дегидрохолестерина) в кожном сале (секрете сальных желез) под влиянием УФИ, благодаря расщеплению бензольного кольца, образуется витамин Д₂ (эргохолекальциферол) и витамин Д₃ (холекальциферол), а из провитамина 2,2-дегидроэргостерина – витамин Д ₄.

3. Пигментообразующее (загарное) действие УФР характерно для диапазонов области А, В и длиной волны 280-340 нм с максимумами при 320-330 нм и 240-260 нм. Оно обусловлено преобразованием аминокислоты тирозина, диоксифенилаланина, продуктов распада адреналина под влиянием УФР и фермента тирозиназы в черный пигмент меланин. Меланин защищает кожу (и весь организм) от избытка УФИ, видимого и инфракрасного излучения.

4. Бактерицидное (абиотическое) действие УФР присуще области С и В и охватывает диапазон волн с длиной от 300 до 180 нм с максимумом при длине волны 254 нм (по другим данным – 253,7-267,5 нм). Под влиянием УФР сначала возникает раздражение бактерий с активацией их жизнедеятельности, которая с увеличением дозы УФР изменяется бактериостатическим эффектом, а затем — фотодеструкцией, денатурацией белков, гибелью микроорганизмов.

5. Канцерогенное действие УФР проявляется в условиях жаркого тропического климата и на производствах с высокими уровнями и продолжительным действием технических источников УФИ (электросварка и т.п.).

Методы измерения УФ радиации

1. Интегральный (суммарный) поток радиации Солнца измеряется пиранометрами (например, пиранометр Янышевского) и выражается в мкал / (см²*мин). Солнечная постоянная равняется 2 мкал / (см²*мин) на границе атмосферы и 1 мкал / (см²*мин) на уровне Земли.

2. Биологический (эритемный) метод — определение эритемной дозы с помощью биодозиметра М.Ф. Горбачева (рис. 2.2). Эритемная доза (ЭД) или биодоза – наименьшая продолжительность УФ облучения незагоревшей кожи в минутах, после которого спустя 15-20 часов (у детей спустя 1-3 часа) проявляется выраженное покраснение кожи (эритема).

Биодозиметр М.Ф. Горбачева представляет собой планшетку с 6-ю отверстиями (1,5 — 1,0 см), которые закрываются подвижной пластинкой. Для определения эритемной дозы биодозиметр закрепляют на незагоревшей части тела (внутренняя часть предплечья). Целесообразно пометить на коже (шариковой ручкой) расположение и номер окошек. Исследуемый участок кожи располагают на расстоянии 0,5 м от искусственного источника УФИ (после прогрева лампы 10-15 мин.) и открывают каждое окошко на 1 минуту. Таким образом, окошко № 1 облучается 6 мин., № 2 — 5 мин., № 3 — 4 мин., № 4 — 3 мин., № 5 — 2 мин., № 6 — 1 мин. В зависимости от мощности источника и других условий время облучения и расстояние до источника могут быть иными.

Контроль появления эритемы проводят через 18-20 часов после облучения. Эритемную дозу определяют в минутах по номеру окошка, где эритема будет наименьшей.

Физиологическая доза составляет 1/2 — 1/4 эритемной, а профилактическая – 1/8 эритемной дозы.

Профилактическую дозу на необходимом для облучения пациентов расстоянии рассчитывают по формуле:

 

где: В — расстояние от лампы до пациента в м;

С — стандартное расстояние в м, на котором определяется эритемная доза (0,5 м);

А — эритемная доза на стандартном расстоянии, мин.

Примечание: как отмечено раньше, студенты друг у друга на занятии лишь облучают кожу при помощи дозиметра Горбачева. На коже шариковой ручкой нумеруют окошки, а спустя 18-20 часов самостоятельно определяют эритемную дозу, рассчитывают физиологическую и профилактическую дозы, данные заносят в протокол, о результатах работы отчитываются на следующем занятии.

Рис. 2.2. Биодозиметр Горбачева.

3. Фотохимический (щавелевокислый) метод разработан З.Н. Куличковой и основан на разложении щавелевой кислоты в присутствии азотнокислого уранила пропорционально интенсивности и продолжительности УФ облучения ее титрованного раствора.

Результат измерения выражается в количестве миллиграммов разложившейся щавелевой кислоты на 1 см² облучаемой поверхности раствора. Одной эритемной дозе отвечает 3,7- 4,1 ^мг/_см² разложенной щавелевой кислоты, физиологической дозе – 1 ^мг/_см², профилактической дозе – 0,5 ^мг/_см².

Интенсивность ультрафиолетовой радиации этим методом определяется в мг разложившейся щавелевой кислоты на 1 см² поверхности раствора за единицу времени (мин, час).

Реактивы: 0,1 н раствор щавелевой кислоты (6,3 г на 1 л дистиллированной воды); рабочий 0,1 н раствор перманганата калия (3,16 г КМnО₄ в 1 л дистиллированной воды): рабочий 0,1 н раствор щавелевой кислоты с азотнокислым уранилом (6,3 г щавелевой кислоты и 5,02 г азотнокислого уранила в 1 л дистиллированной воды); 6 % раствор серной кислоты (60 мл концентрированной кислоты на 1 л дистиллированной воды).

Порядок исследования:

1. Определяют титр 0,1 н раствора КМnО₄ точным 0,1 н раствором щавелевой кислоты (Т). Для этого в колбу для титрования отмеривают 25 мл раствора H₂SO₄, 25 мл 0,1 н. раствора щавелевой кислоты, подогревают на водяной бане до 70, титруют из бюретки 0,1 н. раствором КМnО₄ до появления едва заметного розового цвета, не исчезающего на протяжении 1 мин. Титр рассчитывают путем деления количества мл щавелевой кислоты на количество мл раствора КМnО₄, использованного на титрования.
2. Определяют начальный объем раствора КМnО₄ по рабочему раствору щавелевой кислоты с уранилом (V₁), который будет облучаться. Для этого вместо раствора чистой щавелевой кислоты берется 25 мл рабочего раствора щавелевой кислоты с азотнокислым уранилом. Титрование проводят аналогично.
3. Экспозиция рабочего раствора в исследуемом месте для определения интенсивности УФИ. В затемненную черной бумагой кварцевую пробирку со световым окном в бумаге определенного размера наливают 25 мл рабочего раствора щавелевой кислоты с азотнокислым уранилом.

Закрытая пробкой пробирка выставляется в штативе на открытом участке для измерения УФР Солнца и небосклона на час или на определенное количество часов, или же в соответствующем месте под источником искусственной УФР (лампа ЛЭ-30, ПРК и прочие). После экспозиции пробирка сохраняется в светонепроницаемом футляре.

Примечание: Для ускорения работы студенты получают готовый рабочий раствор, экспонированный лабораторией.

1. Определение объема раствора КМnО₄ по рабочему раствору щавелевой кислоты с азотнокислым уранилом после экспозиции (V₂) выполняется аналогично описанному выше. Разность между начальным объемом раствора КМnО₄ и его объемом после экспозиции рабочего раствора щавелевой кислоты показывает, сколько щавелевой кислоты разложилось под действием УФР.

Интенсивность УФР измеряют в мг разложившейся щавелевой кислоты на 1см² поверхности светового окна пробирки за час.

Расчет осуществляется по формуле:

где: Т — титр 0,1 н. раствора КМnО₄ по щавелевой кислоте;

V₁ и V₂ – объемы раствора КМnО₄, израсходованные на титрование щавелевой кислоты с азотнокислым уранилом, соответственно, до и после УФ облучения, мл;

6,3 — количество мг щавелевой кислоты в 1 мл 0,1 н. раствора;

S – площадь светового окна кварцевой пробирки, см²;

t — продолжительность экспозиции пробирки под источником УФР, часов (от Солнца) или минут (от искусственного источника УФР).

Примечание: При измерении дозы УФР результат измерения выражают в количестве разложившейся щавелевой кислоты на см² за минуту (от искусственного источника) или за час (от Солнца).

Пример вывода. Интенсивность УФР Солнца и небосклона, по результатам определения составляет 1,3 мг/см² час разложенной щавелевой кислоты, которая отвечает 0,3 эритемной дозы. Человеку ежесуточно нужно получить не меньше 1/8 эритемной дозы. Для этого он должен находиться под открытым небом не менее 24 мин.

4. Физический (фотоэлектрический) метод – измерение интенсивности УФР ультрафиолетметром (сокращенно – уфиметром). Уфиметр – физический прибор с магниевым (для диапазона 220-290 нм) или сурьмяно-цезиевым (290-340 нм) фотоэлементом. Результаты измерения выражаются в мВт/м² или мкВт/м².

В связи с тем, что эритемный эффект различный при разных длинах волн, а наибольший при =297 нм, введена эквивалентная этой длине единица – микроэр, т.е. 1 мкэр =1 мкВт/м² при = 297 нм. При других длинах волн результат измерения в мкВт/м² умножают на относительную биологическую эффективность (ОБиолЭ) (табл. 2).

Например, интенсивность УФР, измеренная уфиметром, равняется 6 мкВт/м², из них 4 мкВт/м² при =297 нм, а 2 мкВт/м² при =310 нм. Отсюда доза облучения составляет: 41+20,03=4,06 мкэр. Установлено, что 1 ЭД = 700-1000 мкэр; 1 профилактическая доза — 100 мкэр.

Таблица 2. Относительная биологическая эффективность УФР разных диапазонов

Длина волны, нм	320	310	300	297	280	250	180
Относительная биологическая эффективность	0,01	0,03	0,5	1,0	0,75	0,43	0,18

Аналогично к изложенному выше, бактерицидный эффект наибольший при длине волны 254 нм, а при других длинах волны снижается, поэтому введена единица микробакт.

1 микробакт = 1 мкВт/м² при =254 нм, а при других длинах волны результат измерения в мкВт/м² умножают на коэффициент относительной бактерицидной эффективности (ОБактЭ) (табл. 3).

Таблица 3. Относительная бактерицидная эффективность

Длина волны, нм	320	300	280	254	220	180	100
Относительная бактерицидная эффективность	0,02	0,08	0,45	1,0	0,84	0,76	0,74

Существует несколько типов уфиметров. Ниже приведена инструкция по использованию дозиметра УФ радиации автоматического ДАУ-81 для измерения интенсивности УФР и дозы облучения.

Дозиметр ДАУ-81 предназначен для измерения энергии излучения в пределах до 500 Вт/м² и дозы облучения в диапазоне от 10 Дж/м² до 15 МДж/м² в пределах углов падения излучения 80искусственными источниками излучения: бактерицидного диапазона УФР-ДБ в спектральной области от 0,22 до 0,28 мкм (обл. С); лампами ЛУФ-40, ЛУФ-80 в спектральной области от 0,32 до 0,40 мкм (видимый свет).

Дозиметр ДАУ-81 состоит из блока измерения и преобразователей: — первичного (УФ-С) с фотоэлементом Ф-29, работающего в спектральной области 0,22-0,28 мкм (обл. С); — первичного (УФ-А) с фотоэлементом Ф-26 с комплектом светофильтров УФ и СЗС-23, обеспечивающих измерение в спектральной области 0,32-0,40 мкм (обл. А); — первичного (ФАР) с фотоэлементом Ф-25 с комплектом светофильтров СЗС-25 и ЗС-4, обеспечивающих измерение в спектральной области 0,38-0,71 мкм (видимый свет).

Подготовка дозиметра к работе. Подключите к блоку измерения первичный преобразователь, соответствующий выбранной спектральной области (С, А или видимого), а кабель управления источником излучения (УФ лампой) — к системе управления.

Включите прибор в электросеть. Прибор готов к измерению, если при нажатии кнопки “Сеть” стрелка на измерительном щитке отклоняется от ноля.

Порядок работы. Включите дозиметр, нажав кнопку “Сеть”.

Ручкой “Уст. 0” установите стрелку микроамперметра на нулевую метку, перед тем нажав клавишу переключателя границ излучения энергетической освещаемости “10” (преобразователь первичный закрыт).

Нажмите клавишу “500”. Снимите крышку из первичного преобразователя. Проверьте показатели микроамперметра. Если показатели составляют меньше 1/5 шкалы, переходите на более чувствительный режим, последовательно нажимая клавиши “100”, а потом “10”.

Установите по датчику необходимую дозу облучения .

Нажмите кнопку “Сброс”. На счетчике должны установиться нули.

При достижении заданной дозы (соотношение с показателем индикатора дозы) срабатывает звуковая сигнализация и поступает сигнал на выключение источника излучения (УФ лампы).

Измените показание звукового сигнала, снова нажмите кнопку “Сброс”. На табло снова засветятся нули.

После установления необходимой дозы облучения на датчике, дозиметр снова готов к работе.

5. Расчетные методы определения интенсивности УФ радиации.

Расчет эритемного потока маячного (передвижного) облучателя ЛЭ-10 проводят по формуле:

ℱ_{облучателя} = 5,4 S H/t,

где: ℱ — общий (суммарный) эритемный поток облучателя, мэр/м² мин;

5,4 — коэффициент запаса;

S – площадь помещения, м²;

t — продолжительность работы облучателя, мин;

H – доза профилактического УФ облучения, мэр/м² мин.

Значение H:

Примечание: Расчет доз профилактического УФ облучения при применении солнечных и воздушных ванн с помощью таблиц приведен в следующей теме № 3 “Методика использования УФ излучения с целью профилактики заболеваний и санации воздушной среды”.