الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 25-11-2025 المنشأ:محرر الموقع
الأشعة فوق البنفسجية (UV) هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي بين الضوء المرئي (البنفسجي، الطول الموجي ~400 نانومتر) والأشعة السينية (الطول الموجي ~10 نانومتر)، مع نطاق طول موجي يُعرف عادةً بـ 100 نانومتر إلى 400 نانومتر. من وجهة نظر نظرية الكم، فإن السمة الأساسية للأشعة فوق البنفسجية تكمن في طول موجتها: كلما كان الطول الموجي أقصر، زادت طاقة الفوتون، مما أدى إلى قوة تدميرية أكبر للمادة (خاصة الجزيئات الحيوية). تمنح هذه الخاصية الأشعة فوق البنفسجية تطبيقات مهمة في التطهير والمعالجة وغيرها من المجالات، بينما تشكل أيضًا مخاطر بيولوجية محتملة (على سبيل المثال، التعرض المفرط يمكن أن يؤدي إلى تلف الجلد أو الحمض النووي).
الشمس هي المصدر الطبيعي الرئيسي للأشعة فوق البنفسجية على الأرض، وتولد فوتونات عالية الطاقة من خلال الاندماج النووي الداخلي. بعد الترشيح بواسطة الغلاف الجوي، تصل أجزاء فقط من الأشعة فوق البنفسجية (320-400 نانومتر) وكمية صغيرة من الأشعة فوق البنفسجية (280-320 نانومتر) إلى السطح. تمتص مكونات الغلاف الجوي مثل طبقة الأوزون معظم الأشعة فوق البنفسجية، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية ذات الطاقة الأعلى (200-280 نانومتر)، وبالتالي حماية النظم البيئية للأرض من آثارها المدمرة.
بناءً على اختلافات الطول الموجي والطاقة، تنقسم الأشعة فوق البنفسجية إلى ثلاث فئات:
الأشعة فوق البنفسجية (320-400 نانومتر) : الأشعة فوق البنفسجية ذات الموجة الطويلة، ذات اختراق قوي، تستخدم بشكل أساسي للمعالجة والكشف عن الفلورسنت والأضواء السوداء، ولكنها قد تسرع شيخوخة الجلد.
الأشعة فوق البنفسجية ب (280-320 نانومتر) : الأشعة فوق البنفسجية متوسطة الموجة، ذات طاقة معتدلة، تستخدم في العلاجات الطبية (على سبيل المثال، للأمراض الجلدية) وتخليق فيتامين د، ولكنها تسبب حروق الشمس بسهولة.
الأشعة فوق البنفسجية (200-280 نانومتر) : الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة، ذات أعلى طاقة، يمتصها الغلاف الجوي بالكامل تقريبًا، وتمتلك قدرات قوية للغاية في ابادة الجراثيم عن طريق تدمير هياكل DNA/RNA الميكروبية. ويشيع استخدامه في تطبيقات التطهير، مثل تنقية الهواء ومعالجة المياه.
الطريقة الأولى: العثور على ذرة يقع اختلاف طاقة إثارة الإلكترون فيها عن الحالة الأرضية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية تمامًا. نحن نعلم أن التحولات الإلكترونية في المدارات الذرية تحول الطاقة إلى موجات كهرومغناطيسية. ولحسن الحظ، يتضمن الجدول الدوري العناصر التي تلبي هذا المطلب.
ولسوء الحظ، هذا العنصر هو الزئبق (Hg)، المعروف باسم الفضة السريعة، وهو ضار بالإنسان والبيئة. مصابيح الزئبق (أو مصابيح بخار الزئبق) هي حاليًا المنتجات الرئيسية للتطهير والمعالجة والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، كما أنها أكبر تطبيق لأنابيب الفلورسنت ومصابيح الفلورسنت المدمجة (CFLs). مبدأ عمل مصابيح الزئبق بسيط نسبيًا: في أنبوب أشعة الكاثود، تثير الإلكترونات عالية الطاقة ذرات بخار الزئبق، مما يتسبب في دخول إلكتروناتها في حالة مثارة؛ عندما تعود الإلكترونات إلى الحالة الأرضية، فإنها تطلق ضوء الأشعة فوق البنفسجية (في المقام الأول عند أطوال موجية 253.7 نانومتر و185 نانومتر). إذا كان الجدار الخارجي لأنبوب المصباح مطليًا بفوسفور RGB، فيمكن تحويل ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء مرئي، وتشكيل مصابيح فلورسنت أو مصابيح موفرة للطاقة. في الوقت الحالي، تظل مصابيح الزئبق هي التكنولوجيا السائدة في التطهير بالأشعة فوق البنفسجية، والمعالجة (على سبيل المثال، الطباعة بالحبر فوق البنفسجي)، والتعرض (على سبيل المثال، الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات). ومع ذلك، وبسبب سمية الزئبق، فإن الاتفاقيات الدولية مثل اتفاقية ميناماتا تضغط من أجل التخلص التدريجي منه.
الطريقة الثانية: استخدام مبادئ انبعاث الضوء من أشباه الموصلات لتصنيع مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
UVC LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء فوق البنفسجي C) هو حل مبتكر حديث لمصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية. ويستند إلى مبدأ التلألؤ لمواد أشباه الموصلات، وخاصة أشباه الموصلات المركبة III-V مثل نيتريد الألومنيوم (AlN)، ونيتريد الغاليوم (GaN)، ونيتريد الغاليوم الإنديوم (InGaN). تتوافق فجوة نطاق هذه المواد (حوالي 2.5-6.2 فولت) بدقة مع نطاق الطول الموجي من الأزرق إلى الأشعة فوق البنفسجية، مما يسمح بالتحكم الدقيق في الطول الموجي للانبعاثات عن طريق ضبط نسب التركيب.
نشأ هذا التقدم التكنولوجي في أوائل التسعينيات من مساهمات العلماء اليابانيين شوجي ناكامورا، وإيسامو أكاساكي، وهيروشي أمانو، الذين حلوا تحديات نمو بلورات نيتريد الغاليوم. باستخدام طرق مثل ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD)، تتم زراعة الهياكل متعددة الطبقات (مثل الوصلات المتغايرة AlGaN/AlInGaN) على ركائز من الياقوت أو السيليكون لإنتاج شرائح LED تغطي نطاقات UVA وUVB وحتى UVC.
مبدأ التعقيم لـ UVC LED
ينبع التأثير المبيد للجراثيم لـ UVC LED من العمل المدمر لضوء الأشعة فوق البنفسجية قصير الموجة (خاصة في النطاق 222-280 نانومتر) على الأحماض النووية الميكروبية. الآليات المحددة هي كما يلي:
امتصاص الأحماض النووية وأضرارها : الكائنات الحية الدقيقة (مثل البكتيريا والفيروسات والفطريات والأوالي) تحتوي على DNA أو RNA تحتوي على قواعد بيريميدين (ثيمين T أو يوراسيل U)، والتي تظهر معدلات امتصاص عالية للأشعة فوق البنفسجية (الذروة عند ~ 260 نانومتر). عندما يتم امتصاص فوتونات UVC، فإنها تثير جزيئات البيريميدين المجاورة لتكوين ثنائيات (ثنائيات بيريميدين)، وهي الأكثر شيوعًا ثنائيات الثايمين.
تعطيل الوظيفة الوراثية : تشوه هذه الخافتات بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي، وتتداخل مع التشغيل الطبيعي لبوليميراز الحمض النووي، مما يؤدي إلى أخطاء أو ركود في تكرار الحمض النووي ونسخ الحمض النووي الريبي. ونتيجة لذلك، لا تستطيع الكائنات الحية الدقيقة تصنيع البروتينات بشكل طبيعي، أو التكاثر، أو الحفاظ على عملية التمثيل الغذائي، وفي النهاية تصبح غير نشطة أو تموت.
كفاءة التعطيل والجرعة : يعتمد التأثير المبيد للجراثيم على جرعة التشعيع (ملي جول/سم² = الإشعاع × الوقت). على سبيل المثال، يتطلب تعطيل 99.9% من الإشريكية القولونية حوالي 6-10 مللي جول/سم²، بينما بالنسبة لـ SARS-CoV-2، يتطلب حوالي 3-5 مللي جول/سم². تشمل مزايا UVC LED التحكم الدقيق في الطول الموجي والجرعة، وعدم إنتاج الأوزون أو بقايا كيميائية، والفعالية ضد البكتيريا المقاومة للأدوية.
تتمتع مصابيح LED UVC بمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك المستشفيات وأنظمة تكييف الهواء وخزائن التطهير ومعدات معالجة المياه وموزعات المياه ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي وحمامات السباحة ومعدات تجهيز وتعبئة الأطعمة والمشروبات. باختصار، يمثل UVC LED تحولًا ثوريًا في تكنولوجيا الأشعة فوق البنفسجية من مصابيح الزئبق التقليدية إلى مصادر الضوء الصلبة المستدامة. فهو ليس أكثر أمانًا وكفاءة فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا مبتكرة في مجال التطهير. ومع التقدم في علوم المواد وعمليات التصنيع، من المتوقع أن تهيمن مصابيح UVC LED على سوق الأشعة فوق البنفسجية العالمية بحلول عام 2030، لتحل محل مصابيح الزئبق تمامًا وتعزز التطبيقات الذكية 'الخالية من الزئبق'.
