פוטוביולוגיה וביוטכנולוגיה: הקרנה אופטית מבוקרת של תאים ורקמות

הפוטוביולוגיה בוחנת כיצד קרינה אופטית – מ-UV-C ועד לתחום האינפרה-אדום הקרוב – מקיימת אינטראקציה עם חומר ביולוגי: עם DNA, חלבונים, רגישנים פוטוכימיים (פוטוסנסיטייזרים), קולטני אור ומבני תא. הביוטכנולוגיה מיישמת ידע זה ככלי מכוון – להשבתת מיקרואורגניזמים, לבקרת מסלולי איתות תאיים, לביצוע טיפול פוטודינמי ברקמות, או להנעת שינוי מולקולות ביולוגיות המתווך באור. האתגר הטכני המרכזי הוא שמערכות ביולוגיות אינן מגיבות להספק החשמלי של המנורה או למשך חשיפה גורף, אלא לעצמת קרינה נופלת ספקטרלית המגיעה בפועל אל אתר הפעולה, למנת הקרינה הנובעת ממנה, ולנצילות התלוית-אורך-גל של פוטונים בודדים. ללא מדידה אופטית בעלת עקיבות מטרולוגית, כל תצפית ביולוגית נותרת ניתנת לשחזור רק באופן חלקי.

מבחינה טכנית, השינוי המרכזי הוא מעבר במקורות האור המשמשים: מנורות אדי כספית רחבות-סרט מוחלפות במקורות UV-LED וקסימר צרי-סרט. שינוי זה מעלה את רף האפיון הפוטוביולוגי, שכן כל שילוב אורכי גל חדש מחייב ספקטרום פעולה משלו, פרופיל בטיחות משלו על פי IEC 62471, ודוסימטריה משלו. תשומת הלב הרגולטורית הגוברת – למשל עדכוני 2022 ו-2023 של IEC 62471-6 למוצרי מנורות UV ו-IEC 62471-7 לקרינה נראית – הינה תוצאה ישירה של התרבות סוגי המקורות הזו.

המעבר ממנורות כספית ל-UV-LED משנה לא רק עלות ויעילות, אלא גם את השיטות הזמינות: מכיוון שמערכי LED מספקים כמה אורכי גל בעת ובעונה אחת וניתנים לשליטה עצמאית, ניתן כעת לקבוע ספקטרומי פעולה באופן ישיר וניסיוני על ידי שינוי אורך גל העירור, ולא להסתמך על מספר קטן של קווי מנורה קבועים. הקמת מקורות far-UVC סביב 222 nm פותחת יישומים מעבר לחיטוי הקלאסי (ראו חיטוי UV), שכן חדירתם המוגבלת לרקמה והכימיה הפוטוכימית המובחנת שלהם – המתבטאת בנצילות קוונטית גבוהה יותר באופן ניכר לפוטוליזה של סוגים מסוימים של ביומולקולות – מאפשרות פרופילי בטיחות ומכניזמי פעולה חדשים (Jing et al., 2024, Water Research). בצד הרגולטורי, אמנת מינמטה מובילה להפסקה גלובלית הדרגתית של מנורות המכילות כספית לתאורה כללית עד 2027; מקורות UV מיוחדים למחקר ולחיטוי מטופלים עד כה במסגרת פטורים נפרדים, אך גם הם נמצאים בלחץ גובר להסתגל (Minamata Convention on Mercury – Exemptions). במקביל, IEC ו-CIE עדכנו את תקני הבטיחות שלהם למנורות ולמערכות מנורות – IEC 62471-6:2022 למוצרי מנורות UV הכוללים UV-LED, ו-IEC 62471-7:2023 למקורות הפולטים בעיקר קרינה נראית – מה שהופך את סיווג הסיכון הפוטוביולוגי של מקורות LED ולייזר חדשים למחייב יותר ויותר (IEC Webstore).

גדלי שוק, שיעורי צמיחה ומקורות עבור תחום יישום זה מסוכמים בעמוד התפתחות השוק של טכנולוגיית UV.

אפקטים ביולוגיים נובעים מבליעת פוטונים על ידי מולקולות ספציפיות, הכרומופורים: חומצות גרעין בולעות באופן מועדף בתחום UV-C ו-UV-B, חומצות אמינו ארומטיות ופלבינים בתחום UV-A והכחול, פורפירינים וחומרים פוטוסנסיטיזרים אחרים בולעים לרוב בתחום הכחול והאדום הנראה. כאשר פוטון בעל אנרגיה מתאימה פוגע בכרומופור, הוא יכול לעורר מעבר אלקטרוני שמפעיל תגובה פוטוכימית - לדוגמה נזק ל-DNA, יצירת חמצן סינגלטי, או שינוי קונפורמציוני בחלבון פוטורצפטור. הסבירות להתמרה זו מתוארת על ידי נצילות קוונטית. מכיוון שספקטרי הבליעה תלויים באורך הגל, האפקטיביות הפוטוביולוגית של מקור קרינה אינה נקבעת על פי ההספק הכולל שלו, אלא על פי המכפלה של עצמת קרינה ספקטרלית וספקטרום פעולה התלוי באורך הגל, המבטא את היעילות היחסית של כל אורך גל עבור נקודת קצה ביולוגית נתונה (BIPM SI Brochure, Appendix 3).

קיים מגוון רחב של טכנולוגיות מקור להקרנה מבוקרת של דגימות ביולוגיות, הנבדלות ברוחב הפס, בטווח אורכי הגל, בעומס התרמי על הדגימה ובאופן ההזדקנות.

מנורות מרקורי בלחץ נמוך פולטות באופן קרוב למונוכרומטי ב-253.7 nm, ומשמשות באופן מסורתי ליישומי UV-C במיקרוביולוגיה ובחיטוי. מנורות מרקורי בלחץ בינוני וגבוה מספקות ספקטרום קווי רחב-פס מ-UV-B ועד לתחום הנראה, ומשמשות בין היתר כמקור זול לבדיקות יציבות פוטוכימית. מנורות קשת קסנון מדמות אור שמש (D65/ID65) בספקטרום רציף ומסונן, והן מקור הייחוס בבדיקות יציבות פוטוכימית בתחום הפרמצבטי לפי ICH Q1B. מנורות אקסימר, למשל מבוססות קריפטון כלוריד, פולטות באופן קרוב למונוכרומטי – למשל ב-222 nm – ורלוונטיותן גוברת מעבר לחיטוי טהור, בשל עומק החדירה הנמוך יותר לעור ולעיניים ובשל הפוטוכימיה המובחנת שלהן (Ma et al., 2023). נוריות LED בתחום ה-UV והנראה הן צרות-פס, נדלקות באופן מיידי כמעט, אינן מכילות מרקורי, וניתן לשלב אותן במערכים הפורשים כמה אורכי גל, מה שמפשט מאוד את הרישום הישיר של ספקטרות פעולה. לייזרים ודיודות לייזר מספקים צפיפות הספק גבוהה בשטח קטן מאוד, ומשמשים בעיקר במקרים שבהם יש להוביל את האור בסיבים אופטיים למיקום מוגדר, כגון באופטוגנטיקה או בטיפול פוטודינמי ממוקד.

האפקט הפוטוביולוגי של הקרנה אינו נקבע על ידי גודל בודד, אלא על ידי האינטראקציה בין כמה גדלים פיזיקליים שיש לתעד בנפרד.

עצמת קרינה נופלת (W/m² (עצמת קרינה נופלת (W/m² או mW/cm²) מתארת את עצמת הקרינה הפוגעת במשטח וקובעת באיזו מהירות מגיעים למנת קרינה מסוימת. מנת קרינה, או חשיפה קרינתית (J/m² (חשיפה קרינתית (J/m² או mJ/cm²), היא האינטגרל בזמן של עצמת הקרינה הנופלת, וזהו הגודל שבדרך כלל מקושר לאפקט ביולוגי כגון הפחתה לוגריתמית או אריתמה. עצמת קרינה ספקטרלית (W/(m²·nm)) היא הגודל הבסיסי בכל מקרה שבו יש להשוות, לשלב או לשקלל כמה אורכי גל בהתאם לספקטרום פעולה - כל גודל משוקלל רצוי ניתן לגזור ממנה, אך לא להפך. עצמת קרינה אפקטיבית, משוקללת לפי ספקטרום פעולה, לוקחת בחשבון שלא כל וואט של עצמת אור אופטית יעיל באותה מידה; רק החלק המשוקלל בהתאם לספקטרום הפעולה הרלוונטי נחשב. שטף פוטונים (פוטונים בשנייה ליחידת שטח, המבוטא לרוב ביחידות µmol·m⁻²·s⁻¹) חשוב בפוטוביוטכנולוגיה מכיוון שתגובות פוטוכימיות מוגבלות בסופו של דבר על ידי מספר הפוטונים ולא על ידי האנרגיה. משך ההקרנה וטמפרטורת הדגימה חייבים להירשם בנפרד, שכן אפקטים תרמיים עשויים להצטבר על אפקטים פוטוכימיים מבלי שהדבר יתגלה ממנת הקרינה בלבד.

טעות נפוצה היא זיהוי הספק חשמלי של המנורה עם מנת הקרינה האופטית באתר הפעולה עצמו. בין המנורה למבנה המטרה מצויים המרחק, האופטיקה, אולי מסנן, קיר הכלי, מכסה, מצע התרבית ובזירוע צפוף – התאים עצמם; כל אחת מהשכבות הללו מחלישה את הקרינה בצורה התלויה באורך הגל. מדידה שבוצעה מעל כלי הדגימה מתארת אפוא את המקור, ולא את החשיפה בפועל של שכבת התאים.

נפוצה במידה שווה ההנחה שציון משך זמן בלבד מספיק לתיעוד. לפי חוק ההדדיות של Bunsen–Roscoe, מכפלת עצמת הקרינה הנופלת בזמן קבועה בתהליכים פוטוכימיים טהורים; במערכות ביולוגיות, לעומת זאת, הדדיות זו מתקיימת רק בתוך טווח מוגבל של עצמה וזמן. מנגנוני תיקון, חידוש אספקת החמצן והעברת מסה פועלים בקנה מידה זמני משלהם, כך שאותה מנת קרינה המועברת בעצמת קרינה גבוהה למשך זמן קצר יכולה להוביל לתוצאה שונה מאותה מנת קרינה בעצמה נמוכה למשך זמן ארוך (סקירה על כשל ההדדיות בפוטוביולוגיה; מחקר על מגבלות ההדדיות הפוטוביולוגית). מי שמשווה סדרות ניסויים צריך אפוא לציין עצמת קרינה, זמן ומנת קרינה בנפרד, ולא להתייחס לחשיפה קצרה יותר בעצמה גבוהה יותר כהמרה נטולת השפעה.

נקודה שלישית, שלעיתים קרובות מוערכת בחסר, היא בלבול בין מנות קרינה מהספרות לבין ערכי תהליך הניתנים להעברה ישירה: מנת חיטוי של, למשל, 10 mJ/cm² שדווחה עבור מקור אקסימר מסוים באורך גל 222 nm (Ma et al., 2023) תקפה לגיאומטריית המדידה ולמטריצה המתוארות שם – העברתה לעובי דגימה אחר, למצע עכור, או לאורך גל אחר אינה מותרת בלא מדידה חדשה. לבסוף, לעיתים קרובות מוערך בחסר שהשפעות תרמיות ופוטוכימיות עלולות להצטלב: מקור בעל הספק גבוה ורוחב פס נרחב מחמם את הדגימה באופן מדיד, ותגובה המופעלת באופן תרמי טהור ניתנת להפרדה מההשפעה הפוטוכימית רק אם שתי ההשפעות נמדדות בבידוד זו מזו (Höhn et al., 2015).

העבירות הספקטרלית של כלי הדגימה תלויה מאוד באורך הגל, ובפועל היא אחד ממקורות השגיאה הגדולים ביותר אך המתועדים הכי פחות. מכסים ולוחות פוליסטירן סטנדרטיים יכולים להחליש קרינת UV-C ו-UV-B בכמה סדרי גודל יותר מאשר UV-A או אור נראה, כך שניסוי שתועד בפשטות כ-"הקרנת UV" עשוי בפועל להעביר מנות קרינה שונות מאוד לדגימה, בהתאם לכלי שבו נעשה שימוש. מצעי התרבית עצמם מכילים מרכיבים סופחי UV ואור כחול – כגון פנול רד כאינדיקטור pH, או ריבופלבין – אשר, לפי חוק בير-למברט, מחלישים את עצמת הקרינה הנופלת באופן אקספוננציאלי עם עליית עומק השכבה; אפילו מספר מילימטרים של מצע יכולים להפחית באופן משמעותי את מנת הקרינה המגיעה לתחתית התרבית. בזריעת תאים צפופה, מצטרף לכך "אפקט הסינון הפנימי" (inner-filter effect), שבו תאים הקרובים לפני השטח מקבלים חלק גדול יותר מהמנה לעומת תאים השוכנים בעומק רב יותר. בצלחות מיקרו, יצירת מניסקוס בפני השטח של הנוזל מוסיפה עצמת קרינה לא הומוגנית, התלויה במיקום, אפילו בתוך אותה באר. במקרים שבהם אחד מגורמי ההשפעה הללו אינו ידוע, יש למדוד את עצמת הקרינה הנופלת בפועל במיקום הדגימה המיועד, ולא בקרן החופשית.

שני גדלים מסבירים מדוע מנת קרינה זהה אינה מובילה אוטומטית לאפקט זהה כאשר אורך הגל משתנה: אנרגיית הפוטון ונצילות קוונטית.

אנרגיית הפוטון נגזרת מ:

E_photon = h · c / λ

כאשר h הוא קבוע פלנק (h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s), c הוא מהירות האור (c = 2.998 × 10⁸ m/s) ו-λ הוא אורך הגל. לכן אורכי גל קצרים יותר נושאים יותר אנרגיה לכל פוטון.

הנצילות הקוונטית Φ מתארת כמה תגובות פוטוכימיות מתרחשות עבור כל פוטון נספג:

Φ = (מספר האירועים הפוטוכימיים) / (מספר הפוטונים הנספגים)

Φ אינו קבוע טבעי; הוא תלוי במולקולה הספציפית, בסביבתה ולעיתים קרובות גם באורך גל ההתעוררות עצמו (IUPAC Gold Book). תנאי מוקדם לשימוש משמעותי בכל אחד מהגדלים הוא שהקרינה נספגת בפועל – פוטונים שאינם נספגים אינם תורמים לתגובה, ללא קשר לאנרגיה שלהם. שני מקורות עם עצמת קרינה נופלת זהה אך אורך גל שונה מייצרים בדרך כלל אפקטים פוטוביולוגיים שונים – גם מכיוון שהמולקולה המטרה סופגת במידה שונה, וגם מכיוון שהנצילות הקוונטית עצמה יכולה להיות תלויה באורך הגל.

שאלה: מחקר בתחום חיטוי UV ופוטוביולוגיה משתמש יותר ויותר במקורות אקסימר באורך גל 222 nm במקום במנורות כספית בלחץ נמוך מקובלות ב-254 nm. כיצד נבדלת אנרגיית הפוטון בין שני אורכי הגל, ומה המשמעות מבחינת יעילות פוטוכימית?

הנחות: קרינה מונוכרומטית באורכי הגל λ₁ = 222 nm ו-λ₂ = 254 nm; h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s; c = 2.998 × 10⁸ m/s.

מודל: E_photon = h · c / λ

חישוב:
E₁ = (6.626 × 10⁻³⁴ J·s × 2.998 × 10⁸ m/s) / 222 × 10⁻⁹ m ≈ 8.95 × 10⁻¹⁹ J
E₂ = (6.626 × 10⁻³⁴ J·s × 2.998 × 10⁸ m/s) / 254 × 10⁻⁹ m ≈ 7.82 × 10⁻¹⁹ J
לאחר המרה לאלקטרון-וולט (1 eV = 1.602 × 10⁻¹⁹ J): E₁ ≈ 5.59 eV, E₂ ≈ 4.88 eV.

תוצאה: לפוטון ב-222 nm יש אנרגיה גבוהה בכ-14 אחוזים מזו של פוטון ב-254 nm.

פרשנות טכנית: הפרש זה תואם לממצאים ניסיוניים לפיהם הנצילות הקוונטית לפוטוליזה של בסיסי חומצות גרעין וחומצות אמינו ב-222 nm גבוהה פי 4 עד 61 בהשוואה ל-254 nm (Jing et al., 2024, Water Research). בפועל, המשמעות היא שמנת קרינה רדיומטרית שווה (J/cm²) באורכי גל שונים אינה מובילה בהכרח לאפקט ביולוגי דומה – מדידה ודיווח של עצמת קרינה נופלת בלבד, ללא ציון אורך הגל, אינם מספיקים כדי לתאר תהליך בצורה ניתנת לשחזור או להעביר אותו בין מקורות קרינה שונים.

דרמטולוגיה וטיפול באור. קרינת UV-B בפס צר (לרוב סביב 311 nm) משמשת לטיפול בפסוריאזיס ובוויטיליגו. הגודל הקריטי כאן הוא מנת האריתמה המינימלית (MED) של המטופל הבודד, המשתנה מאדם לאדם ומוערכת אל מול ספקטרום הפעולה של האריתמה בהתאם ל-ISO/CIE 17166.

טיפול פוטודינמי (PDT). זרז פוטוני (photosensitizer) מתעורר על ידי אור שאורך גלו מותאם לפסי הבליעה שלו – סביב 405 nm (פס Soret) לנגעים שטחיים, או 630 עד 635 nm לנגעים עמוקים יותר. הגודל הקריטי בתהליך הוא עומק החדירה, שהוא הגבוה ביותר בתוך מה שמכונה "חלון הטיפול" שבין כ-600 ל-850 nm, שם הפיזור והבליעה על ידי הרקמה מינימליים (סקירה של הפיזיקה של PDT, PMC).

תאים ומיקרוביולוגיה. במעבדות מחקר מקרינים תרביות חיידקים ותאים בתנאים מוגדרים כדי לבחון מנגנוני תיקון DNA, שיעורי מוטגנזה או פוטוטוקסיות, למשל באמצעות תא הקרנה BS-02. הדרישה הקריטית היא שחזוריות המנה במיקום הדגימה בפועל על פני ריצות מקבילות רבות וימי ניסוי (Estévez Castro et al., 2018).

בדיקות יציבות פוטוכימית בתעשייה הפרמצבטית. בהתאם ל-ICH Q1B, יש לחשוף חומרים פעילים ותכשירים מוגמרים למנת קרינת UV ואור נראה מוגדרת (לפחות 200 W·h/m² UV ו-1.2 מיליון לוקס-שעה של אור נראה) כדי להעריך התכלות הנגרמת על ידי אור. הגורם הקריטי הוא ההתאמה הספקטרלית המדויקת של מקור הבדיקה לספקטרום הייחוס D65/ID65 (EMA/ICH Q1B), המפורט בהרחבה בעמוד פארמה & יציבות פוטוכימית.

אופטוגנטיקה ומדעי המוח. פוטורצפטורים מקודדים גנטית כגון channelrhodopsin (המופעל סביב 473 nm) או halorhodopsin (המעוכב סביב 590 nm) מופעלים באמצעות LED או לייזר המחוברים לסיב אופטי. הגודל הקריטי הוא עצמת הקרינה הנופלת בקצה הסיב או ברקמת המטרה, ולא הספק היציאה של המקור (סקירה של מקורות אור אופטוגנטיים, PMC).

פוטוביוטכנולוגיה והנדסת תהליכים ביולוגיים. שימוש באור כאמצעי בררני בכימיה של חלבונים הולך ומתרחב – למשל לפונקציונליזציה של ביומולקולות המופעלת באור – וכן להארת מיקרואורגניזמים פוטוסינתטיים בתוך ביו-ראקטורים (Berton & Holland, 2025). הגורם הקריטי כאן הוא שטף הפוטונים ליחידת נפח והארה הומוגנית ככל האפשר של נפח הראקטור.

קוסמטיקה ומחקר קרם הגנה מהשמש. בדיקות in-vitro ליעילות מסנני UV וזרזים פוטוניים משתמשות בהקרנה משוקללת לפי אריתמה או פוטוטוקסיות. הגורם הקריטי הוא מידת ההתאמה של ספקטרום הבדיקה לספקטרום ה-UV השמשי, שכן שילובים ספציפיים של חומרים פעילים יכולים להיות בררניים מאוד לאורך גל.

לצורך סינון מקבילי ביותר במיקרו-פלטות, נעשה שימוש במערכי LED עם אורכי גל ומיקומים הניתנים לכתובת בנפרד, במטרה לפצות על אי-אחידות מרחבית באמצעות כיול של בארות בודדות.

עבור מקורות פועמים כגון מנורות הבזק קסנון, מדידה המבוססת על אינטגרציה בזמן בלבד אינה מספקת כאשר צורת הפולס עצמה רלוונטית מבחינה פוטוביולוגית; יש צורך בשיטות מדידה מוגדרות-זמן.

עבור דגימות רגישות לחום – למשל דגימות רקמה חיה או אנזימים רגישים לטמפרטורה – משולבים מחזיקי דגימה מקוררים עם ניטור טמפרטורה רציף, במטרה להפריד בבירור בין אפקטים פוטוכימיים לאפקטים תרמיים.

עבור יישומים תוך-חיים (in-vivo) כגון אופטוגנטיקה מבוססת סיבים אופטיים או PDT בין-רקמתי, מדידה בקרן חופשית אינה מספקת מיסודה; במקום זאת יש להעריך את עצמת הקרינה הנופלת בקצה הדיסטלי של הסיב או באמצעות מודל רקמה מאומת.

נקודת המוצא לכל תוכנית מדידה היא מהו הגודל שבאמת רלוונטי לנקודת הקצה הביולוגית הנבחנת - ולא איזה מכשיר נמצא במקרה בהישג יד. אם נעשה שימוש באורך גל בודד ומאופיין היטב וכבר ידוע משקלו בספקטרום הפעולה, רדיומטר רחב-פס כגון RMD Pro עם שילוב מסננים המתואם לספקטרום הפעולה הזה יכול להספיק (ראו בחירת חיישני UV למידע רקע על בחירת חיישנים). ברגע שיש להשוות, לשלב או להעריך מחדש כמה אורכי גל, או כאשר מדובר במקור לא ידוע או רחב-פס ומתדרדר עם הזמן, נדרשת מדידה ספקטרלית באמצעות ספקטרורדיומטר כגון SR900, כי לא ניתן לשחזר מידע ספקטרלי מקריאה אינטגרלית לאחר מכן.

יש למדוד תמיד במיקום הדגימה בפועל - במיקום שכבת התאים, ולא בקרן החופשית מעל מכסה המכל - כי אחרת ההחתתה על ידי חומר המכל והמדיום מוערכת בחסר באופן שיטתי. חוסר הוודאות הרלוונטי במדידה נובע מאי-התאמה ספקטרלית בין רגישות החיישן לספקטרום המקור בפועל, מהתלות הזוויתית של רגישות החיישן (שגיאת קוסינוס) בקרינה לא מקבילה, ומחוסר הוודאות של הכיול של תקן הייחוס בו נעשה שימוש. מדידות מרחביות נהיות נדרשות ברגע שדגימה גדולה משטח ההארה האחיד של המקור - למשל לוחות רב-בארות תחת מערך LED יחיד. רזולוציה זמנית נהיית רלוונטית עבור מקורות פועמים או נסחפים שהתפוקה שלהם משתנה במהלך תקופת החשיפה.

בתהליכי הקרנה אוטומטיים - למשל, ניסויי סדרות עם דגימות רבות על פני שבועות או חודשים - קביעה חד-פעמית של הספק המנורה ומשך החשיפה אינה מספקת, כי עצמת הקרינה בפועל משתנה ללא הרף עם הזדקנות המנורה, זיהום האופטיקה וסחיפת טמפרטורה. פעולה בבקרת מנת קרינה - כמו זו המיושמת בבקרת מנת הקרינה של UV-MAT בתא הקרנה - מודדת ברציפות עצמת קרינה באמצעות חיישן מכויל ומסיימת את החשיפה אוטומטית ברגע שמנת המטרה הושגה, במקום לכבות אחרי זמן קבוע. הדבר מבודד את המנה שנמסרה בפועל מהזדקנות המקור ושומר על השוואתיות של סדרות ניסויים על פני תקופות ארוכות.

בסביבות מפוקחות - כגון מעבדות בדיקה תואמות GMP או מעבדות כיול מוכרות לפי DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03, למשל - רישום עקיב ומתועד של כל מנה בודדת רלוונטי בנוסף, כדי שהשוואות בין אצוות או ניסויים יישארו ניתנות לאימות בהמשך; עקיבות מטרולוגית של החיישנים בהם נעשה שימוש מובטחת על ידי מעבדת הכיול המוכרת.

בפועל, עצמת קרינה ספקטרלית נמדדת בדרך כלל באמצעות ספקטרורדיומטר מכויל המכסה UV, אור נראה ובמידת הרלוונטיות גם את תחום האינפרה-אדום הקרוב במדידה יחידה. למדידות שוטפות על מקורות ידועים, נעשה שימוש ברדיומטרים עם חיישנים ששוקללו לפי ספקטרום פעולה, שרגישותם הספקטרלית עוצבה כבר כדי להתאים לספקטרום פעולה מוגדר. לחשיפות מוגדרות ובבקרת מנת קרינה של תרביות תאים וחיידקים, נעשה שימוש בתאי הקרנה כגון UV-MAT עם ערוצים ספקטרליים המתופעלים בנפרד, שבקרת המנה שלהם מבוססת על עצמת הקרינה שנמדדה בפועל - לא רק על הנומינלית.

מפריד באופן ניסויי בין האפקט התרמי הטהור לבין האפקט הפוטוכימי של חשיפה - בדיוק סוג החפיפה שחשיפות ארוכות יותר נוטות להסתיר.
Actual isothermal effects of water-filtered infrared A-irradiation
Höhn, Annika, et al. "Actual isothermal effects of water-filtered infrared A-irradiation." Photochemistry and Photobiology 91.4 (2015): 887–894.

מראה באמצעות נתוני ביטוי גנים כי הקרנה באורך גל 222 nm גורמת לפוטוליזה ישירה של אנזימי תיקון, ומספק את הנצילות הקוונטית הגבוהה באופן משמעותי לפוטוליזה של בסיסי חומצות גרעין וחומצות אמינו ב-222 nm בהשוואה ל-254 nm, המהווה בסיס לדוגמה המפורטת בעמוד זה.
Suppression of photoreactivation of E. coli by excimer far-UV light (222 nm) via damage to multiple targets
Jing, Zi-Bo, et al. "Suppression of photoreactivation of E. coli by excimer far-UV light (222 nm) via damage to multiple targets." Water Research 255 (2024): 121533.

מתאר קינטיקת חיטוי עבור מספר פתוגנים ותחליפים תחת הקרנת אקסימר ב-222 nm, ומספק את סדר הגודל של מנת הקרינה לחיטוי בקרינת far-UVC המצוטט בעמוד זה.
UV Inactivation of Common Pathogens and Surrogates Under 222 nm Irradiation from KrCl* Excimer Lamps
Ma, Ben, et al. "UV Inactivation of Common Pathogens and Surrogates Under 222 nm Irradiation from KrCl* Excimer Lamps." Photochemistry and Photobiology (2023).

העבודות הבאות של משתמשים מדגימות את היקף התחום – מתגובות עוריות ועד מנגנוני תיקון וכימיה של חלבונים המופעלת באמצעות אור.

בוחן כיצד חשיפה לקרינת UV משנה את התגובה הדלקתית של תאי החיסון בעור.
Influence of UV irradiation on the skin-immune cell inflammatory response
Miceli, Rebecca, et al. "Influence of UV irradiation on the skin-immune cell inflammatory response." Research Square (2026).

בורר תערובות תרכובות מקור צמחי לפורמולציה של קרם הגנה על בסיס יעילות וציטוטוקסיות – ומתייחס לאפקט המגן כגודל משוקלל ספקטרלית.
Rational Selection of Phytochemical Mixtures for Sunscreen Development Based on in vitro Efficacy and Cytotoxicity Profiles
Martínez, Silvia Ximena Barrios, et al. "Rational Selection of Phytochemical Mixtures for Sunscreen Development Based on in vitro Efficacy and Cytotoxicity Profiles." Revista Brasileira de Farmacognosia 36.1 (2026).

משווה בין רדיוטוקסיות לפוטוטוקסיות באותם קווי תאים ומעריך את אפקט ההגברה של כמה רגישי-אור, שהוקרנו בתא הקרנה BS-04.
Comparison of Radio- and Phototoxicity in Association with an Enhancing Effect of the Photosensitizers Psoralen, Trioxsalen and Ortho-Iodo-Hoechst33258
Tietze, Katja, et al. "Comparison of Radio- and Phototoxicity in Association with an Enhancing Effect of the Photosensitizers Psoralen, Trioxsalen and Ortho-Iodo-Hoechst33258 on FaDu, PC-3, 4T1 and B16-F10 Cells." Biomedicines 13.1 (2024): 73.

מדגים במוטנטים בעלי פגם בתיקון עד כמה תיקון תאי קובע את תוצאת החשיפה לקרינת UV.
Influence of uvrA, recJ and recN gene mutations on nucleoid reorganization in UV-treated Escherichia coli cells
Estévez Castro, Carlos Felipe, Jorge Humberto Serment-Guerrero, and Jorge Luis Fuentes. "Influence of uvrA, recJ and recN gene mutations on nucleoid reorganization in UV-treated Escherichia coli cells." FEMS Microbiology Letters 365.11 (2018): fny110.

משתמש באור כאמצעי סלקטיבי בכימיה של חלבונים, ולא כגורם מלחיץ.
Light-induced chemistry for protein functionalisation
Berton, Cesare, and Jason P. Holland. "Light-induced chemistry for protein functionalisation." Chemical Communications (2025).

בתחומי הפוטוביולוגיה, הביוטכנולוגיה והרפואה, לקוחות Opsytec Dr. Gröbel GmbH פרסמו בסך הכול 34 עבודות; הן מפורטות בעמוד פרסומים של לקוחות – לפי נושא.

• ISO/CIE 17166:2019 – Erythema reference action spectrum and standard erythema dose (iso.org)
• IEC 62471 (series) – בטיחות פוטוביולוגית של מנורות ומערכות תאורה, כולל IEC 62471-6:2022 (מוצרי מנורות UV) ו-IEC 62471-7:2023 (קרינה נראית) (webstore.iec.ch)
• DIN 5031-10:2018 – פיזיקת קרינה אופטית והנדסת תאורה, חלק 10: קרינה בעלת השפעה פוטוביולוגית, גדלים, סימנים והשפעות (dinmedia.de)
• ICH Q1B – בדיקת יציבות פוטוכימית של חומרים פעילים חדשים ותכשירים רפואיים (ema.europa.eu)
• BIPM, SI Brochure, נספח 3 – יחידות לגדלים פוטוכימיים ופוטוביולוגיים (bipm.org)
• ISO 21348:2007 – הגדרות קטגוריות ספקטרליות של קרינת שמש (גבולות UV-A/-B/-C) (iso.org)

כיצד פועלת ההשפעה הביולוגית של קרינת UV?
פוטוני UV נבלעים בכרומופורים כגון בסיסי DNA או חלבונים ומעוררים תגובות פוטוכימיות – לדוגמה נזק ל-DNA או שינויים מבניים. האפקטיביות תלויה במידה רבה באורך הגל, שכן לכל כרומופור יש ספקטרום בליעה משלו. ללא בליעה לא תתרחש כל השפעה, ללא תלות בהספק המופעל.

איזה אורך גל מתאים לטיפול פוטודינמי?
אורך הגל נבחר בהתאם לספקטרום הבליעה של רגש האור (photosensitizer) שבו נעשה שימוש. אור כחול בסביבות 405 nm מתאים לנגעים שטחיים, אור אדום בסביבות 630 עד 635 nm מתאים לאזורים עמוקים יותר כיוון שהוא חודר לרקמה בעוצמה גבוהה יותר. הבחירה היא אפוא איזון בין נצילות הבליעה לעומק החדירה.

איזו מנת קרינה נדרשת להשבתה מיקרוביאלית?
מנת הקרינה הנדרשת תלויה באורך הגל ובאורגניזם. במקורות אקסימר של 222 nm, מחקרים מדווחים על מנות קרינה של כ-10 mJ/cm² להפחתה של 4 סדרי גודל (4-log) בחלק גדול מהחיידקים והנגיפים; מקורות של 254 nm דורשים לעיתים קרובות ערכים דומים, אם כי עם השפעות שונות על רקמה. ערכים מהספרות המקצועית תמיד תקפים לגאומטריית המדידה הספציפית ואין להעביר אותם ללא בדיקה.

מה ההבדל בין עצמת קרינה נופלת לבין מנת קרינה?
עצמת קרינה נופלת (W/m²) מתארת הספק רגעי ליחידת שטח; מנת קרינה (J/m²) היא האינטגרל שלה בזמן. בדרך כלל מנת הקרינה היא זו המתאמת עם ההשפעה הביולוגית, בעוד עצמת הקרינה קובעת את המהירות שבה מגיעים למנה זו. לכן יש לתעד את שני הגדלים בנפרד. כיצד נבדלים באופן פורמלי עצמת הקרינה, מנת הקרינה והפלואנס - מפורט בסקירת גדלים רדיומטריים.

מדוע מנת קרינה זהה באורכי גל שונים מפיקה השפעות שונות?
כי אנרגיית הפוטון ונצילות הקוונטית שתיהן תלויות אורך גל. אורכי גל קצרים יותר נושאים יותר אנרגיה לפוטון ויכולים להפעיל מסלולי תגובה פוטוכימיים שונים, המובילים לנצילויות קוונטיות שונות באופן ניכר. ערך מנת קרינה בלבד, ללא התייחסות לאורך הגל, אינו מספיק כדי להשוות השפעות.

כיצד נמדדת עצמת הקרינה בפועל בתרבית תאים?
באופן אידיאלי במקום הדגימה בפועל, קרוב ככל האפשר לשכבת התאים, לא בקרן החופשית מעל לכלי. חומר הכלי, המכסה ומצע התרבית מחלישים את הקרינה באופן תלוי אורך גל, לעיתים בסדרי גודל. מדידה שנעשתה מחוץ לגורמי בליעה אלה מעריכה בחסר באופן שיטתי את ההחלשה בפועל.

מתי מספיקה מדידה רחבת-פס, ומתי נדרשת מדידה ספקטרלית?
מדידה רחבת-פס עם חיישן המותאם לספקטרום הפעולה מספיקה כאשר נעשה שימוש באורך גל בודד ומאופיין היטב. ברגע שיש להשוות, לשלב או להעריך מחדש מספר אורכי גל, או שהמקור אינו ידוע או רחב-פס, נדרשת מדידה ספקטרלית באמצעות ספקטרורדיומטר.

איזה תפקיד ממלאת הטמפרטורה בניסויים פוטוביולוגיים?
מקורות בעלי הספק גבוה מחממים את הדגימה באופן מדיד, ותגובות המופעלות תרמית עלולות לחפוף או להגביר את ההשפעה הפוטוכימית. הפרדה נקייה מחייבת מעמד דגימה מקורר או מדידת בקרה איזותרמית מקבילה. ללא בקרת טמפרטורה, לא ניתן לייחס באופן מהימן השפעה שנצפתה להקרנה בלבד.

פוטוביולוגיה וביוטכנולוגיה גובלות בכמה תחומים סמוכים: פוטותרפיה רפואית מיישמת את אותם עקרונות פוטוביולוגיים לטיפול בחולים בהוראת רופא, יציבות פוטוכימית בתעשיית התרופות בוחנת את רגישות המוצרים המוגמרים לאור ולא אפקט ביולוגי, ובטיחות בעבודה ובטיחות פוטוביולוגית עוסקת באותם גדלים פיזיקליים אך בהקשר של חשיפה בלתי מכוונת ולא מכוונת. סמוכים גם חיטוי UV כיישום מיוחד של השבתה, וצמחים, חקלאות וטכנולוגיית מזון עבור האפקט הפוטוביולוגי על חומר צמחי. הצד הפיזיקוכימי של עירור, רגישות ונצילות קוונטית מוצג בפרק פוטוכימיה.

לא בטוחים אילו מנת קרינה מגיעה בפועל לשכבת התאים דרך המכסה, המצע וקיר הכלי? הערכה פוטוביולוגית מוצקה מתחילה במדידה במקום הדגימה האמיתי - ולא בקרן החופשית של המנורה. להקרנה מבוקרת ומוגדרת של תרביות תאים וחיידקים, בקרת מנת קרינה UV-MAT מתאימה במיוחד; לאפיון ספקטרלי של מקורות לא ידועים או משולבים, ספקטרורדיומטר SR900; ולמעקב שוטף אחר מקורות ידועים, רדיומטר RMD Pro. כיול ועקיבות מטרולוגית של החיישנים בשימוש מובטחים על ידי מעבדת הכיול המוכרת בהתאם לתקן ISO/IEC 17025. נשמח שתפנו אלינו בנוגע למשימת המדידה שלכם.