Medição e monitoramento da radiação UVC em 254 nm

A linha de 253,7 nm das lâmpadas de mercúrio de baixa pressão é uma fonte de radiação central na desinfecção UV de água e ar. A medição de referência, o monitoramento da instalação e a avaliação de dose exigem, cada uma, conceitos de sensor diferentes. O que importa é a correspondência espectral, a geometria de medição, a estabilidade a longo prazo e uma calibração compatível com a fonte real.

Esta página separa as três tarefas de medição e mostra quais erros surgem quando o sensor e a fonte não correspondem entre si.

O efeito germicida da radiação UV depende do comprimento de onda. Ele essencialmente segue a absorção dos ácidos nucleicos e atinge seu máximo na região próxima a 265 nm. A principal linha de emissão da lâmpada de mercúrio de baixa pressão está em 253,7 nm e, portanto, próxima a esse ponto: ela captura uma grande parte do efeito sem estar exatamente no máximo.

No entanto, o comprimento de onda por si só não é decisivo. O efeito resulta do comprimento de onda, da exposição radiante – irradiância multiplicada pelo tempo – e da sensibilidade do microrganismo específico. O fato de 254 nm ter se tornado o padrão técnico é, portanto, também uma questão prática: a fonte funciona com alta eficiência, seu espectro é estreito e, assim, inequívoco para avaliação metrológica, a transmissão no ar e na água é suficiente em trajetos praticamente relevantes, e a base normativa se consolidou ao longo de décadas.

A figura abaixo mostra o espectro medido de uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão do banco de dados espectral da Opsytec, juntamente com um espectro de ação microbicida para esporos de Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normalizado em 253,7 nm). A linha de ressonância de 185 nm é representada esquematicamente, pois está fora da faixa medida.

A lâmpada de mercúrio de baixa pressão é uma descarga em gás dentro de um tubo de quartzo contendo uma gota de mercúrio e um gás de partida, geralmente argônio. A pressão de vapor de mercúrio é de alguns pascals, e a pressão interna total chega a cerca de 10 mbar. A descarga é fortemente não térmica: os elétrons atingem alguns elétron-volts enquanto o gás permanece quase frio. É justamente esse desequilíbrio que faz com que a potência fornecida seja direcionada principalmente à excitação, e não ao calor.

As colisões de elétrons elevam os átomos de mercúrio aos níveis de ressonância; seu decaimento ao estado fundamental gera as duas linhas de ressonância. Em 253,7 nm está a principal linha de emissão e, portanto, a fração usada para fins germicidas. A segunda linha, em 185 nm, só sai da lâmpada se o material do bulbo a transmitir; no ar, ela gera ozônio e é, dependendo da aplicação, usada deliberadamente para processos de oxidação ou suprimida por vidro de quartzo dopado (visão geral da lâmpada de vapor de mercúrio, em alemão).

Como ambas as linhas são ressonantes, os fótons são repetidamente absorvidos e reemitidos dentro do plasma. Esse aprisionamento da radiação vincula diretamente a eficiência à pressão de vapor de mercúrio e, portanto, à temperatura da parede: o ponto ótimo do local mais frio da parede situa-se em torno de 40 °C, e acima e abaixo dele a emissão em 254 nm diminui. Em uma instalação, a temperatura do meio e o fluxo atuam, portanto, diretamente sobre a potência radiante emitida. As lâmpadas de amálgama deslocam esse ponto ótimo para temperaturas mais altas e permitem densidades de potência consideravelmente maiores.

Ao longo da vida útil, a posição da linha permanece estável, enquanto a potência radiante diminui. Para a medição, esse é o caso favorável: a ponderação espectral do sensor permanece válida e apenas a amplitude cai. Com lâmpadas de média pressão e LEDs UVC, a distribuição espectral também se altera – e é daí que vem a incompatibilidade descrita mais adiante.

O efeito surgiu antes da tecnologia. Em 1877, Downes e Blunt demonstraram que a luz solar inibe o crescimento bacteriano; em 1903, Niels Ryberg Finsen recebeu o Prêmio Nobel pela fototerapia. A fonte correspondente surgiu paralelamente: Leo Arons é considerado o inventor da lâmpada de vapor de mercúrio com base em trabalhos de 1892, a lâmpada solar de vidro de quartzo surgiu a partir de 1905, e entre 1923 e 1934 as lâmpadas de descarga de mercúrio foram comercializadas nas versões de baixa, média e alta pressão (visão geral da lâmpada de vapor de mercúrio, em alemão). A primeira instalação UV para desinfecção de água potável entrou em operação em Marselha já em 1910.

Somente mais tarde o efeito se tornou mensurável e comparável. Em 1930, R. L. Gates publicou o primeiro estudo sistemático do efeito bactericida, introduzindo assim o espectro de ação germicida. A partir da década de 1980 veio o embasamento normativo no tratamento de água potável; na Alemanha, o código de prática DVGW W 294 e a DIN 19294 definem hoje os testes, os sensores de instalação e a medição de referência.

O desenvolvimento seguiu, portanto, três etapas: observação biológica no século 19, uma fonte controlável na primeira metade do século 20 e garantia metrológica e normativa na segunda metade. Somente a terceira etapa transforma um efeito em um procedimento monitorável.

O maior campo de aplicação é a desinfecção de água potável, de processo e de água residual em reatores de fluxo contínuo, na Alemanha com sensores de instalação e medição de referência conforme DVGW W 294 e DIN 19294-3. Além disso, há a desinfecção de ar e superfícies em clínicas e na produção de alimentos e produtos farmacêuticos, em dutos de ventilação e salas limpas, bem como o tratamento de embalagens, esteiras transportadoras e linhas de enchimento nas indústrias de bebidas e alimentos.

Se a linha de 185 nm for liberada, o efeito fotoquímico se soma: a oxidação UV e a redução de TOC atuam com o ozônio formado no percurso do feixe e os radicais dele resultantes. Uma alternativa de comprimento de onda ainda mais curto, puramente fotoquímica, é descrita na página medição da radiação VUV de 172 nm de lâmpadas excimer de xenônio. No laboratório, a radiação de 254 nm serve, por fim, como referência definida, por exemplo para estudos de dose-resposta em um setup de feixe colimado. Efeito, procedimentos e normas são contextualizados na página de aplicação desinfecção UV.

Em todos os casos vale a mesma relação: o que importa é a exposição radiante efetivamente atuante no meio, não a potência nominal da lâmpada. Irradiância, tempo de residência, fluxo e transmissão determinam o resultado em conjunto – por isso a medição é parte do processo, e não um acessório dele.

• Medição de referência. Um radiômetro de referência calibrado com rastreabilidade metrológica determina a irradiância em uma posição definida, por exemplo para verificar um sensor da instalação. Aqui, o que conta é a baixa incerteza de medição e uma geometria definida.
• Monitoramento da instalação. Um sensor instalado permanentemente monitora a fonte continuamente e fornece um sinal para o sistema de controle. Aqui, o que conta é a estabilidade de longo prazo, a resistência ao meio e à limpeza, e uma interface adequada.
• Avaliação de dose ou fluência. A exposição radiante relacionada ao meio não é medida diretamente, mas derivada da irradiância, do tempo de residência, do fluxo e da transmitância do meio, ou determinada biodosimetricamente.

Essas três tarefas são definidas separadamente. Um sensor da instalação não substitui uma medição de referência, e uma medição de referência não substitui uma avaliação de dose.

Um sensor projetado para 254 nm é compatível com o espectro de linha estreita da lâmpada de baixa pressão. Se o mesmo sensor for usado em uma lâmpada de média pressão ou em um LED UVC, ele avalia um espectro diferente com uma curva de responsividade não destinada a ele. O resultado é um desvio sistemático que só pode ser corrigido com um fator de correção específico para a fonte.

O espectro também muda ao longo da vida útil dentro de um mesmo tipo de fonte. Em lâmpadas de baixa pressão, a posição da linha permanece estável enquanto a potência de saída diminui; em lâmpadas de média pressão e LEDs, a distribuição espectral também muda. Portanto, quem compara ou substitui tipos de fonte precisa de uma referência espectralmente resolvida.

Em reatores de fluxo contínuo, um sensor mede em uma posição de montagem definida através de uma janela do sensor. O que é medido não é a exposição radiante que atua sobre o meio, mas um sinal a ela vinculado por meio do projeto da instalação. A sujidade da janela, o envelhecimento da fonte e a transmitância do meio afetam esse sinal de maneiras diferentes – por isso a posição do sensor, a calibração e a regra de avaliação precisam ser definidas em conjunto.

No laboratório, montagens de feixe colimado permitem uma irradiação definida e quase paralela de uma amostra e, portanto, uma relação dose-resposta confiável. A transferência para o reator é feita por meio de validação, não por uma única leitura. O procedimento está descrito na página validação de reator UV.

• Medidor UVC – todos os medidores e sensores UVC comparados.
• Radiômetro de referência DVGW – medição de referência em estações de água potável conforme DIN 19294-3.
• UVC-SE e UVx-SE – sensores resistentes à pressão para monitoramento permanente da instalação.
• RMD Pro com um sensor UVC – medição portátil em lâmpadas, câmaras e superfícies.
• SR900 – referência com resolução espectral, usada quando se comparam tipos de fonte ou o espectro é desconhecido.

Todas as cadeias de medição são calibradas de forma rastreável no laboratório de calibração acreditado. A página de aplicação desinfecção UV situa a medição no contexto do efeito, do processo e das normas.

Dr.-Ing. Mark Paravia é diretor executivo da Opsytec Dr. Gröbel GmbH em Ettlingen e chefia o laboratório de calibração acreditado. Após suas pesquisas sobre descargas de excímero de xenônio pulsado no Institute of Lighting Technology do KIT, seu foco atual é a medição de radiação óptica. Ele é vice-presidente do comitê de normas DIN FNL 7 "Radiação óptica" e membro do grupo de projeto da DVGW sobre desinfecção UV.