filtr UV

Filtr UV L39 z gwintem filtrowym 55mm

Filtry UV to związki, mieszaniny lub materiały, które blokują lub pochłaniają światło ultrafioletowe (UV). Jednym z głównych zastosowań filtrów UV jest ich zastosowanie jako filtrów przeciwsłonecznych do ochrony skóry przed oparzeniami słonecznymi i innymi uszkodzeniami związanymi ze słońcem/UV. Po tym, jak wynalezienie aparatów cyfrowych zmieniło dziedzinę fotografii , filtry UV były używane do powlekania szklanych dysków mocowanych do obiektywów aparatów w celu ochrony sprzętu wrażliwego na światło UV.

Tło

Wcześniejsze typy filmów fotograficznych były dość wrażliwe na światło UV, które powodowało zmętnienie lub zamglenie oraz niebieskawy odcień na filmie kolorowym. Zastosowano filtry UV, aby odfiltrować krótsze fale ultrafioletowe , pozostając jednocześnie przezroczystymi dla światła widzialnego. Jednak współczesne klisze fotograficzne i aparaty cyfrowe są mniej wrażliwe na długości fal UV.

Filtry UV są czasami określane jako filtry L37 lub L39, w zależności od długości fal światła, które odfiltrowują. Na przykład filtr L37 usuwa światło ultrafioletowe o długości fali krótszej niż 370 nanometrów (nm), podczas gdy filtr L39 eliminuje światło o długości fali krótszej niż 390 nm.

Zastosowania w druku i fotografii

Filtry UV obejmują [ wymagane wyjaśnienie ] spektrum kolorów i są używane w wielu różnych zastosowaniach. Tak zwane światła Ortho Red i Deep Ortho Red są powszechnie stosowane w transferze dyfuzyjnym, przy składaniu folii lub papieru oraz innych zastosowaniach związanych z materiałami ortochromatycznymi . Żółte złoto, żółte, Lithostar Yellow i Fuji Yellow filtry lub światła bezpieczeństwa zapewniają bezpieczne miejsca pracy do zastosowań zabezpieczających przed kontaktem, takich jak sitodruk i wyrób płytowy. Filtry Pan Green, Infrared Green i Dark Green lub lampy bezpieczeństwa są powszechnie stosowane w aplikacjach do skanowania, pracy z filmami panchromatycznymi , papierami i promieniami rentgenowskimi .

Wielu fotografów i operatorów nadal stosuje filtry UV do ochrony szkła i powłoki swoich obiektywów . Jednak filtry UV, podobnie jak każdy filtr optyczny, mogą wprowadzać odblaski obiektywu i negatywnie wpływać na kontrast i ostrość. Osłony mogą temu przeciwdziałać, ponieważ zapewniają pewną ochronę przed uderzeniami i zaciemniają elementy optyczne, zapobiegając w ten sposób odblaskom obiektywu. Ponadto wysokiej jakości filtry UV zapewniają pewną ochronę przed zanieczyszczeniem soczewek, jednocześnie minimalizując nieodłączne dodatkowe zniekształcenia.

W fotografii termin „filtr UV” może być również niewłaściwie używany jako filtr, który przepuszcza światło UV, blokując inne długości fal w widmie światła, w ten sam sposób termin „filtr IR” jest używany do filtrowania całego widma . Prawidłowa nazwa takich filtrów to odpowiednio „filtr przepustowy UV” i „filtr przepustowy IR” i są one używane tylko w bardzo specjalistycznej fotografii.

Zastosowania w produktach higieny osobistej

Ponieważ nadmierne promieniowanie UV może powodować oparzenia słoneczne , fotostarzenie i raka skóry , produkty do pielęgnacji, takie jak filtry przeciwsłoneczne, zwykle zawierają klasyfikację dla określonych długości fal , które filtrują. Klasyfikacje UV obejmują UVA (320-400 nm), UVB (290-320 nm) i UVC (200-280 nm). Związki pochłaniające promieniowanie UV są stosowane nie tylko w filtrach przeciwsłonecznych, ale także w innych produktach higieny osobistej, takich jak szminka, szampon, lakier do włosów, płyn do mycia ciała, mydło toaletowe i środek odstraszający owady. Filtry chemiczne chronią przed promieniowaniem UV pochłaniając, odbijając lub rozproszenie go. Odbicie i rozproszenie są realizowane przez nieorganiczne fizyczne filtry UV, takie jak dwutlenek tytanu (TiO 2 ) i tlenek cynku (ZnO). Absorpcja, głównie UVB, odbywa się za pomocą organicznych filtrów UV, zwanych chemicznymi filtrami UV. Poziomy filtrów UV w filtrach przeciwsłonecznych zwykle wahają się od 0,5% do 10%, chociaż czasami sięgają 25%.

Przykłady organicznych filtrów UV

Wiele różnych związków organicznych może służyć jako filtry UV. Dzielą się one na kilka klas strukturalnych:

Aspekty środowiskowe

Stosowanie filtrów UV wzrosło ostatnio ze względu na rosnące obawy dotyczące promieniowania UV i raka skóry, zwłaszcza w wyniku zubożenia warstwy ozonowej , co z kolei spowodowało obawy o jego wpływ na środowisko.

Materiał filtracyjny może przedostawać się do środowiska bezpośrednio poprzez ścieki przemysłowe lub pośrednio poprzez ścieki bytowe odprowadzane podczas kąpieli pod prysznicem, podczas kąpieli, wydalania moczu lub poprzez oczyszczanie ścieków. Oczyszczalnie ścieków (WWTP) nie są zbyt skuteczne w usuwaniu tych zanieczyszczeń. Kilka filtrów UV wykryto na poziomach ppb lub ppt [ niejasne ] w wodach powierzchniowych i ściekach, z maksymalnymi stężeniami w okresie letnim.

Ponieważ większość filtrów UV jest lipofilowych , mają one tendencję do bioakumulacji w środowiskach wodnych i pochodzących z nich łańcuchach pokarmowych. Potwierdzając bioakumulację , kilka badań wykazało obecność filtrów UV w organizmach wodnych. 4- metylo -benzylidenokamforę wykryto w tkance mięśniowej pstrągów w wodach szwajcarskich i niemieckich, natomiast śladowe ilości metoksycynamonianu etyloheksylu i oktokrylenu znaleziono w skorupiakach u wybrzeży Morza Śródziemnego i Atlantyku we Francji. Ponadto w osadach japońskich rzek i jezior znaleziono osiemnaście organicznych filtrów przeciwsłonecznych w stężeniach od 2 do około 3000 ng/g. Nagromadzenie organicznych filtrów UV w żywych organizmach jest poważnym problemem, ponieważ niektóre z nich (i ich metabolity ) mogą działać jako substancje zaburzające gospodarkę hormonalną zarówno in vitro, jak i in vivo. Również Goksøyr i in. (2009) odnotowali stężenia organicznych filtrów UV w otwartych wodach Oceanu Spokojnego, dostarczając dowodów na trwałość i szerokie rozproszenie tych składników w środowisku morskim.

Ponieważ filtry UV nie zawsze są stabilne w warunkach środowiskowych, często przekształcają się w inne związki. Na przykład woda w naturalnych zbiornikach jest poddawana promieniowaniu słonecznemu, podczas gdy woda w basenach jest często dezynfekowana przez chlorowanie , bromowanie , ozonowanie lub promieniowanie UV . Te produkty uboczne często mogą być bardziej toksyczne niż oryginalny filtr UV. Na przykład awobenzon przekształca się w obecności chlorowanych środków dezynfekcyjnych i promieniowania UV, tworząc podstawione chlorowane fenole i acetofenony , które są znane ze swojej toksyczności.

Niektóre organiczne filtry UV pod wpływem promieniowania UV mogą generować reaktywne formy tlenu (ROS) (OH, H 2 O 2 ) (np. BP-3, oktokrylen (OCR), metoksycynamonian oktylu (OMC), kwas fenylobenzimidazolosulfonowy (PBS, PABA itp.) .) Niektóre badania wykazały wzrost poziomu nadtlenku wodoru lub H 2 O 2 na plażach, co jest bezpośrednio związane z transformacją filtrów UV. H 2 O 2 jest odpowiedzialny za niszczenie lipidów , białek i DNA i generowanie wysokiego poziomu stresu w organizmach morskich. Nieorganiczne filtry UV (tj. TiO 2 ) mogą również generować ROS, kolejny związek toksyczny dla fitoplanktonu morskiego .

Bielenie koralowców

Dipsastraea pallida (koralowiec twardy) ze śladami wybielenia lub uszkodzenia rozgwiazdy korony cierniowej

Filtry UV wykazały poważny wpływ na rafy koralowe ze względu na blaknięcie koralowców przy bardzo niskich stężeniach. W rezultacie małe ilości filtrów przeciwsłonecznych powodują produkcję dużych ilości śluzu koralowców w ciągu 18-48 godzin i blaknięcie koralowców twardych w ciągu 96 godzin. Według badań wśród filtrów UV powodujących blaknięcie koralowców są metoksycynamonian etyloheksylu, benzofenon- 3 i 4-metylobenzylidenokamfora , nawet w bardzo niskich stężeniach. Wybielaniu sprzyjały wyższe temperatury, które działają jako czynniki synergiczne. Eksperymenty wykazały, że blaknięcie koralowców nie było zależne od dawki, więc może wystąpić po ekspozycji na bardzo małe ilości.

Według przybliżonych szacunków 78 milionów turystów rocznie na obszarach raf koralowych, szacowana ilość filtrów przeciwsłonecznych używanych rocznie w krajach tropikalnych waha się między 16 000 a 25 000 ton. 25% tej ilości jest wypłukiwane podczas kąpieli, co prowadzi do uwalniania 4000-6000 ton rocznie na obszarach raf. Powoduje to zagrożenie dla 10% światowych raf przez samo blaknięcie koralowców wywołane filtrami przeciwsłonecznymi. Filtry przeciwsłoneczne mogą znacznie zwiększyć produkcję wirusów w wodzie morskiej.

Mechanizmy transformacji

Fotoliza benzofenonu-3 w obecności benzotriazolu

Fotoliza

Fotoliza jest główną abiotyczną drogą transformacji filtrów UV. Fotoliza rozkłada filtry organiczne na wolne rodniki.

Fotoliza może być bezpośrednia lub pośrednia. Droga bezpośrednia zachodzi, gdy chromofor filtra organicznego pochłania światło słoneczne o określonej długości fali. Droga pośrednia zachodzi w obecności fotouczulacza . Rozpuszczona materia organiczna (DOM) w wodach powierzchniowych działa jako fotouczulacz i wytwarza reaktywne fotoutlenianie, takie jak rodniki hydroksylowe , rodniki nadtlenowe i tlen singletowy .

Fotoliza produktów ochrony przeciwsłonecznej jest bardziej skomplikowana niż zachowanie poszczególnych filtrów UV, jak pokazano na tym przykładzie. W obecności innych filtrów UV, benzotriazolu i kwasów huminowych obserwowano degradację benzofenonu -3 poprzez utratę hydroksylowych i benzoilowych grup funkcyjnych, w wyniku czego powstał 2,4-dimetyloanizol.

Fotoizomeria

Fotoizomeryzacja

Fotoizomeryzacja może skutkować produktami, które pochłaniają mniej światła UV niż ich związek macierzysty. Świadczą o tym cynamoniany , salicylany , benzylidynkamfora i pochodne dibenzoilometanu . Metoksycynamonian oktylu (OMC) może ulegać fotoizomeryzacji , fotodegradacji i fotodimeryzacji w celu uzyskania kilku izomerów dimerów i cyklodimerów . Większość produktów handlowych to izomery trans, ale istnieją w środowisku jako mieszanina izomerów trans i cis po ekspozycji na promieniowanie UV z powodu obecności podwójnego wiązania C=C sąsiadującego z pierścieniami aromatycznymi . Izomery mogą mieć identyczne właściwości fizykochemiczne, ale mogą różnić się zachowaniem biologicznym i efektami.

Produkt uboczny dezynfekcji

Woda basenowa jest zwykle dezynfekowana przez chlorowanie , bromowanie , ozonowanie lub promieniowanie UV. W przypadku obecności niektórych filtrów UV, takich jak awobenzon w basenach, mogą one rozkładać się i tworzyć produkty uboczne dezynfekcji , w tym produkty toksyczne, w wyniku interakcji między awobenzonem a aktywnym chlorem i promieniowaniem UV.

Los niektórych organicznych filtrów UV

Benzofenony

Szlak metaboliczny benzofenonu-3

Benzofenony (BP) są szeroko stosowane w filtrach UV, wzmacniaczach zapachu i dodatkach do tworzyw sztucznych. Zgłasza się, że głównymi źródłami BP-3 są rekreacja człowieka i ścieki z oczyszczalni ścieków (WWTP) . Anionowy _ formy zarówno BP-3, jak i 4-OH-BP3 mogą ulegać bezpośredniej fotodegradacji. Szybkość fotolizy obu związków w wodach naturalnych jest większa niż w czystej wodzie. Radykalne eksperymenty z wychwytywaniem ujawniły, że rozpuszczona materia organiczna wzbudzona trypletem (3DOM*) była odpowiedzialna za pośrednią fotodegradację BP-3 i 4-OH-BP3 w wodzie morskiej, podczas gdy w wodzie słodkiej pośrednia fotodegradacja tych dwóch związków została przypisana rozpuszczonej Materia organiczna i rodnik OH.

kwas p -aminobenzoesowy (PABA)

Fotoliza pośrednia filtra UV kwasu p -aminobenzoesowego w wodzie

Kwas p -aminobenzoesowy był jednym z pierwszych filtrów UV stosowanych w filtrach przeciwsłonecznych (1943). Stosowano go w stężeniach do 5%. W 1982 roku odkryto, że PABA zwiększa powstawanie określonego defektu DNA w ludzkich komórkach. [ potrzebne źródło ] Na fotochemiczny los PABA mogą wpływać składniki wody, np. NO 3 − , rozpuszczona materia organiczna (DOM) i HCO 3 − . PABA ulega zarówno bezpośredniej, jak i pośredniej fotolizie w roztworze z obecnością NO 3 . Bezpośrednia fotoliza odpowiada za 25% degradacji PABA i jest uważana za szlak wtórny. Z drugiej strony dominującą drogą była fotoliza pośrednia.

Zhou i Mopper wykazali, że azotany zwiększyły fotodegradację PABA o współczynnik 2. Jednak w obecności zmiataczy wolnych rodników, takich jak formy węglanowe i naturalna materia organiczna (NOM), fotodegradacja PABA zmniejszyła się. Zaproponowano, że pośrednia fotoliza PABA była spowodowana głównie przez produkt fotolizy NO3 • OH. [ potrzebne źródło ]

Anion wodorowęglanowy jest bogaty w wodę. Wodorowęglan spowodował 10% wychwytywania •OH. Reakcja między wodorowęglanem a •OH daje rodnik węglanowy (•CO3), który jest mniej reaktywny niż •OH. W wodach naturalnych •CO3 może osiągnąć wyższe w stanie ustalonym niż •OH ze względu na jego niższą reaktywność. Wzmocnienie fotolizy PABA przez wodorowęglan jest spowodowane rodnikami węglanowymi.

Rozpuszczalny w wodzie NOM składa się z kwasów organicznych. Te kwasy organiczne to głównie substancje humusowe , które można podzielić na frakcje kwasów fulwowych i huminowych. NOM sprzyja pośredniej fotolizie PABA, pochłaniając światło słoneczne i osłabiając jego intensywność.

Podczas degradacji PABA w obecności azotanów w wodzie mogą zachodzić dwie reakcje, jak pokazano na rysunku. Trzy z czterech produktów zawierają grupy fenolowe, a zatem mogą być estrogenne. Tak więc niebezpieczne produkty uboczne powstające podczas fotoreakcji PABA powinny być zaniepokojone jego estrogennością.

4-tert-butylo-4'-metoksydibenzoilometan (awobenzon)

Formy tautomeryczne awobenzonu

4- tert -Butylo-4'-metoksydibenzoilometan, znany jako awobenzon , należy do dibenzoilometanów . Jest to jeden z najczęściej stosowanych filtrów UVA (400-320 nm) w preparatach przeciwsłonecznych. Jest sprzedawany pod nazwami handlowymi Parsol 1789 lub Eusolex 9020. Awobenzon występuje w dwóch tautomerycznych : enolu i keto . W preparatach przeciwsłonecznych awobenzon występuje głównie w postaci enolu, który ma maksymalną absorpcję przy długości fali w zakresie od 350 do 365 nm, w zależności od użytego rozpuszczalnika. Wykazano, że podwójne wiązanie formy enolowej jest bardziej reaktywne w warunkach chlorowania wody niż pierścień aromatyczny. W chlorowanym środowisku wodnym awobenzon przekształca się w dwa odpowiednie aldehydy i kwasy , jak pokazano na rysunku. Oba aldehydy powstają w wyniku wiązania CO-CH 2 . Są mniej stabilne w warunkach utleniających i łatwo przekształcają się w odpowiednie kwasy.

Chlorowane pochodne acetofenonu powstają również w wyniku rozszczepienia tego samego wiązania CO-CH 2 . Chlorowane pochodne acetofenonu to gazy łzawiące , wywołujące zapalenie skóry i inne problemy zdrowotne. Doniesiono, że chlorowanie pierwotnego awobenzonu do pozycji pierścienia aromatycznego jest mniej możliwe. Rozszczepienie wiązania CO-Ar prowadzi do powstania 4-chloroanizolu.

Produkty przemian awobenzonu w chlorowanych systemach wodnych

Metoksycynamonian etyloheksylu (EHMC)

Metoksycynamonian etyloheksylu ( EHMC ) jest jednym z najczęściej stosowanych filtrów UVB na całym świecie. Jest znany jako Eusolex 2292 i Uvinul MC80. Znajduje się na liście High Production Volume Chemicals (HPVC), która obejmuje chemikalia produkowane lub importowane do UE w ilości ponad 1000 ton rocznie. Żywotność EHMC przewidywano na od godzin do kilku dni. EHMC jest dobrze tolerowany przez skórę. Ma jednak pewne skutki uboczne, w tym zdolność do wytwarzania reaktywnych form tlenu (ROS) i przenikają przez skórę człowieka po ekspozycji na promieniowanie UV. EHMC wykryto również w skorupiakach, rybach i kormoranach na poziomie ng/g, co sugeruje, że może być akumulowany w łańcuchu pokarmowym. Udowodniono, że EHMC jest odpowiedzialny za blaknięcie koralowców poprzez promowanie infekcji wirusowych. Z toksykologicznego punktu widzenia EHMC wykazuje właściwości estrogenne zarówno in vitro, jak i in vivo. Na przykład ekspozycja na ten związek powodowała wzrost masy macicy u szczurów. Prenatalna ekspozycja na EHMC może wpływać zarówno na rozwój reprodukcyjny, jak i neurologiczny potomstwa szczurów, co może być powodem do niepokoju, ponieważ ludzie są rutynowo narażeni na ten związek poprzez stosowanie filtrów przeciwsłonecznych i innych kosmetyków.

Główną drogą transformacji EHMC jest fotoliza. Bezpośrednia fotoliza reprezentuje dominujący szlak transformacji. Z drugiej strony pośrednia fotoliza spowodowana OH jest nieistotna i ze względu na rozpuszczoną materię organiczną będzie drogą drugorzędną. Wykryto cztery produkty transformacji dla EHMC po ekspozycji na promieniowanie UV. 4-metoksybenzaldehyd (MOBA) i kwas 4-metoksycynamonowy to dwa produkty przemiany EHMC poprzez dealkilację . Pośredni MOBA jest bardziej toksyczny dla bakterii niż EHMC.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

  •   Sharma, Anežka; Bányiová, Katarzyna; Babica, Paweł; El Yamani, Naouale; Collins, Andrew Richard; Čupr, Paweł (2017). „Różna odpowiedź na uszkodzenie DNA izomerów cis i trans powszechnie stosowanego filtra UV po ekspozycji na dorosłe ludzkie komórki macierzyste wątroby i ludzkie komórki limfoblastoidalne”. Nauka o całym środowisku . 593-594: 18-26. Bibcode : 2017ScTEn.593...18S . doi : 10.1016/j.scitotenv.2017.03.043 . PMID 28340478 .
  •   Kunz, Petra Y.; Fent, Karl (15 listopada 2006). „Aktywność estrogenowa mieszanin filtrów UV”. Toksykologia i Farmakologia Stosowana . 217 (1): 86–99. doi : 10.1016/j.taap.2006.07.014 . PMID 17027055 .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=UV_filter&oldid=1126259358 ”