Erythemwirksamkeit von UV-Nagellampen

Mit einer UV-Nagellampe lässt sich der Trocknungsprozess von Nagellack auf Fingernägeln beschleunigen. Mit dem hier vorgestellten Versuch wird geprüft, ob eine solche Lampe die Haut schädigen kann. Den physikalischen Grundlagen ist eine Motivation zur Durchführung des Versuchs vorangestellt. Es folgen Sicherheitshinweise. Danach wird der Versuch mit Aufbau, Durchführung und Auswertung beschrieben. Ganz unten findet sich der Code für den Arduino und ein Übungsblatt für Schülerinnen und Schüler zum Herunterladen.

Bemerkungen zum Versuch

Studien zu Schülervorstellungen zu UV-Strahlung zeigen, dass Schülerinnen und Schüler die Gefahr durch UV-Strahlung teilweise falsch einschätzen (Langer, 2015). Insbesondere wenn die UV-Strahlung von nützlichen Geräten wie der UV-Nagellampe emittiert wird, neigen Schülerinnen und Schüler dazu. Der vorliegende Versuch bietet als Unterrichtsgegenstand im Physikunterricht die Möglichkeit, dieser Schülervorstellung entgegen zu wirken.

Zusätzlich ist die Nagellampe ein Gegenstand, der vor allem bei Schülerinnen aus dem Alltag bekannt ist. So liegt ganz nebenbei ein interessanter Kontext bei diesem Versuch vor.

Weiterhin zeigt der Versuch, dass die UV-Nagellampe bei ordnungsgemäßer Verwendung für Schülerexperimente geeignet ist.

Physikalische Grundlagen

Ultraviolette Strahlung kann verschiedene biologische Reaktionen im menschlichen Gewebe auslösen. Entzündungsreaktionen an der Haut, die durch UV-Strahlung verursacht werden, werden als UV-Erythem bezeichnet. Im Falle von UV-Strahlung durch die Sonne spricht man auch von Sonnenbrand.

Die Bewertung der erythemwirksamen Strahlung lässt sich nach dem CIE-Standard durch die
relative, spektrale Wirksamkeit vornehmen (Fachverband für Strahlenschutz e. V., 2018, S. 13 f). Mit dieser lässt sich die Erythemwirksamkeit von UV-Strahlung bewerten. Folgende Abbildung zeigt die spektrale Wirksamkeit S_er(λ) in Abhängigkeit der Wellenlänge der UV-Strahlung. Aus dieser spektralen Wirksamkeit, einer zeitlich konstanten Intensität J von monochromatischer UV-Strahlung und einer Einwirkungsdauer Δt lässt sich die wirksame Bestrahlung ermitteln:

H_CIE = S_er (λ) J(λ) Δ t.

Die geringste Bestrahlungsstärke H_CIE die ein UV-Erythem auslöst, wird als minimale Erythemdosis (MED) bezeichnet. Für den Hauttyp I (sehr helle Hautfarbe, rötliches oder hellblondes Haar, blaue, grüne oder hellgraue Augen) beträgt die MED 200 J/m².

Kritische Punkte und Sicherheitshinweise

Hinsichtlich der Langzeitfolgewirkungen sollte keine direkte Strahlung in die Augen gelangen. Die Einwirkungsdauer der UV-Strahlung sollte möglichst kurz gehalten werden. Reflektierende Gegenstände wie beispielsweise Uhren und Ringe müssen für das Experiment abgelegt werden.

Versuchsaufbau

Für diesen Versuch wird die UV-Nagellampe, der Arduino Uno mit Base Shield und der UV-Sensor Grove v1.1 verwendet. Die UV-Nagellampe verfügt über sechs UV-LEDs, die ihre maximale Intensität bei den Wellenlängen λ_blau = 405 nm und λ_UVA = 365 nm emittieren. Der UV-Sensor misst die Intensität J der UV-Strahlung in W/m², und ist für Strahlung mit λ_blau = 405 nm unempfindlich, aber er registriert UV-Strahlung mit λ_UVA = 365 nm. Er wird über den A0-Anschluss über das Base Shield mit dem Arduino Uno verbunden. Die UV-Nagellampe und der Arduino Uno sind über USB-Anschlüsse an einen Laptop angeschlossen. Der Sketch für den Arduino ist unten verlinkt. Er wird mit der Arduino IDE auf den Arduino geladen. Hilfen für Arbeiten mit Arduinos finden Sie auch hier.

Versuchsdurchführung

Nun wird die Intensität der Nagellampe getestet. Hierfür wird zuerst die UV-Strahlungsintensität auf der Tischoberfläche erhoben. Dafür wird der Sensor auf die Tischoberfläche unter die UV-Nagelampe gehalten, und der höchste gemessene Wert wird notiert. Um auch zu erfassen ob es gefährlich werden könnte, wenn man seine Finger nahe an die LEDs hält, wird auch die UV-Strahlungsintensität direkt an einer LED der UV-Nagellampe gemessen.

Messwerte und Auswertung des Experiments

Direkt vor der LED der Nagellampe beträgt die Intensität der UV-Strahlung J = 186 W/m². Nach 44 Minuten würde die MED des Hauttyps I erreicht werden.

Folgende Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf der wirksamen Bestrahlung HCIE direkt vor einer der LEDs. In Experimenten mit kosmetischer Behandlung mit der UV-Nagellampe kann davon ausgegangen werden, dass sich die bestrahlte Haut nicht über den gesamten Verwendungszeitraum Δ t direkt vor einer LED befindet. Daher befindet sich die tatsächliche wirksame Bestrahlung stets im grau markierten Bereich.
Die ermittelte Dauer von 44 Minuten stellt somit den Grenzwert für die Einwirkungsdauer dar, mit dem Hautschädigungen bei ordnungsgemäßer Verwendung weitestgehend auszuschließen sind.

 

Literaturangaben

Langer, S. (2015): Schülervorstellungen zur UV-Strahlung. Dissertation, Universität Wien.

Fachverband für Strahlenschutz e. V. (2018): Leitfaden „Inkohärente ultraviolette Strahlung von künstlichen Quellen“. Verfügbar unter https://fs-ev.org/fileadmin/user_upload/04_Arbeitsgruppen/08_Nichtionisierende_Strahlung/02_Dokumente/UVLeitfaden97180718_neu.pdf (4.12.2019).