Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas y otros materiales

I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 1 FACULTAD DE CIENCIAS Grado en Óptica y Optometría MEMORIA TRABAJO FIN DE GRADO TITULADO MEDIDA DE LA ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN UV EN LENTES OFTALMICAS Y OTROS MATERIALES Presentado por: Inés Valdivielso Rodrigo Tutelado por: David Mateos /Carlos Toledano Tipo de TFG: Investigación En Valladolid a 18 de junio de 2019 I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 2 I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 3 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ...................................................... ………………… página 5 1.1. Espectro electromagnético: radiación UV y efectos nocivos en tejidos oculares .................................................................................................................... página 5 1.1.1factores que influyen en la radiación UV…………… ..... ….página 7 1.1.2filtros para la radiación UV …………………………… .............. página 8 1.2. Luz azul……………………………………………… .......................... página 10 1.3. Transmitancia espectral…………………………… ............................ página 11 2. MATERIAL Y MÉTODO ...................................................................... página 12 2.1. Descripción del instrumento experimental ................ página 12 2.2. Medición de la transmitancia en diferentes materiales… ............... página 13 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................. página 13 3.1. Transmitancia de lentes de protección solar .................................. página 13 3.2. Transmitancia de otras lentes……………………… ......................... página 17 4. CONCLUSIONES ................................................................................. página 18 5. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................... página 19 I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 4 RESUMEN: En la siguiente memoria de trabajo de fin de grado se va a estudiar la transmisión de la radiación UV en diferentes materiales oftálmicos así como en otros materiales. Mediante un estudio llevado a cabo en un laboratorio con un instrumento diseñado para ofrecer resultados en término de transmitancia se han podido obtener diferentes conclusiones para cada material puesto a prueba. Este trabajo se centra en investigar la importancia de la protección ante la radiación UV exponiendo los daños y sistemas de protección de los que disponemos. Así pues una vez obtenidos los resultados se podrá verificar el cumplimiento de la función de cada material. SUMMARY In the present undergraduate thesis, the transmission of UV radiation in different ophthalmic materials as well as in other materials will be studied. By means of an experimental study carried out in a laboratory with an instrument designed to offer results in terms of transmittance, it has been possible to obtain different conclusions for each material tested. This study focuses on investigating the importance of UV protection by exposing the damage and protection systems available to us. Therefore, once the results have been obtained, it will be possible to verify the fulfilment of the function of each material. I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 5 1. INTRODUCCION. 1.1. Espectro electromagnético: radiación UV y efecto nocivos en tejidos oculares La naturaleza de la luz puede describirse como onda y como partícula a la vez. Existen diferentes radiaciones dentro del espectro electromagnético que van desde las ondas de los rayos X, pasando por el UV, espectro visible, infrarrojo hasta las ondas microondas. Las frecuencias más estudiadas en la óptica son la radiación UV, espectro visible y la zona del infrarrojo. Así pues la radiación electromagnética que llega a la Tierra se puede definir como una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que vibran perpendicularmente entre si y lo hacen de manera perpendicular a su dirección de propagación, que se propagan en el espacio transportando energía de un lado a otro. Se denomina espectro electromagnético el rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles, ver Figura 1. Las longitudes de onda que se encuentran en el espectro visible son percibidas por el ojo del ser humano. Figura 1: representación del espectro electromagnético con ampliación de la zona del visible especificado longitud de onda y frecuencia. Fuente: Wikipedia Dicha zona abarca una extensión muy pequeña en comparación con todo el espectro y comienza en los tonos violetas con longitud de onda más corta (380450nm) hasta los tonos rojos (620-750nm) con una longitud de onda más larga. Este trabajo se centra por tanto en el rango espectral de radiaciones que nos llegan desde el Sol. La radiación que emite el sol incluye un amplio espectro de frecuencias. Pero las que son realmente esenciales para la vida en la tierra son sólo una pequeña parte del total: la radiación ultravioleta (UV), la luz visible y la radiación infrarroja (IR). La proporción de la radiación solar entre estas tres zonas espectrales es la siguiente: [1] UV = 8%, visible = 43%, infrarrojo = 49%. La radiación UV son rayos invisibles al ojo humano que provienen del sol. La radiación UV se encuentra dividida en tres tipos: UV A, UV B y UV C. * UV C comprende desde los 180 nm hasta los 280 nm, es la más energética y dañina de las tres pero es absorbida totalmente por la capa de ozono y no llega a la Tierra. [1] I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 6 * UV B comprende desde los 280nm hasta los 315 nm, es menos energética que la UV C pero es posible que cause quemaduras y solo una pequeña parte es absorbida por la atmosfera. [2] * UV A comprende desde los 315 nm hasta 400 nm, corresponde a la radiación UV con mayor longitud de onda y por lo tanto de menor energía pero es la que posee mayor poder de penetración hacia los tejidos internos del ojo con lo que puede producir alteraciones del ADN celular. [3] La capacidad de penetración es diferente para cada una de las radiaciones UV (ver Figura 2), así pues el UV A presenta mucha penetración, el UV B tiene una penetración media hacia los tejidos oculares y el UV C es la de menor valor de penetración, la capacidad de penetración se puede expresar como la inversa de la frecuencia o energía. Figura 2: imagen ilustrativa de las radiaciones que penetran en el globo ocular Esta radiación es capaz de producir daños en diferentes tejidos oculares y anejos ya que como anteriormente se ha mencionado la UV es muy energética. Los principales efectos se recogen en la Tabla 1 en función de los sub-intervalos implicados. I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 7 espectro Tejido afectado Lugar de absorción Naturaleza del daño UV C,B párpado piel Melanoma maligno/ carcinomas UV C,B conjuntiva epitelio Fotoqueratoconjuntivitis/pingué cula/pterigion UV C, B cornea epitelio Fotoqueratitis/opacidades UV C, B cornea Bowman y estroma anterior Degeneración esfenoidal UV B cornea endotelio Disminución del número de células UV A, B cristalino núcleo cataratas Tabla 1: tabla donde se muestran los tres tipos de UV con el tejido afectado, lugar de absorción y el daño que produce 1.1.1Factores que influyen en la radiación UV La destrucción progresiva de la capa de ozono debido a las actividades humanas contaminantes influye en la manera en la que nos llega este tipo de radiación. Si lo vemos desde el punto de vista de la cantidad de radiación que llega a la superficie podemos decir que intervienen diversos factores: * latitud: hace referencia a la perpendicularidad de los rayos solares sobre cada zona del planeta, así pues en zonas cercanas al ecuador el ángulo de incidencia hacia la Tierra es prácticamente cero y por lo tanto la incidencia es muy elevada. [4,5] * elevación solar: cuanto más perpendicular este el sol con respecto a la horizontal de la superficie terrestre, mayor será la incidencia de estos rayos, es decir, cuanto más verticales se sitúen, la radiación será más intensa. [6,7] * capa de ozono: esta capa formada por tres átomos de oxígeno y es capaz de amortiguar la radiación UV C (ver Figura 3), correspondiendo con un porcentaje de absorción del 100 %, mientras que la UV B se absorbe un 90% y la UV A pasa libremente a través de ella. Esta capa no es regular en cuanto a grosor se refiere en todas las áreas geográficas, así pues en el ecuador se sabe que es más delgada y que varía también con las estaciones. [8,9] I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 8 Figura 3: imagen ilustrativa de la absorción de los tres tipos de radiación UV por la capa de ozono * altitud: cabe decir que cuanta mayor altitud a la que se sitúe una persona sobre el nivel del mar, menor será el grosor de la capa atmosférica que tiene que atravesar la radiación y por lo tanto mayor intensidad de radiación. [10] * nubosidad: lógicamente las nubes más oscuras y que presentan mayor desarrollo van a frenar más el paso de la radiación. Todo el espectro solar no se atenúa de igual forma ante la presencia de nubes, siendo la radiación UV la que consigue atravesar una capa nubosa de forma más efectiva [2,11] * reflexión del suelo: dependiendo de la superficie de la que se refleje la radiación se va a producir una reflexión u otra, así pues la nieve presenta un porcentaje de reflexión del 80%, el agua en torno a un 25% y el asfalto un 5%. [10] * aerosoles y gases contaminantes: las partículas que provienen de la contaminación suspendidas en la atmósfera influyen en la transmisión de la radiación UV provocando una dispersión de ésta que va a depender de la partícula en suspensión que se encuentre en la atmósfera. [12] 1.1.2. Filtros para la radiación UV: filtros naturales y artificiales Un filtro, desde el punto de vista óptico, hace referencia a aquella superficie que es capaz de absorber o reflejar ciertas radiaciones e impedir su paso a través del propio material. En cuanto a filtros naturales se refiere, el ser humano a lo largo de la evolución ha desarrollado sus propios filtros contra las radiaciones nocivas para el globo ocular. Así pues contamos con estructuras tan importantes como los párpados o la pupila para regular la cantidad de luz que llega a nuestro sistema óptico. Dentro del globo ocular también tenemos estructuras capaces de filtrar o reflejar la luz que presentan pigmentación como el iris, epitelio pigmentario de la retina. Por consiguiente también contamos con los filtros presentes en los dioptrios oculares como en cornea y en cristalino, estos filtros consiguen frenar un porcentaje de penetración de la radiación UV hacia el interior del ojo. Las estructuras como la pupila o los parpados responden ante la radiación del visible pero no se estimulan con el UV de tal manera que dejan pasar menos luz hacia el interior ocular y, por lo tanto, también se reduce la cantidad de radiación UV. En cuanto a filtros artificiales, la filtración de la radiación UV se lleva a cabo I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 9 dentro del material de la propia lente independientemente de su grado de tinción. Son diseñados por el ser humano para la protección del ultravioleta y otras radiaciones. En esta categoría entran las lentes de sol que pueden tener una amplia gama de colores, pueden ser lentes deportivas, lentes fotocromáticas, lentes polarizadas, filtros de absorción selectiva para ciertas patologías en baja visión (BV), filtros con efecto espejo o lentes de contacto (LC) con filtros especiales para esta radiación. El color de las lentes de sol no es muy relevante y tienen transcendencia en el hecho de dejar pasar unas u otras longitudes del espectro visible. Las lentes de sol tienen una amplia gama de colores y según el color la visión a través de ellas será diferente en cuanto a la percepción de colores y tonalidades. Uno de los aspectos importantes a la hora de adquirir unas gafas de sol en un establecimiento es la categoría o factor de absorción de la luz visible, así pues tenemos cuatro grandes categorías recogidas en la Tabla 2: categoría transmitancia 0 80% - 100% 1 40% - 80% 2 20% - 40% 3 10% - 20% 4 0% - 10% Tabla 2: Tabla en la que se compara cada categoría con su respectiva transmitancia del espectro visible Las gafas deportivas pueden ser de varias tonalidades dependiendo de la actividad deportiva. Así pues para deportes en los que la superficie pueda reflejan gran cantidad de luz se recomendarán lentes con una categoría máxima para minimizar el daño. Las lentes fotocromáticas son lentes aparentemente incoloras. Estas lentes proporcionan al usuario un oscurecimiento progresivo de sus lentes cuando incide solamente la radiación UV. Se trata de una reacción a nivel químico entre los átomos de plata presentes en su superficie. Normalmente los colores a los que tienden a oscurecerse son en la gama de los grises y marrones. I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 16 La cuarta lente examinada ha sido la lente deportiva con tonalidad negra (Figura 11), una gafa deportiva también debe de proteger del UV, al igual que dependiendo del color de la lente transmitirá una forma u otra en el espectro visible. Pues bien observando su grafica podemos decir que protege totalmente del UV cumpliendo su función y su transmitancia en este rango es de casi 0%, así pues empieza a transmitir un poco cuando llega a los 410 nm que se correspondería con la tonalidad violeta del espectro visible. En este caso se aprecia como en el límite superior de 450 nm, esta lente transmite un 30% mientras que en el caso anterior de una lente espejada estaba por debajo del 20%. Figura 12: gráfica correspondiente a la lente fotocromática La quinta lente examinada es una lente fotocromática (Figura 12), las lentes fotocromáticas se caracterizan porque se oscurecen cuando incide solamente radiación UV de tal manera que cuando se produzca el oscurecimiento máximo de la lente, actúe como una lente de sol, es decir, protegiendo del UV. Observando la gráfica podemos decir que esta lente necesita un poco de tiempo para que nos proteja del UV, a la hora de ponerla a prueba no se esperó el tiempo oportuno para que se llevara a cabo este proceso y por este motivo se explica porque esta lente transmite algo del UV. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 350 370 390 410 430 450 T(%) λ(nm) I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 17 Figura 13: gráfica correspondiente a la lente polarizada La sexta lente puesta a prueba es una lente polarizada (Figura 13), estas lentes tienen la misión de eliminar el ruido producido por lo rayos luminoso o reflejos indeseados del espectro visible pertenecientes a longitudes cortas así que lo esperado seria que transmitiera muy poca radiación en todo el espectro del UV así como en las longitudes cortas del espectro visible que son las que producen más dispersión de la luz. Pues bien observando su grafica podemos ver que absorbe todo el espectro UV y además no trasmite nada hasta los 450 nm donde empieza el azul. Los tratamientos que lleve la lente al margen del filtro de polarización consiguen bloquear las radiaciones de longitudes de onda más corta que nos ofrece el espectro solar 3.2. Transmitancia de otras lentes: Por consiguiente también es importante conocer la transmitancia espectral de una lente con filtro azul y una lente que tiene un filtro de absorción selectiva. Figura 14: gráfica correspondiente a la lente con filtro selectivo color verde 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 350 370 390 410 430 450 T(%) λ(nm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 350 370 390 410 430 450 T(%) λ(nm) I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 18 La séptima lente puesta a prueba es una lente con filtro de absorción selectiva de color verdoso (Figura 14), en teoría estos filtros con esta coloración atenúan las longitudes de onda corta como las violetas y azules. Pues bien observando la gráfica vemos como atenúa o deja pasar en torno al 10% de radiación UV, llegando al 30% su factor de transmisión para 450 nm. Figura 15: gráfica correspondiente a la lente con filtro para la luz azul La octava lente y última puesta a prueba es una lente con filtro para la radiación azul (Figura 15). Se supone que la función de estos filtros es protegernos ante esta longitud de onda o al menos dejar pasar una pequeña cantidad ya que la luz azul también es necesaria en pequeñas cantidades para el buen funcionamiento del organismo. Pues bien observando la gráfica podemos ver claramente que protege de la radiación UV en su gran mayoría pero a partir de 380 nm se observa un aumento de la transmisión. En concreto, se consigue transmitir entre el 80-90% entre los 400-430nm. Luego el filtro consigue reducir entre un 10-20% la radiación azul que conseguiría llegar a la córnea. Cabe notar que una mayor reducción afectaría a la percepción de color por parte del usuario. 4. CONCLUSIONES Este trabajo se ha centrado en estudiar la transmitancia espectral de las lentes oftálmicas en el intervalo de radiación UV y radiación azul. Esta zona espectral resulta ser la radiación más energética que consigue llegar al ojo, y presentan un gran impacto en la salud humana, afectando también al sistema visual. Para medir la transmitancia se han realizado medidas en el laboratorio del Grupo de Óptica Atmosférica de la Universidad de Valladolid. Con un espectroradiómetro se mide radiación entre 350 y 450 nm. Se ha calculado la transmitancia espectral como el cociente de radiación incidente sobre una lente oftálmica y la radiación que deja pasar dicha lente. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 350 370 390 410 430 450 470 T(%) λ(nm) I. Valdivielso Medida de la absorción de la radiación UV en lentes oftálmicas 19 Se han testado diversas lentes con distintos tratamientos. Algunas de las conclusiones obtenidas han sido las siguientes: En primer lugar cabe destacar que la gafa de propaganda cumple con la marca impuesta por el comercial de proteger al menos hasta los 400 nm. A excepción de la parte dudosa del UV mencionada anteriormente, cabe decir que los resultados han sido bastante buenos con respecto a esta gafa. En cuanto a la parte de gafas de sol se refiere, las gafas adquiridas en un centro óptico también protegen del UV y tienen una transmitancia muy parecida tanto con espejo como sin espejo. La gafa deportiva también tiene la misión de protegernos ante la radiación nociva del UV y también lo cumple. De la lente fotocromática se esperaba que pasado un lapso de tiempo corto se pudiera observar en la gráfica el bloqueo de la radiación UV en mayor medida. En el proceso experimental, sin embargo, no se respetó ese lapso de tiempo y esto causó una pequeña fracción de radiación transmitancia en el intervalo UV-A. La gafa polarizada se esperaba que no dejara pasar casi nada de UV y además que las longitudes cortas las anulara y cabe mencionar que así ha sido según los resultados encontrados en este trabajo. La lente que posee un filtro con coloración verdosa se esperaba que atenuara la transmitancia de las longitudes cortas y también el UV y se han cumplido las expectativas. Por último, para la lente con filtro para la luz azul se han obtenido los resultados esperados. Se ha observado que bloquea una fracción considerable de la radiación azul que consigue llegar a la córnea, cumpliendo por lo tanto la función de estos filtros y cumpliendo con las expectativas. 5. BIBLIOGRAFIA: [1] Asociación Estatal de Meteorología [Sede Web]. Madrid. AEMET. Disponible en: http://www.aemet.es/ [2] Mateos D, di Sarra A, Meloni D, Di Biagio C, Sferlazzo DM. Experimental determination of cloud influence on the spectral UV irradiance and implications for biological effects. 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