Licht und Gesundheit

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1 Licht und Gesundheit Der Einfluss des Lichts auf Körper und Psyche Prof. Dr. Thomas Jüstel Münster University of Applied Sciences Münster, 11. Juni

2 Licht Beleuchtung

3 Licht Bildwiedergabe

4 Licht Umweltproblem Etwa 20% der erzeugten elektrischen Energie wird für Beleuchtung eingesetzt (Quelle: NASA)

5 Licht und Gesundheit Licht verlängert den Tag! Licht beeinflusst das Wohlbefinden, z.b. wirkt gegen Winterdepression Licht steuert hormonelle Aktivität, z.b. die des Schlafhormons Melatonin Licht heilt Hautkrankheiten, wie z.b. Akne oder Psoriasis Licht wirkt therapeutisch bei Vitamin D Mangel und Gelbsucht Licht hat eine schmerzstillende Wirkung Licht desinfiziert und reinigt Luft, Oberflächen und Wasser

6 Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums UV C UV B UV A Blau Grün Rot IR Haut Haut Haut Auge/Haut Auge Auge/Gefäße Gefäße Desinfektion Bräunung Bräunung Visuelle Wahrnehmung Wärme Reinigung Vitamin D Melatoninsup. Bildung NO Bildung Bilirubinabbau

7 Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums Phot opische Empfin ndlichkeit V( ) Die spektrale Augenempfindlichkeit UV VIS IR Wellenlänge [nm] y Der Farbraum Spektralfarben Planckkurve Mischfarben Weißpunkte x 0.8

8 Natürliche und künstliche Lichtquellen Natürliche Künstliche Sonne Feuer/Fackeln/Kerzen Sterne Gasleuchten Glut (Halogen)Glühlampen Blitze Entladungslampen Biolumineszenz (O)LEDs

9 Natürliche und künstliche Lichtquellen Direktes Sonnenlicht Gestreutes Sonnenlicht Der blaue Himmel ~ 1000 W/m 2 Das Leben auf der Erde ist an das Lichtspektrum der Sonne angepasst und alle Erkenntnisse legen nahe, dass jede Abweichung von den speziellen Eigenschaften des Sonnenlichtes direkte Auswirkungen auf die Gesundheit haben!

10 Lichtausbeute Sonnenlicht 1000 W/m 2 Natürliche und künstliche Lichtquellen ca. 100 lm/w lm/m 2 = lux Künstliche Beleuchtung 8 W/m 2 ca. 250 lm/w lm/m 2 = lux Optimal für monochrom grünes Licht bei 555 nm 683 lm/w umenausbeute e [lm/w] L 555 nm 460 nm 610 nm Wellenlänge [nm]

11 Natürliche und künstliche Lichtquellen

12 Natürliche und künstliche Lichtquellen

13 Weiße Lichtquellen Farbwiedergabe Farbige Lichtquellen Sonnenlicht und Halogenlampen z.b. Na-Dampflampen Beleuchtung euc mit weißemlicht Beleuchtung euc mit gelben Licht

14 Lichtquelle mit niedriger Farbwiedergabe Farbwiedergabe Lichtquelle mit hoher Farbwiedergabe

15 Künstliche Lichtquellen 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt. Zeit bzw. Grad der Kontrolle Glüh- und Halogenglühlampen Gasentladungslampen + bildschirme Anorganische und organische Leuchtdioden Exotisches: Chemische Lichtquellen + Laser

16 Künstliche Lichtquellen Leistung [W/Mik krometer] Halogenlampen Wellenlänge [nm] Niedrige Lichtausbeute + hohe Farbwiedergabe tensität Normierte In 1,0 0,8 06 0,6 0,4 0,2 0,0 Fluoreszenzlampen Zum Vergleich: Halogenlampe Wellenlänge [nm] Hohe Lichtausbeute + mäßige Farbwiedergabe

17 Künstliche Lichtquellen Blaue LED + Gelber + Roter Leuchtstoff JAZZ 3300K BB 3300K nm nm Anorganische Leuchtdioden (LED) 1 5 W pro LED lm/w Warm weißes Licht Hohe Farbwiedergabe ähnlich zu Halogenlampen4 0 black body 3600 K flu o re s c e nt, C C T= K nm

18 Anorganische LED Status 2013 Künstliche Lichtquellen Lichtaubeute: Kalt weiß > 200 lm/w Warm weiß > 100 lm/w Farbwiedergabe: Lebensdauer: > h Design: Retrofits für Leuchtstoffröhren und (Halogen)Glühlampen Vorteile anorganischer LED gegenüber Glüh und Halogenlampen Fluoreszenzlampen Höhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/Dimmbarkeit it Höhere Effizienz Bessere Farbwiedergabe Größere Robustheit Größere Robustheit Keine IR Strahlung Keine UV Strahlung Alles optimal?

19 Photopische und circadiane Lichtausbeute Rezeptoren im Auge Stäbchen Zäpfchen Blaulicht (prgc) Sichtbares (blaues) Lichtbeeinflusst die Melatoninkonzentration Cortisolkonzentration Aufmerksamkeit, Körpertemperatur etc. S/W-Kontrast Farbwahrnehmung Hormonsteuerung

20 Relative Wirkung [%] Photopische und circadiane Lichtausbeute Melatoninsuppresion 100 Jüngere Leute Phototopische Wirkung nm 460 nm 555 nm Ältere Leute (linsenkorrigiert) Wellenlänge [nm] Uhrzeit Lichtquelle Lichtausbeute Verhältnis Lichtausbeute (photopisch) circadian/photopisch Tageslicht 6500 K 100 lm/w 2,78 FL 3000 K 90 lm/w 1,00 FL 4100 K 90 lm/w 1,85 LED 5500 K 90 lm/w 2,91 Körpertemperatur Melatonin (Schlaf) Cortisol (Stress) Aufmerksamkeit

21 Aktivitätssteuerung mit dynamischer Beleuchtung Arbeitsbeginn 08:15 Uhr Prime time 11:45 Uhr Feierabend 17:45 Uhr Neutrale Atmosphäre... Kühle Atmosphäre... Warme Atmosphäre...

22 Lichttherapie Beleuchtungsstärke > 5000 lux Anwendung im Zusammenhang mit Tageslicht Sommer ~ lux Jet lag Schichtarbeit Essstörungen Übergewicht Schlafstörungen Lichtwecker 250 lux Winterdepression lux

23 Lichttherapie Melatoninsuppression und Lichtausbeute: Optimal mit weißen LEDs (460 nm nm) intensität Emissions Blaue LED Gelber Leuchtstoff t Tc = 5270 K CRI = 82 Tc = 4490 K CRI = 79 Tc = 4110 K CRI = 76 Tc = 3860 K CRI = 73 Tc = 3540 K CRI = Wellenlänge [nm] tät Intensit 2,0x10 7 Teelicht 1,8x10 7 1,6x10 7 1,4x10 7 1,2x10 7 1,0x10 7 8,0x10 6 6,0x10 6 4,0x10 6 2,0x10 6 0,0 Energie [ev] 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1, Wellenlänge [nm] Empfehlung Allgemeinbeleuchtung: Variabler Blauanteil kaltweiße LEDs Ruhezonen: Kein Blauanteil warmweiße/gelbe LEDs oder Kerzen/Teelicht

24 Wirkung von Licht über die Körperoberfläche Eindringtiefe von Licht (UV C bis IR C) IR C 0.1 mm Lederhaut IR B 0.5 mm IR A 4 5 mm Oberhaut Unterhautgewebe UV C Erbgutschäden UV B Vitamin D Bildung UV A Melaninoxidation Blau Bilirubinabbau, NO Bildung Rot Gefäßerweiternde Wirkung Optisches Fenster von 650 bis 1300 nm Eindringtiefe von IR A etwa 5 mm

25 Behandlung von Tuberkulose seit ca Rachitis seit etwa 1920 UV Licht Therapie Sanatorien in Davos, Braunwald, etc. Anwendung von Sonnenlicht 10% 90% Effekt: Bildung von Vitamin D 3 Produktion in der Haut Mit UV B Licht ( nm) Optimal: > 60 ng/ml Serum

26 Wirkung von UV Strahlung UV Licht Therapie 1,0 UV-B UV-A 0,8 UV A ( nm): 95% vom Tageslicht UV Bräunung schnell Kurzzeiteffekt UV B ( nm): 5% vom Tageslicht UV Vitamin D Bildung Bräunung nach 2 3 Tagen Langzeiteffekt Intensität 0,6 0,4 Moderne Solarien emittieren kaum UV B Strahlung 0,2 UV-Tageslichtspektrum 60 Sonnenhöhenwinkel (klarer Himmel) 0, Wellenlänge [nm]

27 Blau Licht Therapie Behandlung von Akne Neurodermitis Wirkungsoptimum bei 415 nm (blauviolett) Spektral optimierte Fluoreszenzlampen mit α Ba 3 Y(BO 3 ) 3 :Eu

28 Blau Licht Therapie Behandlung der Gelbsucht mit blauem Licht 1,0 Aktionsspektrum des Bilirubinabbaus Das gelbe Bilirubin ist ein Abbauprodukt des Hämoglobinstoffwechsels Gesunde: Abbau in der Leber + Ausscheidung Leberkrankte: Einlagerung g in der Haut/Gehirn Relative Wirkung 0,8 0,6 0,4 0,2 00 0, ,30 Wellenlänge [nm] Emissionsspektrum einer Bilirubinlampe 0,25 Bilirubin (wasserunlöslich) Lumirubin (wasserlöslich) Emissionsin ntensität 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Wellenlänge [nm]

29 Neugeborenen Ikterus (Gelbsucht) Blau Licht Therapie Direkt nach der Geburt ist die Leber noch unreif Unzureichender Abbau des Bilirubins Bestrahlung mit blauem Licht (460 nm) Lumirubin wird über die Nieren ausgeschieden Philips Lampen F20T12/BB bzw. F40/BB

30 Schmerztherapie mit blauem Licht Blau Licht Therapie Bildung des Neurotransmitters Stickstoffmonoxid NO Blau Blaue e m ittie rleds e n de LEDs Energie [ev] 4 3,5 3 2,5 2 4x m m Phosphor Ceram ic Flexible Polymerbasis 4 m m Inten ensität 3x10 5 2x10 5 1x m m Wellenlänge [nm]

31 Stickstoffmonoxid (NO) Radikale Blau Licht Therapie In hohen Konzentrationen toxisch In niedrigen Konzentrationen gefäßerweiternd und muskelentspannend Blutdruckregulation Schmerzreduktion Entzündungshemmende Wirkung Enzymatische Produktion Bildung durch blaues Licht L Arginin (Aminosäure) L Citrullin + NO Nitrit NO 2 + H 2 O OH + OH. + NO S Nitroso Serumalbumin NO

32 Behandlung von Rheumatismus Neurodermitis Rückenschmerzen Tumore (mit IR A Strahlung) Photodynamische Therapie Infrarot Therapie IR Quellen IR A and IR B Halogenlampen mitfarbfilter Nd:YAG Laser IR C geheizte Keramikstäbe IR C 0.1 mm IR B 0.5 mm IR A 4 5 mm

33 Wasser /Oberflächen /Luftbehandlung mit Licht Wasseraufbereitung (im Wasserwerk oder am Point of use ) UV C Licht (265 nm) desinfiziert Vermehrung von Mikroorganismen wird gestoppt 1,0 nach DIN UV Quellen 200 Relative Wirksam mkeit 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Wellenlänge [nm] Quecksilberdampflampen UV LED Xe Excimerlampen

34 Wasser /Oberflächen /Luftbehandlung mit Licht Wasseraufbereitung (im Wasserwerk oder am Point of use ) 3,0 UV C Licht (< 280 nm) oxidiert 2,5 2,0 UV Licht (< 400 nm) und Katalysator oxidiert 1,5 1,0 Entfernung von Pestiziden, Herbiziden, Tensiden, 0,5 0,0 Medikamentenrückständen (Krebsmarker, Antibiotika, etc.) Absorbance 4,5 4,0 3,5 5-fluorouracil with 500mg/l H 2 O 2 c = 0,001M T = 293 K p = 1 bar, air Solvent: demi H 2 O Lamp: NIQ Em.spectrum: 254nm 0min 5min 10min 15min 20min 30min Wavelength [nm] UV Quellen Quecksilberdampflampen UV LED Xe Excimerlampen ance Absorba Tetracycline with 50mg/l H 1,2 2 O 2 0min c = 0,00005 M 10min T = 293 K 20min 1,0 p = 1 bar, air 30min Solvent: demi H 2 O 40min Lamp: NIQ 50min 60min Em.spectrum: 254,185nm 0,8 0min without H 2 O ,6 0,4 0,2 0, Wavelength [nm]

35 Licht und Gesundheit Phototherapie Vitamin D Aufbau 310 nm Akne, Ekzem, Psoriasis, Vitiligobehandlung g 415 nm Melatoninsuppression 430 nm Bilirubinabbau 450 nm Schmerztherapie 453 nm Photodynamische Therapie Rot/NIR Rheumabehandlung NIR Kosmetik Bräunung UV A + UV B Epilation 755 nm Faltenreduktion NIR Hautflecken und Tattooentfernung 694, 1064 nm Diagnostik Endoskopie VIS In vitro und in vivo Fluoreszenzmarkierung VIS Optische Bildgebung NIR Photoplethysmographie NIR Chirurgie Laserskalpell 1.06, 10.6 µm Augenkorrekturen 193, 800 nm Kariesentfernung 2.94, 10.6 µm Wasser /Oberflächen /Luftbehandlung Entkeimung nm Reinigung < nm

36 Literatur Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight Verlag, 2004 M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294 T. Jüstel, S. Möller, H. Winkler, W. Adam, Luminescent Materials in Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A1 28, Wiley VCH (2012) Internet Links Homepage T. Jüstel muenster.de/juestel CREE GELcore Global Light Industries Nichia co nichia/index html Osram Opto Philips Lumileds Seoul Semiconductor Sylvania sylvania.com/content/view/65/77/