Importancia del conocimiento de las lámparas solares para evaluar los protocolos de fotobiología

Frangois J . Christiaens y Alain M. Chardon

RESUMEN: Introducción. Las reacciones cutáneas inducidas por las radiaciones dependen de la energía de los fotones asociados. Los fotones dotados de mayor energía corresponden al componente ultravioleta (UV) de la luz solar. Para analizar los efectos biológicos de los rayos UV se requieren fuentes artificiales con espectros similares a los de la luz solar.

Objetivo. La finalidad de esta investigación fue evaluar la relevancia de los simuladores UV y UVA (320-400 nm) utilizados en los estudios fotobiológicos y la determinación de los factores de protección de las pantallas solares.

Métodos. Se midieron y compararon las irradiancias espectrales. Para verificar la capacidad de las fuentes de irradiación, se emplearon criterios basados en la eficacia eritémica.

Resultados y conclusiones. Las fuentes de rayos UV más adecuadas fueron los simulado­res de xenón. Además, para garantizar la exactitud de los datos registrados, aconsejamos de­terminar las irradiancias espectrales con un espectrorradiómetro apropiado.

Abrev ia tu ras : CIE: Comisión internacional de Iluminación; COLIPA: Asociación Europea de Cos­mética y Perfumería; DEM: dosis eritémica mínima; EEAR%: eficacia eritémica acumulativa relativa; FPS: factor de protección solar; IPP*: intensificación pigmentaria persistente; IR: infrarrojo (400-700 nm); JCIA: Asociación de la Industria Cosmética de Japón; UV: ultravioleta (290-400 nm); UVA: ultra­violeta A (320-400 nm); UVB: ultravioleta B (290-320 nm); UVC: ultravioleta C (200-290 nm).

Arch. Argent. Dermatol. 53 (Supl.):25-30, 2003

INTRODUCCION

S e sabe que las radiac iones ultravioleta (UV) so la­res inducen les iones cutáneas. Muchos laboratorios re­currieron a distintas fuentes artif iciales de rayos U V para estudiar ese compromiso y su prevención mediante pan­tal las so lares .

La re levancia y conf iabi l idad de las invest igaciones dependen de la capac idad de las fuentes emisoras de rayos U V para reproducir la luz solar. El objetivo de este trabajo fue anal izar las irradiancias espectra les de va ­rias fuentes de rayos U V y comparar las con la solar. S e prestó particular atención a los s imuladores que se utili­zan en la evaluación de las pantal las solares.

Además, se examinaron las fuentes de rayos UVA, incluyendo las usadas en la determinación de los facto­res de protección solar. A partir de los hal lazgos, se ex­trajeron conc lus iones y se formularon a lgunas reglas prácticas y recomendac iones para el control y empleo de las fuentes de radiac iones UV.

* IPP equivale a la sigla en inglés P P D (Persistent Pigment Darke-ning), la pigmentación que aparece aproximadamente a las 2 horas de la irradiación con R U V A. IPP no debe confundirse con la sigla en inglés IPD (Inmediate Pigment Darkening), pigmentación inducida también por R U V A pero de aparición más precoz y fugaz.

Investigaciones L'Oréal, Clichy, Francia.

RADIACIONES UV SOLARES Y SIMULADORES

Luz solar

La fuente principal de radiaciones UV es el sol. El espectro incluye luz UV (290-400 nm), visible (400-700 nm) e infrarroja (IR, 700-2500 nm). Aunque la irradian­cia UV solar constituye menos del 7% del total (290-2500 nm) que recibe la tierra a nivel del sue lo ' , los fotones UV y en menor grado los visibles poseen suficiente energía como para producir desplazamientos electrónicos. Esta energía los convierte en los fotones con mayor ef icacia biológica. Los efectos agudos apreciables se traducen en eri tema y pigmentación.

Es preciso cuantificar el monto de energía que llega a la piel expuesta. El parámetro adecuado es la irradian­cia (W • m ' 2 ) , porque mide una potencia (energía por se­gundo), dividida por el área expuesta (por ej., la mejilla). La dosis energética (J • m'̂ ) es el producto de la irradian­cia de la fuente emisora a nivel cutáneo, por la duración de la exposición. Pa ra anal izar los efectos relacionados con la longitud de onda, se determina la irradiancia es­pectral (W • m"2 • n m ' ) con un espectrorradiómetro.

La irradiancia espectral UV solar que l lega a la tierra depende de var iables como la hora del día, la latitud, la época del año, la altitud, el espesor de la capa de ozo­no, la presencia o ausenc ia de nubes, la acción de los aerosoles y el reflejo de las áreas circundantes. De acuer-

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do con las irradiancias espect ra les registradas en todo el mundo a lo largo de todo el año, es factible establecer un valor "estándar" real ista que representa la "peor" cir­cuns tanc ia pos ib le . L a i r radiancia espectra l U V solar estándar podría ser útil para evaluar los efectos de los rayos U V so lares y diseñar s imuladores apropiados. E s probable que la exposición a una luz de estas caracte­rísticas ejerza efectos biológicos intensos. Este tipo de exposición es el habitual en verano, a mediodía y bajo un cielo claro. C o m o referencia usamos la irradiancia espectral U V solar pub l icada por Sayre y col . y acepta­da por la F D A y la Asociación Eu ropea de Cosmética y Artículos de Tocador^.

Simuladores solares

Las fuentes artificiales ofrecen ventajas con respecto a la exposición natural, que se asoc ia a variaciones im­previsibles y disponibi l idad limitada. Por su mayor rendi­miento y estabi l idad, se usan para realizar investigacio­nes de laboratorio. Para estudiar los efectos biológicos de la luz U V existen d iversas lámparas como las de mer­curio (de espectros discontinuos), de halogenuros metá­l icos, f luorescentes y de xenón. Las fuentes de luz mo­nocromática como las TL-01 o T L / R I O , los tubos fluores­centes y aquel las con espectros contaminados con ra­yos uve (200-290 nm), es decir, emisoras de rayos U V B no filtrados, son inadecuadas y no se tuvieron en cuenta.

S e investigaron las siguientes fuentes comerc ia les: • S imulador UV solar de xenón de arco corto, con un

reflector dicroico y un filtro W G - 3 2 0 de 1,5 mm. • S imulador de xenón de arco largo, con un filtro U V

espec ia l para lograr una irradiancia espectral similar a la solar a nivel del mar.

• Lámpara de halogenuros metál icos [hay que distin­guir lámparas "halógenas" (denominación coriente para 'con halógeno'), bombil las miniaturas con pared de sílice que cont ienen un fi lamento de tungsteno (= wolframio) incandescente, en atmósfera de iodo (= halógeno) para alargar su duración de vida, y son de tipo incandescente mejorado, pobre en ultravioletas y uti l izadas para el a lumbrado corriente de casa , y las lámparas con halogenuros metálicos (fluoro, cloro, bromo, iodo) de varios metales (mercurio, hiero, tie­rras raras...), que son de tipo con arco (descarga eléc­trica en una mezc la de gas o vapores, como las lám­paras de xenón), de emisión muy rica en ultravioletas A y por consiguiente uti l izadas para el bronceado ar­tificial] con un filtro espec ia l H2. Otra empresa comer­cial iza una lámpara de halogenuro que puede equi­parse con un filtro de irradiación solar s imulada

• Tubos f luorescentes U V B con un filtro de triacetato de ce lu losa para el iminar las radiaciones de menos de 290 nm y un tubo f luorescente UVA 340. Aunque la denominación de este últ imo sugiere que la irra­diación máxima corresponde a los 340 nm, el espec ­

tro se extiende de 300 a más de 400 nm con máximo a 360 nm. S e determinaron las irradiancias espectrales median­

te un espectrorradiómetro. La calibración espectral se realizó con una lámpara de mercurio a baja presión y la de la irradiancia con una lámpara halógena de tungste­no y cuarzo provista por el Laboratorio Nacional de Físi­ca (Teddington, Gran Bretaña).

Los niveles de irradiancia de las fuentes UV artificia­les son muy variables. Los valores emit idos por los tu­bos f luorescentes son muy inferiores a los de las lámpa­ras de xenón y halógenas. Para facilitar la comparación, se multiplicaron los espectros por un factor apropiado. Las radiaciones espectra les relativas y la solar estándar se ilustran en las figuras 1 a 3. C a b e señalar que la irradiancia U V solar estándar (COLIPA) es de 2,88 W • m '2 para los rayos U V B y 48,5 W • m'^ para los U V A ^ Las lámparas de xenón de arco corto suelen emitir irradian­c ias U V B de 20 W • m'^ y U V A de 200 W • m \r lo tanto, con respecto a la luz U V solar estándar, estos si­muladores ca recen de energía en el rango UVA. De acuerdo con la distancia entre la fuente y el área ex­puesta, las irradiancias de las lámparas halógenas po­drían ser mucho mayores - U V B de 20 W • m ^ y UVA de 600 W • m-^a 30 cm. Este espectro no es equilibrado porque los rayos UVA son exces ivos .

Comparación entre los espectros de los simulado­res y el UV solar estándar

C o m o el objetivo de los s imuladores es reproducir la luz U V natural, su distribución espectral relativa debe ser lo más cercana posible a la solar estándar.

Los datos presentados en las figuras 1 a 3 sugieren que las fuentes de xenón de arco corto son las más ade­cuadas. Las lámparas de xenón equipadas con un filtro W G - 3 2 0 que elimina los rayos U V C y una emisión de ra­diaciones U V B correcta, proporciona un espectro que ga­rantiza la relevancia del modelo experimental. El empleo de simuladores solares basados en fuentes de xenón con filtros ópticos y reflectores dicroicos es casi universal y ciertos filtros ya son estándar de hecho. Las lámparas de xenón, de espectro continuo, se utilizan casi con exclusi­vidad en la evaluación de las pantallas solares.

En fecha reciente, Gaspar ro y col . demostraron que el espectro de la fuente es un parámetro esencia l en los estudios fo tob io lóg icos" y debe tenerse en cuenta cuan­do se diseña el protocolo. Además, otro trabajo destaca la importancia de la exactitud de las determinaciones espectrorradiométricas^. Sólo los aparatos con registro monocromático doble brindan cifras conf iables y permi­ten interpretaciones correctas. Las comparac iones grá­f icas entre las irradiancias espectra les deben incluir re­presentaciones en esca la lineal y logarítmica del eje Y. La concordanc ia entre las irradiancias espectra les del s imulador y solar estándar puede examinarse a través

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Importancia del conocimiento de las lámparas solares para evaluar los protocolos de fotobiología

de un evento específ ico, común y práctico como la in­ducción de er i tema tardío (enrojecimiento) de la piel. C u a n d o se ana l iza la ef icacia de las pantal las solares, se determina el factor de protección solar (FPS) contra el er i tema tardío. El F P S es la proporción de la dosis de er i tema mínima (DEM) requerida para producir una re­acción eri témica manif iesta a las 24 horas de la expos i ­c ión, en presenc ia o ausenc ia de pantalla solar. Ava la ­mos el uso de la prueba de la C O L I P A , cuyas especi f i ­cac iones se fundamentan en las irradiancias espectra­les basadas en el er i tema^ En esta técnica, los criterios de cumpl imiento impl ican controles espectrorradiomé-tr icos de la irradiancia espectral de la fuente y su ef ica­c ia er i témica acumulat iva relativa ( E E A R % ) . La E E A R % y la tasa de irradiancia U V A / U V B de las fuentes exami­nadas en este trabajo se muestran en la Tabla I. Los resul tados conf i rman que las lámparas de xenón son los s imuladores so lares más relevantes; los tubos fluores­centes U V A - 3 4 0 ocupan el segundo lugar y los U V B son los menos aprop iados.

Influencia de los espectros de los simuladores que difieren del solar sobre los FPS de las pantallas

Muy pocas publ icac iones descr iben comparac iones entre los F P S de productos ana l izados mediante s imu­ladores con distintos e s p e c t r o s ' " . De estos trabajos se deduce que las determinaciones de laboratorio podrían sobreest imar los F P S , en particular cuando los fotopro-tectores sólo absorben los rayos U V B . Las pantal las so lares con absorción espectra l equi l ibrada podrían no revelar di ferencias en los F P S evaluados en condicio­nes artif iciales y naturales. Por otra parte, en los últimos años se perfeccionó el espectro de emisión de los s imu­ladores UV. Los F P S de las pantal las solares también podrían ca lcu larse a partir de la transmitancia efectiva. Chardon y col . real izaron estudios de este tipo y encon­traron d ivergenc ias signif icat ivas'^ Estos autores de­mostraron que la variabi l idad del espectro de la fuente y el perfil de absorción espectral de la pantalla solar po­drían influir en el margen de error de las medic iones de

los F P S . Cuando los productos incluyen protección anti-U V A e levada y fotoestable, la f luctuación potencial de los F P S es menor '3 .

FUENTES DE RADIACIONES UVA

Radiaciones UVA solares

La fuente más común de rayos UVA es, sin duda, la luz solar. Los rayos U V A representan por lo menos el 9 5 % de la irradiancia UV solar que l lega a la tierra a baja altitud' '^. Además, los vidrios comunes - parabr isas, cerramientos, invernaderos y ventanas en general - ab­sorben las radiaciones U V B , pero no las UVA porque el límite es de alrededor de 320 nm. Por lo tanto, aun cuan­do las radiaciones U V B eritémicas se filtran, podrían re­cibirse dosis altas de rayos UVA.

Fuentes artificiales de radiaciones "UVA"

S e investigaron las siguientes fuentes comercia les: • Lámpara UV solar de xenón de arco corto, con un

reflector dicroico y un filtro W G - 3 3 5 de 3 mm. • Lámpara de xenón de arco largo, con un filtro UV

especia l para obtener sólo el rango U V A del espec­tro.

• Lámpara de halogenuros metál icos con un filtro es ­pecial H1 , que bloquea los rayos U V B pero no los UVA. Este tipo de fuente se utiliza mucho en las ca ­mas solares' ' ' ' ^

• Tubo f luorescente UVA. Estos tubos se empleaban en la mayoría de las camas s o l a r e s ' ^ ' ^ S e determinaron las irradiancias espectra les median­

te un espectrorradiómetro. Los s imuladores de xenón de arco corto suelen emitir i rradiancias U V A de hasta 200 W • m ̂ De acuerdo con la distancia entre la fuente y el área expuesta, la irradiancia UVA de las lámparas halógenas podría ser mucho mayor - por ejemplo, 500 W • m^^a 30 cm. Las irradiancias espectra les relativas se ilustran en las figuras 4 y 5. C a b e señalar que la irra­diancia solar estándar (COLIPA) para los rayos UVA es

TABLA 1 E E A R % Y TASA DE IRRADIANCIA UVA/UVB DE LOS SIMULADORES Y LA LUZ UV SOLAR ESTANDAR (COLIPA, 1994)

Fuente Luz UV solar Xenón Xenón Halogenuros Halogenuros Tubo Tubo estándar de arco de arco metálicos metálicos fluorescente fluorescente (COLIPA) corto largo UVB con filtro UVA-340

Parámetro

<290 nm 0% 0,002% 0,93% 0,44% 0,77% 0,93% 0,07% 290-310 nm 56,4% 53,3% 83,3%* 72%* 89,5%* 93,8%* 58% 290-320 nm 84,1% 85,4% 93,6%* 85,5% 95,8%* 99,3%* 85,3% 290-330 nm 90,2% 91,8% 95,7%* 88,1% 96,9%* 99,8%* 91,9% 290-340 nm 93% 94% 96,6% 89,9%* 97,2%* 99,9%* 95% 290-350 nm 95,1% 95,9% 97,5% 92,3%* 97,8%* 100%* 97,3% Tasa de irradiancia UVA/UVB 17 13 19 46 20 0,8 11

* Espectro de la fuente que no cumple con los requerimientos de la COLIPA.

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j5 0)

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Z«0 300 310 Ma Mfi I M 360 » H 3M

Longitud de onda (nm)

Fig. 1: Irradiancia espectral relativa de la luz UV solar estándar y los simuladores UV de xenón.

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Longitud de onda (nm)

Fig. 2: Irradiancia espectral relativa de la luz UV solar estándar y las lámparas halógenas.

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Longitud de onda (nm)

Fig. 3: Irradiancia espectral relativa de la luz UV solar estándar y los tubos fluorescentes.

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Longitud de onda (nm)

Fig. 4: Comparación entre los espectros UVA filtrados de una fuen­te de xenón de arco corto y un tubo fluorescente UVA y el UV solar estándar a través de un vidrio.

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0,«2

. Luz solar a ttawes de un vidno

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Longitud de onda (nm)

Fig. 5: Comparación entre los espectros UVA filtrados de una fuente de xenón de arco largo y una lámpara de halogenuros metálicos (para bronceado artificial) y el UV solar estándar a través de un vidrio.

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Longitud de onda (nm)

Fig. 6: Fuente de rayos UVA utilizada para determinar los factores de protección anti-UVA, que consiste en una lámpara de xenón de arco corto equipada con filtros WG-335 de 3 mm y UG-11 de 1 mm.

de 48,5 W « m - 2 3.

S e consideró la irradiancia U V solar estándar filtrada a través de un vidrio común. C o m o las dosis bajas de rayos UVA no producen efectos agudos, los estudios a menudo requieren expos ic iones reiteradas.

El 9 8 % de la energía emitida por los tubos fluores­centes "UVA" T L 0 9 corresponde al rango U V A y el 2 % restante, al U V B (Fig. 4). Pa ra eliminar las radiaciones U V B remanentes se usa un filtro de poliéster. Pa ra ca l ­cular la ef icacia de la fuente no filtrada se multiplica la

irradiancia espectral por el espectro de acción pigmenta­ria tardía'^. Los hal lazgos indican que las dos terceras partes de la pigmentación se deben a las radiaciones U V B . Los resultados del espectro de acción eritémico son similares. En consecuenc ia , esta emisión no filtrada no constituye una "fuente de rayos UVA" apropiada para es­tudios dermatológicos. Es ta conclusión se apl ica a la ma­yoría de las fuentes UVA, en especial los tubos fluores­centes. Además, se advierte que para evaluar con exac­titud el espectro U V B reducido, pero muy eficiente desde

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Importancia del conocimiento de las lámparas solares para evaluar los protocolos de fotobiología

el punto de vista biológico, se requiere un espectrorradió­metro equipado con un detector monocromático doble.

Factores de protección anti-UVA de las pantallas so­lares

Los rayos U V A pueden participar en la degradación de la matriz dérmica y quizás en la aparición o promo­ción del me lanoma maligno. Por lo tanto, para lograr una fotoprotección equi l ibrada, es aconsejable filtrar las ra­diaciones U V A ' ^ E s preciso contar entonces con facto­res de protección separados , representativos y específi­cos de la ef icacia de las pantal las solares in vitro, contra los rayos U V A c a p a c e s de inducir les iones cutáneas. Estos factores complementan a los F P S , sensibles al ran­go U V B del espectro solar.

C o m o a lgunos efectos, por ejemplo los carc inomas y el envejecimiento de la piel, no pueden anal izarse en for­ma directa, es necesar io examinar otros indicadores -incluyendo el er i tema tardío y las respuestas pigmenta­rias a los rayos UVA"*-^", la intensificación pigmentaria persistente ( IPP )2 ' -2= , la intensificación pigmentaria inme-^ ¡ g l 3 2 5 - 2 9 y | g respuesta eritémica acentuada - a través de la reacción fototóxica inducida por agentes sensibi l izan­tes^". Cua lqu ie ra que s e a la manifestación cutánea con­s iderada en la determinación de los factores de protec­ción ant i -UVA, la fuente de radiaciones U V A es la misma. En general , se u s a una lámpara de xenón con un filtro que restringe la emisión a 320-400 nm y permite evaluar los efectos de las radiaciones U V A en forma indepen­diente de las U V B (Fig. 6). De hecho, las bandas U V B y visible corta también pueden desencadenar la respuesta cutánea emp leada en el estudio de los factores de pro­tección ant i -UVA y por lo tanto, deben eliminarse por com­pleto del espectro de emisión de la fuente. Para lograrlo se agrega un filtro W G - 3 3 5 de 3 mm o W G - 3 4 5 de 1 mm, que b loquea las emis iones inferiores a 320 nm y otro U G -11 de 1 mm sumado a un reflector dicroico para suprimir las longitudes de onda super iores a 400 nm. Aunque es­tos aditamentos reducen una parte sustancial de las ra­diaciones U V A cortas y largas con respecto a la luz U V solar estándar, la prueba de los F P S tiene en cuenta casi todos los rayos U V A cortos filtrados.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Cuando se diseña un protocolo es esencia l conside­rar el espectro del s imulador UV, porque podría afectar mucho la determinación de los factores de protección de las pantal las solares y llevar a interpretaciones erróneas en la investigación básica de b iomarcadores cutáneos vinculados con las les iones inducidas por las radiacio­nes UV. Pa ra obtener resultados conf iables y conclusio­nes relevantes es indispensable controlar con regulari­dad la irradiancia espectral de la fuente a nivel del área expuesta. Los estudios más importantes incluyen condi­

c iones experimentales bien caracter izadas. Las siguientes recomendaciones enfatizan y suple-

mentan las propuestas por Gasparro y Brown": • Antes de medir la irradiancia a través de un filtro o

pantalla que podría cubrir las áreas anatómicas, mues­tras o células irradiadas, es necesario calentar las lám­paras durante al menos 20 minutos.

• Es preciso describir la fuente empleada, la marca y la irradiancia espectral en el área expuesta, así como también el tipo y espesor de los filtros.

• Las características de la fuente especi f icadas por el fabricante no son demasiado confiables y sólo pue­den emplearse como guía. Además, los filtros de dis­tintas partidas podrían variar. Por lo tanto, para ga­rantizar la confiabil idad es fundamental determinar la emisión espectral de las lámparas mediante un es­pectrorradiómetro. La técnica del método S P F COLI ­PA incluye pautas para analizar la concordancia en­tre la fuente de luz UV y la irradiancia espectral UV solar^. Cuando se explora la respuesta eritémica, es menester definir la ef icacia eritémica de la fuente de rayos U V en términos de E E A R % y comparar los va­lores con los de la luz UV solar estándar de la COL I ­PA.

• Aunque las determinaciones espectrorradiométricas sólo se realizan en forma esporádica (cuando se ins­tala la lámpara y después de 200 horas o 6 meses de uso), las medidas radiométricas de la irradiancia de­ben l levarse a cabo en todas las pruebas. Las varia­ciones diarias del voltaje modifican la emisión ener­gética de las lámparas.

• El radiómetro o espectrorradiómetro debe calibrarse con estándares provistos por instituciones oficiales.

• Es crucial registrar las irradiancias y/o las dosis U V B y UVA (y las eventuales U V C y visibles) en unidades estándar apropiadas, distinguiendo claramente las uni­dades energéticas (W • m ^ J • m'̂ ) de las eritémicas efectivas ( D E S , W.m-2.ery, J .m-2.ery) " .

• Si la intención es establecer comparaciones con con­diciones reales:

• La fuente no debe emitir longitudes de onda inferio­res a 290 nm. S e aconseja confeccionar un gráfico que ilustre las irradiancias espectrales de la fuente y U V solar estándar. Si es factible, se detalla la E E A R % de la fuente artificial. Cualquiera que s e a el efecto estudiado, el simulador UV solar debe contar con una lámpara de xenón y filtros apropiados.

• La dosis de rayos UV debe ser menor de 150 J • cm"2,

que es la solar más elevada que llega a la tierra en un día. La dosis máxima de rayos U V A no debe superar los 145 J • cm-2.

• Las irradiancias y dosis U V se miden con un sensor que posee una superficie horizontal plana capaz de recibir rayos provenientes de todas las direcciones. Cuando una persona toma el so l , algunas regiones del cuerpo permanecen en la misma posición que el

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detector. Es ta situación real es la única en la que es posible comparar la irradiación medida y la recibida.

• En lo posible, las dosis de rayos UV deben ser más bajas o cercanas a las solares estándar (51,4 W • m'^ = 0,31 J • cm"^ • s"'); en caso contrario, cabe aclarar que se presume que la ley de reciprocidad es aplicable.

• En las expos ic iones pro longadas, la dosis espectral total (UV + visible + IR) de la fuente artificial a nivel cutáneo debe limitarse a 1200 W • rr\-^, para evitar el calentamiento exces ivo de la piel.

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