자외선 LED가 과학의 풍경을 밝히다

비레이저 광원: 과학 환경을 밝히는 자외선 LED

스펙트럼 분포, 전력 수준 및 규제 문제에서 차이가 있는 UV LED는 소독, 크로마토그래피 및 형광 이미징 애플리케이션에서 수은 아크 램프에 도전합니다.

자외선(UV) 발광 다이오드(LED) 은 최근 몇 년 동안 UV 경화 응용 분야에서 초기 사용을 넘어 기존의 수은 함유 UV 아크 램프에 도전할 수 있는 조도 수준에 도달할 정도로 발전했습니다. 생명 과학 시장은 이제 다음을 갈망하고 있습니다. 소독, 크로마토그래피, 형광 이미징 및 기타 새로운 애플리케이션을 위한 자외선 광원.

스펙트럼 분포, 전력 수준, 규제 문제 및 기타 매개 변수의 차이로 인해 UV LED가 UV 수은 아크 램프를 완전히 대체할 수 있을지에 대한 질문에 대한 답은 쉽지 않습니다.

LED와 램프 비교

UV LED는 반도체 회로의 양극(p형 또는 양극)에서 음극(n형 또는 음극)으로 전류가 흐르면 p-n 접합을 만들어 빛을 내는 고체 상태 장치입니다. 각 UV LED는 전압이 가해지면 양극으로 도핑된 반도체 정공이 음극 전자와 결합하는 접합부에서 좁은 대역폭의 빛을 방출합니다.

또는 기존의 UV 수은 아크 램프는 이온화된 수은 가스 내부의 전기 아크를 사용하여 원자를 여기시킨 다음 붕괴하여 광자를 방출합니다. 마이크로파 램프는 마이크로파 방출을 통해 가스를 여기시킵니다. 그리고 크세논 램프는 수은이 아닌 크세논 가스를 사용하지만, 연속파(CW) 방출이 아닌 "플래시" 모드에서만 작동할 수 있습니다.

제대로 설계된 UV LED 반도체 광원은 작동 시간이 20,000시간 이상 지속되는 반면, 기존 UV 램프의 수명은 약 9,000시간으로 LED 광원 수명의 절반에도 미치지 못합니다.

태양은 일반적으로 UV-A(315-400nm), UV-B(280-315nm), UV-C(200-280nm) 광선으로 세분화되는 전체 스펙트럼의 자외선을 방출하는 원천입니다. 일반적으로 UV LED는 특정 파장(±10nm)을 중심으로 좁은 스펙트럼 출력을 제공합니다.

기존 UV 애플리케이션

UV 스펙트럼의 많은 애플리케이션에서 기존 램프 또는 UV LED 광원을 사용합니다(그림 1 참조). UV LED의 침투율과 사용률이 가장 높은 분야는 접착제 경화 분야이지만, 기술이 발전함에 따라 소독, 크로마토그래피, 형광 이미징과 같은 분야도 계속 등장하고 있습니다. 신뢰성, 수명, 즉각적인 온오프, 낮은 작동 온도 등의 장점을 갖춘 UV LED 솔루션은 다양한 분야에서 수은 램프를 성공적으로 대체하고 있습니다.

예를 들어 산업용 UV 경화 애플리케이션의 경우, 대부분의 재료 회사들은 UV LED의 좁은 파장을 지원하기 위해 잉크, 코팅 및 접착제를 수정했습니다. 하지만 표면 경화는 어려운 과제였습니다. 다행히도 심자외선(UV-C) LED 조도와 출력은 시간이 지남에 따라 지속적으로 개선되어 가장 까다로운 표면 경화에서도 기존 수은 램프를 대체할 수 있는 UV LED의 능력이 향상되고 있습니다.

오염 제거 및 소독

UV LED는 생체 분자와 미생물을 비활성화(비활성으로 만드는 것)하는 데 얼마나 효과적일까요? 답은 자외선 광원의 스펙트럼 강도와 선량에 있습니다. 예를 들어, UV-C 광선은 다음과 같은 효과로 인해 "살균 UV"로 알려져 있습니다. 오염 제거 그리고 소독 (그림 2 참조). 특정 파장은 생물학적 분자 내의 서로 다른 결합에 영향을 미치지만, 뉴클레오티드와 단백질은 모두 심부 자외선에 의해 변형될 수 있습니다. 요컨대, 미생물과 생물학적 물질 모두 적절한 양의 빛으로 비활성화할 수 있습니다.

고강도 UV LED 기술은 램프와 비교할 수 없는 수준의 딥 UV 조도를 제공하여 단파장을 필요로 하는 오염 제거 및 소독 애플리케이션에 향상된 기능을 제공합니다.

몇 분 안에 오염 물질을 완전히 비활성화할 수 있는 고조도 UV LED 기술은 현재 연구실과 제조 시설에서 미생물뿐만 아니라 DNA, RNA와 같은 생물학적 분자를 비활성화하는 데 사용되고 있습니다.

상부 호흡기 및 점막에 유해한 RNase A와 같은 단단한 표적은 적절한 파장과 강도의 자외선을 사용하면 완전히 비활성화할 수 있습니다. 특정 분자 결합을 표적으로 삼는 UV LED 기술은 수은 램프와 같은 광대역 광원보다 낮은 총 전력 소비량으로 더 큰 효과를 발휘합니다. UV LED를 사용하면 기존 방법보다 훨씬 적은 비용으로 5분 이내에 실험실 오염 물질을 완전히 비활성화할 수 있습니다.

효소 비활성화를위한 고조도 UV LED 광 엔진 사용에 대한 Phoseon (오리건 주 힐스 버러)의 연구에 따르면 조도 (강도)와 복사 플루언스 (선량)가 모두 RNase A 효소의 빠른 비활성화에 기여하는 것으로 나타났습니다 (그림 3 참조).

275nm의 자외선은 이황화 결합에 가까운 방향족 아미노산에 영향을 미쳐 RNase A에 작용하는 것으로 생각됩니다. 365nm 파장은 라이신 측쇄를 표적으로 하여 RNase A 반응 포켓을 불안정하게 만들려고 합니다. 이 두 파장은 상승적으로 상호 작용하여 단독으로 사용할 때보다 더 빠르고 완벽하게 RNase A를 비활성화합니다. 이 연구는 표면의 RNase를 새롭고 빠르고 편리하게 비가역적으로 비활성화할 수 있는 방법으로 고강도 UV LED 조사를 사용하는 것을 뒷받침합니다.

크로마토그래피 및 분광학

중수소 램프와 UV LED 광원 모두 크로마토그래피 및 분석 기기의 검출 시스템으로 사용할 수 있습니다. 고체 LED 기반 UV 검출기는 중수소 램프보다 감도 및/또는 동적 범위가 높고, 노이즈가 적으며, 더 시원하고 제어 가능한 작동을 제공하며, 훨씬 더 안정적입니다. 기존 광학 감지 시스템은 광원으로 사용되는 아크 램프로 인해 부피가 크고 시작 속도가 느린 반면, 솔리드스테이트 LED는 몇 밀리초 만에 최대 밝기까지 켜집니다. 중수소 램프의 수명이 2000시간에 불과한 데 비해 고체 광원은 10,000시간 이상 지속된다는 점도 사용자에게 큰 장점입니다.

자가형광 이미징

바렛 식도는 하부 식도의 상피 세포가 소장의 상피 세포와 유사하게 형태가 변하는 전암성 질환입니다. 초기 신 생물은 기존의 백색광 내시경 검사로는 발견하기 어려울 수 있으며, 현재 바렛 식도 검사는 시간이 많이 소요되는 생검과 병리 검사를 필요로 합니다.

Barrett의 형태에 대한 실시간 이미징 시스템으로 이동하기 위해 Phoseon은 275 및 365nm UV LED를 사용하여 조직자가 형광을 여기 시켰습니다. 돼지 식도 및 십이지장 조직의 내막은 더 많은 장 내막 표현형으로의 특징적인 Barrett의 전환으로 명백한 변화에 대한 첫 번째 단계 모델로 사용되었습니다. 자가 형광 파장과 강도에서 쉽게 눈에 띄는 차이를 보여주는 이미지를 Apple iPhone CMOS 카메라로 캡처하여 분석했습니다.

UV LED 조명을 받은 내강 조직의 간단한 RGB 이미지 분석은 식도 조직과 십이지장 조직을 구별하기 위한 기준선을 제공할 수 있습니다. 365nm 여기만으로도 자가 형광 조직 감별이 가능하지만, 275nm 조명을 추가하면 결과가 크게 향상됩니다.

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