Ultraviolette LEDs erhellen die Wissenschaftslandschaft

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Nicht-Laser-Lichtquellen: Ultraviolette LEDs erhellen die wissenschaftliche Landschaft

Mit Unterschieden in der spektralen Verteilung, dem Leistungsniveau und regulatorischen Aspekten stellen UV-LEDs eine Herausforderung für Quecksilberbogenlampen bei Anwendungen in der Desinfektion, Chromatographie und Fluoreszenzbildgebung dar.

Ultraviolette (UV) lichtemittierende Dioden (LEDs) haben sich in den letzten Jahren über ihre ursprüngliche Verwendung in UV-Härtungsanwendungen hinaus weiterentwickelt und erreichen Beleuchtungsstärken, die es ihnen erlauben, die etablierten quecksilberhaltigen UV-Bogenlampen herauszufordern. Der Life-Science-Markt ist jetzt hungrig nach UV-Lichtquellen für Desinfektion, Chromatographie, Fluoreszenzbildgebung und andere neue Anwendungen.

Mit Unterschieden in der spektralen Verteilung, dem Leistungsniveau, regulatorischen Fragen und anderen Parametern ist die Antwort auf die Frage, ob UV-LEDs jemals UV-Quecksilberbogenlampen vollständig ersetzen werden, nicht einfach zu beantworten.

LEDs vs. Lampen

UV-LEDs sind Festkörperbauelemente, die Licht erzeugen, wenn elektrischer Strom von der positiven (p-Typ oder Anode) Seite eines Halbleiterschaltkreises zur negativen (n-Typ oder Kathode) Seite fließt, wodurch ein p-n-Übergang entsteht. Jede UV-LED emittiert eine schmale Bandbreite von Licht an dem Übergang, an dem sich positiv dotierte Halbleiterlöcher mit negativen Elektronen verbinden, wenn eine Spannung angelegt wird.

Alternativ verwenden herkömmliche UV-Quecksilberbogenlampen einen Lichtbogen innerhalb eines ionisierten Quecksilbergases, um Atome anzuregen, die dann zerfallen und dabei Photonen emittieren. Mikrowellenlampen regen das Gas über Mikrowellenemission an. Und während Xenon-Lampen Xenon-Gas (kein Quecksilber) verwenden, können sie nur im "Blitz"-Modus und nicht mit kontinuierlicher Emission (CW) arbeiten.

Bei richtiger Auslegung halten UV-LED-Halbleiterquellen über 20.000 Betriebsstunden, während die Lebensdauer herkömmlicher UV-Lampen bei etwa 9000 Stunden liegt - weniger als die Hälfte der Lebensdauer von LED-Quellen.

Die Sonne ist eine Quelle des gesamten Spektrums der UV-Strahlung, die üblicherweise in UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) und UV-C (200-280 nm) Licht unterteilt wird. Typischerweise haben UV-LEDs einen schmalen Spektralbereich, der um eine bestimmte Wellenlänge, ±10 nm, zentriert ist.

Traditionelle UV-Anwendungen

Viele Anwendungen im gesamten UV-Spektrum verwenden entweder herkömmliche Lampen oder UV-LED-Lichtquellen (siehe Abb. 1). Die größte Verbreitung und Nutzung von UV-LEDs findet sich in Anwendungen zur Klebstoffhärtung - aber auch Anwendungen wie Desinfektion, Chromatografie und Fluoreszenzbildgebung werden mit der Weiterentwicklung der Technologie immer wichtiger. Mit Vorteilen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Lebensdauer, sofortiges Einschalten und niedrigere Betriebstemperaturen ersetzen UV-LED-Lösungen erfolgreich Quecksilberlampen in zahlreichen Anwendungen.

UV-LED-Wellenlängen
ABBILDUNG 1. Ultraviolette Lichtquellen umfassen eine Reihe von Wellenlängen von 200 bis 400 nm.

Für industrielle UV-Härtungsanwendungen beispielsweise haben die meisten Materialhersteller Farben, Beschichtungen und Klebstoffe modifiziert, um die schmalen Wellenlängen für UV-LEDs zu unterstützen. Die Oberflächenhärtung stellt jedoch eine Herausforderung dar. Glücklicherweise werden die Bestrahlungsstärke und die Leistung von Tief-UV-LEDs (UV-C) im Laufe der Zeit immer weiter verbessert, sodass UV-LEDs die traditionellen Quecksilberlampen selbst bei den schwierigsten Oberflächenhärtungen ersetzen können.

Dekontamination und Desinfektion

Wie effektiv sind UV-LEDs bei der Inaktivierung (Inaktivierung) von Biomolekülen und Mikroorganismen? Die Antwort liegt in der spektralen Intensität und Dosierung der UV-Quelle. Zum Beispiel ist UV-C-Licht als "keimtötendes UV" bekannt für seine Wirksamkeit bei Dekontamination und Desinfektion (siehe Abb. 2). Während bestimmte Wellenlängen unterschiedliche Bindungen innerhalb biologischer Moleküle beeinflussen, können sowohl Nukleotide als auch Proteine durch tiefes UV-Licht modifiziert werden. Kurz gesagt, sowohl Mikroorganismen als auch biologische Materialien können mit der richtigen Lichtdosis inaktiviert werden.

UV-LEDs zur Dekontamination und Desinfektion
ABBILDUNG 2. UV-LEDs können sowohl Dekontamination als auch Desinfektion bieten, insbesondere bei den tiefen UV-Wellenlängen.

Die hochintensive UV-LED-Technologie bietet im Vergleich zu Lampen unübertroffene Tiefen-UV-Bestrahlungsstärken und damit verbesserte Möglichkeiten für Dekontaminations- und Desinfektionsanwendungen, die kurze Wellenlängen erfordern.

Die UV-LED-Technologie ermöglicht die vollständige Inaktivierung von Verunreinigungen innerhalb von Minuten und wird derzeit in Forschungslabors und Produktionsstätten zur Inaktivierung von biologischen Molekülen wie DNA und RNA sowie von Mikroorganismen eingesetzt.

Harte Ziele wie RNase A - schädlich für die oberen Atemwege und Schleimhäute - können mit der richtigen Wellenlänge und Intensität des UV-Lichts vollständig inaktiviert werden. Durch die Ausrichtung auf spezifische molekulare Bindungen weist die UV-LED-Technologie eine höhere Wirksamkeit bei geringerem Gesamtstromverbrauch auf als breitbandige Quellen wie Quecksilberlampen. Die vollständige Inaktivierung von Laborverunreinigungen kann mit UV-LEDs in weniger als fünf Minuten und zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden erreicht werden.

Untersuchungen von Phoseon (Hillsboro, OR) zur Verwendung von UV-LED-Lichtmotoren mit hoher Bestrahlungsstärke zur Enzyminaktivierung zeigen, dass sowohl die Bestrahlungsstärke (Intensität) als auch die Strahlungsfluenz (Dosis) zur schnellen Inaktivierung des Enzyms RNase A beitragen (siehe Abb. 3).

Inaktivierung von RNase A
ABBILDUNG 3: Zwei verschiedene UV-Wellenlängen wirken synergetisch, um die Inaktivierung von RNase A durchzuführen.

Es wird angenommen, dass ultraviolettes Licht bei 275 nm auf RNase A über eine Wirkung auf die aromatischen Aminosäuren proximal der Disulfidbindungen wirkt. Die Wellenlänge von 365 nm zielt auf die Lysin-Seitenkette mit der Absicht, die Reaktionstasche der RNase A zu destabilisieren. Diese beiden Wellenlängen interagieren synergetisch, um RNase A schneller und vollständiger zu inaktivieren, als es eine der beiden Wellenlängen alleine kann. Die Forschung unterstützt die Verwendung von hochintensiver UV-LED-Bestrahlung als eine neuartige, schnelle und bequeme irreversible Inaktivierungsmethode für RNasen auf Oberflächen.

Chromatographie und Spektroskopie

Sowohl Deuteriumlampen als auch UV-LED-Lichtquellen können als Detektionssysteme für Chromatographie- und Analysegeräte eingesetzt werden. Festkörper-UV-Detektoren auf LED-Basis bieten eine höhere Empfindlichkeit und/oder einen größeren Dynamikbereich, ein geringeres Rauschen und einen kühleren, besser kontrollierbaren Betrieb als Deuteriumlampen und sind deutlich stabiler. Sie schalten sich innerhalb von Millisekunden auf volle Helligkeit ein, während herkömmliche optische Detektionssysteme aufgrund der als Lichtquelle verwendeten Bogenlampen sperrig sind und nur langsam anlaufen. Als Segen für die Anwender halten die Solid-State-Lichtquellen 10.000 oder mehr Stunden, im Vergleich zu nur 2000 Stunden bei Deuteriumlampen.

Autofluoreszenz-Bildgebung

Der Barrett-Ösophagus ist eine Präkanzerose, bei der sich Epithelzellen der unteren Speiseröhre morphologisch verändern und den Epithelzellen des Dünndarms ähneln. Eine frühe Neoplasie kann mit der konventionellen Weißlicht-Endoskopie schwer zu erkennen sein - tatsächlich erfordert das Screening des Barrett-Ösophagus derzeit eine zeitaufwändige Biopsie und Pathologie.

Auf dem Weg zu einem Echtzeit-Bildgebungssystem für die Barrett-Morphologie verwendete Phoseon 275 und 365 nm UV-LEDs zur Anregung der Gewebeautofluoreszenz. Die Auskleidung von Speiseröhren- und Zwölffingerdarmgewebe von Schweinen wurde als erstes Modell für die Veränderungen verwendet, die mit dem charakteristischen Barrett-Übergang zu einem mehr intestinalen Auskleidungsphänotyp sichtbar werden. Bilder, die leicht sichtbare Unterschiede in Wellenlänge und Intensität der Autofluoreszenz zeigen, wurden mit einer Apple iPhone CMOS-Kamera aufgenommen und analysiert.

Eine einfache RGB-Bildanalyse von UV-LED-beleuchtetem Lumengewebe kann eine Grundlage für die Gewebeunterscheidung zwischen Ösophagus- und Duodenalgewebe liefern. Während die Unterscheidung von autofluoreszierendem Gewebe mit 365 nm-Anregung allein möglich ist, verbessern sich die Ergebnisse dramatisch, wenn 275 nm-Beleuchtung hinzugefügt wird.

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