Los LEDs ultravioleta iluminan el paisaje científico

Fuentes de luz no láser: Los LEDs ultravioletas iluminan el panorama científico

Con diferencias en la distribución espectral, el nivel de potencia y las cuestiones normativas, los LED UV desafían a las lámparas de arco de mercurio para aplicaciones de desinfección, cromatografía y obtención de imágenes fluorescentes.

Diodos emisores de luz (LED) ultravioleta (UV) han avanzado en los últimos años más allá de su uso inicial en aplicaciones de curado UV para alcanzar niveles de iluminación que les permiten desafiar a las actuales lámparas de arco UV que contienen mercurio. El mercado de las ciencias de la vida está ahora ávido de Fuentes de luz ultravioleta para desinfección, cromatografía, imágenes de fluorescencia y otras aplicaciones emergentes.

Con las diferencias en la distribución espectral, el nivel de potencia, las cuestiones normativas y otros parámetros, la respuesta a la pregunta de si los LED UV llegarán a sustituir completamente a las lámparas de arco de mercurio UV no es fácil de responder.

LEDs vs. lámparas

Los LED UV son dispositivos de estado sólido que producen luz cuando la corriente eléctrica fluye desde el lado positivo (tipo p o ánodo) de un circuito semiconductor hacia el lado negativo (tipo n o cátodo), creando una unión p-n. Cada LED UV emite un estrecho ancho de banda de luz en la unión donde los agujeros semiconductores dopados positivos se unen con los electrones negativos cuando se aplica la tensión.

Por otro lado, las lámparas tradicionales de arco de mercurio UV utilizan un arco eléctrico dentro de un gas de mercurio ionizado para excitar los átomos que luego decaen, emitiendo fotones. Las lámparas de microondas excitan el gas mediante la emisión de microondas. Y aunque las lámparas de xenón utilizan gas xenón (sin mercurio), sólo pueden funcionar en modo "flash" y no en emisión de onda continua (CW).

Si se diseñan correctamente, las fuentes semiconductoras LED UV duran más de 20.000 horas de funcionamiento, mientras que la vida útil de las lámparas UV tradicionales es de unas 9.000 horas, menos de la mitad que la de las fuentes LED.

El sol es una fuente de todo el espectro de la radiación UV, que suele subdividirse en luz UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) y UV-C (200-280 nm). Normalmente, los LEDs UV tienen una salida espectral estrecha centrada en una longitud de onda específica, ±10 nm.

Aplicaciones tradicionales de UV

Muchas aplicaciones del espectro UV utilizan lámparas tradicionales o fuentes de luz LED UV (véase la Fig. 1). La mayor penetración y uso de los LED UV se da en las aplicaciones de curado de adhesivos; sin embargo, aplicaciones como la desinfección, la cromatografía y la obtención de imágenes por fluorescencia siguen surgiendo a medida que la tecnología evoluciona. Gracias a sus ventajas en cuanto a fiabilidad, vida útil, encendido instantáneo y menor temperatura de funcionamiento, las soluciones LED UV están sustituyendo con éxito a las lámparas de mercurio en numerosas aplicaciones.

Para las aplicaciones industriales de curado UV, por ejemplo, la mayoría de las empresas de materiales han modificado las tintas, los revestimientos y los adhesivos para que admitan las estrechas longitudes de onda de los LED UV. Sin embargo, el curado de superficies ha sido un reto. Afortunadamente, la irradiación y la potencia de los LEDs UV profundos (UV-C) siguen mejorando con el tiempo, lo que aumenta la capacidad de los LEDs UV para sustituir a las lámparas de mercurio tradicionales incluso en los curados superficiales más difíciles.

Descontaminación y desinfección

¿Qué eficacia tienen los LEDs UV para inactivar (hacer inactivas) las biomoléculas y los microorganismos? La respuesta está en la intensidad espectral y la dosis de la fuente UV. Por ejemplo, la luz UV-C se conoce como "UV germicida" por su eficacia en descontaminación y desinfección (véase la Fig. 2). Aunque ciertas longitudes de onda afectan a diferentes enlaces dentro de las moléculas biológicas, tanto los nucleótidos como las proteínas pueden ser modificados por la luz ultravioleta profunda. En resumen, tanto los microorganismos como los materiales biológicos pueden ser inactivados con la dosis adecuada de luz.

La tecnología LED UV de alta intensidad ofrece niveles inigualables de irradiación ultravioleta profunda en comparación con las lámparas, lo que permite mejorar las capacidades de las aplicaciones de descontaminación y desinfección que requieren longitudes de onda cortas.

La tecnología de LEDs de alta irradiación, que permite la inactivación completa de los contaminantes en cuestión de minutos, se utiliza actualmente en laboratorios de investigación e instalaciones de fabricación para inactivar moléculas biológicas como el ADN y el ARN, así como microorganismos.

Los objetivos difíciles, como la RNasa A -perjudicial para el sistema respiratorio superior y las membranas mucosas- pueden inactivarse completamente con la longitud de onda y la intensidad de luz UV adecuadas. Al dirigirse a enlaces moleculares específicos, la tecnología LED UV presenta una mayor eficacia con un menor consumo total de energía que las fuentes de banda ancha, como las lámparas de mercurio. La inactivación completa de los contaminantes de laboratorio puede lograrse con los LED UV en menos de cinco minutos y a una fracción del coste de los métodos tradicionales.

Las investigaciones de Phoseon (Hillsboro, OR) sobre el uso de motores de luz LED UV de alta irradiación para la inactivación de enzimas muestran que tanto la irradiación (intensidad) como la fluencia radiante (dosis) contribuyen a la rápida inactivación de la enzima RNasa A (véase la Fig. 3).

Se cree que la luz ultravioleta de 275 nm actúa sobre la RNasa A a través de un efecto sobre los aminoácidos aromáticos próximos a los enlaces disulfuro. La longitud de onda de 365 nm se dirige a la cadena lateral de la lisina con la intención de desestabilizar el bolsillo de reacción de la RNasa A. Estas dos longitudes de onda interactúan sinérgicamente para inactivar la RNasa A más rápida y completamente que cualquiera de ellas por separado. La investigación apoya el uso de la irradiación LED UV de alta intensidad como un método novedoso, rápido y conveniente de inactivación irreversible de las RNasas en las superficies.

Cromatografía y espectroscopia

Tanto las lámparas de deuterio como las fuentes de luz LED UV pueden utilizarse como sistemas de detección para la cromatografía y los instrumentos analíticos. Los detectores UV basados en LED de estado sólido ofrecen mayor sensibilidad y/o rango dinámico, menor ruido y un funcionamiento más frío y controlable que las lámparas de deuterio, y son mucho más estables. Se encienden en milisegundos hasta alcanzar la máxima luminosidad, mientras que los sistemas de detección óptica convencionales son voluminosos y tardan en encenderse, debido a las lámparas de arco utilizadas como fuentes de luz. Como ventaja para los usuarios, las fuentes de luz de estado sólido duran 10.000 horas o más, frente a las 2.000 horas de las lámparas de deuterio.

Imágenes de autofluorescencia

El esófago de Barrett es una afección precancerosa en la que las células epiteliales de la parte inferior del esófago cambian de morfología para parecerse a las células epiteliales del intestino delgado. La neoplasia precoz puede ser difícil de detectar mediante la endoscopia convencional con luz blanca; en efecto, el cribado del esófago de Barrett requiere actualmente una biopsia y una anatomía patológica que requieren mucho tiempo.

En un avance hacia un sistema de imágenes en tiempo real para la morfología de Barrett, Phoseon utilizó LEDs UV de 275 y 365 nm para excitar la autofluorescencia del tejido. Se utilizó el revestimiento de tejidos esofágicos y duodenales porcinos como modelo de primer paso para los cambios aparentes con la transición característica de Barrett a un fenotipo de revestimiento más intestinal. Las imágenes que mostraban diferencias fácilmente visibles en la longitud de onda y la intensidad de la autofluorescencia se capturaron con una cámara CMOS de Apple iPhone y se analizaron.

Un simple análisis de imagen RGB del tejido del lumen iluminado con LED UV puede proporcionar una línea de base para la discriminación del tejido entre el esófago y el duodeno. Aunque la discriminación del tejido autofluorescente es posible solo con la excitación de 365 nm, los resultados mejoran drásticamente cuando se añade la iluminación de 275 nm.

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