Los LED ultravioleta iluminan el panorama científico

Tecnología LED para ciencias de la vida

Fuentes de luz no láser: los LED ultravioleta iluminan el panorama científico

Con diferencias en la distribución espectral, el nivel de potencia y los problemas regulatorios, los LED UV desafían a las lámparas de arco de mercurio para aplicaciones de desinfección, cromatografía e imágenes de fluorescencia.

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 las lámparas de arco UV que contienen mercurio. El mercado de las ciencias de la vida ahora está hambriento de Fuentes de luz ultravioleta para desinfección, cromatografía, imágenes de fluorescencia y otras aplicaciones emergentes.

Con diferencias en la distribución espectral, el nivel de potencia, los problemas regulatorios y otros parámetros, la respuesta a la pregunta de si los LED UV alguna vez reemplazarán completamente las lámparas de arco de mercurio UV no es fácil de responder.

LED 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 pn. Cada LED UV emite un ancho de banda estrecho de luz en la unión donde los orificios de semiconductores dopados positivos se unen con electrones negativos cuando se aplica voltaje.

Alternativamente, las lámparas de arco de mercurio UV tradicionales utilizan un arco eléctrico dentro de un gas de mercurio ionizado para excitar los átomos que luego se desintegran, emitiendo fotones. Las lámparas de microondas excitan el gas a través de la emisión de microondas. Y aunque las lámparas de xenón utilizan gas xenón (sin mercurio), solo pueden funcionar en modo "flash" en lugar de emisión de onda continua (CW).

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

El sol es una fuente de todo el espectro de radiación ultravioleta, que comúnmente se subdivide en luz UV-A (315–400 nm), UV-B (280–315 nm) y UV-C (200–280 nm). Normalmente, los LED UV tienen una salida espectral estrecha centrada alrededor de una longitud de onda específica, ± 10 nm.

Aplicaciones UV tradicionales

Muchas aplicaciones en todo el espectro UV utilizan lámparas tradicionales o fuentes de luz LED UV (ver Fig. 1). La mayor penetración y uso de los LED UV se encuentra en las aplicaciones de curado de adhesivos; sin embargo, las aplicaciones como la desinfección, la cromatografía y las imágenes de fluorescencia continúan surgiendo a medida que la tecnología evoluciona. Con ventajas en confiabilidad, vida útil, encendido-apagado instantáneo y temperatura de funcionamiento más baja, las soluciones LED UV están reemplazando con éxito las lámparas de mercurio en numerosas aplicaciones.

Longitudes de onda LED UV
FIGURA 1. Las fuentes de luz ultravioleta abarcan una serie de longitudes de onda de 200 a 400 nm.

Para aplicaciones industriales de curado UV, por ejemplo, la mayoría de las empresas de materiales han modificado tintas, recubrimientos y adhesivos para soportar las estrechas longitudes de onda de los LED UV. Sin embargo, el curado de superficies ha sido un desafío. Afortunadamente, la potencia y la irradiancia de los LED de UV profundo (UV-C) continúan mejorando con el tiempo, lo que aumenta la capacidad de los LED UV para reemplazar las lámparas de mercurio tradicionales incluso en los curados superficiales más desafiantes.

Descontaminación y desinfección.

¿Qué tan efectivos son los LED UV para inactivar (hacer inactivos) biomoléculas y 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 (ver figura 2). Si bien ciertas longitudes de onda afectan a diferentes enlaces dentro de las moléculas biológicas, tanto los nucleótidos como las proteínas pueden modificarse mediante la luz ultravioleta profunda. En resumen, tanto los microorganismos como los materiales biológicos se pueden inactivar con la dosis adecuada de luz.

LED UV para descontaminación y desinfección
FIGURA 2. Los LED UV pueden proporcionar tanto descontaminación como desinfección, especialmente para las longitudes de onda de UV profundo.

La tecnología LED UV de alta intensidad ofrece niveles incomparables de irradiancia ultravioleta profunda en comparación con las lámparas, ofreciendo capacidades mejoradas para aplicaciones de descontaminación y desinfección que requieren longitudes de onda cortas.

Al permitir la inactivación completa de contaminantes en minutos, la tecnología LED UV de alta irradiancia está siendo utilizada actualmente por laboratorios de investigación e instalaciones de fabricación para inactivar moléculas biológicas como ADN y ARN, así como microorganismos.

Los objetivos duros como la ARNasa A, dañina para el sistema respiratorio superior y las membranas mucosas, pueden inactivarse por completo con la longitud de onda y la intensidad adecuadas de la luz ultravioleta. Al apuntar a enlaces moleculares específicos, la tecnología LED UV muestra 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 se puede lograr mediante LED UV en menos de cinco minutos y a una fracción del costo de los métodos tradicionales.

La investigación de Phoseon (Hillsboro, OR) sobre el uso de motores de luz LED UV de alta irradiancia para la inactivación de enzimas muestra que tanto la irradiancia (intensidad) como la fluencia radiante (dosis) contribuyen a la inactivación rápida de la enzima RNasa A (ver Fig.3) .

inactivación de RNasa A
FIGURA 3. Dos longitudes de onda UV diferentes actúan sinérgicamente para realizar la inactivación de la RNasa A.

Se cree que la luz ultravioleta a 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 lisina con la intención de desestabilizar el bolsillo de reacción de la ARNasa A. Estas dos longitudes de onda interactúan sinérgicamente para inactivar la RNasa A más rápido y más completamente de lo que cualquiera puede hacerlo por sí solo. La investigación respalda el uso de irradiación LED UV de alta intensidad como un método de inactivación irreversible novedoso, rápido y conveniente para RNasas en superficies.

Cromatografía y espectroscopia

Tanto las lámparas de deuterio como las fuentes de luz LED UV se pueden utilizar como sistemas de detección para cromatografía e instrumentos analíticos. Los detectores UV basados en LED de estado sólido ofrecen mayor sensibilidad y / o rango dinámico, menos ruido y un funcionamiento más frío y controlable que las lámparas de deuterio y son significativamente más estables. Se encienden en milisegundos hasta alcanzar el brillo máximo, mientras que los sistemas de detección óptica convencionales son voluminosos y lentos para arrancar, debido a las lámparas de arco que se utilizan como fuentes de luz. Como una ventaja para los usuarios, las fuentes de luz de estado sólido duran 10,000 o más horas, en comparación con solo 2000 horas para las lámparas de deuterio.

Imágenes de autofluorescencia

El esófago de Barrett es una afección precancerosa en la que las células epiteliales del esófago inferior cambian de morfología para parecerse a las células epiteliales del intestino delgado. La neoplasia temprana puede ser difícil de detectar mediante la endoscopia de luz blanca convencional; de hecho, la detección del esófago de Barrett actualmente requiere una biopsia y una patología que requieren mucho tiempo.

En un movimiento hacia un sistema de imágenes en tiempo real para la morfología de Barrett, Phoseon utilizó LED UV de 275 y 365 nm para excitar la autofluorescencia del tejido. El revestimiento de los tejidos del esófago y duodenal porcino se utilizó como modelo de primer paso para los cambios aparentes con la transición característica de Barrett a un fenotipo de revestimiento más intestinal. Se capturaron y analizaron imágenes que mostraban diferencias fácilmente visibles en la longitud de onda e intensidad autofluorescentes utilizando una cámara CMOS de Apple iPhone.

Un simple análisis de imagen RGB de tejido con luz ultravioleta iluminada con LED puede proporcionar una línea de base para la discriminación de tejido entre tejido esofágico y duodenal. Si bien la discriminación de tejido autofluorescente es posible solo con excitación de 365 nm, los resultados mejoran drásticamente cuando se agrega iluminación de 275 nm.

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