Les LED ultraviolettes illuminent le paysage scientifique

Sources lumineuses non-laser : Des LED ultraviolettes éclairent le paysage scientifique

Avec des différences dans la distribution spectrale, le niveau de puissance et les questions réglementaires, les LED UV défient les lampes à arc au mercure pour les applications de désinfection, de chromatographie et d'imagerie par fluorescence.

Diodes électroluminescentes (DEL) ultraviolettes (UV) ont progressé ces dernières années au-delà de leur utilisation initiale dans les applications de séchage UV pour atteindre des niveaux d'illumination qui leur permettent de défier les lampes à arc UV contenant du mercure. Le marché des sciences de la vie est maintenant avide de Sources de lumière UV pour la désinfection, la chromatographie, l'imagerie par fluorescence et d'autres applications émergentes..

Avec des différences dans la distribution spectrale, le niveau de puissance, les questions réglementaires et d'autres paramètres, il n'est pas facile de répondre à la question de savoir si les LED UV remplaceront un jour complètement les lampes à arc à mercure UV.

LEDs et lampes

Les LED UV sont des dispositifs à semi-conducteurs qui produisent de la lumière lorsqu'un courant électrique circule du côté positif (de type p ou anode) d'un circuit semi-conducteur vers le côté négatif (de type n ou cathode), créant ainsi une jonction p-n. Chaque LED UV émet une bande passante étroite de lumière à la jonction où les trous positifs dopés du semi-conducteur se joignent aux électrons négatifs lorsqu'une tension est appliquée.

Par ailleurs, les lampes UV traditionnelles à arc au mercure utilisent un arc électrique à l'intérieur d'un gaz de mercure ionisé pour exciter les atomes qui se désintègrent ensuite en émettant des photons. Les lampes à micro-ondes excitent le gaz par émission de micro-ondes. Et bien que les lampes au xénon utilisent du gaz xénon (sans mercure), elles ne peuvent fonctionner qu'en mode "flash" plutôt qu'en émission continue (CW).

Si elles sont conçues correctement, les sources semi-conductrices LED UV durent plus de 20 000 heures de fonctionnement, alors que la durée de vie des lampes UV traditionnelles est d'environ 9 000 heures, soit moins de la moitié de la durée de vie des sources LED.

Le soleil est une source de tout le spectre du rayonnement UV, qui est généralement subdivisé en UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) et UV-C (200-280 nm). En général, les LED UV ont une sortie spectrale étroite centrée sur une longueur d'onde spécifique, ±10 nm.

Applications UV traditionnelles

De nombreuses applications dans le spectre UV utilisent soit des lampes traditionnelles, soit des sources de lumière LED UV (voir Fig. 1). La pénétration et l'utilisation les plus importantes des LED UV se situent dans les applications de séchage des adhésifs. Cependant, des applications telles que la désinfection, la chromatographie et l'imagerie par fluorescence continuent d'émerger à mesure que la technologie évolue. Grâce à leurs avantages en termes de fiabilité, de durée de vie, d'allumage et d'extinction instantanés et de température de fonctionnement plus basse, les solutions LED UV remplacent avec succès les lampes à mercure dans de nombreuses applications.

Pour les applications industrielles de séchage UV, par exemple, la plupart des fabricants de matériaux ont modifié les encres, les revêtements et les adhésifs pour qu'ils supportent les longueurs d'onde étroites des LED UV. Cependant, le durcissement des surfaces a été un défi. Heureusement, l'irradiation et la puissance des LED UV profondes (UV-C) continuent de s'améliorer au fil du temps, ce qui permet aux LED UV de remplacer les lampes à mercure traditionnelles, même pour les durcissements de surface les plus difficiles.

Décontamination et désinfection

Quelle est l'efficacité des LED UV pour inactiver (rendre inactifs) les biomolécules et les micro-organismes ? La réponse réside dans l'intensité spectrale et le dosage de la source UV. Par exemple, la lumière UV-C est connue sous le nom de "UV germicide" pour son efficacité à décontamination et désinfection (voir figure 2). Alors que certaines longueurs d'onde affectent différentes liaisons au sein des molécules biologiques, les nucléotides et les protéines peuvent être modifiés par la lumière UV profonde. En bref, les micro-organismes et les matériaux biologiques peuvent être inactivés avec la bonne dose de lumière.

La technologie LED UV haute intensité offre des niveaux inégalés d'irradiance UV profonde par rapport aux lampes, offrant ainsi des capacités améliorées pour les applications de décontamination et de désinfection qui nécessitent des longueurs d'onde courtes.

Permettant l'inactivation complète des contaminants en quelques minutes, la technologie LED UV à haute irradiation est actuellement utilisée par les laboratoires de recherche et les installations de fabrication pour inactiver les molécules biologiques comme l'ADN et l'ARN, ainsi que les micro-organismes.

Des cibles difficiles comme la RNase A, nocive pour le système respiratoire supérieur et les membranes muqueuses, peuvent être complètement inactivées avec la bonne longueur d'onde et l'intensité de la lumière UV. En ciblant des liaisons moléculaires spécifiques, la technologie LED UV présente une plus grande efficacité avec une consommation d'énergie totale plus faible que les sources à large bande telles que les lampes à mercure. L'inactivation complète des contaminants de laboratoire peut être réalisée par les LED UV en moins de cinq minutes et à une fraction du coût des méthodes traditionnelles.

Les recherches de Phoseon (Hillsboro, OR) sur l'utilisation de moteurs de lumière LED UV à haute irradiance pour l'inactivation des enzymes montrent que l'irradiance (intensité) et la fluence radiante (dose) contribuent toutes deux à l'inactivation rapide de l'enzyme RNase A (voir Fig. 3).

On pense que la lumière ultraviolette à 275 nm agit sur la RNase A par un effet sur les acides aminés aromatiques proches des liaisons disulfure. La longueur d'onde de 365 nm est ciblée sur la chaîne latérale de la lysine dans le but de déstabiliser la poche réactionnelle de la RNase A. Ces deux longueurs d'onde interagissent de manière synergique pour inactiver la RNase A plus rapidement et plus complètement que l'une ou l'autre seule. La recherche soutient l'utilisation de l'irradiation par LED UV à haute intensité comme une méthode d'inactivation irréversible nouvelle, rapide et pratique pour les RNases sur les surfaces.

Chromatographie et spectroscopie

Les lampes au deutérium et les sources de lumière LED UV peuvent toutes deux être utilisées comme systèmes de détection pour les instruments de chromatographie et d'analyse. Les détecteurs UV à LED à l'état solide offrent une sensibilité et/ou une gamme dynamique plus élevées, un bruit plus faible et un fonctionnement plus froid et plus contrôlable que les lampes au deutérium, et sont nettement plus stables. Ils s'allument en quelques millisecondes pour atteindre la pleine luminosité, alors que les systèmes de détection optiques classiques sont encombrants et lents à démarrer, en raison des lampes à arc utilisées comme sources lumineuses. Autre avantage pour les utilisateurs, les sources lumineuses à semi-conducteurs durent 10 000 heures ou plus, contre seulement 2 000 heures pour les lampes au deutérium.

Imagerie par autofluorescence

L'œsophage de Barrett est un état précancéreux où les cellules épithéliales de la partie inférieure de l'œsophage changent de morphologie pour ressembler aux cellules épithéliales de l'intestin grêle. La néoplasie précoce peut être difficile à détecter à l'aide de l'endoscopie conventionnelle à lumière blanche. En effet, le dépistage de l'œsophage de Barrett nécessite actuellement une biopsie et une pathologie qui prennent beaucoup de temps.

Dans le but d'obtenir un système d'imagerie en temps réel de la morphologie de Barrett, Phoseon a utilisé des LED UV de 275 et 365 nm pour exciter l'autofluorescence des tissus. Le revêtement des tissus de l'œsophage et du duodénum de porc a été utilisé comme modèle de première étape pour les changements apparents avec la transition caractéristique de Barrett vers un phénotype de revêtement plus intestinal. Des images montrant des différences facilement visibles dans la longueur d'onde et l'intensité de l'autofluorescence ont été capturées à l'aide d'un appareil photo CMOS Apple iPhone et analysées.

Une simple analyse d'image RVB du tissu de la lumière éclairée par une LED UV peut fournir une base de référence pour la discrimination des tissus entre l'œsophage et le duodénum. Si la discrimination des tissus autofluorescents est possible avec une excitation de 365 nm uniquement, les résultats s'améliorent considérablement lorsqu'un éclairage de 275 nm est ajouté.

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