I LED ultravioletti illuminano il paesaggio scientifico

Fonti di luce non laser: I LED ultravioletti illuminano il paesaggio scientifico

Con differenze nella distribuzione spettrale, nel livello di potenza e nelle questioni normative, i LED UV sfidano le lampade ad arco di mercurio per la disinfezione, la cromatografia e le applicazioni di imaging a fluorescenza.

Diodi emettitori di luce ultravioletta (UV) (LED) hanno progredito negli ultimi anni oltre il loro uso iniziale nelle applicazioni di polimerizzazione UV per raggiungere livelli di illuminazione che permettono loro di sfidare le lampade UV ad arco contenenti mercurio esistenti. Il mercato delle scienze della vita è ora affamato di Sorgenti di luce UV per disinfezione, cromatografia, imaging a fluorescenza e altre applicazioni emergenti.

Con le differenze nella distribuzione spettrale, il livello di potenza, le questioni normative e altri parametri, la risposta alla domanda se i LED UV potranno mai sostituire completamente le lampade ad arco di mercurio UV non è facile da rispondere.

LED vs. lampade

I LED UV sono dispositivi a stato solido che producono luce quando la corrente elettrica scorre dal lato positivo (tipo p o anodo) di un circuito semiconduttore al lato negativo (tipo n o catodo), creando una giunzione p-n. Ogni LED UV emette una stretta larghezza di banda di luce alla giunzione dove i buchi positivi drogati del semiconduttore si uniscono agli elettroni negativi quando viene applicata la tensione.

In alternativa, le tradizionali lampade ad arco di mercurio UV utilizzano un arco elettrico all'interno di un gas di mercurio ionizzato per eccitare gli atomi che poi decadono, emettendo fotoni. Le lampade a microonde eccitano il gas tramite emissione di microonde. E mentre le lampade allo xeno usano il gas xeno (senza mercurio), possono funzionare solo in modalità "flash" piuttosto che in onda continua (CW).

Se progettate correttamente, le fonti di semiconduttori UV LED durano oltre 20.000 ore di funzionamento, mentre la durata di vita delle lampade UV tradizionali è di circa 9.000 ore, meno della metà della durata di vita delle fonti LED.

Il sole è una fonte dell'intero spettro di radiazioni UV, che è comunemente suddiviso in UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) e UV-C (200-280 nm). Tipicamente, i LED UV hanno un'uscita spettrale stretta centrata su una lunghezza d'onda specifica, ±10 nm.

Applicazioni UV tradizionali

Molte applicazioni in tutto lo spettro UV utilizzano lampade tradizionali o fonti di luce UV LED (vedi Fig. 1). La maggiore penetrazione e l'utilizzo dei LED UV è nelle applicazioni di polimerizzazione degli adesivi; tuttavia, applicazioni come la disinfezione, la cromatografia e l'imaging a fluorescenza continuano ad emergere man mano che la tecnologia si evolve. Grazie ai vantaggi in termini di affidabilità, durata, accensione istantanea e temperatura di funzionamento inferiore, le soluzioni LED UV stanno sostituendo con successo le lampade al mercurio in numerose applicazioni.

Per le applicazioni industriali di polimerizzazione UV, per esempio, la maggior parte delle aziende di materiali hanno modificato inchiostri, rivestimenti e adesivi per supportare le lunghezze d'onda strette dei LED UV. Tuttavia, l'indurimento della superficie è stato una sfida. Fortunatamente, l'irraggiamento e la potenza dei LED deep-UV (UV-C) continuano a migliorare nel tempo, aumentando la capacità dei LED UV di sostituire le tradizionali lampade al mercurio anche nelle polimerizzazioni superficiali più difficili.

Decontaminazione e disinfezione

Quanto sono efficaci i LED UV per inattivare (rendere inattivi) biomolecole e microrganismi? La risposta sta nell'intensità spettrale e nel dosaggio della fonte UV. Per esempio, la luce UV-C è conosciuta come "UV germicida" per la sua efficacia nel decontaminazione e disinfezione (vedi Fig. 2). Mentre certe lunghezze d'onda influenzano diversi legami all'interno delle molecole biologiche, sia i nucleotidi che le proteine possono essere modificati dalla luce UV profonda. In breve, sia i microrganismi che i materiali biologici possono essere inattivati con la giusta dose di luce.

La tecnologia UV LED ad alta intensità offre livelli ineguagliati di irradiazione UV profonda rispetto alle lampade, offrendo capacità migliorate per applicazioni di decontaminazione e disinfezione che richiedono lunghezze d'onda corte.

Consentendo l'inattivazione completa dei contaminanti in pochi minuti, la tecnologia UV LED ad alta irradiazione è attualmente utilizzata dai laboratori di ricerca e dagli impianti di produzione per l'inattivazione di molecole biologiche come il DNA e l'RNA, così come i microorganismi.

Obiettivi difficili come la RNasi A, dannosa per il sistema respiratorio superiore e le mucose, possono essere completamente inattivati con la giusta lunghezza d'onda e intensità della luce UV. Mirando a legami molecolari specifici, la tecnologia UV LED mostra un'efficacia maggiore con un consumo energetico totale inferiore rispetto alle fonti a banda larga come le lampade al mercurio. L'inattivazione completa dei contaminanti di laboratorio può essere realizzata dai LED UV in meno di cinque minuti e a una frazione del costo dei metodi tradizionali.

La ricerca di Phoseon (Hillsboro, OR) sull'uso di motori di luce UV LED ad alta irradiazione per l'inattivazione dell'enzima mostra che sia l'irradiazione (intensità) che la fluenza radiante (dose) contribuiscono alla rapida inattivazione dell'enzima RNasi A (vedi Fig. 3).

Si pensa che la luce ultravioletta a 275 nm agisca sulla RNasi A attraverso un effetto sugli aminoacidi aromatici prossimali ai legami disolfuro. La lunghezza d'onda di 365 nm è mirata alla catena laterale della lisina con l'intento di destabilizzare la tasca di reazione della RNasi A. Queste due lunghezze d'onda interagiscono sinergicamente per inattivare la RNasi A più velocemente e più completamente di quanto possa fare una delle due da sola. La ricerca sostiene l'uso dell'irradiazione UV LED ad alta intensità come un metodo di inattivazione irreversibile nuovo, veloce e conveniente per le RNasi sulle superfici.

Cromatografia e spettroscopia

Sia le lampade al deuterio che le sorgenti luminose UV LED possono essere utilizzate come sistemi di rilevamento per la cromatografia e gli strumenti analitici. I rivelatori UV basati su LED a stato solido offrono una maggiore sensibilità e/o gamma dinamica, un rumore più basso e un funzionamento più freddo e controllabile rispetto alle lampade al deuterio e sono significativamente più stabili. Si accendono in millisecondi fino alla piena luminosità, mentre i sistemi convenzionali di rilevamento ottico sono ingombranti e lenti da avviare, a causa delle lampade ad arco utilizzate come fonti di luce. Come vantaggio per gli utenti, le fonti di luce a stato solido durano 10.000 o più ore, rispetto alle sole 2000 ore delle lampade al deuterio.

Imaging in autofluorescenza

L'esofago di Barrett è una condizione precancerosa in cui le cellule epiteliali dell'esofago inferiore cambiano morfologia per assomigliare alle cellule epiteliali dell'intestino tenue. La neoplasia precoce può essere difficile da rilevare usando l'endoscopia convenzionale a luce bianca - in effetti, lo screening dell'esofago di Barrett richiede attualmente una biopsia e un esame patologico che richiedono molto tempo.

In una mossa verso un sistema di imaging in tempo reale per la morfologia di Barrett, Phoseon ha utilizzato LED UV da 275 e 365 nm per eccitare l'autofluorescenza dei tessuti. Il rivestimento dei tessuti esofagei e duodenali suini è stato utilizzato come modello di primo passo per i cambiamenti evidenti con la caratteristica transizione di Barrett verso un fenotipo di rivestimento più intestinale. Le immagini che mostrano differenze facilmente visibili nella lunghezza d'onda e nell'intensità dell'autofluorescenza sono state catturate utilizzando una fotocamera CMOS di Apple iPhone e analizzate.

Una semplice analisi dell'immagine RGB del tessuto del lume illuminato da LED UV può fornire una linea di base per la discriminazione del tessuto tra esofageo e duodenale. Mentre la discriminazione del tessuto autofluorescente è possibile con la sola eccitazione a 365 nm, i risultati migliorano notevolmente quando si aggiunge l'illuminazione a 275 nm.

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