Os LEDs ultravioleta iluminam o cenário científico

Tecnologia de LED para as ciências da vida

Fontes de luz não laser: Os LEDs ultravioleta iluminam o cenário científico

Com diferenças na distribuição espectral, nível de potência e questões regulatórias, os LEDs UV desafiam as lâmpadas de arco de mercúrio para aplicações de desinfecção, cromatografia e imagens fluorescentes.

Diodos emissores de luz ultravioleta (UV) (LEDs) têm avançado nos últimos anos além de seu uso inicial em aplicações de cura UV para alcançar níveis de iluminação que lhes permitem desafiar as lâmpadas de arco UV que contêm mercúrio. O mercado das ciências da vida está agora faminto por Fontes de luz UV para desinfecção, cromatografia, imagens fluorescentes, e outras aplicações emergentes.

Com diferenças na distribuição espectral, nível de potência, questões regulatórias e outros parâmetros, a resposta à pergunta se os LEDs UV substituirão alguma vez totalmente as lâmpadas UV de arco de mercúrio não é fácil de responder.

LEDs vs. lâmpadas

Os LEDs UV são dispositivos de estado sólido que produzem luz quando a corrente elétrica flui do lado positivo (tipo p ou anodo) de um circuito semicondutor para o lado negativo (tipo n ou catodo), criando uma junção p-n. Cada LED UV emite uma estreita largura de banda de luz na junção onde furos de semicondutores dopados positivos se unem aos elétrons negativos quando a tensão é aplicada.

Alternativamente, as lâmpadas tradicionais de arco de mercúrio UV usam um arco elétrico dentro de um gás de mercúrio ionizado para excitar átomos que depois se decompõem, emitindo fótons. As lâmpadas de microondas excitam o gás através da emissão de microondas. E enquanto as lâmpadas de xenônio utilizam gás xenônio (sem mercúrio), elas só podem operar em modo "flash" em vez da emissão de ondas contínuas (CW).

Se projetadas corretamente, as fontes de semicondutores UV LED duram mais de 20.000 horas de funcionamento, enquanto que as lâmpadas UV tradicionais duram cerca de 9.000 horas - menos da metade da vida útil das fontes LED.

O sol é uma fonte de todo o espectro da radiação UV, que é geralmente subdividida em UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm), e UV-C (200-280 nm) de luz. Tipicamente, os LEDs UV têm uma saída espectral estreita centrada em torno de um comprimento de onda específico, ±10 nm.

Aplicações UV tradicionais

Muitas aplicações em todo o espectro de UV utilizam lâmpadas tradicionais ou fontes de luz UV LED (ver Fig. 1). A maior penetração e utilização de LEDs UV é em aplicações de cura por adesivos - sempre, aplicações como desinfecção, cromatografia e imagens fluorescentes continuam a surgir à medida que a tecnologia evolui. Com vantagens em confiabilidade, durabilidade, liga/desliga instantânea e temperatura operacional mais baixa, as soluções LED UV estão substituindo com sucesso as lâmpadas de mercúrio em numerosas aplicações.

Comprimento de onda dos LEDs UV
FIGURA 1. As fontes de luz ultravioleta abrangem uma série de comprimentos de onda de 200 a 400 nm.

Para aplicações industriais de cura por UV, por exemplo, a maioria das empresas de material modificou tintas, revestimentos e adesivos para suportar os comprimentos de onda estreitos para os LEDs UV. Entretanto, a cura superficial tem sido um desafio. Felizmente, a irradiação UV profunda (UV-C) e a potência dos LEDs continua melhorando com o tempo, aumentando a capacidade dos LEDs UV de substituir as tradicionais lâmpadas de mercúrio, mesmo nas curas de superfície mais desafiadoras.

Descontaminação e desinfecção

Quão eficazes são os LEDs UV para inativar (tornar inativos) biomoléculas e microorganismos? A resposta está na intensidade espectral e na dosagem da fonte UV. Por exemplo, a luz UV-C é conhecida como "UV germicida" por sua eficácia em descontaminação e desinfecção (ver Fig. 2). Enquanto certos comprimentos de onda afetam diferentes ligações dentro das moléculas biológicas, tanto os nucleotídeos quanto as proteínas podem ser modificados pela luz UV profunda. Em resumo, tanto microorganismos quanto materiais biológicos podem ser inativados com a dose certa de luz.

LEDs UV para descontaminação e desinfecção
FIGURA 2. Os LEDs UV podem fornecer tanto descontaminação quanto desinfecção, especialmente para os comprimentos de onda UV profundos.

A tecnologia LED UV de alta intensidade oferece níveis inigualáveis de irradiação UV profunda em comparação com as lâmpadas, oferecendo melhores capacidades para aplicações de descontaminação e desinfecção que requerem comprimentos de onda curtos.

Permitindo a inativação completa de contaminantes em minutos, a tecnologia UV LED de alta irradiação está sendo usada atualmente por laboratórios de pesquisa e instalações de fabricação para inativação de moléculas biológicas como DNA e RNA, bem como microorganismos.

Alvos duros como o RNase A - prejudicial para o sistema respiratório superior e as membranas mucosas - podem ser completamente inativados com o comprimento de onda e intensidade de luz UV corretos. Ao visar ligações moleculares específicas, a tecnologia UV LED exibe maior eficácia com menor consumo total de energia do que fontes de banda larga, como lâmpadas de mercúrio. A inativação completa dos contaminantes de laboratório pode ser realizada pelos LEDs UV em menos de cinco minutos e a uma fração do custo dos métodos tradicionais.

Pesquisas da Phoseon (Hillsboro, OR) sobre o uso de motores de luz UV LED de alta irradiação para inativação enzimática mostram que tanto a irradiação (intensidade) quanto a fluência radiante (dose) contribuem para a inativação rápida da enzima RNase A (ver Fig. 3).

inativação do RNase A
FIGURA 3. dois comprimentos de onda UV diferentes agem sinergicamente para realizar a inativação do RNase A.

Pensa-se que a luz ultravioleta a 275 nm atua sobre a RNase A através de um efeito sobre as ligações de aminoácidos aromáticos proximais a dissulfuretos. O comprimento de onda de 365 nm é direcionado à cadeia lateral da lisina com a intenção de desestabilizar a bolsa de reação do RNase A. Estes dois comprimentos de onda interagem sinergicamente para inativar a RNase A mais rápida e completamente do que qualquer um deles pode sozinho. A pesquisa suporta o uso da irradiação UV LED de alta intensidade como um novo método de inativação irreversível, rápido e conveniente para RNases em superfícies.

Cromatografia e espectroscopia

Tanto lâmpadas de deutério como fontes de luz UV LED podem ser usadas como sistemas de detecção para cromatografia e instrumentos analíticos. Os detectores UV de estado sólido baseados em LED proporcionam maior sensibilidade e/ou faixa dinâmica, menor ruído e operação mais fria e controlável do que as lâmpadas de deutério e são significativamente mais estáveis. Eles se ligam em milissegundos para pleno brilho, enquanto os sistemas convencionais de detecção óptica são volumosos e lentos para iniciar, devido às lâmpadas de arco usado como fontes de luz. Como vantagem para os usuários, as fontes de luz de estado sólido duram 10.000 ou mais horas, em comparação com apenas 2000 horas para as lâmpadas de deutério.

Imagem de autofluorescência

O esôfago de Barrett é uma condição pré-cancerosa onde as células epiteliais do esôfago inferior mudam de morfologia para se assemelharem às células epiteliais do intestino delgado. A neoplasia precoce pode ser difícil de detectar usando endoscopia convencional de luz branca, a triagem do esôfago de Barrett requer atualmente uma biópsia e patologia demoradas.

Em um movimento em direção a um sistema de imagem em tempo real para a morfologia de Barrett, Phoseon utilizou LEDs UV de 275 e 365 nm para excitar a autofluorescência do tecido. O revestimento dos tecidos esofágicos e duodenais suínos foi usado como modelo de primeira etapa para as mudanças aparentes com a transição característica de Barrett para um fenótipo de revestimento mais intestinal. Imagens mostrando diferenças facilmente visíveis no comprimento de onda e intensidade autofluorescente foram capturadas usando uma câmera CMOS do iPhone da Apple e analisadas.

Uma simples análise de imagem RGB do tecido de lúmen iluminado por LED UV pode fornecer uma base para a discriminação tecidual entre tecido esofágico e duodenal. Embora a discriminação de tecido autofluorescente seja possível apenas com a excitação de 365 nm, os resultados melhoram drasticamente quando se adiciona a iluminação de 275 nm.

Etiquetas: | | | |
Categorias: | |