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

Com diferenças na distribuição espectral, nível de potência, e questões regulatórias, LEDs UV desafiam lâmpadas de arco de mercúrio para desinfecção, cromatografia, e aplicações de imagem de fluorescência.

Ultravioleta (ultravioleta) diodos emissores de luz (LEDs) avançaram nos últimos anos além do seu uso inicial em aplicações de cura UV para alcançar níveis de iluminação que lhes permitem desafiar as lâmpadas de arco UV existentes contendo mercúrio. O mercado de ciências biológicas está agora ávido por fontes de luz UV para desinfecção, cromatografia, imagem de fluorescência, e outras aplicações emergentes.

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

LEDs versus. lâmpadas

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

Alternativamente, as lâmpadas UV tradicionais de arco de mercúrio usam um arco elétrico dentro de um gás de mercúrio ionizado para excitar átomos que então se decompõem, emitindo fótons. As lâmpadas de microondas excitam o gás através da emissão de microondas. E embora as lâmpadas de xenônio usem gás xenônio (sem mercúrio), eles só podem operar no modo “flash” em vez de onda contínua (CW) emissão.

Se projetado corretamente, Fontes de semicondutores UV LED duram além 20,000 horas de funcionamento, enquanto a vida útil das lâmpadas UV tradicionais está em torno 9000 horas – menos da metade da vida útil das fontes LED.

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

Aplicações UV tradicionais

Muitas aplicações em todo o espectro UV utilizam lâmpadas tradicionais ou fontes de luz UV LED (veja a Fig.. 1). A maior penetração e uso de LEDs UV ocorre em aplicações de cura de adesivos - no entanto, aplicações como desinfecção, cromatografia, e imagens de fluorescência continuam a surgir à medida que a tecnologia evolui. Com vantagens em confiabilidade, vida, liga-desliga instantâneo, e temperatura operacional mais baixa, As soluções UV LED estão substituindo com sucesso as lâmpadas de mercúrio em inúmeras aplicações.

Para aplicações industriais de cura UV, por exemplo, a maioria das empresas de materiais modificou tintas, revestimentos, e adesivos para suportar comprimentos de onda estreitos para LEDs UV. No entanto, a cura de superfície tem sido um desafio. Felizmente, UV profundo (UV-C) A irradiância e a potência do LED continuam a melhorar ao longo do tempo, aumentando a capacidade dos LEDs UV de substituir as lâmpadas de mercúrio tradicionais, mesmo nas curas de superfície mais desafiadoras.

Descontaminação e desinfecção

Quão eficazes são os LEDs UV para inativar (tornando inativo) biomoléculas e microrganismos? 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 (veja a Fig.. 2). Embora certos comprimentos de onda afetem diferentes ligações dentro de moléculas biológicas, tanto nucleotídeos quanto proteínas podem ser modificados por luz UV profunda. Resumidamente, tanto microorganismos quanto materiais biológicos podem ser inativados com a dose certa de luz.

A tecnologia LED UV de alta intensidade oferece níveis incomparáveis ​​de irradiância UV profunda em comparação com lâmpadas, oferecendo recursos aprimorados para aplicações de descontaminação e desinfecção que exigem comprimentos de onda curtos.

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

Alvos difíceis como a RNase A – prejudicial ao sistema respiratório superior e às membranas mucosas – podem ser completamente inativados com o comprimento de onda e a intensidade corretos da luz UV. Visando ligações moleculares específicas, A tecnologia UV LED apresenta maior eficácia com menor consumo total de energia do que fontes de banda larga, como lâmpadas de mercúrio. A inativação completa de contaminantes de laboratório pode ser realizada por LEDs UV em menos de cinco minutos e por uma fração do custo dos métodos tradicionais.

Pesquisa de Phoseon (Hillsboro, OU) sobre o uso de motores de luz LED UV de alta irradiância para inativação enzimática mostram que tanto a irradiância (intensidade) e fluência radiante (dose) contribuir para a rápida inativação da enzima RNase A (veja a Fig.. 3).

Luz ultravioleta em 275 Acredita-se que nm atue na RNase A através de um efeito nos aminoácidos aromáticos proximais às ligações dissulfeto. O 365 comprimento de onda nm é direcionado para a cadeia lateral da lisina com a intenção de desestabilizar a bolsa de reação da RNase A. Esses dois comprimentos de onda interagem sinergicamente para inativar a RNase A de forma mais rápida e completa do que qualquer um deles pode fazer sozinho. A pesquisa apóia o uso da irradiação LED UV de alta intensidade como uma nova, rápido, e método conveniente de inativação irreversível para RNases em superfícies.

Cromatografia e espectroscopia

Tanto as lâmpadas de deutério quanto as fontes de luz UV LED podem ser usadas como sistemas de detecção para cromatografia e instrumentos analíticos. Detectores UV de estado sólido baseados em LED oferecem maior sensibilidade e/ou faixa dinâmica, menor ruído, e mais fresco, operação mais controlável do que as lâmpadas de deutério e são significativamente mais estáveis. Eles ligam em milissegundos com brilho total, Considerando que os sistemas de detecção óptica convencionais são volumosos e lentos para iniciar, devido às lâmpadas de arco usadas como fontes de luz. Como uma vantagem para os usuários, fontes de luz de estado sólido duram 10,000 ou mais horas, em comparação com apenas 2000 horas para lâmpadas de deutério.

Imagem de autofluorescência

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

Num movimento em direção a um sistema de imagem em tempo real para a morfologia de Barrett, Phoseon usado 275 e 365 nm LEDs UV para excitar a autofluorescência do tecido. O revestimento dos tecidos esofágico e duodenal suíno foi utilizado 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 Apple iPhone e analisadas.

Uma simples análise de imagem RGB do tecido do lúmen iluminado por LED UV pode fornecer uma linha de base para a discriminação tecidual entre tecido esofágico e duodenal. Embora a discriminação de tecidos autofluorescentes seja possível com 365 excitação nm sozinha, os resultados melhoram dramaticamente quando 275 iluminação nm é adicionada.

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