Wie jede andere Laborausrüstung müssen auch automatisierte Arbeitsstationen sterilisiert werden, um erfolgreiche Versuchsergebnisse zu erzielen.
Eine wirksame Dekontaminationsmethode ist die ultraviolette (UV) Bestrahlung, die die Vermehrung von Bakterien, Viren und Protozoen bereits im Keim erstickt und die Kreuzkontamination mit Nukleinsäuren minimiert.
Die Wellenlänge des UV-Lichts von 200-280 nm überschneidet sich in etwa mit der von Nukleinsäuren und Proteinen, die für lebende Organismen lebenswichtig sind. Daher schädigt die Spitzenemission von UV-Licht bei etwa 260 nm Nukleinsäuren, da UV-C-Strahlung chemische Veränderungen in der DNA-Struktur verursacht. Die sich anhäufenden Schäden überwältigen die natürlichen DNA-Reparaturmechanismen und inaktivieren schließlich die Krankheitserreger.
Wirkung von UV-C-Lichtbestrahlung auf Nukleinsäuren.
Die beliebtesten UV-Lichtstrahler für die Dekontamination von Instrumenten sind Niederdruck-Quecksilberdampflampen, die in den letzten 140 Jahren die wichtigste UV-Sterilisationsmethode darstellten. Der Einbau von quecksilbergefüllten Röhren in moderne automatisierte Systeme ist jedoch ein zunehmend einschränkender Faktor für die Entwicklung innovativer Geräte.
Aus diesem Grund haben sich UV-Licht emittierende Dioden (UV-LEDs) als leistungsstarke neue Dekontaminationsmethode durchgesetzt, die 10 bedeutende Vorteile aufweist:
1. Optimierte Dekontamination
Einer der größten Vorteile von UV-LEDs ist ihr breites Emissionsspektrum von 280-260 nm. Sowohl dieses Spektrum als auch die Wellenlänge von 254 nm haben unterschiedliche Bestrahlungseffizienzen, die für die gewünschten Krankheitserreger optimiert werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen Quecksilberlampen dekontaminieren UV-LEDs Moleküle innerhalb des breiteren Wellenlängenbereichs von 280-260 nm präzise.
UV-Emissionsspektren (nm) von LEDs gegenüber Quecksilberdampflampen niedriger und mittlerer Leistung (Quelle).
Darüber hinaus können sie verschiedene UV-Wellenlängen kombinieren, um die Inaktivierung spezifischer Bakterien (z. B. E. coli und B. pomilus) und Viren (z. B. MS2 und Adenovirus 2) sowohl in Arbeitsflächen als auch in Flüssigkeiten zu optimieren. Für die Bestrahlung hochresistenter Erreger wie HIV sind jedoch leistungsfähigere UV-LEDs erforderlich.
Zur Klarstellung: Unter Dekontamination verstehen wir die Reduzierung pathogener Mikroorganismen auf ein für den menschlichen Verzehr sicheres Niveau. Dazu gehört die Reduzierung von Krankheitserregern um mindestens 1 log-Stufe, d. h. um 90 %. Desinfektion hingegen ist ein allgemeiner Begriff für die Reduzierung von Krankheitserregern um mindestens drei und höchstens fünf logs.
Um eine Kreuzkontamination zu vermeiden, sollte die UV-Technologie mindestens 99,99 % einer bestimmten Erregerpopulation inaktivieren. Für Bakterien und nackte DNA/RNA beträgt die minimale Strahlendosis, die erforderlich ist, um diese Werte zu erreichen, 1.500-6.000 µJ/cm2.
Wirkung der UV-Bestrahlung auf eine Vielzahl von Krankheitserregern (logarithmische Skala).
2. Kleinere Lampengrösse
Die meisten verwendeten Niederdruck-UV-Lampen sind zwischen 10 und 30 cm groß und enthalten mehrere Glas- und Spiegelschichten zur Wärmeisolierung und zum Schutz vor der UV-Strahlung sowie ein Befestigungssystem für die Lichtbogenröhren im Inneren.
UV-LEDs sind dagegen nur 5-10 mm groß und lassen sich viel flexibler in automatisierte Anlagen integrieren. Sie können in individuellen Mustern und Positionen innerhalb eines Instruments angeordnet werden, wodurch der Dekontaminationsbereich maximiert wird. Mini-LEDs eröffnen somit neue Möglichkeiten für kleine Reaktorsysteme, Point-of-Use-Anwendungen und die Integration in medizinische Geräte.
3. Umweltfreundlich
Quecksilberhaltige Lampen sind keine umweltfreundliche Dekontaminationsmethode - Niederdrucklampen müssen recycelt werden, um die Freisetzung von Quecksilber in die Umwelt zu verhindern, was eine spezielle Abfallentsorgung erfordert.
UV-LEDs sind eine hervorragende Option für die Entwicklung umweltfreundlicherer Instrumente mit geringerem ökologischen Fußabdruck. LED-Lampen enthalten keine gefährlichen Chemikalien und können daher ähnlich wie Glühbirnen und Halogenlampen entsorgt oder vollständig recycelt werden. Außerdem ist der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strom in UV-C bei LEDs bereits niedriger als bei Quecksilberlampen, und sie verbrauchen wesentlich weniger Strom, so dass UV-LEDs energieeffizienter sind. UV-LEDs können auch sofort ein- und ausgeschaltet werden, während Quecksilberdampfröhren eine Aufwärmphase benötigen, bevor sie ihre volle Leistung erreichen, was bedeutet, dass ihr Energieverbrauch weniger kontrollierbar ist.
4. Längere Lebensdauer
Herkömmliche UV-Lampen mit geringer Leistung haben eine kurze Lebensdauer, da sie nach etwa 1.000 Betriebsstunden ausgetauscht werden müssen und ihre Leistung mit zunehmendem Alter des Kolbens erheblich nachlassen kann.
Im Gegensatz dazu halten UV-LEDs mit einer Lebensdauer von über 10.000 Stunden mehr als 10 Mal länger. Das bedeutet, dass die UV-LED-Dekontamination über Nacht laufen kann, um auch hartnäckigere Krankheitserreger zu dekontaminieren.
5. Geringere Gesamtkosten
In den letzten zehn Jahren ist der Preis von UV-LEDs von mehr als 100.000 US$ pro mW auf unter 1 US$ gesunken. Eine UV-LED-Lampe mit 50 mW optischer Leistung ist für 40 US$ zu haben, eine gleich starke Quecksilberlampe für 700 US$.
Da keine externen Stromversorgungen und niedrige Startspannungen erforderlich sind, können die Kosten für die Dekontaminationstechnologie für ein automatisiertes Gerät um bis zu 50 % gesenkt werden.
The development of UV LEDs in the last 5 years.
6. Mehr Anbieter verfügbar
Obwohl Quecksilberdampflampen immer noch die wichtigste Methode zur Erzeugung von UV-Licht sind, gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Anbietern.
Durch die steigende Popularität von UV-LEDs hat sich ihr Markt in den letzten zehn Jahren mehr als verfünffacht und soll bis 2025 ein Volumen von über 1300 Millionen US-Dollar erreichen. Größere Hersteller konzentrieren sich auf LEDs mit einer Leistung von 10, 50 und 100 mW, wobei UV-B-LEDs mit einer Wellenlänge von 280 nm am häufigsten für Spezialanwendungen wie die Aushärtung von Tinte und die Dekontaminierung von Flüssigkeiten verwendet werden. Kleinere Hersteller sind eher bereit, kleine Chargen von Hochleistungs-LEDs mit einer Leistung von mehr als 100-150 mW anzubieten.
7. Sichere Verwendung
Da Quecksilber als giftig gilt, müssen Quecksilberdampflampen als gefährlich eingestuft werden. Quecksilber ist eine gefährliche Substanz, insbesondere in Hochspannungs- und feuchten Umgebungen, und seine Verwendung in automatisierten Geräten birgt erhebliche Risiken.
Im Gegensatz dazu enthalten UV-LEDs kein Quecksilber und müssen auch nicht speziell gehandhabt oder gelagert werden, was sie zu einer viel sichereren UV-Quelle sowohl für das Gerät als auch für den Benutzer macht. In Bezug auf die Sicherheit der Augen gibt es keinen signifikanten Unterschied zwischen Quecksilberdampflampen und LEDs.
8. Keine Notwendigkeit zur Lichtumlenkung
Quecksilberdampflampen sind omnidirektional, das heißt, sie erzeugen UV-Licht in einem Winkel von 360 Grad. Mindestens die Hälfte des ausgestrahlten Lichts muss auf die Zielbereiche umgelenkt werden, was die Installation einer Reihe von reflektierenden Spiegeln in einem Instrument erfordert.
UV-LEDs hingegen erfordern nur eine minimale oder gar keine Anpassung der optischen Elemente, da ihre Lichtquelle einfach so ausgerichtet werden kann, dass die Emission maximiert wird.
Integriertes UV LED Modul.
9. Keine regelmäßige Reinigung erforderlich
Quecksilberdampflampen müssen regelmäßig abgestaubt und gewartet werden, da ihre breite Glasoberfläche sauber gehalten werden muss, um eine maximale UV-Bestrahlung zu ermöglichen. Der sich ansammelnde Schmutz brennt sich in die obere Oberfläche der Lampe ein, wodurch das in die Reflektoren reflektierte Licht verringert wird und somit die Bestrahlungseffizienz sinkt.
Im Gegensatz dazu hängen UV-LEDs in der Regel nach unten, so dass sich kein Staub auf der Oberseite ansammeln kann. Der Leistungsabfall aufgrund von Staubansammlungen in automatisierten Laborsystemen wurde jedoch nicht gemessen.
10. Freiheit zur Innovation
Aufgrund all der oben genannten Vorteile eröffnen UV-LEDs eine neue Art von Freiheit bei der Gestaltung von Automatisierungssystemen. Sie benötigen keine speziellen Glasisolierungen, Halterungen oder Umlenkspiegel, so dass ihre Installation wesentlich einfacher ist.
Mehrere Dioden können so angeordnet werden, dass sie Licht aus verschiedenen Winkeln und in verschiedenen Größen emittieren und mehrere spezifische Wellenlängen abdecken. Die Geräte müssen nicht mehr um die darin enthaltenen UV-Dekontaminationslampen herum konstruiert werden, sondern die Lampen können jetzt um das Gerät herum konstruiert werden. Fortschritte im Wärmemanagement, in der optischen Konfiguration und im hydrodynamischen Design verbessern kontinuierlich die Systemleistung und Lebensdauer von UV-LED-Dekontaminationssystemen.
Diese Trends werden mehr Möglichkeiten für effektive und innovative technische Lösungen in Instrumenten für spezielle Anwendungen schaffen, die für die zukünftige biologische Forschung und Medizin von großer Bedeutung sind.
Sind Sie daran interessiert, UV-LEDs zur Dekontaminierung Ihrer automatisierten Systeme einzusetzen? Lesen Sie unsere Checkliste und erfahren Sie alles, was Sie vor der Einführung beachten müssen.
