生命科學領域的許多實驗室都需要快速、準確和可靠的測量方法。這在高效液相層析（HPLC）、DNA濃度和純度測量中尤其如此，它們都依賴於通過吸收光譜進行定量分析。這些應用領先的儀器製造商正在尋求替代光源，例如UVC（在100～280nm範圍內C波段的紫外LED），作為滿足其最終用戶新需求的一種手段。UVC LED可為這些製造商提供小型化和低成本解決方案，以區分其產品和擴大市場滲透率。

 

其他頻段的UV LED已經被廣泛應用，UVC LED的使用則受到LED效率的限制，特別是在光譜帶的上限值。

 

在生命科學領域許多以測試和測量為中心的應用中，處在上限值的UVC LED非常有用。實驗室都在尋找小型儀器，其成本低於同類的大型儀器，提高了生產力和實驗室性能。新興技術正在讓儀器小型化，這不僅降低了成本，而且讓實驗室使用面積減少。低成本、小尺寸的LED儀器能夠讓研究人員在工作台上進行常規測量，同時，當需要全譜測量時，研究人員可以使用實驗室中心位置更昂貴的全譜紫外燈儀器，這減少了實驗室瓶頸並提高了生產率。

 

以前，儀器製造商在發展過程中都受到市場上UVC LED的較低性能的阻礙。然而，隨著更高性能元件的出現，製造商可以使用LED的功能用新的儀器模型來解決這些趨勢。在本文中，將會討論UVC LED的一些應用。

 

UVC LED有利於HPLC中的固定波長檢測

HPLC是將樣品混合物引入色譜柱中的一種分離技術。由於樣品溶液中的各組分在流動相和固定相之間具有不同的分配係數，在兩相中做相對運動時，經過反覆多次的吸附–解吸的分配過程，各組分在移動速度上產生較大的差別，被分離成單個組分依次從柱內流出。這些組分的檢測主要通過使用紫外分光光度計的吸收光譜進行分析。HPLC通常用於蛋白質純化、藥物和飲料製造的常規過程監測、品質控制和生物技術研究。

 

目前的HPLC檢測器通常使用氘燈作為其主要光源。HPLC製造商選擇氘燈，是因為在測量期間內光輸出的穩定性很高。在HPLC中，UV光源的高光輸出穩定性可確保檢測到較低濃度的化合物。與其他紫外線燈如氙氣閃光燈或汞燈相比，氘燈的穩定性提高了兩個數量級。

 

LED實現穩定性要求

新推出的高性能紫外LED與高端氘燈的穩定性相當，峰值波動為0.005％以下。 UVC LED提供了類似的靈敏度，同時降低了用於固定波長檢測整體儀器的成本和尺寸，當製造商需要單個或幾個固定波長時，能幫助最終用戶合理使用實驗室面積。此外，LED提供更長的使用壽命並可以立即打開，確保LED壽命不會浪費在預熱中，這一點與氘燈不同，而來自LED的光線可以很容易地光纖耦合，這在需要隔離流動池的應用中十分有利。製造商可以選擇UVC LED作為固定波長檢測器的替代光源，並且構建更具成本效益的系統。

 

對於固定波長HPLC系統來說，成本的最大差異通常源於初始配置的成本，因為它包括光源和其他輔助設備。使用LED檢測器的HPLC系統需要電源、光電二極管和分束器。帶有LED的HPLC檢測器系統的總成本約為750美元。相比之下，使用氘光源的HPLC系統需要更昂貴的設備來建造。必要的電源昂貴得多，並且需要空間來存放燈。此外，氘燈是廣譜光源，在紫外線範圍內發射許多波長的光，需要使用昂貴的過濾器和單色儀進行固定波長HPLC檢測。因此，典型的系統成本預計將接近4,000美元。圖1顯示了使用氘燈（a）與UVC LED（b）的典型儀器設計。

 

▲圖1 使用氘燈光源（a）的固定波長HPLC檢測器的光路比使用UVC LED（b）的固定波長HPLC檢測器的光路複雜一點。（source: Crystal IS）

降低DNA純度測量的成本

接下來要談到的使用UVC LED的另一個例子是DNA濃度和純度測量。DNA的提取確保了生物學研究的完整性，會影響很多領域，如生物技術、法醫學、基因組研究和藥物。這包括遺傳障礙的檢測、DNA指紋的產生、以及遺傳工程生物的產生。

 

在這些應用中，提高生產效率和降低成本的關鍵集中於測量的速度和準確性。DNA和蛋白質在260nm和280nm處有吸收峰，並且這些波長處的吸光度分別決定了DNA和蛋白質的濃度，而吸光度的比率決定了DNA樣品的純度。用於DNA濃度和純度測量的光譜儀依賴於氙氣閃光燈，它們提供了即時的開/關，可以快速評估在寬濃度範圍內高線性度的測量。

 

雖然廣譜紫外線燈（比如氙氣閃光燈）可以在多個波長（大部分光能在可見光譜中）產生充足的光，但只有特定波長的光才能用於單個參數的測量。由於DNA純度是通過在260nm和280nm處進行的吸收測量來確定的，所以必須使用其他的元件，例如濾光鏡和反射鏡，在廣譜燈的光照射到樣品之前濾除不要的波長。氙氣閃光燈還需要高電壓並且在點燈期間增加電子設備的防護。這些昂貴的電子設備加上其他光學元件，迅速增加了儀器的總體成本。

 

LED和UV燈光譜

測量DNA或蛋白質的吸光度時，在窄波長範圍內，UVC LED可以匹配氙氣閃光燈的測量性能。圖2比較了1-mW、260nm UVC LED與15W氙氣閃光燈的光譜輻照度。

 

▲圖2 氙氣閃光燈和UVC LED在260nm時的功率輸出，光譜比較顯示了氙氣燈浪費的能量和LED源的較高峰值功率。（source: Crystal IS）

LED的高光輸出可以讓研究人員對雙鏈DNA（dsDNA）的濃度進行0.5 ng/μl的檢測限，並且LED的優良光譜品質可以進行三個數量級的濃度線性測量，從0.5-2000 ng/μl（圖3）。

 

▲圖3 在260nm處用UVC LED測量雙鏈DNA（dsDNA）濃度，結果顯示在不同的濃度水平上表現出近似完美的線性。（source: Crystal IS）

LED的性能和單色度讓LED的設計比氙閃光燈儀器更簡單，需要更少的光學元件並因此降低系統成本。此外，UVC LED的電源不那麼複雜，成本較低。元件成本的降低可以生產更具成本效益的儀器，而不犧牲DNA純度測量的性能。

 

LED系統效率

元件成本在初始系統成本上提供了顯著差異。但是，系統效率也是導致整體成本的一個因素。在這裡給出的系統示例中，UVC LED系統的功耗約為2W（每個LED 1W）。典型的氙氣閃光燈的平均功率在2W至60W之間。事實上，UVC LED系統為固定波長測量提供了更高效的光源。由於氙氣閃光燈的大量光輸出以不需要的波長被濾出，所以如圖2所示，LED在所需波長處會提供更多的功率輸出。

 

如這裡所示，使用UVC LED的系統可以匹配甚至可能超過使用UV燈系統的性能，同時為固定波長應用提供更高的效率和降低成本。相當的性能使得儀器設計人員可以利用UVC LED的其他優勢，例如成本和尺寸，同時不會犧牲產品性能。UVC LED可實現更長的儀器使用壽命、更高的可靠性和更高的生產率，同時降低最終用戶的總體成本。這些新設備正在推動生命科學儀器設計的創新，以解決圍繞生產力、成本降低和小型化的市場趨勢。

 

（編譯：LEDinside James）