儀器燈泡氘燈

生命科學(xué)領(lǐng)域的許多實驗室都需要快速、準(zhǔn)確和可靠的測量方法。這在高效液相色譜（HPLC）和DNA濃度和純度測量中尤其如此，它們都依賴于通過吸收光譜進行定量分析。這些應(yīng)用的領(lǐng)先的儀器制造商正在尋求替代光源，例如UV-C（在100-280nm范圍內(nèi)C波段的紫外LED），作為滿足其最終用戶新需求的一種手段。UV-C LED可為這些制造商提供小型化和低成本解決方案的機會，以區(qū)分其產(chǎn)品和擴大市場滲透率。

其他頻段的UV LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于一些應(yīng)用中。UV-C LED的使用受到LED效率的限制，特別是在光譜帶的上限值。

在生命科學(xué)領(lǐng)域的許多以測試和測量為中心的應(yīng)用中，處在上限值的UV-C LED非常有用。實驗室都在尋找小型儀器，其成本低于同類的大型儀器，來提高生產(chǎn)力和實驗室性能。新興技術(shù)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、小尺寸的基于LED的儀器可以讓研究人員能夠在其工作臺上進行常規(guī)測量。同時，當(dāng)需要全譜測量時，研究人員可以使用實驗室中心位置的更昂貴的全譜紫外燈儀器，這減少了實驗室瓶頸并提高了生產(chǎn)率。

以前，儀器制造商在發(fā)展過程中都受到市場上UV-C LED的較低性能的阻礙。然而，隨著更高性能組件的出現(xiàn)，制造商可以使用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UV-C LED的一些應(yīng)用。

UV-C LED有利于HPLC中的固定波長檢測

高效液相色譜（HPLC）是將樣品混合物引入色譜柱中的一種分離技術(shù)。由于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系數(shù)，在兩相中做相對運動時，經(jīng)過反復(fù)多次的吸附-解吸的分配過程，各組分在移動速度上產(chǎn)生較大的差別，被分離成單個組分依次從柱內(nèi)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通常用于蛋白質(zhì)純化、藥物和飲料制造的常規(guī)過程監(jiān)測、質(zhì)量控制和生物技術(shù)研究。

目前的HPLC檢測器通常使用氘燈作為其主要光源。HPLC制造商選擇氘燈，是因為在測量期間內(nèi)光輸出的穩(wěn)定性很高。在HPLC中，UV光源的高光輸出穩(wěn)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(wěn)定性提高了兩個數(shù)量級。

LED實現(xiàn)穩(wěn)定性要求

新推出的高性能紫外LED與高端氘燈的穩(wěn)定性相當(dāng)，峰值波動為0.005％以下。 UV-C LED提供了類似的靈敏度，同時降低了用于固定波長檢測的整體儀器的成本和尺寸。這樣，當(dāng)制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并立即打開，確保LED壽命不會浪費在預(yù)熱中，這一點與氘燈不同。此外，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(yīng)用中十分有利。制造商可以選擇UV-C LED作為固定波長檢測器的替代光源，并且構(gòu)建更具成本效益的系統(tǒng)。

對于固定波長HPLC系統(tǒng)來說，成本的最大差異通常源于初始配置的成本，因為它包括光源和其他輔助設(shè)備。使用LED檢測器的HPLC系統(tǒng)需要電源、光電二極管和分束器。帶有LED的HPLC檢測器系統(tǒng)的總成本約為750美元。相比之下，使用氘光源的HPLC系統(tǒng)需要更昂貴的設(shè)備來建造。必要的電源昂貴得多，并且需要空間來存放燈。此外，氘燈是廣譜光源，在紫外線范圍內(nèi)發(fā)射許多波長的光。 這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(tǒng)成本預(yù)計將接近4,000美元。圖1顯示了使用氘燈（a）與UV-C LED（b）的典型儀器設(shè)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UV-C LED（b）的固定波長HPLC檢測器的光路復(fù)雜一點。

降低DNA純度測量的成本

接下來要談到的使用UV-C 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(xué)研究的完整性，會影響很多領(lǐng)域，如生物技術(shù)、法醫(yī)學(xué)、基因組研究和藥物。這包括遺傳障礙的檢測、DNA指紋的產(chǎn)生、以及遺傳工程生物的產(chǎn)生。

在這些應(yīng)用中，提高生產(chǎn)效率和降低成本的關(guān)鍵集中于測量的速度和準(zhǔn)確性。DNA和蛋白質(zhì)在260nm和280nm處有吸收峰，并且這些波長處的吸光度分別決定了DNA和蛋白質(zhì)的濃度，而吸光度的比率決定了DNA樣品的純度。用于DNA濃度和純度測量的光譜儀依賴于氙氣閃光燈，它們提供了即時的開/關(guān)，可以快速評估在寬濃度范圍內(nèi)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(chǎn)生充足的光，但只有特定波長的光才能用于單個參數(shù)的測量。由于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部件，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并且在點燈期間增加電子設(shè)備的防護。這些昂貴的電子設(shè)備加上其他光學(xué)組件，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(zhì)的吸光度時，在窄波長范圍內(nèi)，UV-C LED可以匹配氙氣閃光燈的測量性能。圖2比較了1-mW、260nm UV-C LED與15W氙氣閃光燈的光譜輻照度。

圖2

氙氣閃光燈和UV-C 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。

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，并且LED的優(yōu)良光譜質(zhì)量可以進行三個數(shù)量級的濃度線性測量，從0.5-2000 ng/μl（圖3）。

圖3

在260nm處用UV-C LED測量雙鏈DNA（dsDNA）濃度，結(jié)果顯示在不同的濃度水平上表現(xiàn)出近似完美的線性。

LED的性能和單色度讓LED的設(shè)計比氙閃光燈儀器更簡單，需要更少的光學(xué)元件并因此降低系統(tǒng)成本。此外，UV-C LED的電源不那么復(fù)雜，成本較低。組件成本的降低可以生產(chǎn)更具成本效益的儀器，而不犧牲DNA純度測量的性能。

LED系統(tǒng)效率

組件成本在初始系統(tǒng)成本上提供了顯著差異。但是，系統(tǒng)效率也是導(dǎo)致整體成本的一個因素。在這里給出的系統(tǒng)示例中，UV-C LED系統(tǒng)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，UV-C LED系統(tǒng)為固定波長測量提供了更高效的光源。由于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。

如這里所示，使用UV-C LED的系統(tǒng)可以匹配甚至可能超過使用UV燈系統(tǒng)的性能，同時為固定波長應(yīng)用提供更高的效率和降低成本。相當(dāng)?shù)男阅苁沟脙x器設(shè)計人員可以利用UV-C LED的其他優(yōu)勢，例如成本和尺寸，同時不會犧牲產(chǎn)品性能。UV-C LED可實現(xiàn)更長的儀器使用壽命、更高的可靠性和更高的生產(chǎn)率，同時降低最終用戶的總體成本。這些新設(shè)備正在推動生命科學(xué)儀器設(shè)計的創(chuàng)新，以解決圍繞生產(chǎn)力、成本降低和小型化的市場趨勢。