Sådan bruges UV-C-lysdioder til sikker, effektiv og effektiv patogenkontrol

COVID-19-pandemien har opfordret ingeniører til at overveje ultraviolet (UV) lys til desinfektions- og steriliseringsprodukter, der "deaktiverer" SARS-CoV-2 (den virus, der forårsager COVID-19). Konventionelle desinfektions- og steriliseringsprodukter bruger kviksølv-damplamper med lavt tryk til at udsende det krævede UV-A-spektrum til eliminering af patogen. Men LED'er tilbyder mange fordele, herunder større effektivitet, højere lysudgang, længere levetid og lavere levetidsomkostninger.

UV-A LED'er er relativt nemme at fremstille - ved at tilpasse LED'er med blåt lys til det næsten synlige spektrale område - og har været tilgængelige i over et årti til industrielle hærdningsapplikationer. Men SARS-CoV-2-deaktivering kræver mere energisk UV-C.

I de sidste mange år er kommercielle UV-C LED'er blevet tilgængelige. Disse enheder kan imidlertid ikke betragtes som en simpel drop-in-erstatning for konventionelle kviksølv-damplamper, fordi de introducerer mange nye designudfordringer. For eksempel kræver desinfektions- og desinfektionsprodukter høj og tæt kontrolleret strålingsstrøm for at sikre korrekt drift. Desuden er UV-C LED'er ikke kun farlige for bakterier og vira, men de er også farlige for mennesker, så tilstrækkelig beskyttelse er en vigtig del af designprocessen.

Denne artikel vil kort diskutere typerne af UV-stråling og dens rolle i desinficering og patogenkontrol. Derefter beskrives fordelene ved at bruge lysdioder som strålingskilde samt de tilhørende designudfordringer. Artiklen vil derefter introducere løsninger på disse udfordringer ved hjælp af eksempelvis UV-lysdioder fra OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics og SETi/Seoul Viosys.

Hvorfor bruge UV-lys til patogenkontrol?

UV-stråling passer ind i det elektromagnetiske spektrum mellem synligt lys og røntgenstråler og omfatter kortbølgelængde (400 til 100 nanometer (nm)) fotoner med tilsvarende høje energier. Strålingsbølgelængde er omvendt proportional med frekvensen: Jo kortere bølgelængde, jo højere er frekvensen (figur 1).

Figur 1: Langs det elektromagnetiske spektrum falder UV-stråling lige under synligt lys ved en bølgelængde mellem 100 og 400 nm og er opdelt i tre typer, A, B og C. (Billedkilde: Canadas regering)

Baseret på interaktionen mellem UV-stråling og biologiske materialer er der defineret tre typer UV-lys: UV-A (400 til 315 nm); UV-B (314 til 280 nm); og UV-C (279 til 100 nm). Solen producerer alle tre former, men eksponering af mennesker er hovedsageligt begrænset til UV-A, fordi lidt UV-B og ingen UV-C trænger ind i jordens ozonlag. Der er dog flere metoder til kunstig produktion af alle tre typer UV-lys, for eksempel kviksølv-damplamper og for nylig UV-LED'er.

UV-C-stråling var en etableret teknologi til udryddelse af patogener i god tid før den nuværende pandemi. Konventionelle produkter anvender kviksølv-damplamper som UV-kilde. Nylige undersøgelser af effektiviteten af UV-C på SARS-CoV-2 har vist, at UV-lys med en bølgelængde på omkring 250 til 280 nm fortrinsvis absorberes af virusets RNA og en samlet dosis på 17 joule pr. Kvadratmeter (J/m²) deaktiverer 99,9 procent af patogenerne. Bemærk, at dette niveau af bestråling ikke dræber virussen direkte, men det forstyrrer dets RNA tilstrækkeligt til at forhindre, at det replikeres, hvilket gør det harmløst, mens det begrænser menneskelig UV-eksponering.

Kilder til UV-lys

Den traditionelle kilde til UV-lys er kviksølv-damplampen. Dette er en gasudladningsindretning med lys, der udsendes fra plasma af det fordampede metal, når det ophidses af en elektrisk udladning. Nogle produkter indeholder et sammensmeltet kvartsbuerør, som tilskynder peak-emission ved UV-C-bølgelængde på 185 nm (ud over nogle UV-A- og UV-B-emissioner) til desinficerings- og steriliseringsformål (figur 2).

Figur 2: Før fremkomsten af UV-C-lysdioder var lavtrykskviksølvdamplamper den mest praktiske kilde til UV-lys. (Billedkilde:JKL-Components )

Kviksølvdamplamper er relativt effektive og holdbare sammenlignet med konventionelle glødelamper, men deres største ulempe er frigivelsen af giftigt kviksølv i miljøet, hvis pæren går i stykker under normal brug eller ved bortskaffelse.

UV-C-LED'er giver desinfektions- og steriliseringsapplikationer de samme fordele som LED'er giver generel belysning, herunder effektivitet, højere lysudbytte, længere levetid og lavere levetidsomkostninger. Selvom der stadig skal udvises forsigtighed ved bortskaffelse af lysdioder, udgør de ikke de samme miljøfarer som kviksølvbaserede lyskilder.

UV-C LED'er bygger på teknologien til blå LED'er. Disse bruger aluminium galliumnitrid (AlGaN) substrater som en platform til bredere båndgap (kortere bølgelængde) emittere end røde lysdioder. UV-C-lysdioder er dog mindre effektive og koster mere end blå lysdioder, hovedsageligt fordi galliumnitrid ikke er transparent for UV-C-stråling. Som et resultat undgår relativt få udsendte UV-C-fotoner matricen.

Seneste udvikling, herunder reflekterende s -kontaktmetallisering, mønstrede substrater, strukturerede overflader, mikrokavitetseffekter og volumetrisk formning bliver nu brugt til at øge effekten af UV-lysdioder, og kommercielle produkter tilbyder nu rimelig ydeevne.Men ingeniører skal være opmærksomme på, at enhederne udviser lavere effektivitetsniveauer end lysdioder med synligt lys, og den ekstra kompleksitet, der er forbundet med udpakning af fotoner, skubber omkostningerne op. Producentdatablad undgår generelt effektivitetsnumre og i stedet detaljeret flux (i milliwatt (mW)) for en given drevstrøm og spænding.

Eksempel på UV-C LED-løsninger

Der er flere kommercielle UV-C-lysdioder på markedet designet specielt til at udsende stråling ved den optimale bølgelængde til deaktivering af patogener. For eksempel tilbyder OSRAM Opto Semiconductors, Inc. SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, en UV-C LED, der udsender ved 275 nm. LYSDIODEN leverer mellem 35 og 100 mW af den samlede strålingsflux (afhængigt af valg af beholder) fra en 350 milliampere (mA), 5 til 6 volt fremadstrøm/spænding (figur 3).

Figur 3: UV-C-lysdioder tilbyder emissioner, der toppes i intervallet 100 til 280 nm. Ved SARS-CoV-2-deaktivering er den ideelle top mellem 250 og 280 nm. Strålingsfluxen fra OSRAM OSLON UV-C LED viser her toppe ved 277 nm. (Billedkilde: OSRAM)

Et andet eksempel er Everlight Electronics' ELUC3535NUB, en 270 til 285 nm UV-C LED. Enheden er keramisk baseret med en strålingseffekt på 10 mW fra en 100 mA, 5 til 7 volt fremadstrøm/spænding (figur 4).

Figur 4: Everlight Electronics' 270 til 285 nm UV-C LED er monteret i en keramisk krop. LYSDIODEN måler 3,45 x 3,45 mm. (Billedkilde: Everlight Electronics)

På sin side tilbyder SETi/Seoul Viosys CUD5GF1B. LED'en, en 255 nm emitter, er monteret i en keramisk pakke til placering af overflademontering og har lav termisk modstand. Enhedens strålingseffekt er 7 mW fra en 200 mA/7,5 volt drevstrøm/spænding. LED'en udviser minimal afvigelse af den udsendte bølgelængde med stigende temperatur: Den afviger kun 1 nm fra maksimal output på 255 nm over et temperaturinterval på 50 °C. Dette er en vigtig overvejelse for en enhed, der kræver et stramt kontrolleret output for at sikre god deaktivering af vira (figur 5).

Figur 5: SETi/Seoul Viosys' CUD5GF1B UV-C LED afviger kun 1 nm fra sit maksimale output på 255 nm over et temperaturinterval på 50 ° C. (Billedkilde: SETi/Seoul Viosys)

Design med UV-C LED'er

LED'er medbringer deres eget sæt designudfordringer, så det er upraktisk at forsøge at tilpasse et produkt designet omkring en kviksølv-damp lyskilde for at kunne bruge UV-C LED'er. Af den grund er udskiftning af kviksølvdamplamper med UV-C-lysdioder i desinfektions- eller steriliseringsapplikationer ikke kun at bytte en lyskilde til en anden.

Når du vælger UV-C-lysdioder til desinfektion eller sterilisering, skal designprocessen starte med en bestemmelse af det område, hvor UV-C-lyset skal anvendes, og den strålende flux ("bestråling") i watt pr. Meter kvadrat (watt/m²) krævet for at deaktivere målpatogener i den udstrålede zone.

Overvej for eksempel en applikation til desinficering af luften, der kommer ud af en klimakanal. Baseret på 17 J/m² ovenfor skitserede krav til et areal på 0,25 m² at deaktivere vira i luftstrømmen på omkring fem sekunder ville kræve et system med en bestråling på omkring 4 watt/m² (til en samlet effekt på 1 watt).

Når den ønskede bestråling er beregnet, kan ingeniøren finde ud af, hvordan den kan leveres. En tommelfingerregel er at overveje den strålende flux for hver LED og dividere den samlede bestråling med dette nummer for at komme op med det antal LED'er, der kræves for hvert produkt på komponentlisten.

Denne grove beregning er en forenkling, fordi den ikke tager højde for, hvordan fluxen fordeles. To faktorer bestemmer, hvordan den strålende flux berører målfladen. Den første er afstanden fra LED'en til objektet, og den anden er LED'ens "strålevinkel".

Hvis LED betragtes som en punktkilde, falder dens bestråling i henhold til loven om omvendt proportionalitet med kvadratet på afstanden. For eksempel, hvis strålingen i 1 cm afstand fra emissionspunktet er 10 mW pr. Centimeter kvadratisk (mW/cm²), så 10 cm væk vil bestrålingen være faldet til 0,1 mW/cm². Imidlertid antager denne beregning, at LED'en stråler ens i alle retninger, hvilket ikke er tilfældet. I stedet for har LED'er primær optik, der styrer strålingsstrømmen i en bestemt retning. Producenterne angiver typisk lysdiodernes strålevinkel i databladet, og dette defineres som den vinkel, hvor 50 procent af topstrålingen er nået på begge sider af oprindelsen.

OSRAM, Everlight Electronics og SETi/Seoul Viosys UV-C-lysdioder beskrevet ovenfor har strålevinkler på henholdsvis 120, 120 og 125 grader. Figur 6 viser bestrålingsmønsteret for OSRAMS SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED. I diagrammet angiver den stiplede linje mellem 0,4 og 0,6, hvor 50 procent af topstrålingen er nået, idet strålevinklen defineres (60 + 60 grader).

Figur 6: For bestrålingsmønstret for Osrams SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED angiver den stiplede linje mellem 0,4 og 0,6, hvor 50% af den maksimale bestråling nås, idet strålevinklen (60 + 60 grader) defineres. (Billedkilde: OSRAM)

Nøglekarakteristikken, der bestemmer strålevinkel, er forholdet mellem LED-matrice og størrelsen af den primære optik. Derfor kræver produktion af en smallere stråle en mindre emitter eller større optik (eller en passende balance mellem de to). Design-kompromiset er, at en mindre matrice producerer lavere emissioner, mens større optik er sværere at lave, hvilket skubber priserne op og lægger en grænse for strålevinkelkontrol.

Kommercielle lysdioder leveres typisk med fabriksmonteret primæroptik, så beslutningen om form/optik-forholdet er uden for designingeniørens kontrol. Det gør det vigtigt at gennemgå strålevinklen på kortlistede produkter, fordi to identiske outputenheder fra forskellige leverandører kan have helt forskellige emissionsmønstre.

Mens LED-afstanden fra det bestrålede objekt og strålevinklen er en god indledende guide til bestrålingsmønsteret, er der variationskilder. F.eks. Kan lysmønstre fra lysdioder fra en enkelt producent med teoretisk identiske udgange og strålevinkler variere betydeligt i intensitet og kvalitet afhængigt af det primære optiske design. Den eneste måde at være sikker på det faktiske bestrålingsmønster er at teste produktionen af kortlistede produkter.

Bevæbnet med LED-output, afstanden mellem LED og overfladen, som de emner, der skal desinficeres på, sidder, strålevinklen og de faktiske emissionsdata, kan ingeniøren beregne, hvor mange LED'er der skal bruges, og hvordan de skal placeres for at generere den ønskede bestråling over det aktive område.

Det endelige valg af LED kommer ned til den ønskede afvejning mellem pris, effektivitet og kompleksitet. UV-C LED'er er dyre, så en tilgang kan være at bruge færre enheder med højere effekt i stedet for et større antal mindre kraftfulde enheder. Ulempen ved dette scenario er, at omkostningerne til LED-komponenter muligvis er lavere og førerens kompleksitet reduceret. Ulempen er, at på grund af deres lave effektivitet vil de mere kraftfulde enheder kræve bedre termisk styring for at opretholde lange levetider (høje temperaturer reducerer LED-levetiden dramatisk). Dette kræver større køleplader, hvilket fratager nogle af de forventede omkostningsbesparelser.

Designe sekundær optik

Et alternativ til at tilføje lysdioder og/eller øge LED-effekten er at overveje at bruge sekundær optik. Disse enheder kollimerer (producerer parallelle lysstråler med samme intensitet) UV-C-output fra LED'en for effektivt at eliminere eventuelle strålevinkeleffekter. I teorien, med brug af kollimation, bør bestrålingen over målfladen være ensartet (uafhængigt af arrangementet af lysdioder), og et givet niveau af bestråling kan man opnå med færre lysdioder, fordi mindre af output vil blive spildt. Alternativt kan man opnå højere bestråling med det samme antal lysdioder som et design uden sekundær optik (350 mW/m² vs. 175 mW/m² (Figur 7).

Figur 7: UV-C-emissionskollimering ved hjælp af sekundær optik (til venstre) øger bestrålingen af målområdet sammenlignet med et system med samme LED-output, men bruger (ukollimeret) primær optik. (Billedkilde:LEDiL)

I praksis er bestrålingen med sekundær optik mindre end ensartet, fordi kollimering fra selv de bedste produkter er ufuldkommen på grund af diffraktion (selvom jo mindre lysdioden jo bedre kollimering). Også lang eksperimentering med positionering af lysdioder og sekundær optik er ofte nødvendig for at sikre den krævede bestråling fra færre enheder sammenlignet med et lignende design uden sekundær optik.

Bemærk, at den sekundære optik til UV-C LED'er er fremstillet af forskellige materialer end dem, der anvendes med lysdioder med synligt lys. Almindelige løsninger er sprøjtestøbte silikondele, der reflekterer UV-C-bølgelængder godt og giver mulighed for produktion af komplekse linsedesign. Aluminiumsreflektorer kan også bruges til at kollimere UV-C. Afvejningen ved brug af sekundær optik er omkostningsbesparelsen ved at bruge færre lysdioder mod den øgede kompleksitet ved design i kollimatoren.

Sikkerhedsforanstaltninger

Mens UV-stråling ikke er i stand til at trænge langt ind gennem menneskelig hud, absorberes den og kan forårsage kortsigtede skader såsom forbrændinger og langvarig skade såsom rynker og for tidlig ældning af huden. I ekstreme tilfælde kan UV-eksponering forårsage hudkræft. UV-lys er særligt farligt for øjnene, hvor det kan beskadige både nethinden og hornhinden. Ved interaktion med luften kan UV-stråling også producere ozon, der betragtes som en sundhedsrisiko ved høje koncentrationer.

Disse farer gør det til god praksis at designe produkter, der begrænser eksponeringen for UV-C-lys og gør det umuligt for brugerne at se direkte på lysdioden. Da UV-C er usynlig, er det også god praksis at vælge lysdioder, der bevidst inkluderer nogle synlige blå lysemissioner. Dette gør det tydeligt, når UV-C LED'erne er tændt.

Specielt for SARS-CoV-2 muliggør inkorporering af steriliseringsenheder i HVAC-enheder hurtig luftbåren virusdeaktivering, mens UV-C holdes væk fra mennesker. Andetsteds forskes der i lysdioder, der kan monteres på lysarmaturer for at bestråle overflader med meget lave niveauer af UV-C, som er uskadelige for mennesker, men over lang tid giver tilstrækkelig bestråling til at deaktivere vira på overflader såsom borde, stole, gulve og dørhåndtag.

Konklusion

UV-C-stråling kan bruges til at deaktivere patogener såsom SARS-CoV-2 i desinfektions- og steriliseringsprodukter. Den almindelige kunstige kilde til UV-C er imidlertid kviksølv-damplampen, som udgør udfordringer ved bortskaffelse på grund af tungmetalindholdet. UV-C-lysdioder tilbyder et mere effektivt og længerevarende alternativ, der letter bortskaffelsesproblemer, og et antal UV-C-lysdioder er blevet kommercielt tilgængelige med emissionstoppe i bølgelængder, der er ideel til deaktivering af patogen.

Disse lysdioder er dog ikke et simpelt alternativ til drop-in, og der kræves omhyggeligt design for at maksimere deres fordele. Som beskrevet skal en designer starte med den ønskede bestråling på den aktive overflade og arbejde tilbage for at beregne antallet og arrangementet af UV-C-lysdioder, der er nødvendige for at opnå denne bestråling. Designeren skal også beslutte, om de skal stole på LED'ernes primære optik for at producere jævn bestråling, eller om de vil anvende sekundær optik til at kollimere UV-C-output for et optimalt mønster, samtidig med at omkostningerne ved større kompleksitet tages i betragtning.