生命科學(xué)領(lǐng)域的許多實(shí)驗(yàn)室都需要快速、準(zhǔn)確和可靠的測(cè)量方法。這在高效液相色譜(HPLC)和DNA濃度和純度測(cè)量中尤其如此，它們都依賴于通過吸收光譜進(jìn)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(jī)會(huì)，以區(qū)分其產(chǎn)品和擴(kuò)大市場(chǎng)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(cè)試和測(cè)量為中心的應(yīng)用中，處在上限值的UV-C LED非常有用。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(tái)上進(jìn)行常規(guī)測(cè)量。同時(shí)，當(dāng)需要全譜測(cè)量時(shí)，研究人員可以使用實(shí)驗(yàn)室中心位置的更昂貴的全譜紫外燈儀器，這減少了實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(shì)。在本文中，將會(huì)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(cè)
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(dòng)相和固定相之間具有不同的分配系數(shù)，在兩相中做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過反復(fù)多次的吸附-解吸的分配過程，各組分在移動(dòng)速度上產(chǎn)生較大的差別，被分離成單個(gè)組分依次從柱內(nèi)流出。這些組分的檢測(cè)主要通過使用紫外分光光度計(jì)的吸收光譜進(jìn)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(cè)、質(zhì)量控制和生物技術(shù)研究。
目前的HPLC檢測(cè)器通常使用氘燈作為其主要光源。HPLC制造商選擇氘燈，是因?yàn)樵跍y(cè)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(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。
LED實(shí)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(dòng)為0.005%以下。 UV-C LED提供了類似的靈敏度，同時(shí)降低了用于固定波長檢測(cè)的整體儀器的成本和尺寸。這樣，當(dāng)制造商需要單個(gè)或幾個(gè)固定波長時(shí)，能幫助最終用戶合理使用實(shí)驗(yàn)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(huì)浪費(fèi)在預(yù)熱中，這一點(diǎn)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(dòng)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(cè)器的替代光源，并且構(gòu)建更具成本效益的系統(tǒng)。
對(duì)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?yàn)樗ü庠春推渌o助設(shè)備。使用LED檢測(cè)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(cè)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(jìn)行固定波長HPLC檢測(cè)。因此，典型的系統(tǒng)成本預(yù)計(jì)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(jì)。
圖1
使用氘燈光源(a)的固定波長HPLC檢測(cè)器的光路比使用UV-C LED(b)的固定波長HPLC檢測(cè)器的光路復(fù)雜一點(diǎn)。
降低DNA純度測(cè)量的成本
接下來要談到的使用UV-C LED的另一個(gè)例子是DNA濃度和純度測(cè)量。DNA的提取確保了生物學(xué)研究的完整性，會(huì)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(cè)、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(cè)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(cè)量的光譜儀依賴于氙氣閃光燈，它們提供了即時(shí)的開/關(guān)，可以快速評(píng)估在寬濃度范圍內(nèi)高線性度的測(cè)量。
雖然廣譜紫外線燈(比如氙氣閃光燈)可以在多個(gè)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(gè)參數(shù)的測(cè)量。由于DNA純度是通過在260nm和280nm處進(jìn)行的吸收測(cè)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(diǎn)燈期間增加電子設(shè)備的防護(hù)。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(cè)量DNA或蛋白質(zhì)的吸光度時(shí)，在窄波長范圍內(nèi)，UV-C LED可以匹配氙氣閃光燈的測(cè)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(shí)的功率輸出，光譜比較顯示了氙氣燈浪費(fèi)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(duì)雙鏈DNA(dsDNA)的濃度進(jìn)行0.5 ng/μl的檢測(cè)限，并且LED的優(yōu)良光譜質(zhì)量可以進(jìn)行三個(gè)數(shù)量級(jí)的濃度線性測(cè)量，從0.5-2000 ng/μl(圖3)。
圖3
在260nm處用UV-C LED測(cè)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(jì)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(cè)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(gè)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(gè)LED 1W)。典型的氙氣閃光燈的平均功率在2W至60W之間。事實(shí)上，UV-C LED系統(tǒng)為固定波長測(cè)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(huì)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(shí)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(jì)人員可以利用UV-C LED的其他優(yōu)勢(shì)，例如成本和尺寸，同時(shí)不會(huì)犧牲產(chǎn)品性能。UV-C LED可實(shí)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(shí)降低最終用戶的總體成本。這些新設(shè)備正在推動(dòng)生命科學(xué)儀器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，以解決圍繞生產(chǎn)力、成本降低和小型化的市場(chǎng)趨勢(shì)。
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