氘灯

生命科学领域的许多实验室都需要快速、准确和可靠的测量方法。这在高效液相色谱（HPLC）和DNA浓度和纯度测量中尤其如此，它们都依赖于通过吸收光谱进行定量分析。这些应用的领先的仪器制造商正在寻求替代光源，例如UV-C（在100-280nm范围内C波段的紫外LED），作为满足其最终用户新需求的一种手段。UV-C LED可为这些制造商提供小型化和低成本解决方案的机会，以区分其产品和扩大市场渗透率。

其他频段的UV LED已经广泛应用于一些应用中。UV-C LED的使用受到LED效率的限制，特别是在光谱带的上限值。

在生命科学领域的许多以测试和测量为中心的应用中，处在上限值的UV-C LED非常有用。实验室都在寻找小型仪器，其成本低于同类的大型仪器，来提高生产力和实验室性能。新兴技术正在让仪器小型化，这不仅降低了成本，而且让实验室使用面积减少。低成本、小尺寸的基于LED的仪器可以让研究人员能够在其工作台上进行常规测量。同时，当需要全谱测量时，研究人员可以使用实验室中心位置的更昂贵的全谱紫外灯仪器，这减少了实验室瓶颈并提高了生产率。

以前，仪器制造商在发展过程中都受到市场上UV-C LED的较低性能的阻碍。然而，随着更高性能组件的出现，制造商可以使用LED的功能用新的仪器模型来解决这些趋势。在本文中，将会讨论UV-C LED的一些应用。

UV-C LED有利于HPLC中的固定波长检测

高效液相色谱（HPLC）是将样品混合物引入色谱柱中的一种分离技术。由于样品溶液中的各组分在流动相和固定相之间具有不同的分配系数，在两相中做相对运动时，经过反复多次的吸附-解吸的分配过程，各组分在移动速度上产生较大的差别，被分离成单个组分依次从柱内流出。这些组分的检测主要通过使用紫外分光光度计的吸收光谱进行分析。HPLC通常用于蛋白质纯化、药物和饮料制造的常规过程监测、质量控制和生物技术研究。

目前的HPLC检测器通常使用氘灯作为其主要光源。HPLC制造商选择氘灯，是因为在测量期间内光输出的稳定性很高。在HPLC中，UV光源的高光输出稳定性可确保检测到较低浓度的化合物。与其他紫外线灯如氙气闪光灯或汞灯相比，氘灯的稳定性提高了两个数量级。

LED实现稳定性要求

新推出的高性能紫外LED与高端氘灯的稳定性相当，峰值波动为0.005％以下。 UV-C LED提供了类似的灵敏度，同时降低了用于固定波长检测的整体仪器的成本和尺寸。这样，当制造商需要单个或几个固定波长时，能帮助最终用户合理使用实验室面积。此外，LED提供更长的使用寿命并立即打开，确保LED寿命不会浪费在预热中，这一点与氘灯不同。此外，来自LED的光线可以很容易地光纤耦合，这在需要隔离流动池的应用中十分有利。制造商可以选择UV-C LED作为固定波长检测器的替代光源，并且构建更具成本效益的系统。

对于固定波长HPLC系统来说，成本的最大差异通常源于初始配置的成本，因为它包括光源和其他辅助设备。使用LED检测器的HPLC系统需要电源、光电二极管和分束器。带有LED的HPLC检测器系统的总成本约为750美元。相比之下，使用氘光源的HPLC系统需要更昂贵的设备来建造。必要的电源昂贵得多，并且需要空间来存放灯。此外，氘灯是广谱光源，在紫外线范围内发射许多波长的光。 这需要使用昂贵的过滤器和单色仪进行固定波长HPLC检测。因此，典型的系统成本预计将接近4,000美元。图1显示了使用氘灯（a）与UV-C LED（b）的典型仪器设计。

图1

使用氘灯光源（a）的固定波长HPLC检测器的光路比使用UV-C LED（b）的固定波长HPLC检测器的光路复杂一点。

降低DNA纯度测量的成本

接下来要谈到的使用UV-C LED的另一个例子是DNA浓度和纯度测量。DNA的提取确保了生物学研究的完整性，会影响很多领域，如生物技术、法医学、基因组研究和药物。这包括遗传障碍的检测、DNA指纹的产生、以及遗传工程生物的产生。

在这些应用中，提高生产效率和降低成本的关键集中于测量的速度和准确性。DNA和蛋白质在260nm和280nm处有吸收峰，并且这些波长处的吸光度分别决定了DNA和蛋白质的浓度，而吸光度的比率决定了DNA样品的纯度。用于DNA浓度和纯度测量的光谱仪依赖于氙气闪光灯，它们提供了即时的开/关，可以快速评估在宽浓度范围内高线性度的测量。

虽然广谱紫外线灯（比如氙气闪光灯）可以在多个波长（大部分光能在可见光谱中）产生充足的光，但只有特定波长的光才能用于单个参数的测量。由于DNA纯度是通过在260nm和280nm处进行的吸收测量来确定的，所以必须使用其他的部件，例如滤光镜和反射镜，在广谱灯的光照射到样品之前滤除不要的波长。氙气闪光灯还需要高电压并且在点灯期间增加电子设备的防护。这些昂贵的电子设备加上其他光学组件，迅速增加了仪器的总体成本。

LED和UV灯光谱

测量DNA或蛋白质的吸光度时，在窄波长范围内，UV-C LED可以匹配氙气闪光灯的测量性能。图2比较了1-mW、260nm UV-C LED与15W氙气闪光灯的光谱辐照度。

图2

氙气闪光灯和UV-C LED在260nm时的功率输出，光谱比较显示了氙气灯浪费的能量和LED源的较高峰值功率。

LED的高光输出可以让研究人员对双链DNA（dsDNA）的浓度进行0.5 ng/μl的检测限，并且LED的优良光谱质量可以进行三个数量级的浓度线性测量，从0.5-2000 ng/μl（图3）。

图3

在260nm处用UV-C LED测量双链DNA（dsDNA）浓度，结果显示在不同的浓度水平上表现出近似完美的线性。

LED的性能和单色度让LED的设计比氙闪光灯仪器更简单，需要更少的光学元件并因此降低系统成本。此外，UV-C LED的电源不那么复杂，成本较低。组件成本的降低可以生产更具成本效益的仪器，而不牺牲DNA纯度测量的性能。

LED系统效率

组件成本在初始系统成本上提供了显著差异。但是，系统效率也是导致整体成本的一个因素。在这里给出的系统示例中，UV-C LED系统的功耗约为2W（每个LED 1W）。典型的氙气闪光灯的平均功率在2W至60W之间。事实上，UV-C LED系统为固定波长测量提供了更高效的光源。由于氙气闪光灯的大量光输出以不需要的波长被滤出，所以如图2所示，LED在所需波长处会提供更多的功率输出。

如这里所示，使用UV-C LED的系统可以匹配甚至可能超过使用UV灯系统的性能，同时为固定波长应用提供更高的效率和降低成本。相当的性能使得仪器设计人员可以利用UV-C LED的其他优势，例如成本和尺寸，同时不会牺牲产品性能。UV-C LED可实现更长的仪器使用寿命、更高的可靠性和更高的生产率，同时降低最终用户的总体成本。这些新设备正在推动生命科学仪器设计的创新，以解决围绕生产力、成本降低和小型化的市场趋势。