Keime mit UVC-LEDs abtöten!
Der menschliche Kampf gegen Viren dauert schon lange an. Chemische Desinfektionsmittel sind in ihrer Abtötungsfähigkeit nur begrenzt, da Mikroorganismen wie Viren und Bakterien Resistenzen entwickeln können. Ultraviolettes (UV) Licht ist eine effektivere Methode zur Desinfektion und Sterilisation von Wasser, Luft und Oberflächen, was es zu einer wirksameren Waffe gegen das Coronavirus macht.
Um die Schutzkleidung des medizinischen Personals im Wuhan Huoshenshan Hospital zu desinfizieren, um die Ausbreitung des neuen Coronavirus nach außen zu verhindern, wurde vor Ort ein Desinfektionszelt mit UVC-LEDs gebaut, das eine brandneue Desinfektionsmethode darstellt. In einem Raum mit einer Fläche von 1,5m x 0,75m x 2m wird eine mehrlagige Kunstfaserwand verbaut und die reflektierenden Oberflächen von Decke, Wand und Boden mit UVC-Strahlern des amerikanischen Zulieferers Bolb ausgestattet. Während des 30-sekündigen Desinfektionsprozesses dosierte die UVC-LED auf 6mJ/cm2 und die Helligkeit betrug immer 200μW/cm2. Die Wellenlänge des Lichts von 265 bis 280 nm zerstört die genetische Information und verhindert so die Ausbreitung des Virus oder verhindert, dass es andere Zellen infiziert.
Künstliche UV-Quelle
Quecksilberbasierte Strahlungsquellen werden seit langem zur Erzeugung von UV-Licht verwendet, wie z.B. Gas mit Niederdruck- und Mitteldruck-Quecksilberdampflampen (Hg), die durch Gasentladung UV-Licht Licht im Spektrum von 185 bis 405 nm erzeugen. Mit Hilfe der Glühentladung kann mittels ultravioletter Kaltkathodenröhren (UV-CCL- oder UV-Lampen) auch ultraviolettes Licht im Spektralbereich von 185 bis 405 nm erzeugt werden.
UV-LEDs emittieren UV-Strahlen im Spektralbereich von 227 bis 405 nm durch Elektrolumineszenz. Wenn UVC-LEDs verwendet werden, sind die Wellenlängen besonders kurz (zwischen 260 und 270 nm), um den stärksten keimtötenden Effekt zu erzielen. Abbildung 1 zeigt das Beispiel von Cryptosporidium, einem Parasiten, der besonders anfällig für die Übertragung in ungereinigtem Trinkwasser ist. Andere Krankheitserreger, Bakterien und Viren weisen sehr ähnliche Eigenschaften auf.
LEDs bieten auch eine hervorragende stabile spektrale Leistung unter bestimmten Temperaturbedingungen mit praktisch unbegrenzter Anzahl von Schaltzyklen, was sie ideal für mobile Lösungen macht, die ohne Verzögerung eine volle Lichtleistung erfordern.
Mehrere Waffen
Ultraviolettes Licht hat einen Wellenlängenbereich von 100 bis 400 nm und ist für das bloße Auge unsichtbar. Ihre Frequenzen sind in UVA-, UVB- und UVC-Bänder unterteilt, und verschiedene Bänder haben unterschiedliche Auswirkungen auf Organismen.
LEDs ermöglichen es uns, so ziemlich zu entscheiden, welche Wellenlänge wir wählen sollen. Im Vergleich zu UVB- und UVC-Strahlen haben UVA-LEDs mit Wellenlängen von 315 bis 400 nm eine stärkere Penetration in dispergierte biologische Gewebe wie die menschliche Haut. UVA-LEDs können in Bereichen wie Zahnmedizin und Kosmetik wie Bräunungsstudios und Nagelstudios eingesetzt werden. In der Industrie werden UVA-LEDs zur Aushärtung von Harzen, Klebstoffen und Farben eingesetzt.
UVB-LED-Strahlen haben Wellenlängen von 280 bis 315 nm und haben eine relativ schwache Penetration von dispergiertem biologischem Gewebe, aber sie sind diffuser. UVB-Strahlen fördern die Bildung von Vitamin D im Körper, weshalb UVB-LEDs vor allem in der Phototherapie und bei dermatologischen Behandlungen eingesetzt werden.
Kein Schutz vor UVC-Strahlen
Hochenergetisches Licht von UVC-LEDs wird zunehmend in biologischem Gewebe gestreut. Diese Strahlen, die Wellenlängen von 100 bis 280 nm haben, dringen nicht besonders tief in das Gewebe ein, sondern können ungeschützte Haut verbrennen. Da die Ozonschicht in der Erdatmosphäre die natürliche UVC-Strahlung des Sonnenlichts absorbiert, hat nichts auf der Erde einen Abwehrmechanismus gegen UVC-Strahlen aufgebaut, ebenso wenig wie Viren und Bakterien. Diese Anfälligkeit macht die künstliche UVC-Lichtbestrahlung zu einer besonders effektiven Methode der Sterilisation und Desinfektion.
Abbildung 1: Cryptosporidium und andere Bakterien und Viren sind am empfindlichsten gegenüber UVC-LED-Strahlen, so dass die Wellenlängen von UVC-LEDs am effektivsten sind. Quelle: Stanley
UVC-LEDs in der Praxis
Jeder Mikroorganismus reagiert unterschiedlich auf UVC-Strahlung, weshalb die Intensität der Strahlung an die gewünschte Extinktionsrate, also die Anzahl der abgetöteten Mikroorganismen, angepasst werden sollte. Die Intensität der UV-Strahlung ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, was bedeutet, dass UV-Strahlung ihre Wirksamkeit schnell verliert, wenn der Abstand von der Strahlungsquelle zunimmt, weshalb Objekte, die sterilisiert werden müssen, so nah wie möglich am Emitter sein sollten.
Viren, einschließlich des neuen Coronavirus, sind oft in der Luft, daher werden UVC-LEDs für den Einsatz in Klimaanlagen empfohlen. Neben der gewünschten Extinktionsrate müssen auch Luftstrom und Luftströmungsgeometrie berücksichtigt werden.
Ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm hat sich als besonders wirksam bei der Abtötung von Mikroorganismen erwiesen, obwohl es bei direkter Anwendung schädlich für Haut und Augen sein kann. Auf der anderen Seite kann "weit ultraviolettes" Licht (207 bis 222 nm) auch die meisten in der Luft übertragenen Krankheitserreger weitgehend inaktivieren, ohne exponiertes menschliches Gewebe zu schädigen.
Oberflächen desinfizieren
Andere Viren und Bakterien können sich auch durch Oberflächen ausbreiten, einschließlich Influenza, Norovirus, Rotavirus, Streptokokken und Salmonellen. Wenn größere Flächen desinfiziert werden sollen, wäre die UVC-LED PU35CL1.0 von Lextar mit geringer Leistung ein geeignetes Produkt mit einer Leistung von 2-4 mW und 20 mA. Es kann auch verwendet werden, um Getränke zu pasteurisieren, antibakterielle Lebensmittel zu verpacken und Zahnbürsten zu desinfizieren.
Für kleinere Installationen stellt Bolb die kompakten UVC-LEDs S3535-DR100-W272-P40 mit den Maßen 3,5 x 3,5 x 0,9 mm3 vor. Mit einer DC-Leistungsaufnahme von 40mW und einem Strom von nur 100mA zeichnet er sich durch den niedrigsten Stromverbrauch und die niedrigste Heizleistung der Welt aus.
Im High-Power-Segment stellte Bolb die UVC-LED S6060-DR250-W272-P100 vor, die leistungsstärkste Komponente mit einer DC-Leistungsaufnahme von 100 mW bei 250 mA.
Die UVC-LEDs von Bolb eignen sich besonders für die Trinkwasseraufbereitung und Wasserdesinfektion in Schwimmbädern oder Wohnmobilen sowie für Anwendungen mit strengeren Anforderungen an die Strahlungsintensität (W/m2), wie industrielle Filtersysteme, Luftreiniger, medizinische Desinfektionsboxen und Staubsauger.
Abbildung 2: Hohe Leistung - Bolbs High Power UVC-LEDs haben einen Stromverbrauch von 100mW bei 250mA (mit und ohne Montage)
Auswahlkriterien für UV-LEDs
Ein wesentliches Auswahlkriterium für UV-LEDs ist der Abstrahlwinkel, der in einigen Anwendungen benötigt wird. Die UVC-LEDs von Bolb haben einen Abstrahlwinkel von 150° und können bei Bedarf mit den Linsen von Ledil weiter fokussiert werden. Da dies die zu bestrahlende Oberfläche reduziert, erhöht es auch die Strahlungsenergie pro Quadratmeter, was bedeutet, dass bei gleicher Energieabgabe weniger Belichtungszeit benötigt wird. Verschiedene UV-Linsen mit kompatiblem Glas ermöglichen eine einfache Einstellung der Bestrahlungsstärke für verschiedene Zwecke. Für die UV-Linsen verwendet Ledil eine spezielle Silikonsorte, die speziell mit UVC-Wellenlängen kompatibel ist, sowie Aluminiumspiegel mit hohem Reflexionsvermögen für alle UV-Wellenlängen, insbesondere für Desinfektionsanwendungen.
Weitere Auswahlkriterien für UV-LEDs sind nationale UV-Standards, Reflektivität verschiedener Materialien (Abbildung 3), Wärmemanagement, Treiber, Stromverbrauch und das inverse quadratische Gesetz, die bestimmen, wie die Strahlintensität abnimmt, wenn sie sich von der Quelle entfernt.
Abbildung 3: Verschiedene Materialien haben unterschiedliche UV-Reflexionsgrade, die während der Designphase berücksichtigt werden müssen.
Bolb's Blazar Oberflächenstrahler erfüllen viele dieser Kriterien. Dieses UVC-Modul verfügt über 25 LEDs (5×5) und einen 55 ° -Reflektor, um eine effektive Leistung von 2 W zu erzielen, während der Stromverbrauch nur 1,25 A beträgt.
Derzeit werden Multi-UV-LED-Produkte entwickelt. Sie verwenden Dual-Wellenlängen-Chips, die mehrere UV-Wellenlängen wie UVA und UVC liefern, was sie zu einer vielseitigen Waffe gegen Viren, Bakterien und andere Krankheitserreger macht.
