Cum să utilizați ledurile UV-C pentru controlul sigur, eficace și eficient al agenților patogeni

Pandemia de COVID-19 a încurajat inginerii să ia în calcul lumina ultravioletă (UV) pentru produsele de dezinfecție și sterilizare care „dezactivează” SARS-CoV-2 (virusul care provoacă COVID-19). Produsele convenționale de dezinfecție și sterilizare utilizează lămpi cu vapori de mercur la presiune joasă pentru a emite în spectrul UV-A necesar pentru eliminarea agenților patogeni. Dar ledurile oferă multe avantaje, inclusiv o eficiență mai mare, o putere de iluminare mai mare, o durată de viață mai lungă și costuri mai mici pe durata de utilizare.

Ledurile UV-A sunt relativ ușor de fabricat – prin adaptarea ledurilor cu lumină albastră la domeniul spectral aproape de cel vizibil – și sunt disponibile de peste un deceniu pentru aplicații industriale de întărire. Dar dezactivarea virusului SARS-CoV-2 necesită UV-C, care are energie mai puternică.

În ultimii câțiva ani, ledurile UV-C au devenit disponibile în comerț. Totuși, aceste dispozitive nu pot fi considerate ca un simplu înlocuitor pentru lămpile convenționale cu vapori de mercur, deoarece vin cu multe provocări noi în ceea ce privește proiectarea. De exemplu, produsele de dezinfecție și igienizare necesită un flux radiant ridicat și strict controlat pentru a asigura funcționarea corectă. În plus, ledurile UV-C nu sunt periculoase doar pentru bacterii și virusuri, ci și pentru oameni, astfel că o protecție adecvată este o parte importantă a procesului de proiectare.

Acest articol va prezenta pe scurt tipurile de radiații UV și rolul acestora în igienizare și controlul agenților patogeni. Se vor descrie apoi avantajele utilizării ledurilor ca sursă de radiație, precum și provocările de proiectare asociate. Articolul va prezenta apoi soluții la aceste provocări folosind exemple de leduri UV de la OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics și SETi/Seoul Viosys.

De ce să folosiți lumina UV pentru controlul agenților patogeni?

Radiațiile UV se încadrează în spectrul electromagnetic dintre lumina vizibilă și razele X și cuprind fotoni cu lungime de undă scurtă (400-100 nanometri (nm)) cu energii corespondente ridicate. Lungimea de undă a radiației este invers proporțională cu frecvența: cu cât este mai scurtă lungimea de undă, cu atât mai mare este frecvența (Figura 1).

Figura 1: în spectrul electromagnetic, radiațiile UV se situează imediat sub lumina vizibilă, la o lungime de undă cuprinsă între 100 și 400 nm, și se împart în trei tipuri, A, B și C. (Sursa imaginii: Guvernul Canadei)

În funcție de felul în care radiația UV interacționează cu materialele biologice, au fost definite trei tipuri de lumină UV: UV-A (de la 400 până la 315 nm); UV-B (de la 314 până la 280 nm); și UV-C (de la 279 până la 100 nm). Soarele produce toate cele trei forme, dar expunerea umană este limitată în principal la UV-A, deoarece puține raze UV-B trec de stratul de ozon al Pământului, iar razele UV-C nu trec deloc. Cu toate acestea, există mai multe metode de producere artificială a tuturor celor trei tipuri de lumină UV, de exemplu, lămpile cu vapori de mercur și, mai recent, ledurile UV.

Radiația UV-C a fost o tehnologie consacrată pentru eradicarea agenților patogeni cu mult înainte de actuala pandemie. Produsele convenționale utilizează lămpi cu vapori de mercur ca sursă de UV. Cercetările recente privind eficacitatea radiațiilor UV-C asupra virusului SARS-CoV-2 au arătat că lumina UV cu o lungime de undă de aproximativ 250-280 nm este absorbită în mod preferențial de ARN-ul virusului, iar o doză totală de 17 jouli pe metru pătrat (J/m²) dezactivează 99,9% din agenții patogeni. Rețineți că acest nivel de iradiere nu ucide virusul în totalitate, dar îi întrerupe ARN-ul suficient de mult încât să îi împiedice reproducerea, făcându-l astfel inofensiv și limitând în același timp expunerea umană la UV.

Surse de lumină UV

Sursa tradițională de lumină UV este lampa cu vapori de mercur. Aceasta este un dispozitiv cu descărcare în gaz, în care lumina este emisă de plasma metalului vaporizat atunci când acesta este excitat de o descărcare electrică. Unele produse încorporează un tub cu arc din cuarț topit care încurajează emisia maximă la lungimea de undă UV-C de 185 nm (pe lângă unele emisii de raze UV-A și UV-B), în scopul dezinfecției și sterilizării (Figura 2).

Figura 2: înainte de apariția ledurilor UV-C, lămpile cu vapori de mercur la presiune joasă reprezentau cea mai practică sursă de lumină UV. (Sursa imaginii: JKL Components)

Lămpile cu vapori de mercur sunt relativ eficiente și de lungă durată în comparație cu sursele convenționale de lumină cu incandescență, dar principalul lor dezavantaj este eliberarea de mercur toxic în mediul înconjurător în cazul în care becul se sparge în timpul utilizării normale sau la eliminare.

Pe de altă parte, ledurile UV-C oferă aplicațiilor de dezinfecție și sterilizare aceleași avantaje cheie pe care le aduc ledurile iluminatului general, inclusiv eficacitate, putere de iluminare mai mare, durată de viață mai lungă și costuri mai mici pe durata de viață. În plus, deși ledurile trebuie eliminate cu atenție, acestea nu prezintă aceleași pericole pentru mediu ca și sursele de lumină pe bază de mercur.

Ledurile UV-C se bazează pe tehnologia ledurilor albastre. Acestea utilizează substraturi de nitrură de aluminiu și galiu (AlGaN) ca platformă pentru emițători cu bandă energetică interzisă mai largă (lungime de undă mai scurtă) decât ledurile roșii. Cu toate acestea, ledurile UV-C sunt mai puțin eficiente și costă mai mult decât ledurile albastre, în mare parte din cauza faptului că nitrura de galiu nu este transparentă la radiațiile UV-C. Drept urmare, relativ puțini fotoni UV-C emiși scapă din matriță.

Dezvoltările recente, inclusiv metalizarea reflectorizantă a contactului p, substraturile modelate, suprafețele texturate, efectele de microcavitate și modelarea volumetrică, sunt acum utilizate pentru a spori eficacitatea ledurilor UV, iar produsele comerciale oferă acum performanțe rezonabile. Dar inginerii trebuie să fie conștienți de faptul că dispozitivele prezintă niveluri de eficacitate mai scăzute decât ledurile cu lumină vizibilă, iar complexitatea suplimentară asociată cu extragerea fotonilor crește costurile. Fișele tehnice ale producătorilor evită, în general, valorile de eficiență și detaliază în schimb fluxul (în miliwați (mW)) pentru curentul și tensiunea de acționare specificate.

Exemple de soluții cu leduri UV-C

Pe piață există mai multe leduri UV-C comerciale concepute special pentru a emite radiații la lungimea de undă optimă pentru dezactivarea agenților patogeni. De exemplu, OSRAM Opto Semiconductors, Inc. oferă SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, un led UV-C care emite la 275 nm. Ledul livrează între 35 și 100 mW de flux radiant total (în funcție de selecția numărului „bin”) de la un curent/o tensiune directă de 350 miliamperi (mA), de la 5 până la 6 volți (Figura 3).

Figura 3: ledurile UV-C ating emisii maxime în intervalul 100-280 nm. Pentru dezactivarea virusului SARS-CoV-2, maximul ideal se situează între 250 și 280 nm. Fluxul radiant de la ledul UV-C OSRAM OSLON prezentat aici atinge maximul la 277 nm. (Sursa imaginii: OSRAM)

Un alt exemplu de dispozitiv este ELUC3535NUB de la Everlight Electronics, un led UV-C de la 270 până la 285 nm. Dispozitivul este pe bază de ceramică, cu o putere radiantă de 10 mW la un curent/o tensiune directă de 100 mA, între 5 și 7 volți (Figura 4).

Figura 4: ledul UV-C cu intervalul 270-285 nm de la Everlight Electronics este montat într-un corp ceramic. Ledul măsoară 3,45 x 3,45 mm. (Sursa imaginii: Everlight Electronics)

La rândul său, SETi/Seoul Viosys oferă modelul CUD5GF1B. Ledul, un emițător de 255 nm, este montat într-o capsulă ceramică pentru montare pe suprafață și are o rezistență termică redusă. Puterea radiantă a dispozitivului este de 7 mW la un curent/o tensiune de acționare de 200 mA/7,5 volți. Ledul prezintă o deviație minimă a lungimii de undă emise odată cu creșterea temperaturii: se abate cu numai 1 nm de la valoarea sa maximă de ieșire de 255 nm, într-un interval de temperaturi al matriței de 50 ˚C. Acesta este un aspect important pentru un dispozitiv care necesită o ieșire strict controlată pentru a asigura o bună dezactivare a virusurilor (Figura 5).

Figura 5: ledul UV-C CUD5GF1B de la SETi/Seoul Viosys se abate cu numai 1 nm de la puterea sa maximă de ieșire de 255 nm în intervalul de temperatură al matriței de 50 ˚C. (Sursa imaginii: SETi/Seoul Viosys)

Proiectarea cu leduri UV-C

Ledurile vin cu propriul set de provocări în materie de proiectare, astfel că nu este practic să încercați adaptarea unui produs proiectat pentru o sursă de lumină cu vapori de mercur în scopul de a acomoda ledurile UV-C. Din acest motiv, înlocuirea lămpilor cu vapori de mercur cu leduri UV-C în aplicațiile de dezinfecție sau sterilizare nu este doar o simplă înlocuire a unei surse de lumină cu alta.

La selectarea ledurilor UV-C pentru dezinfecție sau sterilizare, procesul de proiectare trebuie să înceapă cu determinarea zonei pe care va trebui să fie aplicată lumina UV-C, și cu determinarea fluxului radiant („iradiere”) în wați pe metru pătrat (wați/m²) necesar pentru a dezactiva agenții patogeni țintă din zona iradiată.

Luați în considerare, de exemplu, o aplicație pentru dezinfectarea aerului care iese dintr-o conductă de aer condiționat. Pe baza cerințelor de 17 J/m² prezentate mai sus, pentru o suprafață de 0,25m², pentru a dezactiva orice virus din fluxul de aer în aproximativ cinci secunde ar fi necesar un sistem cu o iradiere de aproximativ 4 wați/m² (pentru o putere totală de 1 watt).

Odată calculată iradierea dorită, inginerul poate stabili modul în care aceasta poate fi furnizată. O regulă de bază este luarea în calcul a fluxului radiant al fiecărui led și împărțirea iradierii totale la acest număr pentru a obține numărul de leduri necesare pentru fiecare produs de pe lista scurtă de componente.

Acest calcul aproximativ este o simplificare, deoarece nu ia în considerare modul în care este distribuit acest flux. Doi factori determină modul în care fluxul radiant lovește suprafața țintă. Primul este distanța de la led la obiect, iar al doilea este „unghiul fasciculului” ledului.

Dacă ledul este considerat ca o sursă punctiformă, iradierea acestuia scade conform unei legi pătratice inverse. De exemplu, dacă la o distanță de 1 cm față de punctul de emisie, iradierea este de 10 mW pe centimetru pătrat (mW/cm²), atunci la 10 cm distanță iradierea va fi scăzut la 0,1 mW/cm². Cu toate acestea, acest calcul presupune că ledul radiază în mod egal în toate direcțiile, ceea ce nu este cazul. În schimb, ledurile au elemente optice principale care orientează fluxul radiant într-o anumită direcție. În mod obișnuit, producătorii includ în fișa tehnică unghiul fasciculului ledurilor, care este definit ca fiind unghiul la care se atinge 50% din iradierea maximă de o parte și de alta a originii.

Ledurile UV-C de la OSRAM, Everlight Electronics și SETi/Seoul Viosys, descrise mai sus, au unghiuri ale fasciculului de 120, 120 și, respectiv, 125 de grade. Figura 6 prezintă modelul de iradiere pentru ledul UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 de la OSRAM. În diagramă, linia întreruptă între 0,4 și 0,6 indică locul în care se atinge 50% din iradierea maximă, definind unghiul fasciculului (60 + 60 de grade).

Figura 6: pentru modelul de iradiere al ledului UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 de la OSRAM, linia întreruptă între 0,4 și 0,6 indică locul în care se atinge 50% din iradierea maximă, definind unghiul fasciculului (60 + 60 de grade). (Sursa imaginii: OSRAM)

Caracteristica cheie care determină unghiul fasciculului este raportul dintre matrița de leduri și dimensiunea elementului optic principal. Prin urmare, producerea unui fascicul mai îngust necesită un emițător mai mic sau un element optic mai mare (sau un echilibru adecvat între cele două). Compromisul în ceea ce privește proiectarea este faptul că o matrice mai mică produce emisii mai mici, în timp ce elementele optice mai mari sunt mai greu de realizat, ceea ce duce la creșterea prețurilor și limitează controlul unghiului fasciculului.

De obicei, ledurile din comerț sunt furnizate cu elementul optic principal montat din fabrică, astfel că decizia privind raportul matrice/element optic este în afara controlului inginerului de proiectare. De aceea, este important să se analizeze unghiul fasciculului produselor de pe lista scurtă, deoarece două dispozitive de ieșire identice de la furnizori diferiți pot avea modele de emisie destul de diferite.

În timp ce distanța dintre led și obiectul iradiat și unghiul fasciculului este un bun ghid inițial pentru modelul de iradiere, există și surse de variație. De exemplu, modelele luminoase ale ledurilor de la un singur producător, cu ieșiri și unghiuri ale fasciculului teoretic identice, pot varia considerabil în intensitate și calitate, în funcție de designul elementului optic principal. Singura modalitate prin care putem fi siguri de modelul real de iradiere este testarea puterii produselor preselectate.

Știind care este puterea ledului, distanța dintre led și suprafața pe care vor fi așezate obiectele care urmează să fie dezinfectate, unghiul fasciculului și datele reale de emisie, inginerul poate calcula câte leduri vor fi necesare și cum ar trebui poziționate pentru a genera iradierea dorită pe suprafața activă.

Alegerea finală a ledului se reduce la compromisul dorit între cost, eficacitate și complexitate. Ledurile UV-C sunt costisitoare, astfel că o abordare ar putea consta în utilizarea unui număr mai mic de dispozitive cu putere mai mare în loc de utilizarea unui număr mai mare de dispozitive cu putere mai mică. Avantajul acestui scenariu este că s-ar putea reduce costul componentelor ledurilor, precum și complexitatea driverului. Dezavantajul este că, din cauza eficacității lor scăzute, dispozitivele mai puternice vor necesita un management termic mai bun pentru a menține o durată de viață lungă (temperaturile ridicate reduc drastic longevitatea ledurilor). Acest lucru necesită radiatoare mai mari, ceea ce anulează o parte din economiile de costuri anticipate. 

Proiectarea elementelor optice secundare

O alternativă la adăugarea de leduri și/sau la creșterea puterii ledurilor este utilizarea elementelor optice secundare. Aceste dispozitive colimează (produc fascicule de lumină paralele de intensitate egală) emisia UV-C de la led pentru a elimina în mod eficient orice efect de unghi al fasciculului. În teorie, prin utilizarea colimării, iradierea pe suprafața țintă ar trebui să fie uniformă (independent de dispunerea ledurilor), iar un anumit nivel de iradiere ar trebui să fie obținut cu mai puține leduri, deoarece se va irosi o cantitate mai mică din emisii. Alternativ, se poate obține o iradiere mai puternică cu același număr de leduri, ca în cazul unui model fără element optic secundar (350 mW/m² față de 175 mW/m²) (Figura 7).

Figura 7: colimarea emisiei UV-C cu ajutorul elementului optic secundar (stânga) mărește iradierea zonei țintă în comparație cu un sistem cu aceeași putere a ledului, dar care utilizează un element optic principal (necolimat). (Sursa imaginii: LEDiL)

În practică, iradierea cu element optic secundar este mai puțin uniformă, deoarece colimarea chiar și a celor mai bune produse este imperfectă din cauza difracției (deși, cu cât ledul este mai mic, cu atât mai bună va fi colimarea). În plus, este adesea nevoie de experimente îndelungate cu poziționarea ledurilor și a elementului optic secundar pentru a asigura iradierea necesară de la mai puține dispozitive, în comparație cu un design similar fără element optic secundar.

Rețineți că elementul optic secundar pentru ledurile UV-C este fabricat din materiale diferite de cele utilizate pentru ledurile cu lumină vizibilă. Soluțiile obișnuite sunt piesele din silicon turnate prin injecție care reflectă bine lungimile de undă UV-C și permit producerea unor modele de lentile complexe. Reflectoarele din aluminiu pot fi, de asemenea, utilizate pentru a colima razele UV-C. Compromisul în cazul utilizării elementului optic secundar constă în reducerea costurilor prin utilizarea unui număr mai mic de leduri în raport cu complexitatea sporită a proiectării colimatorului.

Măsuri de siguranță

Deși radiațiile UV nu pot pătrunde mult prin pielea umană, acestea sunt absorbite și pot provoca daune pe termen scurt, cum ar fi arsurile, și daune pe termen lung, cum ar fi ridurile și îmbătrânirea prematură a pielii. În cazuri extreme, expunerea la UV poate cauza cancer de piele. Lumina UV este deosebit de periculoasă pentru ochi, unde poate afecta atât retina, cât și corneea. De asemenea, prin interacțiunea cu aerul, radiațiile UV pot produce ozon, care este considerat riscant pentru sănătate, la concentrații ridicate.

Aceste pericole fac ca buna practică să implice proiectarea produselor astfel încât expunerea la lumina UV-C să fie limitată și să fie imposibilă privirea directă a ledurilor de către utilizatori. Deoarece razele UV-C sunt invizibile, o bună practică este, de asemenea, să se selecteze leduri care includ în mod deliberat unele emisii de lumină albastră vizibilă. În acest fel, este evident când ledurile UV-C sunt pornite.

Pentru SARS-CoV-2, în special, încorporarea unităților de sterilizare în unitățile HVAC permite dezactivarea rapidă a virusului transmis prin aer, păstrând în același timp razele UV-C departe de oameni. Pe de altă parte, se efectuează cercetări privind ledurile care pot fi montate pe corpurile de iluminat pentru a iradia suprafețele cu niveluri foarte scăzute de UV-C, care sunt inofensive pentru oameni, dar care, pe perioade lungi de timp, asigură o iradiere suficientă pentru a dezactiva orice virus de pe suprafețe precum mesele, scaunele, podelele și mânerele ușilor.

Concluzie

Radiația UV-C poate fi utilizată în produsele de dezinfecție și sterilizare pentru a dezactiva agenții patogeni, cum ar fi SARS-CoV-2. Cu toate acestea, sursa artificială obișnuită de UV-C este lampa cu vapori de mercur, care prezintă probleme în cazul eliminării la deșeuri, din cauza conținutului de metale grele. Ledurile UV-C oferă o alternativă mai eficientă și mai durabilă care ameliorează problemele legate de eliminare, iar în comerț a devenit disponibilă o serie de leduri UV-C, având emisii maxime la lungimi de undă ideale pentru dezactivarea agenților patogeni.

Cu toate acestea, aceste leduri nu sunt o alternativă simplă și directă, și necesită o proiectare atentă pentru a le maximiza beneficiile. După cum s-a descris, un proiectant trebuie să înceapă cu iradierea dorită pe suprafața activă și să calculeze retroactiv numărul și dispunerea ledurilor UV-C necesare pentru a obține această iradiere. De asemenea, proiectantul trebuie să decidă dacă se va baza pe elementul optic principal al ledurilor pentru a produce o iradiere uniformă sau dacă va utiliza un element optic secundar pentru a colima ieșirea razelor UV-C pentru un model optim, luând în același timp în calcul costul unei complexități mai mari.