短波紫外线LED技术为什么能杀菌

随着UVC LED（短波紫外线LED）性能的提高，这项新技术在生命科学和环境监测的仪器应用中的势头越来越猛。与任何新技术一样，设计者不能把 "开箱即用 "视为理所当然，而是必须了解与现有解决方案的根本区别。这将使设计者能够充分利用紫外线LED的优势。只要仔细考虑，使用UVC LED的设计可以减少产品尺寸，降低功耗，并降低最终用户的拥有成本。

紫外线LED在设备控制中的应用

市场趋势，如小型化、低成本和即时测量，导致人们对光谱仪应用中的紫外线LED的兴趣越来越大。与氘灯或氙气闪光灯相比，LED输出的光源光谱更窄，可以将设备的全部光输出用于测量。用户可以根据应用的要求，选择感兴趣的特定峰值波长。在254纳米的汞灯的标准测量方法已经为特定的应用而开发。例如，按照EPA标准测试水和空气质量需要一个峰值波长接近254纳米的LED光源。表1整理了在生命科学研究、医药制造和环境监测等应用中可以用光谱鉴定的重要有机化合物。

常见的有机化合物及其吸收峰的波长

为测量和控制应用选择光源的另一个主要标准是峰值波长的光输出。因为LED有一个单一的峰值，所以光输出集中在一个特定的波长上，而不像其他紫外灯。吸收光谱应用通常需要低至1 mW或更低的光输出水平。然而，如果流动池与光源隔离，则需要更高的光输出，因为光信号在到达流动池之前就被大大衰减了。因此，需要光输出远远高于1 mW的LED。

在荧光光谱区，信号强度与光强度成正比；LED的激发功率取决于要检测的示踪剂的高浓度，因此在这种应用中单个LED需要的光功率可能大于2 mW。尽管LED的输入功率要低得多，但其在所需的UVA波段的辐照度要高于其他光源，使其成为在特定测量中实现的更有效的光源。

紫外线LED、氙气闪光灯和氘灯的辐照度比较

继选择波长和光输出之后，另一个重要的参数是视角，它影响到仪器的整个光学系统。主要有两种选择：窄视角和宽视角。窄视角是用球面镜实现的，而宽视角是用平窗实现的。狭窄的视角在小范围内提供了大量的光线，这种封装通常用于将光线直接投射到聚焦设备上的应用。

平面窗具有更宽的辐射模式，在与光纤结合使用进行远端耦合时具有更强的耐受性。这使得它们特别适用于流动池必须与光源和电子装置隔离的应用（例如在高温下监测化学过程或用高挥发性溶剂进行色谱分析）。在实际应用中，窄角球面透镜可以最大限度地减少仪器中的部件数量，而广角平窗则允许更大的设计自由。

通过优化驱动电流，设计师可以平衡光输出和应用的寿命要求。以低于制造商额定电流的电流驱动LED将减少光输出，但会延长光源的寿命。在需要高LED输出的应用中，终端用户可能会以高于数据表规格的电流驱动LED。

过热是一个常见的问题，会对LED的光输出和寿命产生不利影响。LED的瞬时开关特性使其可以快速循环开启和关闭。 占空比操作经常被用来更安全地增加荧光应用中的LED电流，这些应用通常需要高光输出。

占空比是指LED在一个周期内开启的时间百分比，而一个周期是指完成一个LED开/关周期所需的总时间。例如，一个在50%占空比下工作的LED将在正好一半的时间内循环开启和关闭。图2显示了不同驱动电流和工作周期下的归一化光输出。

这里我们看到不同的占空比对归一化光输出的影响，同时LED持续开启了500微秒的时间。归一化功率是相对于最大额定工作电流100mA时的光输出而言的（有一个合适的散热器）。以大电流驱动LED会影响LED的结温，这又会影响LED的寿命和光输出。

优化占空比可以最大限度地减少驱动电流增加对结温的影响，保护LED的性能。图3显示了占空比对保持LED结温的可能影响。在5%的占空比下操作LED将使光输出增加三倍（图2），同时对结温的影响降到最低。

过多的热量产生会对LED的光输出和寿命产生不利影响。从长远来看，产生的热量将缩短LED的寿命。在使用UVCLED的设计中，热管理是非常重要的，因为与长波长的LED相比，驱动UVCLED的更多能量会转化为热量。通过适当的热管理，结温可以保持在特定应用的要求之下，以保持LED性能。除了被动和主动的冷却方法，所选择的PCB可以达到更好的散热效果。

FR4印刷电路板和无散热器的Al印刷电路板（a），以及有和无散热器的Al印刷电路板（b）之间的热垫温度比较

由于成本相对较低，FR4是最常用的PCB材料之一，但它的缺点是导热性低。对于具有高系统热负荷的系统，具有高导热性的金属芯印刷电路板更适合。随着热需求的增加，设计者通常使用更大的PCB面积和额外的散热器来实现更好的热管理。另外，当需要更强大的散热时，设计者可以使用更积极的冷却技术。

随着紫外线LED性能的提高，设计者已经开始利用其设计的灵活性，将其用于光谱仪和灭菌反应器等应用。在这些应用中选择LED可以使设计更紧凑、更有效，而且在许多情况下更具成本效益。随着UVC LED技术的不断发展，聪明的设计师将找到更多的方法来利用UVC LED，迎接这些市场的挑战。