Ultraviolettes Licht Mit LEDs gegen Bakterien und Viren kämpfen

Autor / Redakteur: Alain Bruno Kamwa * / Hendrik Härter

Chemische Verfahren sind im Kampf gegen Bakterien und Viren nur bedingt wirkungsvoll, da sie Resistenzen bilden. Besser sind UV-Strahlen zur Desinfektion und Entkeimung. Doch sind sie nicht ungefährlich.

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Viren abtöten: Mit ultraviolettem Licht (UV-Licht) lassen sich Oberflächen desinfizieren. Doch UV-A, -B und -C haben unterschiedliche Auswirkungen auf organisches Gewebe.
Viren abtöten: Mit ultraviolettem Licht (UV-Licht) lassen sich Oberflächen desinfizieren. Doch UV-A, -B und -C haben unterschiedliche Auswirkungen auf organisches Gewebe.
(Bild: gemeinfrei/ Gerd Altmann_geralt / Pixabay )

Im Kampf gegen die Corona-Viren wurde die Schutzkleidung des medizinischen Personals der Huoshenshan-Klinik im chinesischen Wuhan erstmals mit UV-C-LEDs desinfiziert. Dazu wurde ein spezielles Desinfektionszelt mit einer Grösse von 1,5 m x 0,75 m 2 m aus Softshell-Wänden errichtet. Das Besondere: Die reflektierende Decke, die Wände sowie die Bodenplatte mit UV-C-Strahlern des amerikanischen Herstellers Bolb versehen. Während der dreissig Sekunden andauernden Bestrahlung gaben die UV-C-LEDs bei einer permanenten Helligkeit mit einer Flächenleistungsdichte von 200 µW/cm².

Die Bestrahlung oder auch Einstrahlung beträgt dabei 6 mJ/cm². Die Wellenlänge der LED-Module beträgt 265 bis 280 nm und zerstört genetische Information. Damit sorgt sie dafür, dass das Virus sich nicht mehr ausbreiten und keine Zellen befällt.

Künstliche UV-Lichtquellen mit keimtötender Wirkung

Lange Zeit wurde ultraviolettes Licht (UV-Licht) auf Basis von quecksilberhaltigen Strahlungsquellen erzeugt. Das waren beispielsweise Nieder- und Mitteldruck-Quecksilber- (Hg-)Dampflampen. Sie erzeugen durch Gasentladung UV-Licht im Spektrum von 185 bis 405 nm. Ausserdem lässt sich UV-Licht mit UV-Kaltkathodenröhren (UV-CCL oder UV-Lampe) in einem Spektrum von 185 bis 405 nm durch Glimmentladung emittieren.

UV-LEDs geben UV-Strahlen in einem Spektrum von 227 bis 405 nm über die sogenannte Elektrolumineszenz ab. Bei einer UV-C-LED sind genau die Wellenlängen am intensivsten, welche die stärkste keimtötende Wirkung haben. Das ist in einem Spektrum zwischen 260 und 270 nm. Das Bild 1 zeigt das für Kryptosporidien, Parasiten, die sich vor allem durch verunreinigtes Trinkwasser verbreiten. Andere Erreger, Bakterien und Viren wiesen ganz ähnliche Charakteristika auf. Zudem überzeugen LEDs durch eine stabile spektrale Ausgangsleistung bei gegebener Temperatur und eine fast unbegrenzte Zahl an Schaltzyklen. Damit eignen sich Desinfektions-Anlagen mit LEDs, da sie sofort die volle Lichtleistung liefern.

UV-Strahlen in drei verschiedenen Frequenzbändern

Für das menschliche Auge sind die UV-Strahlen der LEDs in ihrem gesamten Spektralbereich von 100 bis 400 nm unsichtbar. Sie werden je nach Frequenzband in UV-A-, UV-B- und UV-C-Strahlen eingeteilt. Diese wirken sich unterschiedlich auf Lebewesen aus. Bei LEDs lässt sich die Wellenlänge relativ frei wählen. Bei den UV-A-LEDs und Wellenlängen von 315 bis 400 nm ist die Eindringtiefe in streuendes biologisches Gewebe am höchsten. Das ist beispielsweise bei der menschliche Haut.

Die Eindringtiefe bei UV-B- und UV-C-Strahlen ist geringer. Genutzt werden UV-A-LEDs in der Zahnheilkunde und zu kosmetischen Zwecken. Beispielsweise werden sie im Sonnen- oder Nagelstudio eingesetzt. Im industriellen Umfeld kommen UV-A-LEDs zum Einsatz, um Harze, Kleber und Lacke auszuhärten.

Mit einer Wellenlänge von 280 bis 315 nm weisen die Strahlen der UV-B-LEDs eine vergleichsweise geringe Eindringtiefe in streuendes biologisches Gewebe auf. Allerdings werden sie stärker gestreut. UV-B-Strahlen fördern die Bildung von Vitamin D im menschlichen Körper. Die UV-B-LEDs sind daher überwiegend im medizinischen Umfeld zur Fototherapie und hautärztlichen Behandlung zu finden.

Keine Abwehrmechanismen gegen UV-C-Strahlen

Bild 1: Die Wellenlängen von UV-C-LEDs sind dort am intensivsten, wo Kryptosporidien – wie auch andere Bakterien und Viren – am empfindlichsten darauf reagieren.
Bild 1: Die Wellenlängen von UV-C-LEDs sind dort am intensivsten, wo Kryptosporidien – wie auch andere Bakterien und Viren – am empfindlichsten darauf reagieren.
(Bild: Stanley)

Das energiereiche Licht der UV-C-LEDs wird in biologischem Gewebe noch stärker gestreut. Mit einer Wellenlänge von 100 bis 280 nm dringen die Strahlen nicht sehr tief in das Gewebe ein, dennoch können sie ungeschützte Haut verbrennen. Schliesslich hat kein lebender Organismus Abwehrmechanismen gegen die UV-C-Strahlen entwickelt, weil die Ozonschicht in der Atmosphäre der Erde die natürliche UV-C-Strahlung des Sonnenlichts absorbiert. Das gilt auch für Viren und Bakterien. Diese Verwundbarkeit macht die Bestrahlung mit künstlichem UV-C-Licht zur besonders effektiven Methode für die Sterilisation und Desinfektion.

Weil jeder Keim unterschiedlich auf UV-C-Strahlung reagiert, ist die Intensität der Bestrahlung auf die gewünschte Reduktionsrate, also die Anzahl der abgetöteten Mikroorganismen, auszulegen. Dabei verhält sich die Intensität der UV-Strahlung umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Das heisst: Nimmt die Entfernung zur Strahlungsquelle zu, verliert die UV-Strahlung sehr schnell an Wirkung. Das zu desinfizierende Objekt sollte deshalb so nahe wie möglich am Emitter sein.

Häufig werden Viren, wie das SARS-CoV-2-Virus, durch die Luft verbreitet. Damit bietet sich der Einsatz von UV-C-LEDs in Luftaufbereitungssystemen bzw. Klimaanlagen an. Neben der erforderlichen Reduktionsrate sind hier der Luftdurchsatz und die Geometrie der Luftströmung zu berücksichtigen. Besonders effektiv für das Abtöten von Keimen hat sich UV-Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm erwiesen. Bei direkter Anwendung ist es allerdings ein Gesundheitsrisiko für Haut und Augen. Im Gegensatz neutralisiert sogenanntes Fernes UV-C-Licht im Spektrum von 207 bis 222 nm die Erreger in der Luft ebenfalls zuverlässig, jedoch ohne exponiertes menschliches Gewebe zu schädigen.

Die Desinfektion von Oberflächen mit einer UV-LED

Bild 2: Die High-Power-UV-C-LED vom Hersteller Bolb mit einer Leistung von 100 mW bei einem Strom von 250 mA. Das Bild zeigt die LED ohne Träger.
Bild 2: Die High-Power-UV-C-LED vom Hersteller Bolb mit einer Leistung von 100 mW bei einem Strom von 250 mA. Das Bild zeigt die LED ohne Träger.
(Bild: Laser Components)

Bild 3: Ebenfalls die High-Power-LED auf einem Träger platziert.
Bild 3: Ebenfalls die High-Power-LED auf einem Träger platziert.
(Bild: Laser Components)

Andere Viren und Bakterien werden über Oberflächen weitergereicht, etwa Grippe-, Noro- oder Rota-Viren sowie Streptokokken und Salmonellen. Für die Sterilisation grösserer Oberflächen eignet sich beispielsweise die Low-Power-UV-C-LEDs PU35CL1.0 des Herstellers Lextar (hier geht es zu Rutronik24) mit einer Leistung von 2 bis 4 mW bei einem Strom von 20 mA. Mit ihr lassen sich auch Getränke pasteurisieren, antimikrobielle Lebensmittel verpacken sowie Zahnbürsten entkeimen.

Für die Installation auf kleinem Raum haben Hersteller wie Bolb der kompakten Mid-Power-UV-C-LED des Typs S3535-DR100-W272-P40 entwickelt. Die LEDs messen 3,5 mm x 3,5 mm x 0,9 mm. Mit einer Gleichstromleistung von 40 mW bei einem Strom von 100 mA zeichnet sie sich durch den weltweit geringsten Energieverbrauch bei einer geringen Wärmeentwicklung aus. Im High-Power-Segment bietet Bolb eine UV-C-LED des Typs S6060-DR250-W272-P100. Sie bietet als das leistungsstärkste Bauteil eine Leistung von 100 mW bei einem Strom von 250 mA.

Die UV-C-LEDs des Herstellers Bolb eignen sich speziell für die Trinkwasseraufbereitung bzw. Wasserdesinfektion sowie für Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Bestrahlungsstärke (W/m²), wie es sie bei industriellen Filtersystemen und Luftentkeimern, Desinfektionsboxen in der Medizin oder Staubsaugern gibt.

Auf welche Auswahlkriterien es bei der UV-LED ankommt

Ein wichtiges Auswahlkriterium für eine UV-LED ist ihr Öffnungswinkel. Hier ist es von der Anwendung abhängig und bestimmte Abstrahlwinkel erforderlich. Die UV-C-LEDs von Bolb haben einen Öffnungswinkel von 150°. Mit Linsen von Ledil lässt sich dieser Abstrahlwinkel nach Bedarf fokussieren. Da sich dadurch die bestrahlte Fläche reduziert, erhöht sich die Strahlungsleistung pro Quadratmeter; die für die Exposition benötigte Zeit sinkt bei gleicher Leistung. Durch verschiedene UV-Linsen mit kompatiblen Objektiven ist die Leuchtleistung so für unterschiedliche Zwecke leicht skalierbar. Ledil nutzt für seine UV-Linsen eine spezielle Silikonqualität, die UV-C-Wellenlängen besonders gut überträgt, sowie Aluminiumreflektoren, die bei allen UV-Wellenlängen stark reflektieren und sich damit besonders für Desinfektionsanwendungen eignen.

Andere Selektionskriterien für UV-LEDs sind die landesspezifischen UV-Normen, ihre Reflexionen auf verschiedenen Materialien, Wärmemanagement, Treiber, Stromverbrauch und das Abstands- bzw. Entfernungsgesetz, das beschreibt, wie stark die Strahlstärke mit wachsender Entfernung zur Lichtquelle abnimmt. Viele der genannten Kriterien erfüllt der Blazar-Flächenstrahler von Bolb. Das UV-C-Modul ist mit 25 LEDs von jeweils 5 x 5 ausgestattet sowie einem 55°-Reflektor. Damit lässt sich eine effektive Leistung von 2 W bei einer Stromaufnahme von 1,25 A erzielen.

Noch in der Entwicklung befinden sich Multi-UV-LEDs. Mit einem Dual-Wellenlängen-Chip decken sie das gesamte Spektrum von UV-A- und UV-C-Strahlen ab. Damit sind sie fast eine Allzweckwaffe im Kampf gegen Viren, Bakterien und andere Erreger.

Wie sich Krankheitserreger gezielt bekämpfen lassen

Ursprünglich wurden UV-C-LEDs konstruiert, um gegen multiresistente Keime vorzugehen. Dazu gehören beispielsweise Methicillin resistente Staphylokokkus (MRSA). Aktuell testen Forscher, inwieweit sich UV-C-LEDs ebenfalls zur Bekämpfung von Viren nutzen lassen. Viren können sich nur mithilfe eines Wirts reproduzieren. Sie befallen eine Zelle, um diese anhand der zelleigenen Ribonukleinsäure (RNA) „umzuprogrammieren“.

Während die neu produzierten Viren weitere Zellen infizieren, wird die Wirtszelle durch diesen Reproduktionsprozess zerstört. Hochenergetisches, kurzwelliges UV-C-Licht wird von der RNA des Virus absorbiert. Die genetischen Informationen werden dabei zerstört. Das Virus ist dadurch nicht mehr in der Lage zu streuen und kann in Folge dessen keine weiteren Zellen infizieren.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal elektronikpraxis.vogel.de

* Alain Bruno Kamwa arbeitet als Product Sales Manager Opto bei Rutronik.

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