解决方案——生命科学和医疗照明中的 LED

"随着照明技术转向 LED，用户必须意识到灯和 LED 的峰值光具有功率差异，并确保优化滤光片以实现最大效率地激发荧光团。"

传统上，生命科学和医学内窥镜检查已转向宽带光源，如汞灯、金属卤化物灯和氙气灯，以满足其苛刻的照明要求。随着发光二极管（LED）技术的不断进步，这些应用正在充分利用LED技术来取代传统的灯光光源。虽然标准LED光源足以覆盖这些应用所需的大部分光谱，但“绿色间隙”中的特定波长需要巧妙的方法处理LED，以产生足够的功率来有效地对样品进行成像。本文解释了埃赛力达开发的创新先进的LED技术是如何克服540-590nm波长间具有挑战性的功率差距的。

图1：现代医学照明：Penn Medicine Lancaster General Health，复合手术室（图片来源：https://www.bainc.com/wpcontent/uploads/2014/12/BC_LG_121023_0013_M.jpg）

应用概述

显微镜术

传统上，显微镜中的荧光激发由汞灯的光谱特性引导，即汞灯定义了荧光团的化学性质，以及大多数荧光成像中使用的激发和发射滤光片波段。汞灯具有离散峰，相对应的最常见的荧光团如DAPI，FITC和TRITC已经被开发和使用了数十年。随着照明技术转向LED，用户必须意识到灯和 LED 的峰值光具有功率差异，并确保优化滤光片，以实现最大效率地激发荧光团。

内窥镜检查

内窥镜仪器使用氙气灯来观察人体组织。由于氙气的光谱广度和其在整个光谱的均匀激发，它一直是内窥镜检查和手术可视化的“黄金标准”。由于LED的技术优势，包括更长的使用寿命、更低的功率要求和更小的尺寸，客户现在有更换 LED的需求。

为了满足这一需求，光源制造商必须确保用于内窥镜照明的LED能够覆盖光谱的RGB（红色，绿色，蓝色）波段，从而产生内窥镜成像环境中所需的“明亮白光”。该应用也受到LED绿色间隙挑战的影响，需要克服该挑战才能以可接受的功率获得频谱的绿色部分。

图2：光谱比较，用于内窥镜检查的氙气灯（蓝色）、“白色 LED”（紫色线）和LaserLED Hybrid Drive®（红色和绿色曲线）。

挑战

绿色间隙 

制造商面临的挑战是设计一个覆盖与传统灯相同光谱的荧光LED照明系统，用于荧光激发或医学可视化。

具有挑战性的波段在540-590nm之间，称为“绿色间隙”。这一光谱区域中的LED从根本上受到半导体材料缺失的限制，无法有效地发射该波长的光。一些制造商已经找到了创新的解决方案来弥合差距，包括LED阵列，磷光波长转换技术和集成激光解决方案。

图3：不使用 LaserLED Hybrid Drive®（蓝线）与使用 LaserLED Hybrid Drive®（绿线）的“绿色间隙”中的功率比较。

图 4：汞（蓝色）与磷光 LED（绿色）和LaserLED Hybrid Drive®（红色）的光谱比较。

解决方案

使用磷光材料的波长转换已在照明和投影行业中使用了几十年。较短波长的光（蓝色、紫色、紫外线）被材料吸收，材料通过磷光转换重新发射较长波长的光。埃赛力达科技使用获得专利的激光磷光转换技术LaserLED Hybrid Drive®，在540-590nm区域产生高功率激发光。该系统使用高效蓝色激光激发荧光层，产生 500-600 nm 的宽峰，然后可以根据感兴趣的荧光团的激发峰将其过滤到更具体的激发带。

使用LaserLED Hybrid Drive®的LED系统在500-600nm区域的功率增加，与其他 LED 绿间隙解决方案相比，可获得良好荧光信号，图像所需的曝光时间显著减少。这意味着研究实验室具有了更高的通量潜力和更高效的样品处理能力。

为了成功利用这些新功能，由此产生的照明系统考虑了所有的热、电和光学参数，以最大限度地提高光转换和将光传输到样品的能力。该解决方案比其他磷光体转换技术更高效，并在 2016 年获得了Microscopy Today创新奖。

使用LaserLED Hybrid Drive 技术的好处

在应用中，结合LED、激光和磷光技术可以有效地弥补绿色差距。

在显微镜术和分析仪器应用中，研究人员或临床医生可能需要激发样品中的几种荧光团。这将包括DAPI，FITC或GFP，以及红色荧光团，如mCherry，TRITC或Texas Red。传统上，他们可使用汞灯有效地激发这些荧光团，汞灯在550nm区域有一个很高的峰值，另一个高峰在580nm区域。当显微镜光源技术最初在 2000 年代初转向 LED 时，绿色间隙是一个没有解决方案的挑战。这导致用户要么继续使用汞灯，要么将LED用于激发其他荧光团，并改用汞灯来填补绿色间隙。当用户仍然必须因为绿色间隙打开汞灯时，就阻碍了切换到LED的进程。

使用LaserLED Hybrid Drive®，用户拥有所需的全光谱，可用一个LED光源激发所有常见荧光蛋白和荧光团。

在内窥镜检查和手术可视化等医疗应用中，外科医生需要“白光”才能对内部解剖结构进行成像。氙气灯的“白光”一直是后续技术的光源颜色参考。用具有固定白色（色温）的“白光LED”代替氙气灯，对于那些想要更长寿命的灯的人来说是一个不错的选择。

对于更高级的应用，外科医生希望能够改变此色温以适应他们对白色的定义或针对他们的相机进行调整。这可以通过使用单独的RGB LED创建白色来实现。拥有单独的LED允许外科医生改变每种颜色的比例，以创建所需的白色。使用三个LED可以实现这种颜色混合，但由于绿色强度低，绿色间隙问题限制了外科医生的颜色混合。在这里，我们再次使用LaserLED Hybrid Drive®来增加绿色的功率，使外科医生具有更大范围的色彩韧性。

保持卓越的光均匀性，实现最大光输出

LaserLED Hybrid Drive®可在所有波长（包括具有挑战性的绿色间隙）下实现卓越的照明均匀性和最大的光传输。这使得显微镜和内窥镜检查的用户能够像使用传统灯技术一样使用LED照明可视化分子，而无需有任何顾虑。