LED nebo laser pro biologické aplikace?

01. 09. 2014 | Ing. Pavel Kořán | ProduktyOdborné články

Stále rychleji se rozvíjející biotechnologie kladou čím dále tím vyšší nároky na světelné zdroje, a to zvláště v aplikacích, které jsou založeny na fluorescenci. V současné době je nutné vyvíjet stále menší a levnější součástky s co možná nejlepšími parametry, což otevírá diskuzi o tom, zda jsou LED ještě vhodnou alternativou k laserům. Je známo, že laser má obecně lepší výstupní parametry svazku než LED, ale již není tak zřejmé, že se často jedná i o ekonomičtější řešení.

Klíčovým srovnávacím parametrem pro světelné zdroje v bioaplikacích je poměr signálu k šumu, který přímo souvisí s možností fokusovat svazek do zkoumané oblasti. Z následující tabulky, která uvádí velikost stopy běžných komerčních přístrojů, je patrné, že výsledná velikost stopy se v závislosti na aplikaci pohybuje v poměrně velkém rozsahu od desítek mikronů po několik milimetrů.

Díky užšímu spektru a vyšší světelnosti ze obecně lépe zaostřit laserový svazek než LED, a to zvláště pro velmi malé stopy. I když samotná LED je levnější, je třeba použít pokročilejší a tudíž i dražší optiku, která kompenzuje principiální nedostatky LED.

Dalším úskalím je výkon světelného zdroje. Zatímco u laserů je často optický výkon přímo specifikován, u LED je tradičně uváděna pouze elektrická spotřeba. Efektivita LED málokdy přesahuje 10% a velmi často je možné je na maximálním výkonu provozovat pouze v pulzním režimu. To však znamená, že efektivní optický výkon je více než desetkrát nižší než příkon.

Asi největším rozdílem mezi LED a laserem je efektivita ostření svazku. Zatímco laser lze považovat za bodový zdroj, LED mají podobnou vyzařovací charakteristiku jako žárovka. Laser je tak možné velmi efektivně zaostřit na požadovanou velikost stopy a případně navázat do optického vlákna. Při konečné velikosti stopy 100 μm a běžné NA 0.03 lze však do požadovaného prostoru koncentrovat pouze 2% výkonu LED, zatímco u laseru je to až 90%. Abychom byli schopni detekovat takto nízkou intenzitu LED, musíme použít účinné fotonásobiče a nízkošumový detektor. Může se tak stát, že tam, kde by pro laserový světelný zdroj stačilo CCD provozované při pokojové teplotě, bude muset být pro LED použito aktivně chlazené CCD a zesilovač.

Pro fluorescenční aplikace je dalším klíčovým parametrem šířka spektra budícího zdroje. LED má principiálně poměrně široké spektrum, které se může překrývat s fotoemisí vzorku, což vede k znehodnocení měření. Zúžení spektra je možné dosáhnout filtrací, avšak za cenu dalšího snížení výkonu LED.

Coherent jako alternativu k LED vyvinul speciální řadu laserů BioRay, které jsou navrženy pro biologické aplikace. Jejich výhodou jsou kompaktní rozměry, jednoduchá integrace a pořizovací náklady. Lasery jsou dostupné pro vlnové délky 405, 450, 488, 520 a 640 nm, které odpovídají optimu excitace běžně používaných fluorescenčních barviv.

Samotná LED je sice ve srovnání s laserem stále levnější, ale při započtení nákladů na úpravu svazku do požadované podoby a jeho detekci se často ukazuje ekonomická výhoda laseru.