Die desinfizierende Wirkung von UVC-Licht ist der Wissenschaft lange bekannt. Das kurzwellige Licht zerstört die DNA oder RNA von Keimen wie Bakterien, Viren und anderen Mikroorganismen und macht sie damit unschädlich – und zwar so, dass sie keine Resistenzen ausbilden können.
In Form von sogenannten Quecksilberdampflampen wird UVC-Licht bereits eingesetzt, um Wasser oder Materialoberflächen zu desinfizieren. Die Lampen emittieren dabei Licht mit Wellenlängen um 254 nm. Das Problem: Diese Strahlung muss sehr dosiert und vorsichtig eingesetzt werden und darf keine menschlichen oder tierischen Zellen treffen, um diese nicht zu zerstören.
UVC-Licht ist auch Bestandteil des Sonnenlichtes, erreicht aber unter normalen Umständen nicht die Erde, da es in der Atmosphäre absorbiert wird. Als Folge davon verfügt kein Lebewesen auf der Erde über einen Schutzmechanismus gegen dieses Licht.
Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts, des Leibniz-Instituts für Höchstfrequenztechnik (FBH) und der TU Berlin haben deshalb spezielle LEDs entwickelt, die UVC-Licht bei Wellenlängen um 230 nm emittieren. „Es gibt inzwischen eine Reihe von Vorstudien, die dokumentieren, dass das kurzwelligere UVC-Licht der Wellenlänge um 230 nm aufgrund der hohen Absorption der äußeren Hautschichten wenig oder gar nicht in die lebenden Schichten der menschlichen Haut eindringt und damit dort auch keine Schäden an der DNA anrichtet“, sagt Prof. Dr. Michael Kneissl, Leiter des Fachgebiets Experimentelle Nanophysik & Photonik an der TU Berlin.
Komplexer Herstellungsprozess
Die Herausforderung des Projekts liegt vor allem in der Herstellung dieser speziellen LEDs, wie Kneissl erklärt: „Die Lichtquelle besteht aus dem Halbleitermaterial Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN). Dabei handelt es sich um einen sogenannten Verbindungshalbleiter mit einer sehr großen Bandlücke. Um die Vorstufe eines LED-Chips herzustellen, müssen sogenannte Wafer produziert werden – also viele Tausende hauchdünne Schichten dieses Materials übereinander, die mithilfe der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOPVE) abgeschieden werden.“
Das Besondere dabei ist, dass die Herstellung von LED-Wafern aus diesem Material, die in dem speziellen Wellenlängenbereich emittieren, ein komplexer Prozess ist, „der weltweit überhaupt nur von meiner Arbeitsgruppe an der TU Berlin und einer anderen Gruppe beherrscht wird“, sagt Kneissl. Und er erläutert weiter: „Die Wafer werden im Reinraum des FBH dann zu Chips prozessiert und in Kooperation mit dem CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik in Gehäuse montiert. 118 dieser LEDs werden auf eine Platine montiert, welche den Kern des UV-Strahlers bilden. Die erste Generation des UV-Strahlers erreicht dann am Ende eine maximale Strahlungsleistung von 0,2 mW/cm2 auf einer Hautoberfläche von rund sechs mal sechs Quadratzentimetern.“
Mittelfristiges Ziel ist es, die Lichtleistung der UVC-LEDs weiter zu erhöhen und noch kürzere Wellenlängen zu erreichen. Dazu wird gerade an der TU Berlin eine neue, vom BMBF finanzierte MOVPE-Anlage für Hochtemperaturepitaxie aufgebaut.
Einsatz erster Prototypen
In dem VIMRE-Projekt (Verhinderung der Infektion mit multiresistenten Erregern über In-vivo-UVC-Bestrahlung) sind auch die Klinik für Dermatologie der Charité́ Berlin sowie das Institut für Hygiene und Umweltmedizin der Universitätsmedizin Greifswald beteiligt. Die beiden medizinischen Partner testen die LEDs aktuell unter anderem an Gewebeproben und Hautmodellen in Bezug auf die notwendige Dosis und die Unschädlichkeit für die tieferen Hautschichten.
„Für die Zukunft lassen sich viele weitere Einsatzmöglichkeiten dieser speziellen LEDs denken“, stellt Kneissl in Aussicht. „Sie sind besonders klein und können daher auch an schwer zugänglichen Stellen und auch endoskopisch zum Beispiel im Rachen oder in der Nase eingesetzt werden. Auch ein Einsatz gegen Coronaviren wäre langfristig denkbar, da die DNA beziehungsweise RNA von Viren ebenfalls durch UVC-Licht zerstört wird.“
