藍(lán)光光生物安全危害研究的現(xiàn)狀分析

肖治宇, 林楷榮, 劉曉柯, 熊 柯, 莊正飛, 邱學(xué)軍*

（1. 華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院, 廣州 510631；2. 師大瑞利光電科技（清遠(yuǎn)）有限公司, 清遠(yuǎn) 511517；3. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院眼科, 廣州 510515；4. 廣東藥科大學(xué)健康學(xué)院, 廣州 510310）

光生物效應(yīng)是一種由光輻射照射人體, 引起人體發(fā)生生理變化的生物物理效應(yīng)。光生物效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制不盡相同, 既可直接作用于人眼傳遞視覺信息（光的視覺效應(yīng)）, 也可通過作用于人體生理節(jié)律調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞非視覺信息（光的非視覺效應(yīng)）, 還可直接作用于人體肌膚傳遞輻射傷害（光的輻射效應(yīng)）。在光生物效應(yīng)作用的基礎(chǔ)上, 人們提出了光生物安全的概念, 重點(diǎn)關(guān)注用于照明的可見光波段對(duì)人體健康造成的安全性問題。隨著LED光源的發(fā)展普及, 傳統(tǒng)光源已經(jīng)喪失了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。LED光源具有色彩豐富、體積小巧、堅(jiān)固耐用、環(huán)保低耗、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn), 是照明用的首選光源。而照明用的光源大多是高亮度的白光LED光源, 會(huì)產(chǎn)生大量光輻射。世界衛(wèi)生組織已經(jīng)將輻射危害列入世界四大環(huán)境問題隱患名單[1]。光輻射是影響人體健康的重要角色。適量光輻射可以給人體帶來積極作用, 過量光輻射則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良后果。不同種類光輻射危害對(duì)人體生理造成的損傷程度不同。

白光LED光源主要由藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉得到高亮度白光, 因此富含藍(lán)光。而過量藍(lán)光輻射不僅會(huì)對(duì)眼球、視網(wǎng)膜和肌膚造成損傷, 也會(huì)對(duì)人體的生理節(jié)律造成不良影響, 因此, 藍(lán)光危害成為了當(dāng)下人類最重視的光生物安全問題[2]。目前, LED照明用燈的光生物安全性已經(jīng)引起了各界人士的重視[3]。新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB7000.1—2015也已把燈的光生物安全性列為強(qiáng)制檢測(cè)范疇[4]。其中, 對(duì)藍(lán)光危害的評(píng)價(jià)方法雖然沿襲著舊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 但依舊占據(jù)著重要篇幅, 可見藍(lán)光危害依舊是光生物安全議題中的重點(diǎn)問題。本文將著重介紹藍(lán)光的危害性, 并對(duì)如何應(yīng)對(duì)藍(lán)光危害進(jìn)行展望。

1 藍(lán)光危害的產(chǎn)生

1.1 概述

世界衛(wèi)生組織曾經(jīng)發(fā)布了一份調(diào)查報(bào)告。該報(bào)告顯示：近兩年來, 全球因光輻射（主要是藍(lán)光輻射）導(dǎo)致失明的有近6萬人。因此, 世界衛(wèi)生組織向全世界發(fā)出通告：“藍(lán)光輻射的潛在隱性威脅急劇上升, 破壞性將遠(yuǎn)勝SARS冠狀病毒、HINI等流感病毒, 藍(lán)光輻射在悄無聲息中帶走人類的眼睛”[5]。

藍(lán)光輻射屬于電磁輻射, 波長(zhǎng)短, 一般為400～500 nm, 在光頻譜中屬于可見光。在許多光學(xué)效應(yīng)中, 向短波長(zhǎng)移動(dòng)的現(xiàn)象常常被稱為藍(lán)移。同時(shí), 藍(lán)光也是當(dāng)下照明用LED白色光源的光譜中的重要組成部分。視網(wǎng)膜位于眼球內(nèi)側(cè)后方, 在光頻譜中波長(zhǎng)為380～1 400 nm的光輻射照射人眼都對(duì)人類視網(wǎng)膜有損傷風(fēng)險(xiǎn), 而藍(lán)光輻射損傷風(fēng)險(xiǎn)最高, 因此, 人類視網(wǎng)膜對(duì)于藍(lán)光刺激非常敏感。人眼接受藍(lán)光輻射過多會(huì)造成視覺疲勞, 褪黑素分泌減少, 生物鐘不正常等不良后果, 嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致視網(wǎng)膜脫落。

一種典型的LED燈具發(fā)射光譜如圖1[6]所示, 可以看出LED燈具發(fā)射光譜中400～500 nm藍(lán)光占光譜主要部分。有研究認(rèn)為, 白光LED是由藍(lán)光光譜與熒光光譜疊加組成的。白光輸出總功率值Pw為藍(lán)光光譜光功率值Pb與熒光光譜光功率值Pp之和：

白光光譜中的藍(lán)光成分可以用藍(lán)白比k來表示：

在白光光譜中,k值越高, 說明光譜的相關(guān)色溫（correlated color temperature, CCT）越高, 二者之間存在線性關(guān)系。如圖2所示, 以熱沉溫度55℃、驅(qū)動(dòng)電流200～450 mA的燈珠為例, 對(duì)藍(lán)白光譜比和色溫做相關(guān)性分析可得, 當(dāng) 色溫為6 000 K時(shí),k值高達(dá)0.300[7]。也就是說, LED燈色溫越高, 藍(lán)光成分越高, 這也為L(zhǎng)ED燈具的制造埋下了隱患。

1.2 藍(lán)光危害的評(píng)價(jià)機(jī)制

由于光生物安全領(lǐng)域中測(cè)量的特殊性和復(fù)雜性, 我國至今尚未建立與之相適應(yīng)的光生物安全計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的量值溯源系統(tǒng)[8]。目前, 我國使用最多的測(cè)量方式為設(shè)定時(shí)域區(qū)間并放置輻射光源, 然后, 設(shè)置模擬對(duì)象測(cè)量其受到的傷害值, 最后, 通過設(shè)定輻射限值來判斷該類輻射是否會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生潛在損害。當(dāng)下LED產(chǎn)品的光生物安全等級(jí)通過其藍(lán)光危害值來判斷。

藍(lán)光加權(quán)輻亮度和藍(lán)光危害效能是表征藍(lán)光危害大小的物理量。輻亮度L, 單位為W·m-2·sr-1, 表示輻射強(qiáng)度, 代表在單位投影面積內(nèi)所通過的輻射總量。輻亮度按照每單位波長(zhǎng)劃分得到光譜輻亮度。對(duì)不同波長(zhǎng)光源的光譜輻亮度Lλ與藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)的乘積積分, 可得藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB[9], 最終評(píng)價(jià)得到藍(lán)光危害等級(jí)。具體流程歸納總結(jié)如圖3所示。

對(duì)于藍(lán)光危害的測(cè)量, 通常采用測(cè)量被測(cè)樣品輻亮度的方法予以實(shí)現(xiàn)[10]。檢測(cè)樣品輻亮度的方法為有效輻射亮度成像法, 如圖4所示。在測(cè)量中一般需要進(jìn)行瞳孔直徑模擬, 我們?cè)谌搜垡暰W(wǎng)膜內(nèi)測(cè)得輻射被吸收的數(shù)值應(yīng)當(dāng)與瞳孔直徑成正比例關(guān)系, 在不同情況下需要模擬出不同直徑的瞳孔。通常為：試驗(yàn)在L＞10 cd·m-2且t＞0.25 s的條件下, 應(yīng)模擬3 mm瞳孔直徑；在L＜10 cd·m-2或t＜0.25 s的條件下, 應(yīng)模擬7 mm瞳孔直徑。測(cè)量中一般測(cè)試距離要求根據(jù)光源類型分為普通光源和其他類型光源：如果是普通照明光源, 則要求在產(chǎn)生500 lx照度的距離下進(jìn)行測(cè)量, 并且最小距離控制在200 mm；若是其他類型光源則一般控制在200 mm。測(cè)量中光譜掃描步長(zhǎng)分為兩種情況：若光譜在400 mm以內(nèi), 建議選擇1 nm為掃描步長(zhǎng)；如果光譜在400 mm以上, 建議選擇5 nm為掃描步長(zhǎng)。

藍(lán)光加權(quán)輻照度EB也可以表征藍(lán)光輻射對(duì)視網(wǎng)膜的傷害, 由光譜輻照度Eλ與藍(lán)光危害函數(shù)B（λ）加權(quán)積分后所得, 以波長(zhǎng)300～780 nm舉例說明。計(jì)算如下：

Eλ為光譜輻照度；B（λ）為藍(lán)光危害的加權(quán)函數(shù), Δλ是光譜的波長(zhǎng)帶寬[12]。

燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性中指出：藍(lán)光危害指視網(wǎng)膜被波長(zhǎng)介于400～500 nm的光輻照后有損傷的潛在危險(xiǎn)[13]。當(dāng)光的曝輻值超過一定值就會(huì)危及視網(wǎng)膜。當(dāng)藍(lán)光輻亮度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的1類, 亮度達(dá)到2類甚至達(dá)到3類時(shí), 會(huì)立即損傷人眼, 其依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 20145—2006/CIE S009/E:2002[14]。根據(jù)辦公室照明國家標(biāo)準(zhǔn), 辦公場(chǎng)所照明光源應(yīng)接近室外日光, 色溫至少大于4 000 K, 一般在5 000～6 000 K, 照度在300 lx以上, 亮度也較高, 藍(lán)光輻射值不容小覷[15]。全球?qū)λ{(lán)光危害的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn), 逐步從對(duì)藍(lán)光相關(guān)的參數(shù)完善到了一整套藍(lán)光危害檢測(cè)的測(cè)量評(píng)價(jià)方法。

2 藍(lán)光輻射的危害

2.1 藍(lán)光危害對(duì)眼睛的影響

藍(lán)光危害主要損傷眼球結(jié)構(gòu), 對(duì)人眼的危害表現(xiàn)在白內(nèi)障和黃斑病變等方面[16]。人類晶狀體無法有效抵擋藍(lán)光輻射, 藍(lán)光輻射可直達(dá)視網(wǎng)膜, 視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞對(duì)藍(lán)光輻射極其敏感, 受到輻射刺激會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞萎縮現(xiàn)象, 嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。而這些細(xì)胞的萎縮、凋亡將會(huì)造成視力下降, 嚴(yán)重患者甚至?xí)? 造成不可逆的黃斑病變。尤其是在幼年?duì)顟B(tài)時(shí), 人類晶狀體非常清澈, 其抵擋能力更弱, 更容易產(chǎn)生黃斑病變。同時(shí), 晶狀體也部分吸收藍(lán)光, 從而可能加速白內(nèi)障的發(fā)展[17]。

科學(xué)試驗(yàn)充分證明了藍(lán)光對(duì)生物的危害。試驗(yàn)選取輻照度強(qiáng)度為0.64 W/m2的藍(lán)光波段對(duì)試驗(yàn)鼠的眼睛進(jìn)行持續(xù)照射, 當(dāng)照射時(shí)間超過3 h時(shí), 試驗(yàn)鼠的眼睛就出現(xiàn)損傷狀況, 并隨著照射時(shí)間的增加逐漸積累損傷, 損傷積累到一定程度后出現(xiàn)失明現(xiàn)象[18-19]。在不同照明強(qiáng)度和照明距離下測(cè)量了LED照明的光譜功率分布, 通過對(duì)照明強(qiáng)度、照明距離和藍(lán)光輻射分布之間關(guān)系的研究, 可以得出以下結(jié)論：在正常感光條件下, 人眼受到的藍(lán)光輻射強(qiáng)度與照明強(qiáng)度成正比例關(guān)系, 與照明距離成反比例關(guān)系, 即強(qiáng)度越大、距離越小時(shí), 人眼所受輻射強(qiáng)度越高。

2.2 藍(lán)光危害對(duì)視疲勞的影響

藍(lán)光危害會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)視疲勞。藍(lán)光射入眼底在聚焦之后, 焦點(diǎn)不會(huì)像正常情況下落在視網(wǎng)膜上, 而會(huì)出現(xiàn)在晶狀體后靠近視網(wǎng)膜的位置。這會(huì)擴(kuò)大光線在眼內(nèi)聚焦后所產(chǎn)生的色差距離, 使得藍(lán)光入射, 造成色差、視覺模糊度加劇和眼部肌肉過度緊張, 從而使人體產(chǎn)生視覺疲勞。當(dāng)人眼處于長(zhǎng)時(shí)間視覺疲勞的情況下, 會(huì)出現(xiàn)近視加深、看書串行、精力分散等不良癥狀, 從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)與工作效率降低。

中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院視覺健康試驗(yàn)室針對(duì)藍(lán)光輻射危害進(jìn)行了大量的生理試驗(yàn)。在最近的一次試驗(yàn)中, 600余份試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：在保障人眼正常且無色覺偏差的狀態(tài)下, 將藍(lán)光發(fā)射光源所發(fā)射的藍(lán)光調(diào)整為正常狀態(tài)下的75%, 調(diào)整后受到藍(lán)光照射的試驗(yàn)者的視覺疲勞度比調(diào)整前的試驗(yàn)者要低, 且程度要低超過20%[20]。

2.3 藍(lán)光危害對(duì)人體作息規(guī)律的影響

藍(lán)光危害會(huì)使人體作息規(guī)律紊亂。光信息可以給人類反饋視覺信息, 除此之外, 它還可以參與人類體內(nèi)生理調(diào)節(jié), 我們稱之為“非視覺效應(yīng)”。2002年, 美國Brown大學(xué)Berson教授等[21]在Science發(fā)文指出：哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜存在第三類感光細(xì)胞, 它可以接收光輻射, 并將信號(hào)傳遞給大腦的生物鐘調(diào)節(jié)器——視交叉上核, 作用于哺乳動(dòng)物的生物節(jié)律調(diào)節(jié)。人類的晝夜節(jié)律系統(tǒng)對(duì)于短波長(zhǎng)光輻射非常敏感。而藍(lán)光輻射峰值波長(zhǎng)為450 nm, 與人類晝夜節(jié)律系統(tǒng)的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)460 nm非常接近, 作用于人體會(huì)影響人體的正常生理調(diào)節(jié), 具體表現(xiàn)為抑制參與人體生理調(diào)節(jié)的重要激素——褪黑素的分泌。

褪黑素是一種影響人類生物鐘的關(guān)鍵激素, 它的作用就是參與調(diào)節(jié)人類晝夜節(jié)律。褪黑素分泌水平受446～483 nm藍(lán)光波段的光輻射的影響最為明顯[22]。褪黑激素分泌具有晝夜規(guī)律, 當(dāng)光刺激較強(qiáng)時(shí), 人體內(nèi)松果體在合成褪黑激素時(shí)所運(yùn)用的酶類活性會(huì)減弱, 從而導(dǎo)致體內(nèi)褪黑素的分泌水平相應(yīng)降低。人體內(nèi)褪黑色素分泌減少會(huì)使人精神亢奮、無法入眠, 破壞人體正常作息, 從而影響人體免疫機(jī)制。

近年來, 研究者提出了“富藍(lán)化”的概念?！案凰{(lán)化”照明對(duì)人的損傷是潛移默化的, 不同于藍(lán)光危害是在較短時(shí)間內(nèi)或瞬間輻亮度超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人眼造成傷害?！案凰{(lán)化”照明是通過影響人體生理規(guī)律對(duì)人體造成損傷, 但是這種損傷經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間之后才會(huì)呈現(xiàn)。隨著白光LED的應(yīng)用推廣, 富藍(lán)化照明的危害也開始逐漸顯現(xiàn)[23]。

2.4 藍(lán)光危害對(duì)人體肌膚的影響

藍(lán)光危害會(huì)對(duì)人體肌膚造成損傷, 主要體現(xiàn)為肌膚表面色素積累, 變黑發(fā)黃, 并使肌膚老化、松弛的速度加快等。一方面肌膚真皮層無法有效阻擋藍(lán)光, 藍(lán)光輻射可直接穿透并作用于上皮細(xì)胞內(nèi)的線粒體, 導(dǎo)致活性氧自由基泛濫, 這些氧自由基可以與線粒體的DNA結(jié)合, 并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)完成后, 線粒體和DNA都會(huì)被破壞, 導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙, 最終被人體免疫系統(tǒng)清除。另一方面, 藍(lán)光輻射還能刺激脂褐素產(chǎn)生。脂褐素是溶酶體內(nèi)由鐵催化氧化形成的具有自發(fā)熒光特性的棕黃色物質(zhì)[24]。它產(chǎn)生后會(huì)在細(xì)胞中積累, 積累數(shù)量越多, 標(biāo)志該細(xì)胞的衰老程度越高。從具體現(xiàn)象分析, 藍(lán)光輻射通過影響皮膚真皮層的纖維細(xì)胞, 使其結(jié)構(gòu)、功能破壞, 從而造成肌膚過早松弛老化[25-26]。藍(lán)光輻射會(huì)影響人體的正常生物節(jié)律, 人體接收過量的藍(lán)光輻射就會(huì)使得皮膚的生理節(jié)律逆調(diào)節(jié), 從而對(duì)皮膚造成不可逆的傷害。

3 總結(jié)與展望

本文分析了藍(lán)光光生物安全的現(xiàn)狀, 并總結(jié)歸納了藍(lán)光輻射對(duì)人體的危害。綜上所述, 過量藍(lán)光輻射會(huì)造成人類眼球結(jié)構(gòu)破壞、視覺疲勞、生物鐘失調(diào)、肌膚衰老等損害。造成損害的主要原因是：藍(lán)光輻射可穿透晶狀體和肌膚真皮層, 導(dǎo)致相關(guān)細(xì)胞線粒體損傷, 從而造成細(xì)胞凋亡；藍(lán)光輻射通過抑制人體褪黑素分泌影響人體生理節(jié)律；藍(lán)光輻射通過刺激脂褐素產(chǎn)生, 導(dǎo)致細(xì)胞老化速度加快。藍(lán)光輻射對(duì)人體造成的危害不可逆, 并且在藍(lán)光照明強(qiáng)度過大或照明距離過近時(shí)危害更加嚴(yán)重。因此, 解決藍(lán)光危害問題已經(jīng)成為了當(dāng)務(wù)之急。

我們可以通過科技手段降低藍(lán)光輻射危害：1）開發(fā)低色溫LED照明燈, 這是目前LED照明光源發(fā)展的主要方向；2）調(diào)制白光時(shí), 增大藍(lán)光芯片的激發(fā)波長(zhǎng)；3）基于薄膜光學(xué)原理, 開發(fā)反射藍(lán)光的顯示面板；4）開發(fā)新型調(diào)光方式, 使用其他色光調(diào)制白光。我們還可以通過醫(yī)療手段治療藍(lán)光輻射危害, 如移植藍(lán)光過濾人工晶狀體、局部使用抗氧化劑藥物、視網(wǎng)膜移植等。同時(shí), 我們也應(yīng)該養(yǎng)成正確的用眼用光習(xí)慣、規(guī)范的閱讀習(xí)慣, 減少手機(jī)手表和電腦等電子產(chǎn)品的使用, 從而進(jìn)一步防范藍(lán)光危害。

當(dāng)然, 藍(lán)光對(duì)人體不完全都是有害的。例如, 新生兒治療黃疸需要在藍(lán)光照射下進(jìn)行, 牙齒美白和痤瘡治療也需要用到藍(lán)光。隨著科技水平的進(jìn)步和人們對(duì)于照明安全重視程度的提升, 相信在不久的將來, 我們可以與藍(lán)光和平共處, 既能徹底解決藍(lán)光輻射對(duì)人類帶來的的威脅, 又能利用藍(lán)光對(duì)人類的有益之處, 實(shí)現(xiàn)真正的光生物安全。