光生物輻射危害解讀

喬 波 程麗玲

(1.杭州浙大三色儀器有限公司，浙江杭州 310030;2.浙江省出入境檢驗檢疫局，浙江杭州 310016)

1 引言

照明系統的光生物輻射，是選取8小時的暴露時間，通過設定輻射限值對應的特定危害，來衡量光輻射對眼睛前側部分 (角膜、結膜與晶狀體)、視網膜和皮膚的潛在損害。眼睛前側部分的危害主要涉及眼睛的光化學危害、眼睛近紫外危害和眼睛紅外危害。視網膜危害主要涉及視網膜藍光危害和視網膜熱危害。皮膚危害主要涉及皮膚的光化學危害和皮膚熱危害。

2 輻射危害與人體健康

2.1 皮膚和眼睛的光化學危害

皮膚和眼睛的光化學紫外危害輻射限值——入射到沒有采取保護措施的皮膚和眼睛的紫外輻射的輻射限值，且僅適用于照射時間在8小時以內的情況。在任何一天中連續超過8小時的輻射在這里都不予考慮。有效輻射的曝輻限值為30J·m－2。

紫外輻射是指波長小于可見輻射波長的光輻射。隨著LED短波技術的發展，深藍及紫外LED逐步被用于一些產品之中，并在感光油漆或油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、復印、皮膚病及內外科疾病治療、殺菌消毒、保健、熒光分析等領域的應用都有了快速發展。但是由于眼睛和部分皮膚長期、完全暴露在空氣當中，所以過多的紫外輻射會對人類健康造成負面影響。

研究發現，皮膚對紫外線的吸收與其波長有關。波長越短，透入皮膚的深度越小，照射后黑色素沉著較弱;波長越長，透入皮膚的深度越大，照射后黑色素沉著較強。由于受光化學反應的作用，能級較高的光子流能引起細胞內的核蛋白和一些酶的變性。因此，被紫外線照射后，需經過6～8小時的潛伏期后才發生細胞的改變并出現癥狀，包括皮膚干痛、表皮皺縮，甚至起泡脫落。因紫外線對組織的穿透力很弱，皮膚下的深層組織較少受傷。但嚴重的紫外線，可引起人體疲乏、低熱、嗜睡等全身反應。有些人的皮膚由于對紫外線過敏，光照后發生日光性皮炎 (又稱曬傷)，暴露區皮膚瘙癢、刺痛、皮膚脫屑，還可能潰破結痂。

對于人眼來說，高強度的紫外輻射只要照射幾分鐘，例如電弧焊接時發出的強紫外輻射 (如圖1所示)，就可能會損傷眼球最前部區域，導致角膜和結膜最外層細胞被破壞，從而引發光致角膜炎和光致結膜炎。通常人眼在受到6到8小時照射后，將感覺到一陣鉆心的疼痛。但是由于角膜和結膜的細胞會不斷再生，所以這類損傷是可以修復的，基本上1～2天之后就可痊愈。紫外光輻射對眼睛的危害作用光譜加權函數如圖2所示。

圖1 電弧強紫外輻射圖Fig.1 Arc ultraviolet radiationFigure

圖2 皮膚和眼睛的光化學紫外危害加權函數Fig.2 Spectral weighting functionfor actinic UV hazard for skin and eye

所以，為了降低光化學紫外危害，必須將輻射源的光化學紫外輻射輻照度降低到限值以下。這就要求對于某些特定用途燈具的使用人員，要進行必要的防護措施。而對于普通照明用燈的光化學危害，則需要制造商提供必要的保證。

2.2 眼睛的近紫外危害

光譜范圍在315nm～400nm之間的光輻射對眼睛的總曝輻量，在時間小于1000s的情況下將不超過10000J·m－2;在時間大于1000s(大約16min)的情況下，對沒有保護措施的眼睛的UV－A波段輻照度EUVA不應超過10W·m－2。

眾所周知，自然界中絕大多數紫外線來自太陽光。通常情況下，從太陽發出的光波到達地球表面時，被覆蓋于地球表面的大氣層所過濾。絕大部分紫外線被擋住，只有極少部分穿過大氣層照射下來。正是由于臭氧的存在，使陽光中的紫外線被過濾而減弱到一定的正常限度，才不至于危害人體健康。但是，隨著短波LED技術的發展，與人類朝夕相處的某些日用品中也出現了近紫外光輻射。

所以，人類在面臨溫室效應減低了大氣層厚度，增強了日光中的紫外線強度的同時，還要遭受短波LED的帶來的近紫外輻射危害。過多接受紫外線照射不僅會導致眼干燥、眼疲勞、眼結膜炎，角膜炎，眼色素膜炎等，還并會誘發晶狀體變性，產生白內障，及造成視網膜炎等疾病。光輻射與眼睛的作用區域如圖3所示。特別是對于視覺系統尚未發育成熟的兒童，由于他們眼球的晶狀體對短波光具有較高的透射比，從而使紫外光更易到達視網膜 (如圖4所示)。所以，若一些嬰幼兒玩具用品使用了此類短波LED產品，將會對嬰幼兒眼睛視覺系統造成不可挽回的傷害。

圖3 光輻射與眼睛作用區域圖Fig.3 Optical radiation and active area of eye

圖4 視網膜無晶狀體紫外危害加權函數Fig.4 Spectral weighting functionfor aphakicretina hazard

然而，在所有會產生電磁輻射的電子波中，紫外線輻射能量低，穿透力弱，其光量子連普通玻璃都不能透過，對紙、有機玻璃和一般透明塑料薄膜的透過率也很低。一層二毫米的玻璃就足以擋住百分之八十的紫外線。如果是兩層玻璃，紫外線就完全被擋住了。所以，對于用戶來說，只需采用一些簡單措施即可實現對于紫外危害的防護，甚至是我們佩戴的眼鏡。但是，燈系統制造商不能因此而將防護紫外危害的責任推給用戶。遏制紫外危害的主要途徑依然是依靠制造商提供符合光生物輻射安全要求的燈具產品。

2.3 視網膜藍光危害

為了防止長期受到藍光輻射的視網膜產生視網膜光化學損傷，光源的光譜輻亮度與藍光危害函數B(λ)加權積分后的能量，也就是藍光加權輻亮度LB不應超過下面的限值:105J·m－2·sr－1(t≤104s)或100W·m－2sr－1(t＞104s)。

藍光危害是指由波長為300nm～700nm的輻射照射后引起的，具有導致視網膜損傷潛能的光化學作用。視網膜藍光危害作用光譜加權函數如圖5所示。

當前，白光LED通常采用二波長發光 (藍光+黃光)或三波長發光 (紅光+黃光+藍光)的技術實現。無論上述哪種模式的白光，都需要藍光的存在。業界目前大多采用GaN芯片的藍光激發熒光粉產生白光，且激發波長越低，光子能量越高，光化學作用也越明顯。LED芯片的發光峰值波長為450～470nm的藍光，處于視網膜藍光光化學損傷最敏感波段，從而使窄光束高亮度的LED，其藍光對人眼造成光化學損傷的可能性也高。研究發現，藍光殺傷人眼活性細胞的能力是綠光的10倍，藍光危害可能會導致視網膜黃斑部發生病變，且由于這種損害是不可修復的，所以存在著直接導致失明的潛在可能。雖然人類的眼睛光學系統具有一定的過濾藍光的能力，但是隨著年紀增長，眼內的晶狀體也會隨之變黃，從而影響藍光對眼睛的危害 (如圖6所示)。

圖5 視網膜藍光危害作用光譜加權函數Fig.5 Spectral weighting functionfor retina

圖6 晶狀體透過率與年齡的關系曲線Fig.6 Relationship between age

所以，對于藍光危害的防御，不能依賴于人類的眼睛光學系統，更重要的是通過改進白光LED芯片技術，從而達到從源頭上遏制照明系統藍光危害的目的。

2.4 視網膜熱危害

為了防止視網膜熱損傷，光源的積分光譜輻亮度Lλ與灼傷危害加權函數R(λ)加權后得出的值，也就是熱危害加權輻亮度不應超過50000/(α·t0.25)W·m－2·sr－1(10μs≤t≤10s)。對于一個紅外熱源或者是任何近紅外的光源，它們所產生的微弱視覺刺激不足以產生不適應，當用眼睛觀察且輻照時間大于10s時，其近紅外 (780nm～1400nm之間)的輻亮度 LIR應被限值在:6000/αW·m－2sr－1(t＞10s)。

雖然對于人體的視網膜熱危害的研究資料有限，但是通過對猴子和兔子的研究發現，視網膜熱危害的作用光譜范圍主要集中在400nm～1100nm，作用的光譜峰值波長為500nm。造成視網膜熱危害的主要原因是，光輻射的熱化學反應使蛋白質和其他主要細胞生物成分發生變性，同時使生物組織受損。對于400nm～1400nm光的吸收主要集中在接近視網膜色素上表皮細胞和脈絡膜部位，所以，此處也是視網膜發生熱危害的初始地。在IEC62471:2006(CIES:009)中，規定了如圖7所示的視網膜熱危害作用光譜加權函數。但是隨著對視網膜熱危害作用機理的深入研究，研究人員發現視網膜的熱危害作用光譜加權函數在400nm～700nm范圍內，其作用光譜效力相同。并不是在400nm～500nm范圍內的視網膜的熱危害作用光譜加權函數，為對應波長下的視網膜藍光危害作用光譜加權函數的十倍。因此，在最新修訂的CIES:009中，新規定的視網膜熱危害作用光譜加權函數如圖8所示。

視網膜出現損傷的主要癥狀是當明亮的弧光照射到視網膜上時，人眼會出現沙點或盲點。視網膜可視損傷可在暴露5min后在眼科檢查中被發現。在受到24h之內照射后最嚴重的可能出現失明，有一些會在14天后出現有限的恢復。

事實上，視網膜熱損傷通常是由于氙燈弧光照射了眼睛，在燈下很少會出現這種損傷。這種損傷幾乎一定是發生在極端惡劣的環境中，或者是在很強的沒有進行任何保護的場所。因此，關于此類損傷的報道極少。人們自然的對這種反應的厭惡就限制了這種損傷的發生，也就預防了這種損傷。

圖7 視網膜熱危害作用光譜加權函數 (原)Fig.7 Spectral weighting functionfor retinal thermal hazard(Original)

圖8 視網膜熱危害作用光譜加權函數 (新)Fig.8 Spectral weighting functionfor retinal thermal hazard(new)

2.5 眼睛紅外輻射危害

為了避免對眼角膜的熱危害以及對晶狀體的后遺癥 (比如白內障)，對于在波長780nm～3000nm之間的紅外輻射，當照射時間小于1000s時，紅外輻射的視覺曝輻限值應該不超過:18000·t－0.75W·m－2(t≤1000s)或100W·m－2(t＞1000s)。

長期受到紅外輻射影響，會導致人眼晶狀體的渾濁，從而引發白內障。危害最大的波段為780nm～1400nm，但也有人認為是780nm～3000nm。這種危害的機制還未被完全搞清，一般認為這種危害和晶狀體受到的直接影響、晶狀體周圍環境對晶狀體的間接影響都有關。特別是當波長大于1400nm時，入射輻射幾乎全部被角膜和房水吸收，造成眼睛內部損傷。由于眼睛晶狀體細胞的更新速度很慢，這種損傷在很長時間內都難以恢復。這種病變發生率較高的職業是傳統的在熔化爐邊的吹玻璃工人和在熔煉耐火石邊與液態金屬打交道的工人。現在，這些場合的工人都配備了適當的防護設備，所以這種危害造成的病變發生率已經很小。

圖9 熔煉鍋爐紅外輻射Fig.9 Infrared radiation of smelting boiler

但是，對于燈或燈系統，用戶不可能配備防護裝備，只能依靠制造商對于燈具出射光譜的合理控制，來減少甚至消除紅外輻射對于人體眼睛，特別是晶狀體的損傷。

2.6 皮膚熱危害

可見光和紅外輻射 (380nm～3000nm)對皮膚的輻照應被限制在20000·t0.25J·m－2(t≤10s)。

紅外線理療對組織產生的熱作用、消炎作用及促進再生作用已為臨床所肯定。外界紅外線輻射人體產生的一次效應可以使皮膚和皮下組織的溫度相應增高，促進血液的循環和新陳代謝，促進人的健康。近紅外微量照射治療對微循環的改善效果顯著，尤以微血流狀態改善明顯。表現為輻照后毛細血管血流速度加快，紅細胞聚集現象減少，乳頭下靜脈叢淤血現象減輕或消失，從而對改善機體組織、重要臟器的營養、代謝、修復及功能有積極作用。

但是，對于非功能性應用的照明燈具來說，出射光中含有的紅外輻射光譜可能會對人體的健康，特別是皮膚產生不良影響。紅外線引起的熱輻射對皮膚的穿透力超過紫外線。其輻射量的25%～65%能到達表皮和真皮，8% ～17%能到達皮下組織(如圖10所示)。紅外線通過其熱輻射效應使皮膚溫度升高，毛細血管擴張，充血，增加表皮水分蒸發等直接對皮膚造成的不良影響。其主要表現為紅色丘疹、皮膚過早衰老和色素紊亂。此外，紅外線還會增強紫外線對皮膚的損害作用，從而加速皮膚的衰老過程。

圖10 輻射光譜與皮膚危害Fig.10 Radiation spectrum and skin hazard

因此，對于紅外線，我們需要在特定的功能性應用中，發揮其積極的醫學效用。但是，對于照明系統，我們則要避免紅外線對人體皮膚的傷害。所以，燈系統制造商有責任對于產品的紅外熱危害進行控制。

3 總結

光生物輻射安全是人類健康所面臨的一項新的課題。由于光輻射損傷通常是一種長期累積的眼睛視覺系統或皮膚病變，其形成和發展過程往往難以察覺。所以，越來越多的人開始關注燈或燈系統的光生物安全。

照明產品的光生物輻射安全的測量和評估涉及復雜的測試、分析技術。所以，很多國家都投入了較大的精力進行此項技術的研究。我國在光生物輻射安全的測量和評估方面已在國際上發揮主導作用，并牽頭制定國際標準。同時，隨著國際標準的同步采用，繼歐盟和美國之后，為保障使用者的安全，我國對各類進入市場的照明產品，也將陸續把光生物輻射安全納入強制性的安全要求之中。

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