藍光光生物安全危害研究的現狀分析

肖治宇, 林楷榮, 劉曉柯, 熊 柯, 莊正飛, 邱學軍*

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

光生物效應是一種由光輻射照射人體, 引起人體發生生理變化的生物物理效應。光生物效應的發生機制不盡相同, 既可直接作用于人眼傳遞視覺信息（光的視覺效應）, 也可通過作用于人體生理節律調節系統傳遞非視覺信息（光的非視覺效應）, 還可直接作用于人體肌膚傳遞輻射傷害（光的輻射效應）。在光生物效應作用的基礎上, 人們提出了光生物安全的概念, 重點關注用于照明的可見光波段對人體健康造成的安全性問題。隨著LED光源的發展普及, 傳統光源已經喪失了市場競爭力。LED光源具有色彩豐富、體積小巧、堅固耐用、環保低耗、適用范圍廣等優點, 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, 會產生大量光輻射。世界衛生組織已經將輻射危害列入世界四大環境問題隱患名單[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, 過量光輻射則會對人體產生不良后果。不同種類光輻射危害對人體生理造成的損傷程度不同。

白光LED光源主要由藍光芯片激發黃色熒光粉得到高亮度白光, 因此富含藍光。而過量藍光輻射不僅會對眼球、視網膜和肌膚造成損傷, 也會對人體的生理節律造成不良影響, 因此, 藍光危害成為了當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引起了各界人士的重視[3]。新的國家標準GB7000.1—2015也已把燈的光生物安全性列為強制檢測范疇[4]。其中, 對藍光危害的評價方法雖然沿襲著舊的評價標準, 但依舊占據著重要篇幅, 可見藍光危害依舊是光生物安全議題中的重點問題。本文將著重介紹藍光的危害性, 并對如何應對藍光危害進行展望。

1 藍光危害的產生

1.1 概述

世界衛生組織曾經發布了一份調查報告。該報告顯示：近兩年來, 全球因光輻射（主要是藍光輻射）導致失明的有近6萬人。因此, 世界衛生組織向全世界發出通告：“藍光輻射的潛在隱性威脅急劇上升, 破壞性將遠勝SARS冠狀病毒、HINI等流感病毒, 藍光輻射在悄無聲息中帶走人類的眼睛”[5]。

藍光輻射屬于電磁輻射, 波長短, 一般為400～500 nm, 在光頻譜中屬于可見光。在許多光學效應中, 向短波長移動的現象常常被稱為藍移。同時, 藍光也是當下照明用LED白色光源的光譜中的重要組成部分。視網膜位于眼球內側后方, 在光頻譜中波長為380～1 400 nm的光輻射照射人眼都對人類視網膜有損傷風險, 而藍光輻射損傷風險最高, 因此, 人類視網膜對于藍光刺激非常敏感。人眼接受藍光輻射過多會造成視覺疲勞, 褪黑素分泌減少, 生物鐘不正常等不良后果, 嚴重者甚至導致視網膜脫落。

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

白光光譜中的藍光成分可以用藍白比k來表示：

在白光光譜中,k值越高, 說明光譜的相關色溫（correlated color temperature, CCT）越高, 二者之間存在線性關系。如圖2所示, 以熱沉溫度55℃、驅動電流200～450 mA的燈珠為例, 對藍白光譜比和色溫做相關性分析可得, 當 色溫為6 000 K時,k值高達0.300[7]。也就是說, LED燈色溫越高, 藍光成分越高, 這也為LED燈具的制造埋下了隱患。

1.2 藍光危害的評價機制

由于光生物安全領域中測量的特殊性和復雜性, 我國至今尚未建立與之相適應的光生物安全計量標準以及相應的量值溯源系統[8]。目前, 我國使用最多的測量方式為設定時域區間并放置輻射光源, 然后, 設置模擬對象測量其受到的傷害值, 最后, 通過設定輻射限值來判斷該類輻射是否會對人體產生潛在損害。當下LED產品的光生物安全等級通過其藍光危害值來判斷。

藍光加權輻亮度和藍光危害效能是表征藍光危害大小的物理量。輻亮度L, 單位為W·m-2·sr-1, 表示輻射強度, 代表在單位投影面積內所通過的輻射總量。輻亮度按照每單位波長劃分得到光譜輻亮度。對不同波長光源的光譜輻亮度Lλ與藍光危害加權函數的乘積積分, 可得藍光加權輻亮度LB[9], 最終評價得到藍光危害等級。具體流程歸納總結如圖3所示。

對于藍光危害的測量, 通常采用測量被測樣品輻亮度的方法予以實現[10]。檢測樣品輻亮度的方法為有效輻射亮度成像法, 如圖4所示。在測量中一般需要進行瞳孔直徑模擬, 我們在人眼視網膜內測得輻射被吸收的數值應當與瞳孔直徑成正比例關系, 在不同情況下需要模擬出不同直徑的瞳孔。通常為：試驗在L＞10 cd·m-2且t＞0.25 s的條件下, 應模擬3 mm瞳孔直徑；在L＜10 cd·m-2或t＜0.25 s的條件下, 應模擬7 mm瞳孔直徑。測量中一般測試距離要求根據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, 則要求在產生500 lx照度的距離下進行測量, 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。測量中光譜掃描步長分為兩種情況：若光譜在400 mm以內, 建議選擇1 nm為掃描步長；如果光譜在400 mm以上, 建議選擇5 nm為掃描步長。

藍光加權輻照度EB也可以表征藍光輻射對視網膜的傷害, 由光譜輻照度Eλ與藍光危害函數B（λ）加權積分后所得, 以波長300～780 nm舉例說明。計算如下：

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

燈和燈系統的光生物安全性中指出：藍光危害指視網膜被波長介于400～500 nm的光輻照后有損傷的潛在危險[13]。當光的曝輻值超過一定值就會危及視網膜。當藍光輻亮度超過標準規定中的1類, 亮度達到2類甚至達到3類時, 會立即損傷人眼, 其依據標準是GB/T 20145—2006/CIE S009/E:2002[14]。根據辦公室照明國家標準, 辦公場所照明光源應接近室外日光, 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, 藍光輻射值不容小覷[15]。全球對藍光危害的檢測標準, 逐步從對藍光相關的參數完善到了一整套藍光危害檢測的測量評價方法。

2 藍光輻射的危害

2.1 藍光危害對眼睛的影響

藍光危害主要損傷眼球結構, 對人眼的危害表現在白內障和黃斑病變等方面[16]。人類晶狀體無法有效抵擋藍光輻射, 藍光輻射可直達視網膜, 視網膜上皮細胞對藍光輻射極其敏感, 受到輻射刺激會出現細胞萎縮現象, 嚴重的會出現細胞凋亡現象。而這些細胞的萎縮、凋亡將會造成視力下降, 嚴重患者甚至會失明, 造成不可逆的黃斑病變。尤其是在幼年狀態時, 人類晶狀體非常清澈, 其抵擋能力更弱, 更容易產生黃斑病變。同時, 晶狀體也部分吸收藍光, 從而可能加速白內障的發展[17]。

科學試驗充分證明了藍光對生物的危害。試驗選取輻照度強度為0.64 W/m2的藍光波段對試驗鼠的眼睛進行持續照射, 當照射時間超過3 h時, 試驗鼠的眼睛就出現損傷狀況, 并隨著照射時間的增加逐漸積累損傷, 損傷積累到一定程度后出現失明現象[18-19]。在不同照明強度和照明距離下測量了LED照明的光譜功率分布, 通過對照明強度、照明距離和藍光輻射分布之間關系的研究, 可以得出以下結論：在正常感光條件下, 人眼受到的藍光輻射強度與照明強度成正比例關系, 與照明距離成反比例關系, 即強度越大、距離越小時, 人眼所受輻射強度越高。

2.2 藍光危害對視疲勞的影響

藍光危害會導致人體出現視疲勞。藍光射入眼底在聚焦之后, 焦點不會像正常情況下落在視網膜上, 而會出現在晶狀體后靠近視網膜的位置。這會擴大光線在眼內聚焦后所產生的色差距離, 使得藍光入射, 造成色差、視覺模糊度加劇和眼部肌肉過度緊張, 從而使人體產生視覺疲勞。當人眼處于長時間視覺疲勞的情況下, 會出現近視加深、看書串行、精力分散等不良癥狀, 從而導致學習與工作效率降低。

中國標準化研究院視覺健康試驗室針對藍光輻射危害進行了大量的生理試驗。在最近的一次試驗中, 600余份試驗數據分析表明：在保障人眼正常且無色覺偏差的狀態下, 將藍光發射光源所發射的藍光調整為正常狀態下的75%, 調整后受到藍光照射的試驗者的視覺疲勞度比調整前的試驗者要低, 且程度要低超過20%[20]。

2.3 藍光危害對人體作息規律的影響

藍光危害會使人體作息規律紊亂。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生理調節, 我們稱之為“非視覺效應”。2002年, 美國Brown大學Berson教授等[21]在Science發文指出：哺乳動物視網膜存在第三類感光細胞, 它可以接收光輻射, 并將信號傳遞給大腦的生物鐘調節器——視交叉上核, 作用于哺乳動物的生物節律調節。人類的晝夜節律系統對于短波長光輻射非常敏感。而藍光輻射峰值波長為450 nm, 與人類晝夜節律系統的響應峰值波長460 nm非常接近, 作用于人體會影響人體的正常生理調節, 具體表現為抑制參與人體生理調節的重要激素——褪黑素的分泌。

褪黑素是一種影響人類生物鐘的關鍵激素, 它的作用就是參與調節人類晝夜節律。褪黑素分泌水平受446～483 nm藍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律, 當光刺激較強時, 人體內松果體在合成褪黑激素時所運用的酶類活性會減弱, 從而導致體內褪黑素的分泌水平相應降低。人體內褪黑色素分泌減少會使人精神亢奮、無法入眠, 破壞人體正常作息, 從而影響人體免疫機制。

近年來, 研究者提出了“富藍化”的概念。“富藍化”照明對人的損傷是潛移默化的, 不同于藍光危害是在較短時間內或瞬間輻亮度超過規定標準對人眼造成傷害。“富藍化”照明是通過影響人體生理規律對人體造成損傷, 但是這種損傷經過較長時間之后才會呈現。隨著白光LED的應用推廣, 富藍化照明的危害也開始逐漸顯現[23]。

2.4 藍光危害對人體肌膚的影響

藍光危害會對人體肌膚造成損傷, 主要體現為肌膚表面色素積累, 變黑發黃, 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光, 藍光輻射可直接穿透并作用于上皮細胞內的線粒體, 導致活性氧自由基泛濫, 這些氧自由基可以與線粒體的DNA結合, 并發生化學反應。化學反應完成后, 線粒體和DNA都會被破壞, 導致細胞功能障礙, 最終被人體免疫系統清除。另一方面, 藍光輻射還能刺激脂褐素產生。脂褐素是溶酶體內由鐵催化氧化形成的具有自發熒光特性的棕黃色物質[24]。它產生后會在細胞中積累, 積累數量越多, 標志該細胞的衰老程度越高。從具體現象分析, 藍光輻射通過影響皮膚真皮層的纖維細胞, 使其結構、功能破壞, 從而造成肌膚過早松弛老化[25-26]。藍光輻射會影響人體的正常生物節律, 人體接收過量的藍光輻射就會使得皮膚的生理節律逆調節, 從而對皮膚造成不可逆的傷害。

3 總結與展望

本文分析了藍光光生物安全的現狀, 并總結歸納了藍光輻射對人體的危害。綜上所述, 過量藍光輻射會造成人類眼球結構破壞、視覺疲勞、生物鐘失調、肌膚衰老等損害。造成損害的主要原因是：藍光輻射可穿透晶狀體和肌膚真皮層, 導致相關細胞線粒體損傷, 從而造成細胞凋亡；藍光輻射通過抑制人體褪黑素分泌影響人體生理節律；藍光輻射通過刺激脂褐素產生, 導致細胞老化速度加快。藍光輻射對人體造成的危害不可逆, 并且在藍光照明強度過大或照明距離過近時危害更加嚴重。因此, 解決藍光危害問題已經成為了當務之急。

我們可以通過科技手段降低藍光輻射危害：1）開發低色溫LED照明燈, 這是目前LED照明光源發展的主要方向；2）調制白光時, 增大藍光芯片的激發波長；3）基于薄膜光學原理, 開發反射藍光的顯示面板；4）開發新型調光方式, 使用其他色光調制白光。我們還可以通過醫療手段治療藍光輻射危害, 如移植藍光過濾人工晶狀體、局部使用抗氧化劑藥物、視網膜移植等。同時, 我們也應該養成正確的用眼用光習慣、規范的閱讀習慣, 減少手機手表和電腦等電子產品的使用, 從而進一步防范藍光危害。

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