白光LED的光生物作用特性
Photobiological Function of White LED
陈超中 施晓红 刘磊
Chen,Chaozhong Shi,Xiaohong Liu,Lei
[全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会、国家灯具质量监督检验中心、国家电光源质量监督检验中心(上海)、上海时代之光照明电器检测有限公司、中国照明学会灯具专业委员会 上海 201114]
[Subcommittee 2 on Luminaire of National Technical Committee 224 on lighting of Standardization Administration of China, China National Luminaire Supervision Testing Center (CLTC), National Center of Supervision & Inspection on Electric Light Source Quality (Shanghai), Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd.,Luminaries Specialty Committee of China Illuminating Engineering Society, Shanghai, 201114]
摘 要:本文从光生物安全的基本概念入手,阐述了白光LED对皮肤和眼睛的光生物作用和光生物安全标准的发展历史。重点介绍了蓝光对视网膜的视觉危害与对司辰节律的影响,对司辰节律的影响往往没有被重视。对LED蓝光危害与对司辰节律的影响提出了应对的措施,包括室内灯具和室外灯具应关注的要点。本文倡导应树立正确的LED照明的节能理念。
Abstract: Start with the basic concept of photobiological safety, the article expatiated on the subject of photobiological function of white LED and the develop history of relevant safety standard. Focus on the retinal blue bight hazard and the effect of blue light on circadian rhythm, and the latter is sometimes ignored, the article advices solutions against the retinal blue bight hazard and the effect of blue light on circadian rhythm, including the main points of indoor luminaries and outdoor luminaries, which should be attention. The article intends to pilot the correct idea of energy saving of LED lighting.
关键词:LED;白光LED;光生物安全;LED蓝光危害;视觉危害;非视觉危害
Key WordsED;White LED;Photobiological safety;blue light hazard of LED;vision hazard;non-vision hazard
蓝光危害是光生物危害的一种,光生物安全研究的内容是光辐射与生物机体的相互作用。光辐射被定义为波长从100nm到1mm的电磁辐射。但是由于空气对于200nm以下的光具有强烈的吸收,而3000nm以上的光能量太低对人体的影响几乎可以忽略,因此一般考虑的光辐射范围为200-3000nm。
一、白光LED的构成
白光LED是发出白色光的发光二极管,白色光由多种不同波长的光叠加而成,白光LED是可以用于一般照明的LED。
由于可以从LED得到日光色,因此它能用于照明。由多种颜色的光混合而成白光可由多种办法得到,其中由三种颜色的光混合而成是常用的方法。当前用氮化镓基的LED获得白光主要有两种方法:一种是蓝色LED与YAG黄色荧光粉的组合(见图1);另一种是红/绿/蓝(RGB)三色LED的组合(见图2)。
图1 蓝色LED加荧光粉产生的白光 图2 RGB三色LED产生的白光
为了得到稳定、可靠和简单的白光,目前最常用的方法是用发蓝色光的LED芯片激发荧光粉,LED辐射出波长为450nm左右的蓝光,蓝光在这一过程中被分成两部分,一部分蓝光激发荧光粉发出波长为570nm左右的黄绿光,另一部分蓝光透射出来与激发荧光粉产生的黄绿光混合产生白光。
白光LED色度学参数主要有色温与显色性。根据荧光粉的配比和成分,白光LED能提供色温在2700K~6500K之间冷白、中性、暖白的全系列色温范围。显色性是白光LED作为普通照明光源另一个重要指标。室内照明白光LED要求的显色指数在80及其以上。
白光LED的一个能效指标是光效,即光源发出的光通量与其自身所消耗的电功率之比,单位为lm/W。
高色温的LED白光也称富蓝白光,有丰富的蓝光。光效较高。低色温的LED白光,由于蓝光大都已经转化为波长更长的黄绿光和红光,所以光效较低。
二、光生物安全的基本概念
由于光辐射会被人体组织吸收,并且能有一定深度的穿透(紫外穿透深度为几个微米,而红外的穿透深度为几个毫米),因此人的皮肤和眼睛是暴露在光辐射之下的。曝辐射的生物反应是由于多种能量传递过程产生的,一般可大致的分为光化学作用和热作用。由于短波区域的光子能量最高,光化学反应在短波区域起主要作用,而在长波区域则是热作用占主导地位(见图3)。
图3 光辐射的光生物作用
1、光化学作用机理
在光化学作用中,一些特定波长的光会激发细胞分子中的电子,从而导致那一区域的化学键的断裂和重组。这可能对双螺旋链接的DNA有直接的影响,光辐射有可能导致DNA的破坏,另外,还将产生高活性基团。这些基团将与DNA反应从而导致结构重组,或者与细胞如视网膜的感光细胞反应导致细胞功能的降低或坏死。重要的是对于DNA的破坏如果无法修复的话,有可能会导致癌症。
2、热作用机理
热反应的机理则是因为某些部位吸收了光,使得局部的温度上升。这将导致蛋白质变性或细胞热损伤。
3、光化学作用与热作用机理的差异
热反应在整个波段导致的伤害是一致的,而光化学伤害则强烈的取决于波长,这一特性将用伤害加权函数来表示(见图4),该函数取某一波长导致一定反应所需剂量(或能量)的倒数并最终归一化。
图4 紫外伤害与蓝光伤害加权曲线
另外,低强度的热辐射导致的热反应会随着热从被照射部位传导至其他部位而减低,而光化学反应则服从Bunson-Roscoe 定律,也就是说光化学过程是取决于剂量的,低强度的长期的照射与高强度的短期的照射造成的伤害是一样的。
三、对皮肤和眼睛的光生物危害
在考察光辐射对皮肤及眼睛的伤害时,应该考虑三种情况:对皮肤,眼睛前表面(眼角膜,眼结膜,晶状体)以及视网膜的曝辐射。
1、对皮肤的危害
光辐射照射到皮肤上时,一部分入射光被反射,剩下的则穿透至表皮及真皮。最可能对皮肤造成伤害的就是紫外辐射,它将产生光化学伤害从而直接损害DNA,并产生炎症性的红斑(晒伤)。另一种伤害则是由于高活性自由基侵袭DNA或其他皮肤细胞如胶原蛋白。这种结构性蛋白质是给皮肤提供弹性的,胶原蛋白的破坏将导致弹性组织变性从而导致皱纹的产生以及皮肤的衰老。热损伤的危险同样存在,但是一般由于热损伤将导致疼痛的感觉提醒我们避免再受到辐射,因此这个危害受到的关注程度会较低。若重复受到紫外的辐射皮肤会产生保护机制:皮肤上层变厚来减少紫外的穿透,产生黑色素来吸收紫外线。
2、对眼睛的危害
眼睛的表层结构受到辐射时的反应与皮肤类似。最重要的是紫外区域,在这个区域中可能导致光致角膜炎(电光性眼炎/雪盲症),这是发生在眼角膜和眼结膜处的一种炎症性的光化学反应。另一种可能导致的伤害是紫外白内障。而在红外区域,长期高强度的辐射也可能导致红外白内障。
由于晶状体的透光性质,对于视网膜的辐射只需要考虑300-1400nm区域内的光。曝辐射时间超过10秒时主要的伤害机制是蓝光光化学伤害(光照性视网膜炎)。它将产生自由基从而伤害感光细胞以及视网膜色素上表皮细胞。短时间的曝辐射则是由热伤害占主要地位,这将导致蛋白质以及视网膜关键生物组成的变性。
眼睛对视觉刺激有一系列的保护机制,包括保护性反应(眨眼,移动头部以及收缩瞳孔以限制到达视网膜的光的总量)和持续的眼球移动(扫视),以保证视网膜的同一个区域不会被持续的照射。表1列出了不同波段光辐射对于皮肤以及眼睛的伤害机理。
表1 对于皮肤以及眼睛的六种光生物危害(有↑符号说明在计算危害时需使用加权函数)
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