LED光生物安全性及其生物功能应用

　　0 引言

　　近几年,LED的技术不断发展,市场也正在以惊人的速度日益扩大。LED长寿命、小体积、高亮度等特性使其广泛渗透到大量的应用场所,并保持飞速发展的势头。同时,随着LED的光效不断提升,亮度不断提高,功率从瓦级到数十瓦级,人们逐渐开始关注LED产品在使用过程中的光生物安全性。评估产品的安全性并科学合理地利用,可以在符合安全要求的前提下,开拓新的应用领域,提高人们的生活质量。

　　1　光生物安全标准化的产生和意义

　　光不仅给人类带来光明,制造安全的工作环境和舒适的生活环境,它所产生的辐射还会对人体造成伤害。伤害主要发生在人的眼睛和皮肤,分为3类:皮肤热危害、皮肤和眼睛的光化学危害和视网膜近紫外危害。就以前LED的性能状况而言,由于亮度不高,应用受到限制,LED能对人眼造成的直接危害微乎其微,但是,如今,LED亮度不断提高,人们对出射光的安全性的关注逐渐增强。由于LED光谱的特殊性,既要考虑到LED作为光源的方面,又要考虑是否符合激光安全的方面,只有将两者全部考虑进去,对使用者来说才是最安全的,也才是我们制定安全标准的目的所在。国际上有关LED安全性的标准有CIES009E:2002和IEC60825。

　　国际照明委员会(CIE)将LED归为灯具,定义为通常具有宽广发散光束的延展性(而不是点)光源。CIE内第6部分(光生物和光化学)的技术委员会TC6-55正考虑使用不同的方式评定LED的光生物安全性。其中,标准对LED造成皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害的曝幅限值作出了规定,这些曝幅限值是根据ICNIRP(国际防非电离辐射委员会)的相应指导方针得到的。CIES009E:2002标准中建议生产商使用豁免、低度和中度危险这几种类别来界定LED产品。

　　国际电工委员会(IEC)采用专门处理激光产品安全性的IEC60825系列标准对LED进行光生物安全性评估,将LED归为激光产品考量。IEC60825-1《激光产品的安全第1部分设备分类、要求和用户指南》有400nm和600nm的双重限制(热能和光化学方面)。在低于400nm的较短波长下,大量的UV光线都被角膜和(或)晶状体吸收,进而会对其产生损伤。IEC60825-1根据激光(或LED)的可达发射极限(AEL)进行分级,这些级别用于表示激光(或LED)光线的危险程度。1级是安全的,大多数LED产品归于1级,或者无需定级。LED和激光产品如果在运行、维护、服务及失效的所有条件下,其光线危险程度都没有超出1级范围,那么它们可以不受IEC60825-1限制。

　　2　CIE和IECLED光生物安全性标准的比较

　　2.1　CIEIEC豁免限值的比较

　　IEC在黄绿光至红光区域对于曝幅限值比CIE更为严格;相反,CIE在蓝绿光和白光区域对于曝幅限值比IEC更严格。

　　2.2视网膜蓝光危害

　　这类危害主要产生于蓝光和白光。对于相同的曝光事件,研究发现IEC激光标准和CIE光源标准在蓝光区域的曝幅限值非常吻合。但是IEC激光标准定义蓝光危害出现在400nm以上波长,而CIE则拓宽范围至最短380nm。

　　2.3　视网膜可见光范围危害

　　CIE和IEC在可见光范围的危害所定义的曝幅限值相差3.2倍。

　　2.4　近红外危害

　　除了视网膜热危害曝幅限值,CIE对于波长大于780nm的红外波段的曝幅限值比IEC还增加了额外的2类评价:LV(retinalthermalhazardofsourceswithlowvisualstimulus)低视觉刺激光源的视网膜热危害和CL(cornealenshazard)角膜晶状体危害。

　　由于LED实际应用的复杂性,它既不完全属于激光系列,也不同于传统光源,LED需要一个科学适用的专门的LED光安全性标准,来满足LED产业的发展需求。而且LED照射下引起眼睛危害的情况可能会非常复杂,例如在某些情况下,最有害的观察点可能是在离开光源的某个距离而不是最近点。另外表现光源的确定对于正确评价LED光生物安全性也有重要作用。

　　3　蓝光LED对生物司辰视觉系统的特殊作用

　　自从有了人造光源,人类可以自主地决定自己的作息时间,照明使我们摆脱了黑暗的限制和束缚。随着科技的发展,光的贡献从仅仅是照明逐渐渗透到人们生活的各个领域,同时人类对光的要求也不再限于亮度,而是对于光对人体健康和生活质量的影响的要求更为苛刻。于是,加大了对光的生物功能的研究,其中包括蓝光的生物功能———提高人们的工作生活质量。

　　通常,在研究光对人眼作用的时候,关注最多的是视网膜上的锥状和柱状两种感光细胞,分别在明视觉和暗视觉时起作用。锥状细胞对波长为555nm的光最敏感,而柱状细胞的最大灵敏度发生在507nm。这些就是我们通常所认识的光给予的视觉系统功效。本文所介绍的生物功能是一种新的感光细胞,由美国Brown大学的DavidBerson发现,称之为司辰视觉系统(非成像视觉),它的最大灵敏度在波长为460nm蓝光附近并直接作用于下丘脑的松果体影响人体的生物功能。

　　图1　3类视觉效应的光谱灵敏度分布

　　如今,在发达地区,越来越多的人工作时间不规律,如“三班倒”的人员,长期或间歇性的日夜颠倒式工作时间会给人体带来不适,降低工作效率,更有甚者影响正常的生理周期,导致神经衰弱等疾病。应用蓝光照明能刺激视网膜上的神经节细胞,使体内皮质醇的浓度增高,并抑制褪黑色素的分泌,可以明显改变原来的不适应状态。若要达到相同的生物作用,使用其它颜色的灯光所需要的照度要更高。2004年Cajochen发现用460nm单色光照射2h后比555nm单色光照射后有更明显的褪黑色素抑制作用,同时还会提高警觉反应,增加体温,心率,并降低皮肤末梢区域的温度。另外,CIE最新研究结果显示,缺少蓝光的光脉冲照射能降低褪黑色素抑制作用,但是可能引起生物钟偏移。而在众多光源中,LED更适合用于相关用途,因为传统光源不容易得到窄光谱,并需要避免过量的热辐射。

　　由上可以看出LED光生物功能的重要效应。因此结合安全性考虑并采取科学适当的应用方式是非常必要的。

　　4　结论

　　LED与其他传统光源不同,是一种全新的极具发展潜力的光源,LED光生物安全性问题也成为了一个全新关注的问题,既是机遇,又是挑战。对LED光生物安全性的正确评价与它的生物效应互相促进,相辅相成。

编辑：Cedar