蓝光光生物安全危害研究的现状分析

肖治宇, 林楷荣, 刘晓柯, 熊 柯, 庄正飞, 邱学军*

（1. 华南师范大学生物光子学研究院, 广州 510631；2. 师大瑞利光电科技（清远）有限公司, 清远 511517；3. 南方医科大学南方医院眼科, 广州 510515；4. 广东药科大学健康学院, 广州 510310）

光生物效应是一种由光辐射照射人体, 引起人体发生生理变化的生物物理效应。光生物效应的发生机制不尽相同, 既可直接作用于人眼传递视觉信息（光的视觉效应）, 也可通过作用于人体生理节律调节系统传递非视觉信息（光的非视觉效应）, 还可直接作用于人体肌肤传递辐射伤害（光的辐射效应）。在光生物效应作用的基础上, 人们提出了光生物安全的概念, 重点关注用于照明的可见光波段对人体健康造成的安全性问题。随着LED光源的发展普及, 传统光源已经丧失了市场竞争力。LED光源具有色彩丰富、体积小巧、坚固耐用、环保低耗、适用范围广等优点, 是照明用的首选光源。而照明用的光源大多是高亮度的白光LED光源, 会产生大量光辐射。世界卫生组织已经将辐射危害列入世界四大环境问题隐患名单[1]。光辐射是影响人体健康的重要角色。适量光辐射可以给人体带来积极作用, 过量光辐射则会对人体产生不良后果。不同种类光辐射危害对人体生理造成的损伤程度不同。

白光LED光源主要由蓝光芯片激发黄色荧光粉得到高亮度白光, 因此富含蓝光。而过量蓝光辐射不仅会对眼球、视网膜和肌肤造成损伤, 也会对人体的生理节律造成不良影响, 因此, 蓝光危害成为了当下人类最重视的光生物安全问题[2]。目前, LED照明用灯的光生物安全性已经引起了各界人士的重视[3]。新的国家标准GB7000.1—2015也已把灯的光生物安全性列为强制检测范畴[4]。其中, 对蓝光危害的评价方法虽然沿袭着旧的评价标准, 但依旧占据着重要篇幅, 可见蓝光危害依旧是光生物安全议题中的重点问题。本文将着重介绍蓝光的危害性, 并对如何应对蓝光危害进行展望。

1 蓝光危害的产生

1.1 概述

世界卫生组织曾经发布了一份调查报告。该报告显示：近两年来, 全球因光辐射（主要是蓝光辐射）导致失明的有近6万人。因此, 世界卫生组织向全世界发出通告：“蓝光辐射的潜在隐性威胁急剧上升, 破坏性将远胜SARS冠状病毒、HINI等流感病毒, 蓝光辐射在悄无声息中带走人类的眼睛”[5]。

蓝光辐射属于电磁辐射, 波长短, 一般为400～500 nm, 在光频谱中属于可见光。在许多光学效应中, 向短波长移动的现象常常被称为蓝移。同时, 蓝光也是当下照明用LED白色光源的光谱中的重要组成部分。视网膜位于眼球内侧后方, 在光频谱中波长为380～1 400 nm的光辐射照射人眼都对人类视网膜有损伤风险, 而蓝光辐射损伤风险最高, 因此, 人类视网膜对于蓝光刺激非常敏感。人眼接受蓝光辐射过多会造成视觉疲劳, 褪黑素分泌减少, 生物钟不正常等不良后果, 严重者甚至导致视网膜脱落。

一种典型的LED灯具发射光谱如图1[6]所示, 可以看出LED灯具发射光谱中400～500 nm蓝光占光谱主要部分。有研究认为, 白光LED是由蓝光光谱与荧光光谱叠加组成的。白光输出总功率值Pw为蓝光光谱光功率值Pb与荧光光谱光功率值Pp之和：

白光光谱中的蓝光成分可以用蓝白比k来表示：

在白光光谱中,k值越高, 说明光谱的相关色温（correlated color temperature, CCT）越高, 二者之间存在线性关系。如图2所示, 以热沉温度55℃、驱动电流200～450 mA的灯珠为例, 对蓝白光谱比和色温做相关性分析可得, 当 色温为6 000 K时,k值高达0.300[7]。也就是说, LED灯色温越高, 蓝光成分越高, 这也为LED灯具的制造埋下了隐患。

1.2 蓝光危害的评价机制

由于光生物安全领域中测量的特殊性和复杂性, 我国至今尚未建立与之相适应的光生物安全计量标准以及相应的量值溯源系统[8]。目前, 我国使用最多的测量方式为设定时域区间并放置辐射光源, 然后, 设置模拟对象测量其受到的伤害值, 最后, 通过设定辐射限值来判断该类辐射是否会对人体产生潜在损害。当下LED产品的光生物安全等级通过其蓝光危害值来判断。

蓝光加权辐亮度和蓝光危害效能是表征蓝光危害大小的物理量。辐亮度L, 单位为W·m-2·sr-1, 表示辐射强度, 代表在单位投影面积内所通过的辐射总量。辐亮度按照每单位波长划分得到光谱辐亮度。对不同波长光源的光谱辐亮度Lλ与蓝光危害加权函数的乘积积分, 可得蓝光加权辐亮度LB[9], 最终评价得到蓝光危害等级。具体流程归纳总结如图3所示。

对于蓝光危害的测量, 通常采用测量被测样品辐亮度的方法予以实现[10]。检测样品辐亮度的方法为有效辐射亮度成像法, 如图4所示。在测量中一般需要进行瞳孔直径模拟, 我们在人眼视网膜内测得辐射被吸收的数值应当与瞳孔直径成正比例关系, 在不同情况下需要模拟出不同直径的瞳孔。通常为：试验在L＞10 cd·m-2且t＞0.25 s的条件下, 应模拟3 mm瞳孔直径；在L＜10 cd·m-2或t＜0.25 s的条件下, 应模拟7 mm瞳孔直径。测量中一般测试距离要求根据光源类型分为普通光源和其他类型光源：如果是普通照明光源, 则要求在产生500 lx照度的距离下进行测量, 并且最小距离控制在200 mm；若是其他类型光源则一般控制在200 mm。测量中光谱扫描步长分为两种情况：若光谱在400 mm以内, 建议选择1 nm为扫描步长；如果光谱在400 mm以上, 建议选择5 nm为扫描步长。

蓝光加权辐照度EB也可以表征蓝光辐射对视网膜的伤害, 由光谱辐照度Eλ与蓝光危害函数B（λ）加权积分后所得, 以波长300～780 nm举例说明。计算如下：

Eλ为光谱辐照度；B（λ）为蓝光危害的加权函数, Δλ是光谱的波长带宽[12]。

灯和灯系统的光生物安全性中指出：蓝光危害指视网膜被波长介于400～500 nm的光辐照后有损伤的潜在危险[13]。当光的曝辐值超过一定值就会危及视网膜。当蓝光辐亮度超过标准规定中的1类, 亮度达到2类甚至达到3类时, 会立即损伤人眼, 其依据标准是GB/T 20145—2006/CIE S009/E:2002[14]。根据办公室照明国家标准, 办公场所照明光源应接近室外日光, 色温至少大于4 000 K, 一般在5 000～6 000 K, 照度在300 lx以上, 亮度也较高, 蓝光辐射值不容小觑[15]。全球对蓝光危害的检测标准, 逐步从对蓝光相关的参数完善到了一整套蓝光危害检测的测量评价方法。

2 蓝光辐射的危害

2.1 蓝光危害对眼睛的影响

蓝光危害主要损伤眼球结构, 对人眼的危害表现在白内障和黄斑病变等方面[16]。人类晶状体无法有效抵挡蓝光辐射, 蓝光辐射可直达视网膜, 视网膜上皮细胞对蓝光辐射极其敏感, 受到辐射刺激会出现细胞萎缩现象, 严重的会出现细胞凋亡现象。而这些细胞的萎缩、凋亡将会造成视力下降, 严重患者甚至会失明, 造成不可逆的黄斑病变。尤其是在幼年状态时, 人类晶状体非常清澈, 其抵挡能力更弱, 更容易产生黄斑病变。同时, 晶状体也部分吸收蓝光, 从而可能加速白内障的发展[17]。

科学试验充分证明了蓝光对生物的危害。试验选取辐照度强度为0.64 W/m2的蓝光波段对试验鼠的眼睛进行持续照射, 当照射时间超过3 h时, 试验鼠的眼睛就出现损伤状况, 并随着照射时间的增加逐渐积累损伤, 损伤积累到一定程度后出现失明现象[18-19]。在不同照明强度和照明距离下测量了LED照明的光谱功率分布, 通过对照明强度、照明距离和蓝光辐射分布之间关系的研究, 可以得出以下结论：在正常感光条件下, 人眼受到的蓝光辐射强度与照明强度成正比例关系, 与照明距离成反比例关系, 即强度越大、距离越小时, 人眼所受辐射强度越高。

2.2 蓝光危害对视疲劳的影响

蓝光危害会导致人体出现视疲劳。蓝光射入眼底在聚焦之后, 焦点不会像正常情况下落在视网膜上, 而会出现在晶状体后靠近视网膜的位置。这会扩大光线在眼内聚焦后所产生的色差距离, 使得蓝光入射, 造成色差、视觉模糊度加剧和眼部肌肉过度紧张, 从而使人体产生视觉疲劳。当人眼处于长时间视觉疲劳的情况下, 会出现近视加深、看书串行、精力分散等不良症状, 从而导致学习与工作效率降低。

中国标准化研究院视觉健康试验室针对蓝光辐射危害进行了大量的生理试验。在最近的一次试验中, 600余份试验数据分析表明：在保障人眼正常且无色觉偏差的状态下, 将蓝光发射光源所发射的蓝光调整为正常状态下的75%, 调整后受到蓝光照射的试验者的视觉疲劳度比调整前的试验者要低, 且程度要低超过20%[20]。

2.3 蓝光危害对人体作息规律的影响

蓝光危害会使人体作息规律紊乱。光信息可以给人类反馈视觉信息, 除此之外, 它还可以参与人类体内生理调节, 我们称之为“非视觉效应”。2002年, 美国Brown大学Berson教授等[21]在Science发文指出：哺乳动物视网膜存在第三类感光细胞, 它可以接收光辐射, 并将信号传递给大脑的生物钟调节器——视交叉上核, 作用于哺乳动物的生物节律调节。人类的昼夜节律系统对于短波长光辐射非常敏感。而蓝光辐射峰值波长为450 nm, 与人类昼夜节律系统的响应峰值波长460 nm非常接近, 作用于人体会影响人体的正常生理调节, 具体表现为抑制参与人体生理调节的重要激素——褪黑素的分泌。

褪黑素是一种影响人类生物钟的关键激素, 它的作用就是参与调节人类昼夜节律。褪黑素分泌水平受446～483 nm蓝光波段的光辐射的影响最为明显[22]。褪黑激素分泌具有昼夜规律, 当光刺激较强时, 人体内松果体在合成褪黑激素时所运用的酶类活性会减弱, 从而导致体内褪黑素的分泌水平相应降低。人体内褪黑色素分泌减少会使人精神亢奋、无法入眠, 破坏人体正常作息, 从而影响人体免疫机制。

近年来, 研究者提出了“富蓝化”的概念。“富蓝化”照明对人的损伤是潜移默化的, 不同于蓝光危害是在较短时间内或瞬间辐亮度超过规定标准对人眼造成伤害。“富蓝化”照明是通过影响人体生理规律对人体造成损伤, 但是这种损伤经过较长时间之后才会呈现。随着白光LED的应用推广, 富蓝化照明的危害也开始逐渐显现[23]。

2.4 蓝光危害对人体肌肤的影响

蓝光危害会对人体肌肤造成损伤, 主要体现为肌肤表面色素积累, 变黑发黄, 并使肌肤老化、松弛的速度加快等。一方面肌肤真皮层无法有效阻挡蓝光, 蓝光辐射可直接穿透并作用于上皮细胞内的线粒体, 导致活性氧自由基泛滥, 这些氧自由基可以与线粒体的DNA结合, 并发生化学反应。化学反应完成后, 线粒体和DNA都会被破坏, 导致细胞功能障碍, 最终被人体免疫系统清除。另一方面, 蓝光辐射还能刺激脂褐素产生。脂褐素是溶酶体内由铁催化氧化形成的具有自发荧光特性的棕黄色物质[24]。它产生后会在细胞中积累, 积累数量越多, 标志该细胞的衰老程度越高。从具体现象分析, 蓝光辐射通过影响皮肤真皮层的纤维细胞, 使其结构、功能破坏, 从而造成肌肤过早松弛老化[25-26]。蓝光辐射会影响人体的正常生物节律, 人体接收过量的蓝光辐射就会使得皮肤的生理节律逆调节, 从而对皮肤造成不可逆的伤害。

3 总结与展望

本文分析了蓝光光生物安全的现状, 并总结归纳了蓝光辐射对人体的危害。综上所述, 过量蓝光辐射会造成人类眼球结构破坏、视觉疲劳、生物钟失调、肌肤衰老等损害。造成损害的主要原因是：蓝光辐射可穿透晶状体和肌肤真皮层, 导致相关细胞线粒体损伤, 从而造成细胞凋亡；蓝光辐射通过抑制人体褪黑素分泌影响人体生理节律；蓝光辐射通过刺激脂褐素产生, 导致细胞老化速度加快。蓝光辐射对人体造成的危害不可逆, 并且在蓝光照明强度过大或照明距离过近时危害更加严重。因此, 解决蓝光危害问题已经成为了当务之急。

我们可以通过科技手段降低蓝光辐射危害：1）开发低色温LED照明灯, 这是目前LED照明光源发展的主要方向；2）调制白光时, 增大蓝光芯片的激发波长；3）基于薄膜光学原理, 开发反射蓝光的显示面板；4）开发新型调光方式, 使用其他色光调制白光。我们还可以通过医疗手段治疗蓝光辐射危害, 如移植蓝光过滤人工晶状体、局部使用抗氧化剂药物、视网膜移植等。同时, 我们也应该养成正确的用眼用光习惯、规范的阅读习惯, 减少手机手表和电脑等电子产品的使用, 从而进一步防范蓝光危害。

当然, 蓝光对人体不完全都是有害的。例如, 新生儿治疗黄疸需要在蓝光照射下进行, 牙齿美白和痤疮治疗也需要用到蓝光。随着科技水平的进步和人们对于照明安全重视程度的提升, 相信在不久的将来, 我们可以与蓝光和平共处, 既能彻底解决蓝光辐射对人类带来的的威胁, 又能利用蓝光对人类的有益之处, 实现真正的光生物安全。