光生物安全战略为新型照明产业发展“保驾护航”

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2011-7-1 14:52:08 来源:工业水处理 作者:屈佳玉  【大 中  小】

新型LED(light emitting diodes,发光二极管)照明光源以其节能、环保、耐用的特点,正逐渐取代常规照明光源大有成为主流世界照明的发展趋势。随着LED产业的扩大,应用的广泛,LED对人体的影响开始受到关注。然而,全球对LED照明的光生物安全评估至今未有定论。仅仅以节能环保为宗旨大力推行LED照明可能为未来产业发展中埋下隐患,如LED照明存在人体生物安全方面的风险将使未来这一新兴战略型产业的发展受到质疑和重创。有必要集合政府、学术界、商界力量开展LED光生物安全战略研究。科学理性地进行产业发展的时空布局,从技术角度寻找减除LED生物危害的解决方案,不仅关乎LED光照明产业的健康持续发展,而且可以通过LED光照明国家标准之谋划以及相关专利之布局,争取标准制定之话语权,对于整个新型半导体照明产业突破专利壁垒,培育自主知识产权的新一代照明核心技术都具有至关重要的战略意义。

LED(Light Emitting Diode,发光二极管),是一种固态的半导体部件,它可以直接把电能转化为照明光。LED是一种绿色光源:工作电压低,耗电量少,供电电压在6-24V之间,根据产品不同而异,消耗能量较同光效的白炽灯减少80%;性能稳定,寿命长(一般为10 万小时);抗冲击,耐振动性强。LED照明产品能提升照明系统的光效,显色性高并且具有很强的发光方向性;调光性能好,色温变化时不会产生视觉误差;冷光源发热量低,可以安全触摸;改善眩光,减少和消除光污染。尽管LED照明技术在节能及高效照明方面具有明显优势,但同时,LED光源对视网膜的危害以及对生物日常生活节律的影响也在提示我们要清醒地看到LED照明对人体生物安全方面的风险。

在光辐射波段中,紫外线及蓝光波段对人体的危害尤为明显。LED的光谱中有不同比例的紫外及蓝光谱段,其中可见光蓝光部分会对视网膜色素层产生损伤。目前已经发现的几种主要光辐射危害有:光致角膜炎和光致结膜炎、白内障、视网膜灼伤、视网膜蓝光损害、皮肤晒黑、紫外红斑、皮肤老化、皮肤癌等。多芯片集成及二次光学设计技术发展,令LED芯片功率及外量子效率日益提高,紫外和蓝光波段的短波LED芯片被广泛应用,技术与市场占有率的提高均使得LED的危害性更加显著。有别于日光,LED是利用特定波长组分单色光通过配光方案模拟自然光,光源光谱具有不连续,特定组分单色光高亮度的特点。短波段蓝光除了对人眼尤其是视网膜有潜在损伤威胁外,对松果体产生的褪黑素比其他类型人造光源有更明显的降低作用。有研究指出LED照明光源连续输出光谱中的蓝光成分对正常的恒河猴的视网膜具有损伤作用;过强的短波蓝光容易引起视网膜上感光细胞的光化学损伤和色素上皮功能的退化,过强的辐射还会引起视网膜的热损伤。

随着光生物学研究的快速发展,近几年LED的光生物安全日益引起国际社会的关注。从2002年开始,有关人类第三种非视觉光接收器(细胞)、光辐射对生理节律及内分泌系统的影响等基础研究的进展,为人们发现和研究人工光源在应用过程中出现的潜在危害提供了有效分析工具和证据。Melanopsin是一种视网膜神经节细胞表达的感光视蛋白,是哺乳动物继视锥和视杆细胞之外的第三种光感受性细胞,其功能是参与非视觉成像系统, 参与调控生物节律、瞳孔对光反射的活动。现有研究表明,Melanopsin是感受周围环境光辐射照度的,这种感光蛋白比较与于三种感光色素来说对440-480 纳米谱段更敏感,这种光刺激对机体的生物节律调节机制是非常重要的。非哺乳脊椎动物存在多种能感受光节律性变化的组织,如松果体及其周围组织、皮肤黑色素细胞等。哺乳动物仅有melanopsin/pRGC系统能够感受光节律变化。有实验结果发现melanopsin对瞳孔对光反射的调节作用较视锥细胞的调节作用大3倍。上述研究表明人类生物节律的调节有可能受到LED光辐射极大的影响,不规范的LED照明可能在人群中广泛产生失眠,眩晕,头痛,情感障碍等广泛的神经系统功能异常。

目前市场上大多是高色温、高亮度的LED产品。随着芯片功率的提升,光子晶体等新技术的应用,芯片射出光的辐射亮度大幅度提高,通过增大驱动电流、多芯片集成,增大二次光学设计,如采用透镜汇聚等,使得LED光束越来越窄,视网膜受到的损伤越来越大。与此同时,紫外及短波蓝光LED被广泛应用,波长在440nm左右的蓝光辐射对人眼视网膜产生的光化学危害明显提高,尤其是婴儿和儿童,眼睛对短波长光的过滤能力不如成年人。近50年来我国青少年近视发生率的显著上升也与光源的不合理光谱组合和亮度配置有重要的相关性。老年人的视网膜黄斑区功能性退化与蓝光辐射的伤害也有直接关系。

值得注意的是,政府近年来逐年加大对LED照明产业的投入,各地LED企业正在建造一系列新型照明LED芯片生产线。在如火如荼的新型照明产业发展背后,LED光源隐含的的生物安全技术风险问题却常被人们忽视。首先,LED光源自身的特点使其强度过大,易造成人眼损伤。LED照明光谱是较窄,所以具有低能耗,高亮度的优点。但相对自然光的全光谱性,缺乏了全光谱带来的对眼睛的护目特性,过高的亮度,使其缺乏自然光的柔和性,对眼睛有较大的刺激性。其次,窄谱光显色性差,易导致色弱。窄谱光显色性差,不能还原真实颜色,虽然短时间内光线本身未使视觉感受发生变化,但实际上是对人眼的“欺骗”。LED的光谱不连续,波长单一,而且短波长的光谱能量很高,长期在一种波段的强光照射下,必然会降低对其他颜色的分辨能力,导致色弱的可能性会很高。最后,长时间使用易造成视觉疲劳。当下的各种灯具在光源方面提出了各种改良方案,却未考虑到近视物体,且长时间暴露于非自然光下的人眼疲劳。这与视网膜微循环短期障碍,血供障碍造成的眼睛干涩疲劳有密切关系。由于LED属于窄光谱光,与自然光的连续光谱有很大区别,LED光谱更窄,看起来较刺眼。LED的光谱不连续,波长单一, 而且短波长的光谱能量很高,长期在一种波段的强光照射下,必然会降低对其他颜色的分辨能力,导致色弱的发生率升高。

LED 是定向式、窄光束的光源。,发光特性不同于传统光源,并且经多颗LED 组成后的照明产品其发光特性又不同于单颗LED。如何准确的评价LED 照明产品的光特性是个新课题也是重要而关键的技术,至今还未有准确性的评估方法和结论。眩光是现代照明质量评价的重要指标,常用的眩光评价方法有美国的视觉舒适几率(VCP)、英国的眩光指数(GI)、德国的眩光限制系统(亮度限制曲线)、北欧的眩光指数方法和近几年来国际照明委员会(CIE)的统一眩光指数(UGR)。迄今为止,眩光评价应用最广的是CIE 的统一眩光指数。鉴于目前光生物安全评估指标的含糊性,LED 照明产品会产生的不舒适眩光迫切需要准确测量和评价。

LED光生物安全的评估需要高精度的LED成像亮度计,目前中国远方具备了成像亮度计的自主开发制造能力,产品指标可以与美国Radiant、德国Opteema 相媲美。在LED光生物安全的评估的另一项重要基础设备LED分布光度计技术方面,我国远方公司也具备了与德国LMT、美国Lingting Science 等高精度分布光度计抗衡的研发制造能力。LED 照明产品有时其颜色看似很高,但测出的显色性却不高,经常会造成视觉与测试结果的相反情况,这主要是因为目前评价LED 照明显色性的体系依然是60 年代设计的评价传统照明的体系,而传统照明与LED 照明有着截然不同的特性。关于显色性测试及评价方面,日本色彩研究所指出,由于照明光种类将造成观看对象的差异,在反射率不变的情况下,人眼对于R、G、B 形成3 色不同波长的感测反应,会随着光源及分光分布变化而产生认知差异。日本照明相关国际规格委员会工作小组已达成决议要在两年内,针对新光源显色性评鉴方法提出新案。如何准确反应人眼判读的实验已经成为国际关注的焦点,对该问题的系统化研究将是光生物安全研究的重要热点,我国将在LED光生物安全标准测量及制订的初始阶段牢牢把握该重要领域的话语权。

目前国际上主要LED厂商都在利用其所掌握的若干核心专利技术,采取横向和纵向扩展方式,在世界范围内设置专利网,产品标准并通过专利授权和产品质量认证来抢占国际市场。鉴于现有LED照明系统中美、日、台湾地区中巨头的垄断地位,我们更需要以光生物安全战略引导具有中国特色的LED照明产业的知识产权建立及积累大步走向世界的资本。目前美、日、台湾地区巨头垄断下的LED体系具有一个共同的致命缺陷便是其生物安全性没有统一的标准,这也必将成为我们整个产业的突破点。虽然各国存在着一系列的LED光生物安全评价标准,但是各个标准间存在着较大的差异。同时不能排除照明巨头将自身利益凌驾于生物安全进行暗箱操作的可能性,从而影响了其客观指标对整个产业的指导意义。面对现在国内LED产业的蓬勃发展之势,我们必须积极进行位于世界前沿的光生物安全研究,以避免整个产业由于忽视光生物安全性的研究而处于被动地位导致的巨大战略损失。正是由于LED产业生物安全检测标准的缺位,令目前政府、社会公众对于LED的危害认识不足,统一的科技技术认定可以有效地协调产业的健康发展。只要我国建立起世界认可的生物安全标准,便可以掌握整个产业中的话语权,从而指导上游各种生产及安全标准的制定,进一步以此为依据建立一整套完善的拥有自主知识产权的LED标准。

常规的光生物安全研究主要集中在器质性损害,以及各种形态学变化方面,但这种光生物安全评估是建立在实验动物基础上的。光生物安全的最终立足点应该是无创性的人类学实验,利用神经科学技术与光生物安全检测体系进行整合将奠定中国光生物安全在全球照明产业的主导地位。随着功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)的迅猛发展,以反映器官功能状态为成像目的的磁共振成像技术为功能性研究提供了一条崭新的道路。基于临床与基础医学结合的LED光生物安全功能核磁共振检测中心的建设将有利于光生物安全相关标准的制定及相关技术的革新,促使更健康、更环保的LED照明新产品的问世,对我国LED产业自主知识产权的发展及维护有重要意义,有利于争取LED照明领域的国际话语权。在全国建设一个照明LED测试标准制定平台,给各个机构之间的沟通交流架设一个桥梁,并最终在我国建立起标准化的测试体系,这将对我国照明LED产业的发展提供有力的支持,将有利于引导LED生产厂商生产对人体健康无害的LED照明光源,使LED照明产业向真正利国利民的方向健康发展,使人民群众真正从高新技术发展的成果中受益。同时新型照明标准的制定也将为整个照明产业打出了一片天空,进而可以促进全球的产业布局,为民族企业的发展开辟一片天空。

LED光源的结构、特性、应用与传统光源相比存在较大差别,用于传统光源的检测标准和评估手段大多不适用于LED光源的生物安全评估和检测。LED应用产品的多样性、多变性、创新性,相关技术的突破发展和新产品的不断涌现,加深了LED照明的检测、评估工作的难度。仅依靠生产企业自行对产品进行检测,会极大增加工作量,效率低下,标准的不统一。建立科学合理检测系统必须依靠科研实力强的高等院校和科研院所。最佳资源配置方案是由企业和科研机构多方合作、互利共享的共性技术的LED光生物安全检测平台。

基于功能核磁共振技术的LED光生物安全功能核磁共振检测中心是一个高效、准确的光生物安全检测平台。该中心的建立将有利于将高等院校、科研院所以及企业的资源的整合,实现资源共享;通过构建现代化管理体系,提高检测的效率,降低社会成本;优化战略布局,促进公平竞争。值得欣慰的是,中国现阶段LED光生物安全标准化工作已得到国家“863”计划的支持及国际社会的肯定。中国专家正积极争取LED光生物安全领域的国际标准主导权。在全国建设照明LED光生物安全测试标准制定平台,构建保障人民群众健康的的光生物安全测试体系,最终实现检测技术标准化,这将成为中国照明LED产业发展的有力技术指导,切实规避LED照明生物安全隐患,为产业的健康发展保驾护航。


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