我的博士課題為“LED 光生物安全檢測技術(shù)研究”，即屬于光生物安全的研究范疇。經(jīng)過幾年的研究，在閱讀了大量相關(guān)文獻，并且自己也親手做了一些實驗驗證后，我對光生物安全相關(guān)問題的態(tài)度是：這是值得重視的問題，但并不足以被過度重視，尤其不需要像某些商家宣傳得那般過度。
因此，本文擬從光生物安全的概念、類型、測量方法、影響因素、實際效果等幾個方面，對光生物安全進行分析和闡述，力求溯本清源，排除一些過度宣傳給人們帶來的固有印象。其中不妥之處，還請讀者指正。
1、光生物效應(yīng)
討論光生物安全問題，首先要討論清楚光生物效應(yīng)。不同學(xué)者對光生物效應(yīng)的內(nèi)涵界定有所不同，廣泛的光生物效應(yīng)，可以指代光與生物體之間相互聯(lián)系的各種作用。在本文中，我們僅討論由光引起的人體的生理反應(yīng)。
光生物效應(yīng)對人體的影響是多方面的，按照光生物效應(yīng)的作用機理和產(chǎn)生的結(jié)果不同，可大致分為光的視覺效應(yīng)、光的非視覺效應(yīng)、光的輻射效應(yīng)等三大類。
光的視覺效應(yīng)是指光引起視覺的作用，是光的最基本效應(yīng)。光視覺健康是照明的最基本要求。影響光的視覺效應(yīng)的因素包括光的亮度、空間分布、顯色性、眩光、顏色特性、閃爍特性等，會造成眼睛疲勞、視力模糊以及在視覺相關(guān)作業(yè)方面的效率下降等危害(圖1)。
光的非視覺效應(yīng)指光引起人體除視覺外的其他生理、心理反應(yīng)，與人們的工作效率、安全感、舒適感、生理和情緒健康等有關(guān)。光的非視覺效應(yīng)的研究起點較晚，但發(fā)展十分迅速。在如今的照明質(zhì)量評價體系中，光的非視覺效應(yīng)已經(jīng)成為了不可忽略的重要因素(圖2)。
光的輻射效應(yīng)，是指不同波段的光輻射對人的皮膚、角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜等部位產(chǎn)生作用而導(dǎo)致人體組織受到損傷。光的輻射效應(yīng)，按照其作用機理，可分為光化學(xué)傷害和熱輻射傷害兩類，具體而言，包括光源的紫外光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜藍光危害、皮膚熱危害等各類危害。
人體在一定程度上可以抵御或修復(fù)這些傷害帶來的影響，但當(dāng)光輻射效應(yīng)達到一定的限值后，人體的自我修復(fù)能力就不足以修復(fù)這些損傷，損傷會進行積累從而產(chǎn)生不可逆的影響，如視力衰退、視網(wǎng)膜病變、皮膚損傷等。
總體來說，人體健康與光環(huán)境之間存在著復(fù)雜的多因素交互作用和正負反饋機制。光對于生物的作用，尤其是對人體產(chǎn)生的生物效應(yīng)，與光的波長、強度、作用條件、生物體的狀態(tài)等多種因素有關(guān)。
對光生物效應(yīng)進行研究的目的，就是探究光生物效應(yīng)的作用結(jié)果與光環(huán)境及生物體狀態(tài)之間的相關(guān)因素，識別出其中損害健康的風(fēng)險因素和能夠加以應(yīng)用的有利方面，趨利避害，使光學(xué)與生命科學(xué)能夠進行深度融合。
2、光生物安全
光生物安全的概念，有狹義和廣義兩種理解方式。狹義的“光生物安全”，是指光的輻射效應(yīng)帶來的安全性問題，廣義的“光生物安全”，是泛指光輻射對人體健康產(chǎn)生的安全性問題，囊括光的視覺效應(yīng)、光的非視覺效應(yīng)、光的輻射效應(yīng)。
在現(xiàn)有的光生物安全的研究體系中，光生物安全的研究對象，是照明或顯示設(shè)備，光生物安全的作用對象，是人體的眼睛或皮膚等器官，表現(xiàn)為一些生理參數(shù)如體溫、瞳孔直徑等的變化。對光生物安全的研究，主要是圍繞光源產(chǎn)生光生物安全輻射的測量與評價、光輻射與人體反應(yīng)之間的定量化關(guān)系、對光生物安全輻射的限制標準和防護方法這三個大方向展開研究。
不同的光源產(chǎn)生的光輻射，存在光輻射的強度、空間分布和光譜等差異。隨著照明材料和智能照明技術(shù)的發(fā)展，LED 光源、OLED 光源、激光光源等新型智能光源將逐漸在家居、商業(yè)、醫(yī)療、辦公或特種照明場景展開應(yīng)用。新型智能光源與傳統(tǒng)光源相比，輻射能量更強，光譜特異性更高，因此，光生物安全研究的前沿方向之一就是對新型光源的光生物安全性進行測量方法或評價方法的研究，如汽車激光前照燈光生物安全性研究、半導(dǎo)體照明產(chǎn)品人因健康舒適度評價體系研究等。
不同波長的光輻射作用于不同的人體器官或組織，導(dǎo)致的生理反應(yīng)也存在差異。由于人體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，因此對光輻射與人體反應(yīng)之間的關(guān)系進行定量地描述，也是光生物安全研究的前沿方向之一，如光對人體生理節(jié)律的影響及應(yīng)用研究、觸發(fā)非視覺效應(yīng)的光強劑量問題等等。
對光生物安全展開研究的目的，是避免人體受到光輻射帶來的危害。因此，根據(jù)對光源的光生物安全性和光生物效應(yīng)的研究結(jié)果，提出相應(yīng)的照明標準、防護方法，提出安全、健康的照明產(chǎn)品設(shè)計方案，也是光生物安全研究的前沿方向之一，如大型載人航天器的健康照明系統(tǒng)設(shè)計、健康照明和顯示系統(tǒng)研究、藍光防護膜的光健康與光安全應(yīng)用技術(shù)研究等。
3、光生物安全波段和機理
光生物安全所涉及的光輻射波段范圍， 主要是200nm-3000nm 的電磁波。按照波長進行分類，光輻射可主要分為紫外輻射、可見光輻射、紅外輻射。不同波長的電磁輻射所產(chǎn)生的生理效應(yīng)并不完全相同(圖3)。
紫外輻射，是指波長為100nm-400nm的電磁輻射。人的眼睛不能感知紫外輻射的存在，但紫外對人的生理有著很大影響。紫外線照射皮膚時，會引起血管擴張，出現(xiàn)紅斑，長時間照射會引起皮膚干燥、失去彈性和老化。紫外線照射眼睛時，可能會引起角膜炎、結(jié)膜炎、白內(nèi)障等，對眼睛造成損傷。
可見光輻射， 通常指波長為380-780nm 的電磁波?？梢姽鈱θ梭w的生理效應(yīng)主要包括對皮膚的燒傷、產(chǎn)生紅斑，對眼睛的損傷如熱損傷、日光視網(wǎng)膜炎等。尤其是400nm-500nm 的高能量藍光，可以對視網(wǎng)膜產(chǎn)生光化學(xué)傷害，加速黃斑區(qū)細胞的氧化。因此，一般認為藍光是最具危害的可見光。
[NT:PAGE]紅外輻射，是指波長為700nm-1mm 的電磁輻射。人的眼睛同樣不能感知紅外輻射的存在，但紅外輻射可以通過熱效應(yīng)對人體產(chǎn)生影響。紅外線照射皮膚時，會被皮下組織吸收而使局部加熱，引起皮膚急性灼傷。在照射面積較大、時間較長時，人體會因過熱出現(xiàn)全身癥狀，甚至發(fā)生中暑。紅外照射人眼會引起角膜和瞳孔括約肌的損傷，引起眼睛不適或疼痛等(見表1)。
通常認為，光生物作用機理主要存在兩種形式：光化學(xué)作用機制和熱輻射作用機制(圖4)。
在光化學(xué)作用中，細胞分子中的電子吸收一些特定波長的光子后會激發(fā)電子躍遷，從而導(dǎo)致該區(qū)域的化學(xué)鍵斷裂和重組，進而對 DNA 產(chǎn)生影響。熱反應(yīng)的機理則是某些部位吸收了光，
使得局部溫度上升，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性或細胞熱損傷(見表2)。
4、光生物安全類型
狹義的“光生物安全”，指光的輻射效應(yīng)的安全性，關(guān)注的是光源和燈具帶來的光輻射危害，主要涉及 200nm-3000nm 波段。光輻射危害按照對人體的作用部位，可劃分為對眼睛前表面(角膜、結(jié)膜和晶狀體)、視網(wǎng)膜和對皮膚的危害。對眼睛前表面的危害主要涉及包括光化學(xué)紫外危害、眼睛的近紫外危害、眼睛的紅外輻射危害。
對視網(wǎng)膜的危害主要涉及視網(wǎng)膜藍光危害、藍光小光源危害、視網(wǎng)膜熱危害、視網(wǎng)膜熱微弱危害等，實際造成的傷害主要有角膜炎、結(jié)膜炎、白內(nèi)障、視網(wǎng)膜灼傷、角膜灼傷、前房水分蒸發(fā)等。
對皮膚的危害主要涉及皮膚的光化學(xué)危害和皮膚熱危害，實際造成的傷害主要有皮膚曬黑、紫外紅斑、皮膚老化、皮膚癌等
具體而言，光化學(xué)紫外危害指紫外波段對皮膚和眼睛產(chǎn)生的總曝輻量，用光化紫外輻照度進行評價。
眼睛的近紫外危害，特指光譜范圍在315nm-400nm 的紫外線對眼睛的總曝輻量，用近紫外輻照度進行評價。
視網(wǎng)膜藍光危害，指400nm-500nm 藍光輻射引起的對視網(wǎng)膜的光化學(xué)損傷，用藍光加權(quán)輻亮度進行評價。
視網(wǎng)膜藍光小光源危害， 同樣是指400nm-500nm 藍光輻射引起的對視網(wǎng)膜的光化學(xué)損傷，但其與視網(wǎng)膜藍光危害的區(qū)別在于，對于小光源(對邊角小于0.011rad)來說，評估其對視網(wǎng)膜的藍光危害程度只能用藍光加權(quán)輻照度進行評價。
視網(wǎng)膜熱危害，指光譜范圍主要集中在380nm-1400nm 范圍內(nèi)的光譜輻射對視網(wǎng)膜的熱化學(xué)反應(yīng)，用熱危害加權(quán)輻亮度評價。
視網(wǎng)膜熱微弱危害，是指相對微弱的紅外熱源或近紅外光源對視網(wǎng)膜的微弱視覺刺激。微弱視覺刺激被定義為最大亮度低于10cd/m2 的視覺刺激，視網(wǎng)膜微弱危害用近紅外輻亮度評價，由于認為光源的亮度是微弱的，所以曝輻限值是基于7mm 直徑的瞳孔得到的。
眼睛的紅外輻射危害，指紅外輻射對眼睛的傷害，主要是對眼睛整體的熱輻射傷害，因此采用紅外輻照度進行評價(見表3)。
皮膚熱危害，指熱輻射對皮膚帶來的損傷，采用單位面積上的熱輻射功率進行評價。
以上8 種危害是各類光生物安全標準中所涵蓋的光輻射危害，通過對以上8 種危害分別測量光化紫外輻照度、近紫外輻照度、藍光輻亮度、藍光小光源輻亮度、視網(wǎng)膜熱危害輻亮度、視網(wǎng)膜的熱微弱視覺刺激輻亮度、眼睛的紅外輻照度、皮膚熱輻射功率，并根據(jù)測量結(jié)果進行評定，即可對光源的光生物安全進行評價。
5、光生物安全危害評價
對一個光源或燈具的光生物安全的評價，就是對各種光生物安全危害的相關(guān)指標進行測量，通過將測量的結(jié)果與曝輻限值進行對比，將燈和燈系統(tǒng)劃分為不同的等級。
基于ICNIRP 的非相干光源導(dǎo)則，燈和燈系統(tǒng)被劃分為豁免、1 類危險(低危險)、2 類危險(中度危險)、3 類危險(高危險)。不同波段光生物安全的發(fā)射限如表4 所示。
若測量結(jié)果低于豁免發(fā)射限，則為豁免級;若測量結(jié)果介于豁免發(fā)射限和低危險發(fā)射限，則為1 類危險級;若測量結(jié)果介于低危險發(fā)射限和中度危險發(fā)射限，則為2 類危險級;若測量結(jié)果大于中度危險發(fā)射限，則為3 類危險。
不同危害等級的燈具或光源，必須在燈具上粘貼有相對應(yīng)的危害等級標簽，以提示使用者。
此外，對于不同的危害等級，應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施，避免受到光輻射危害。
6、光生物安全實際效果
光生物安全檢測，在2018年已納入強制檢測范疇。因此，對于燈具的生產(chǎn)商而言，在光生物安全方面，在設(shè)計、制造之處，就務(wù)必提高重視程度。
曾有相關(guān)報道，我國生產(chǎn)出口歐洲的玩具燈因光生物安全不合規(guī)而在歐洲口岸被拒收，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損失。對于檢測人員而言，應(yīng)該充分了解檢測要求和技術(shù)，做好質(zhì)量管控，幫助企業(yè)提高設(shè)計水平。對于消費者而言，則應(yīng)該正視光生物安全問題，不必產(chǎn)生恐慌情緒。
在光生物安全問題中，對于熱輻射作用通常不需要特別關(guān)注，這是因為按常理來講，當(dāng)人體受到過強熱輻射時，是能夠感知到的，此時人體自然就會逃離這種環(huán)境。對于光化學(xué)作用，由于其是對細胞產(chǎn)生的作用，在危害積累過程中，人體是無法感知這種傷害的，因此有必要做好防護工作。
然而無論是傳統(tǒng)照明光源，還是LED等新型光源，乃至于各種電子顯示器件，其能夠?qū)е碌墓馍锇踩珕栴}都很難達到產(chǎn)生危害的程度。實際上，有研究表明，各種人造光源能夠帶來的光生物安全問題都不會超過太陽所帶來的影響，所以在大部分情況下，不必對光生物安全問題做特別的防護。
但需要注意的是，兒童的眼睛透過率比成人更高，因此更容易受到光生物安全所帶來的危害。此外，對于光源的檢修人員，在檢修作業(yè)時，也存在受到危害的可能性。因此在這幾種場景中，需要注意對光生物安全進行防護。
對光生物安全進行防護，實際上減少接受光生物安全的劑量即可。對于光生物安全進行防護的方法非常簡單，首先是在必要的情況下，使用防護服或防護眼鏡阻隔光線，其次，如果沒有條件對光線進行阻隔，就應(yīng)該盡量減少處于此種光環(huán)境中的時間。簡單來說，如果要保護眼睛免受光生物安全影響，就是三點：戴墨鏡、多休息、沒事別看燈。
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