Relating Bio-lighting Priducts Series

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Origan: Wei Fang Ruey-Chi Jao

[ 摘 要 ]


長久以來在廣義農業的生產上,螢光燈管與高壓鈉燈是最主要也最普遍的人工光源。如何補光、提高補光均勻度、調整光質與研發更高效率的人工光源一直是學界研究的重點。近年來光電技術的進步大幅提昇了發光二極體 (Light-Emitting Diode, LED) 的亮度與效率,使得利用此種光源在廣義農業生產上、在人工照明上都變得可行。發光二極體具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、高耐震、壽命長、波長可指定與低發熱等幾項優點,相較於目前使用螢光燈或高壓鈉燈為人工光源的系統而言具有光量、光質 (紅/藍光比例或紅/遠紅光比例) 可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優點,因此對封閉有環控的農業生產環境 (如植物組織培養室、植物生長箱等) 是一種非常適合的人工光源,對需要特定波長的應用也相當具有彈性。美國太空總署首創LED應用於太空農業上,其後續亦將LED應用於治療惡性腫瘤的光動力療法上取代傳統使用的雷射光。皮膚醫學領域繼雷射與脈衝光之後,LED也成了新寵,其在柔光回春/美顏領域的應用正方興未艾;其他光療法應用領域包括傷口癒合、對關節炎、黃膽病、生理時鐘失調、心肌梗塞、中風、紓解壓力、鼻炎、皰疹與季節性情感失調等的治療。本文針對近年來發光二極體在生物產業上之應用做一回顧。

Tubular fluorescent lamps (TFL) and high-pressure sodium lamps (HPS) are the principal artificial light sources used in agriculture applications. Efficient means to apply light, its uniformity, light quantity and quality were under investigation worldwide. Recent development of photoelectronics has enabled the commercialization of super bright light-emitting diodes (LEDs), thus making the possibility of using LEDs in plant production as well as illumination possible. LEDs have many advantages over conventional light sources including high energy-conversion efficiency, utilizing DC power, compact and solid, longer life, wavelength specific, light intensity/quality adjustable and low thermal energy output, thus making it a promising light source for plant growth in a confined environment such as a plant tissue culture room or growth chamber. LED is very suitable for applications required specific wavelength. NASA is the first organization using LEDs in the mission to Mars. At present, their research has expanded the applications of LEDs to replace LASER in photodynamic therapy for cancer treatments. In the field of Dermatology, LED is the low intensity light source used as alternative in photo rejuvenation following LASER and pulse light. Besides skin treatment, LED can be used in other light therapies for the treatments of wound healing, joint/tissue inflammation, jaundiced newborns, circadian rhythm disorders, myocardial infarction, stroke, stress reduction, rhinitis, herpes and seasonal affective disorder etc. The objective of this study was to review the means of applying LEDs in bio-industry.

 


[前言]

發光二極體(Light-emitting diode, LED)的相關產品早在1968年就已經問世,不過當時光強度低且沒有全彩化,所以應用上仍侷限於標示、觀賞或光偵測等用途。此些發光二極體多為磷化銦系列(紅外線波段)、磷化鎵及砷化鎵系列(紅、黃、綠等可見光波段)。經過這幾年光電科技的進步,不但發展出高亮度的LED(1980年代中期),1993年日本日亞公司(Nichia)更成功開發出高亮度氮化銦鎵系列的藍光LED,使全彩化的LED產品得以實現,也拓展了其用途,包括汽車、通訊產品、資訊產品、交通號誌、照明及生物產業等,其中生物產業上的用途就是近幾年來相當熱門的一個領域。本文旨在針對近年來高亮度發光二極體在生物產業上的應用做一回顧。所謂生物產業,在此分為廣義農業生產與生物醫療兩大方面。


廣義農業生產上的應用

光為植物生長中重要的環境因子之一,主要來自於太陽的輻射能。太陽的輻射自極長之無線電波、遠、中、近紅外線、可見光、紫外線A、B、C、X射線至極短之宇宙線,為一種連續光譜,一般稱為電磁波。

廣義的農業包括田間農業生產、設施內園藝生產、林業、畜禽生產與漁業等。隨著科技進步及農業生產型態的改變,導入人工光源來取代或補充天然日光的不足已是環控農業中的常態,使用的人工光源包括螢光燈、高壓鈉燈、金屬鹵素燈及燈泡等。高效率高亮度的LED是下一波的重點。

高效率人工光源的發展一直是農業生產上或研究上非常重要的一項課題(Bula et al., 1991)。近年來光電技術的進步帶動了高亮度紅光、綠光、藍光與遠紅光發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)的誕生。LED具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、高耐震、壽命長、波長固定與低發熱等優點,相較於目前普遍使用的螢光燈或高壓鈉燈而言具有光量(Light Intensity)可調整、光質(Light Quality,紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等)可調整、冷卻負荷低與可提高單位面積栽培量等優點,因此對氣密性良好有環控的農業生產環境如太空農業,植物組織培養室或植物生長箱等是一種非常適合的人工光源(Barata et al., 1992; Bula et al., 1994; Hoenecke et al., 1992; Eiichi et al., 1997)。基於光量與成本的考量,動物生產上尚無應用LED的先例,但使用其他人工光源則已頗為普及。在昆蟲防治上應用LED應是近期界可以看到的應用。


一、光與植物栽培

在太陽輻射電磁波中有三區段的輻射對植物生長發育有決定性的影響,除了可見光(380~780 nm)外,尚有紫外線(UV, 100~380 nm)和紅外線(780~105 nm)。此主要是由於植物的三套受光系統所致,葉綠素a,b吸收紅光與藍光進行光合作用,類胡蘿蔔素吸收450 nm波長引起屈光性以及高能量光形態發生(圖1),光敏素吸收660、730nm波長控制許多形態發生的反應。

植物是唯一能夠把太陽光能量轉化為質量的生物,植物的光合作用是地球上一切生命的基礎。光合作用需要波長範圍在400~700nm之間(可見光部分)的光,但是光對植物的影響除了提供光合作用所需之外,尚包括光週期的調節,另外,光質(紅、藍光比例,紅、遠紅光比例等)對植物的型態發生亦有決定性的影響。

隨著光電科技的進步,光量更增,價位更降與取得容易的結果,造成全球性應用超高亮度LED於作物栽培的研究正方興未艾。截至目前為止,LED已經被應用於許多植物光生理領域的研究或植物栽培上,例如藻類培養生物反應器(Lee and Palsson, 1994)、葉綠素生合成研究(Tripathy and Brown, 1995)、光型態發生(Hoenecke et al., 1992)及光合作用(Tennessen et al., 1994; Tennessen et al., 1995)等研究上。

在作物種類上許多作物或花卉已經被證實可成功的應用LED來栽培,包括有:萵苣(Bula et al., 1991; Hoenecke et al., 1992; Yanagi et al., 1996; Okamoto et al., 1997)、胡椒(Brown and Schuerger, 1995; Schuerger et al., 1997)、胡瓜(Schuerger and Brown, 1994)、小麥(Tripathy and Brown, 1995; Goins et al., 1997)、菠菜(Yanagi and Okamoto, 1994)、虎頭蘭(Tanaka et al., 1998)、草莓(Nhut et al., 2000)、馬鈴薯(Iwanami et al., 1992; Miyashita et al., 1995; 饒與方,2001; Jao and Fang, 2002)、蝴蝶蘭(饒與方,2002)、白鶴芋(Nhut et al., 2001)及藻類(Lee and Palsson, 1994; Hans et al., 1996)。其中,在藻類栽培上證實只需要紅光LED即可(Hans et al., 1996),但是對其他植物而言,除紅光外,藍光(Hoenecke et al.,1992)與遠紅光(Miyashita et al., 1995)光量大小同時會影響生長及型態發生。針對虎頭蘭擬原球體(PLB)與癒合組織(Callus)的增殖,不同組合的紅、藍光適用於不同時機可得到最大的產能 (Tanaka, at al., 1998)。

不同紅、藍與遠紅光組合光源光譜可以影響並控制某些植物病源菌的發生(Schuerger and Brown, 1994, 1997)。

組織培養是在室內快速且大量繁殖植物種苗的方法,一般使用螢光燈為人工光源。然而,基於燈管的壽命、發光效率不夠理想與發熱大,用於照明與降溫的耗電成本頗高。研發較低散熱與較高效率的人工光源以降低量產成本為業界所需。饒與方(2001)使用紅光與藍光高亮度LED建立可調整光量、光質、給光頻率(Frequency)與工作比(Duty Ratio)的組織培養苗專用的人工光源(圖2),可視需要提供連續無閃爍的光或高頻閃爍的光。在不影響植物生長速率下,工作比可調進一步提供省電空間。此設備可作為植物光生理研究者的研究工具。

因為LED使用直流電源,因此同時具有光量、頻率與工作比可調整的特性,進而可產生出連續光源(Continuous Light)或間歇光源(Intermittent Light)的變化,Lee和Palsson(1994),Hans等(1996)與Ladislav等(1996)就使用LED所產生的間歇光源來促進藻類的生長與生產;Iwanami等(1992)透過使用LED補充紅光或遠紅光光量來改變光質,進而討控制馬鈴薯組培苗莖長度與生長狀況;Yanagi等(1996)使用紅光與藍光LED來探討光質與光量對萵苣生長與光型態發生(Photomorpogenesis)之影響。Nhut等(2000) 發現使用LED作為草莓組培苗生長的人工光源可提高其在馴化階段之存活率,同時亦使用LED作為白鶴芋組培苗生產之人工光源(Nhut et al, 2001),比起螢光燈光源來更加有效率。Johnson等(1996)發現將原先定義的光重力(Light-Gravity)光譜範圍擴大延伸到紅外光光譜區,實驗發現加入紅外光LED光源將改變原燕麥苗的生長狀態與對重力的反應(Gravitropic Response)。

Jao和Fang (2001b, 2003b)使用高頻閃爍的紅、藍光LED為光源(2001a, 2003a),發現可在不提高耗電成本下提高馬鈴薯組培苗的生長速率。饒等 (2003)使用不閃爍的紅、藍光LED栽培蝴蝶蘭種苗,發現與螢光燈下栽培除了葉長之外並無明顯差異,證實LED可用來栽培蝴蝶蘭組培苗,亦適用於做為光型態發生基礎研究之人工光源。

藍光應用於洋桔梗種苗栽培,相對於白光、紅光或不加光可大幅提高地上部與地下部的成長速率,縮短育苗期 (Shidahara and Ohta, 2003)。

饒與方(2002)使用不閃爍的紅、藍光LED為光源(2001a, 2003a),探討在總累計光量不變(5.67 mol/m2,紅光總計佔40%,藍光總計佔60%)與光週期不變(16/8 hrs 明期/暗期)的情況下,同時給紅、藍光(各1單位光量,各16小時)與交替給紅、藍光(各2單位光量,各8小時)時,對馬鈴薯組培苗生長的影響。結果顯示同時提供紅、藍光者有最高生長速率;總累計光量相同時,低光量、長光照時間優於高光量、短光照時間;當給藍光時間(譬如8 hrs)短於給紅光時間(譬如16 hrs)時,最佳的給光時機是一開始就同時提供紅光與藍光 (Jao and Fang, 2003c)。



二、燈具改良與儀器研發

除了在植物生理與植物栽培應用上的研究外,許多學者也投入LED光源本身特性及燈具改良與研發上的研究。Takita等(1996)發展LED光源光量與光譜分佈模擬模式,將LED當作點光源(Point Light Source)並配合光量倒平方法則(Inverse Square Law)來建立模式,協助預測及計算使用LED為光源時栽培平面上之光量與光質(B/R Ratio)分佈狀況。

Ono等(1997)量測了四家公司(Everlight, Panasonic, Toshiba and Rohm Corp.)生產的紅、藍光LED,並找出各自最佳的工作電壓及電流,Fang and Jao (2000)則針對另外四家(Excellence, Everlight, Hewlett Packard and Nichia Corp.)做了相同的檢驗,同時計算其在光量子、照度與能量單位間之轉換常數。

Okamoto等(1996)發展使用LED為光源的栽培盒,方法是將LED封裝在培養盒(11 cm x 11cm x 14 cm)的蓋子上當作光源,總共使用9顆藍光LED與36顆紅光LED。一套使用LED為光源,適合教學與植物光生理研究的設備- Photo-Manipulation-Boxes也在2000年問世(Williams, 2000),並應用此設備進行一系列萵苣種子發芽光生理之研究。除上述偏重研究用途之設備外,市面上也已經開始販售使用LED為光源並搭配有人機操作介面的植物生長箱(Ryusho Industrial Co., Japan; Quantum device, USA)。上述設備都同時搭配有紅光(660nm)、藍光(470nm)與遠紅光(735nm)三種光譜波段之LED光源,而這符合大部分植物在光生理與光合作用中光敏素與葉綠色之吸收光譜,這種選擇光譜的特性是傳統人工光源所無法達成的。

應用高等植物葉片內葉綠素a, b對不同光譜有不同吸收能力的特性(圖1),亦有廠商研發葉綠素偵測儀器(Minolta SPAD 502, Spectrum Technologies, U.S.A.),該儀器內主要使用650與940nm波長的紅光與紅外光LED,量測前者的穿透率可間接求出吸收率,650nm的波長極接近葉綠素a與b吸收光譜的兩個峰值之一;量測後者的穿透率則可作為校正基準。然而,此設備無法區分葉綠素a, b為其缺失。陰性植物葉綠素a/b比值通常低於3,陽性植物則通常高於3 (Chang and Troughton, 1972),Dale和Causton (1992)認為葉綠素a/b比值可作為植物適應光環境的指標。

Jao和Fang (2001a)使用LED為光源發展一套適用於組培苗與種苗栽培的光源設備-LEDSet,主要包含4顆高亮度藍光LED及9顆高亮度紅光LED、一個驅動器、一個控制器及一支由市售一公尺長電軌改良的裝置(圖2a)。透過控制器可調整光量、光質、頻率與工作比(Jao and Fang , 2001b; 方等,2001a, b;Fang et al., 2002),後續做了一些改良(Jao and Fang, 2003a),如圖2b所示;相通技術亦擴展至植物生長箱新型光源之設計,如圖3所示 (方等,2001c, d;Fang et al., 2003)。

光量分佈的均勻度可透過電腦模擬軟體進行設計(饒與方,2000)。該設備在10 cm 距離內(一般常用組培瓶高度)可提供120±20 μmol·m-2·s-1的光量,可搭配現行栽培架進行安裝,同時因為LED低發熱的特性,栽培時可以盡可能靠近組培瓶,也同時提高原栽培架的空間利用率。

LED做為作物栽培的光源,可提供高度的彈性,譬如:LED可提供各種色光,常用的為藍光(450nm),紅光(660 nm)與紅外光(730 nm)。LED具光量可調的特性允許模擬一天中太陽光強度的變化;給光頻率與工作比可調的特性,允許提供高頻間歇給光模式,有利於探討光合作用中光反應與暗反應的相關機制,並允許進一步節省用電;紅光配合藍光LED的使用能提供一適當的光質;紅光與紅外光LED搭配可探討兩者對光型態發生的影響,進而了解光敏素的機制。

大多數植物都至少需要紅、藍光才能正常生長,少了任ㄧ者,不是長不好,就是形狀怪異,如圖4的仙人掌在最近ㄧ個月只在紅光下生長。也有局部例外的作物,譬如日本某植物工廠栽培的萵苣品系就只需要紅光(圖5)。圖6顯示在環控室內栽培種苗,使用適當比例的紅、藍光LED為光源,栽培成效遠比使用燈管或在溫室內栽培佳。


三、光與動物生長繁殖

光強度、光質與光照時間三者對動物的影響反應於生產上的包括乳牛的泌乳量,蛋雞的產蛋率,肉雞、肉牛等的增肉率,與雞蛋內膽固醇含量等。

周(2002)使用計數器配合單晶片電路研發低價的雞蛋計數系統。初步安裝8個蛋道,量測一個月的數據已明顯觀察出立體化環控雞舍內上下層光量差異明顯與產蛋率呈現正相關。當光量足夠時 (20~50 lux ),光質的影響不大;但當光量不足時,紅光的效果最好。此顯示家禽感受光線的存在少部分透過眼睛,主要則為透過頭殼、皮膚等傳至大腦,因為在可見光中以紅光穿透皮膚最深。

牛舍內照度不足會明顯影響食慾,亦會影響增肉率與泌乳量(ASAE, 1988),肉雞舍生長管理中頗重要的一項即為光線管理。Liberman(1991)提及全譜光下飼養的雞隻比其他人工燈光下飼養的雞來得健康,壽命延長兩倍,能下更多蛋,且所下的蛋大約減少25%的膽固醇含量。


四、光與動物誘引

如圖7所示,人與昆蟲的眼睛對於光線的敏感度不同,昆蟲需要紫外線來提供照明(圖7右圖左曲線),溫室使用的塑膠布在製程中加上紫外線阻隔的添加劑,設施內蟲害問題可大幅減輕。但如果使用蜜蜂來協助授粉,此種塑膠布就不適合使用。飛蛾撲火的原因主要就是蛾類有驅光性,昆蟲的眼睛大多對紫外線較為敏感。再者,黏蟲貼紙多為黃色,針對蚜蟲則使用藍色貼紙,顯然不同顏色的光對不同昆蟲有不同的吸引力。夜間點亮黃光,對夜行性昆蟲可發揮忌避的效果(圖7右圖右曲線)。

農業上殺蟲的方式除了採用化學性農藥之外,生物性防治方式譬如使用性費洛蒙來誘殺或者物理方式的使用燈光來驅蟲或吸引昆蟲都是可行的方式。坊間的殺菌燈或捕蚊燈多使用UV燈管且多為家用型,改為使用LED搭配太陽能板,開發戶外型應該都是未來的趨勢。

漁船出海在夜間作業多使用集魚燈,短波長的藍光與紫光對水的穿透率遠高於長波長的紅光,使用藍光(470 nm)LED來製造集魚燈在日本已有商業化產品問世,其主要成效在省電與光害的減少。小型漁船(9~10噸)多配備15~60盞3 kW的集魚燈,耗電最多可達180 kW。LED集魚燈每盞使用1000顆藍光LED,同前規格的漁船搭配使用40盞可達纇似的集魚效果,總耗電則只需 3 kW (4萬顆LED),相當於原來一盞燈的耗電量 (岡本,2004;橋本等,2003)。

一般家庭或戶外使用的燈具多半包括藍光與局部紫外光的波長,此些波段在昆蟲的眼裡都屬可見光範圍,如果能夠開發可濾除此些波段的燈罩,則該燈具可發揮照明的效果又不會吸引昆蟲,在居家與戶外的夜間活動上應該可有不少商機。


五、光與光觸媒

光觸媒需要紫外線來激發,光觸媒種類包括TiO2、CdS、ZnO與WO3等,以二氧化鈦為最常見。二氧化鈦光觸媒有金紅石、銳鈦礦及板鈦礦三種結晶構造,當二氧化鈦受到能量大於二氧化鈦能帶的光照射時,會產生電子與電洞,它們與水和氧發生反應會產生活性氫氧自由基及過氧基活性氧成分,此些成分具分解有機化合物的能力;環境中的有機污染物,包括臭味的來源、有害化學物質、環境荷爾蒙與微生物等。因為銳鈦礦和板鈦礦的能隙能量為3.2 eV,金紅石為3.0 eV,所以前二者需要入射光的波長在380 nm 以下,後者則須要在413 nm以下。由於通常採用的二氧化鈦為銳鈦礦結構,所以必須採用紫外線照射。

常見的紫外光源則包括汞燈系與鈍氣燈系,前者主要包括白熱燈管(315~400 nm)、螢光燈管(350~375 nm)、高壓汞燈管(355~356 nm)與低壓汞燈管(180~280 nm)等四類;後者的光譜分佈則較廣。室內的紫外線來源多半仰賴燈管,但紫外線又對人體可能造成傷害,所以可小型化可隱藏的UV-LED就有發展的機會。由LED的發展很明顯可看出波長越短越晚上市,日本Nichia的氮化銦鎵藍光LED(450 nm)問世後,技術上有了突破, 進口電極於國內封裝已有395 nm(1 mW)的產品,歐洲也有370 nm (20 mW), 350 nm (40 mW) 問世, Nichia 則於2003年推出365 nm(100 mW)。

生物醫療上的應用

除了農業生產上的應用外,LED做為醫療儀器光源亦具有高度發展潛力,相較於動、植物光生理學,人體光生理學是值得深入了解與待開發的一塊新領域。

一、光線與自律神經系統

Krakov(1951)檢驗色彩視覺與自律神經系統的關聯,提出紅光可以刺激交感神經系統,代表增加興奮和緊張;而藍光可刺激副交感神經系統,代表放鬆、減輕焦慮和減輕敵意。而此項說法在1958年被Gerard所證實(Liberman, 1991)。此類用於紓解壓力的光照療法在近年來已有專利被申請 (Frenkel and Frenkel, 1999),專利內容強調有色的色光,對光源種類則無明確訂定。

二、光線與生理時鐘

光線進入眼睛提供了視覺與非視覺功能,前者到視網膜,後者到腦中的下視丘、腦下垂體與松果腺(epiphysis cerebri),其中松果腺則與生理時鐘直接相關。松果腺,字義為腦的頂端,位於兩個腦半球中心深處,在腦垂體的後上方,大小如豌豆。松果腺針對透過眼睛進入的光資訊,協調整個人體運作以及和外界的一致變化。它藉由運用來自下視丘的生理時鐘相關訊息,決定何時釋出功能強大的褪黑激素(Melatonin)。褪黑激素是重要的神經內分泌調節器,可調節身體的分泌節律,並對大部份人體器官的自律、荷爾蒙及行為功能等有著深遠的影響。由於褪黑激素可穿透任何體內血管障壁的特性,使它在生理功能扮演中樞的角色,且可調合心靈、身體及環境間複雜的交互作用(Liberman, 1991)。

視網膜接受光源的刺激可以經由神經傳至松果腺,進而改變血清素轉變為褪黑激素的數量。個人的視覺系統必須是完整無缺,才會有正確的褪黑激素分泌節律。儘管環境中充滿了時間變化的刺激,對盲人而言,通常還是沒有正確的褪黑激素分泌節律,只有內生性的循環規律著生理時鐘(Liberman, 1991)。目前也有應用LED治療生理時鐘失調光照療法的專利被申請(Vreman and Stevenson, 2002)。

三、季節性憂鬱症

根據美國國家心智健康研究院(National Institute for Mental Health , NIMH)的統計,目前約有10%的美國人患有季節性憂鬱症(Seasonal Affective Disorder, SAD)及相關衍生的健康問題。SAD發生在秋天、冬天,而春天、夏天就會消失,罹患者是受到陽光不足的影響,心情通常都會隨著季節而改變。這表示日照長短在這段季節裡作為生物時鐘的時間暗示或是賦予者,因其長度或強度不足所造成的結果,是重要的致病原因。現代精神醫學也已相信,使用人工照光方式是改善病情的有效生理療法。

有季節性憂鬱症的患者,其褪黑激素的分泌量會昇高。由於完整光譜光線可以減少褪黑激素分泌,因此以光線治療患有SAD的病患非常有效。綠色光(540nm)是抑制褪黑激素分泌最明顯的光譜,這與人類視紫質(rhodopsin)的吸收光譜相同。Liberman(1991)提到Lewy(1980)認為每日起床後以強度10,000 lux的白光照射30分鐘可抑制褪黑激素的分泌,可紓解季節性憂鬱。這項觀察結果不僅對瞭解褪黑激素的生理結果非常重要,同時也有助於調節分泌節律,以治療SAD及其他健康上的問題。目前已有應用LED的相關專利被申請,內容為用於多種生理精神失調的光照療法,譬如SAD的光照療法(Lopez-Claros, 1996)。

四、藍光的醫療應用

60%新生兒有一種稱為膽紅素的黃色色素累積在皮膚與身體組織,終致皮膚泛黃,稱為小兒黃膽。Lucey(1968)臨床證實將患黃膽的新生兒暴露於全譜光或藍光(450nm)八天後,其膽紅素可降至安全範圍。目前已有使用裝有發光二極體的衣服的黃膽新生兒的光療法專利被申請(Vreman, 2003)。另外,McDonald(1982)認為關節疼痛的減輕與藍光及接觸時間有直接關聯。接觸時間愈長,疼痛減輕程度愈大(Liberman, 1991)。目前已有針對關節炎的光療法專利被申請(Hart and Malak, 2003)。Perricone (2003)也提出使用藍光與紫光為主,綠光為輔,針對皮膚的光療法專利。

五、紅光的醫療應用

Liberman(1991)提到近來的研究顯示以不同速度間隔閃爍紅光,開始治療後1小時,72%患者表示嚴重的偏頭痛已停止,其餘的28%中,93%認為感覺好了許多,大多數患者認為快速的閃爍及高強度的光是最舒服的。Texas 州立大學研究發現紅光提昇13.7%的力量及增加臂肌5.8%的活動力,研究結果證實紅光可協助需快速爆發力的運動表現。

紅光用於皮膚潰瘍治療與輔助傷口癒合已有專利被申請(Mendes and Lison, 1993),目前以色列也有商品化產品(Biobeam 660傷口光療器)問世。該產品在使用時分連續光與10%脈衝光(100Hz)兩種模式,分別提供淺層(尖峰功率18 mW)與深層(尖峰功率75 mW)治療。相同設備亦宣稱對治療單純性皰疹有療效,此部分亦有另一個專利被申請(Mendes and Harel, 1996),然而專利內容未明述使用何種光源。

六、紅、藍光併用的醫療應用

Papageorgiou等(2000)發現藍光(415nm)與紅光(660nm)併用可治療輕微至中度嚴重的青春痘,療程三個月。其中藍光LED光譜範圍內包括了9%在紫外光範圍,具殺菌效果,且不會殺傷皮膚。照射量:4.23 mW/cm2,每天15分鐘,累計320 J/cm2。紅光具抗發炎效果,照射量: 2.67 mW/cm2,每天15分鐘,累計 202 J/cm2。青春痘光療法亦有只使用紫外光(320-350 nm)的專利被申請,該專利使用雷射為光源 (Kollias et al., 2003)。

七、紅外光的醫療應用

Souil等(2001)證實815nm近紅外線可促進傷口癒合:使用近紅外線雷射二極體可誘導具長效的72-kDa 熱休克蛋白(heat shock protein, HSP)的產生(HSP 70)。HSP是溫血動物遭逢體溫升高達5 ℃時,體內所增生的一種蛋白質,允許身體細胞、組織與器官對抗昇溫逆境。後續發現此蛋白質亦能提高身體對抗低氧症、貧血、發炎與暴露在重金屬污染與菌體內毒素污染等逆境的能力。

針對關節炎、肌腱炎、背痛、網球手肘與五十肩等亦有酸痛光療器(BioBeam 940)的產品問世,然而,該光療器使用的光線波長為940 nm,屬紅外光(近紅外線)範圍,與前述McDonald (1982)研究中使用的藍光不同。BioBeam 940提供兩種使用模式:連續光與3%脈衝光(100Hz)的尖峰功率分別為25mW與270mW。

八、光療法應用於

美容---
光療法使用雷射,從近視、除斑、除毛、除色素等,在美容領域中獨占鰲頭了好一陣子,直到脈衝光(intense pulse light, IPL)興起。脈衝光也是一種能量治療方法,波長從560 nm至1200nm光譜光波,可配合個人體質作參數的調整,以除斑、除毛與回春的應用為最受歡迎。

回春治療(photo rejuvenation)主要包括色素、靜脈屈張、血管斑及老化產生的膚質現象如鬆弛、皺紋等,涵蓋範圍廣泛。脈衝光沒有雷射治療後產生的破皮及受傷情況,因此頗受整型診所與愛美女性的喜愛。脈衝光的光源包括了低功率雷射與高亮度LED。柔光回春/美顏治療(low intensity photo rejuvenation) 專指應用高亮度LED為光源的脈衝光,市面上已有商品化產品,有分診所使用型與個人使用型。前者台灣有進口,醫院的文宣海報將該設備稱為戰痘藍波,後者如以色列Biolight 公司的美光器與美國DermaWave公司的類似產品,兩產品均針對柔光回春/美顏市場並宣稱兼有治療青春痘之效果(圖8左圖)。

回春治療主要針對皮膚的纖維母細胞 (fibroblast)提供能量以調節其衍生的細胞和膠原蛋白。相關療法的專利包括針對臉部治療(Ella, 2003)與強調使用藍光與紫光為主,綠光為輔的處理皮膚的光療法(Perricone, 2003)。綠光(410~450 nm)可穿透2 mm 厚度皮膚組織,紅光(610~650 nm)可穿透1cm的皮膚組織 (Sharman,et al., 1999)。

九、無重力下組織癒合研究

在無重力的狀態下,受傷的細胞組織生長復原的相當緩慢,在威斯康辛大學的一組研究人員就使用LED為光源來治療受傷的人體細胞,發現生長復原的速度是正常細胞的5倍之多(Whelan, 2001)這項技術將可被應用在長途及長時間的太空旅行上,用來治療太空人發生受傷的情形。此研究成果並不受限於只能應用於太空中,亦有搭配高壓氧的療法。單獨使用紅光也有商品化產品問世(圖8右圖與圖9)。

十、光動力醫學(Photodynamic Medicine)

光動力醫學(Photodynamic Medicine),泛指光動力診斷(Photodynamic Diagnosis, PDD)與光動力治療(Photodynamic Therapy, PDT),是目前發展漸趨成熟的癌病變診治方式。光動力醫學是給癌症病患服用或塗抹光感物質,該物質在基態(ground state)時因吸收特殊波長(大多是紅光)的光能量後躍升到受激態(excited state)後,若因為能量釋放直接由單相態(singlet state)回到基態,則可產生螢光,此特性可用來發展螢光診斷技術;若因能量釋放而在單相態發生電子旋轉,導致進行系統間跨越而成為三相態(triplet state)時,會引發光化學反應。此光化學反應在癌症細胞中就會產生單相氧(自由基),可進而殺死癌症細胞,這是PDT的基本原理。

PDT的光源目前多使用雷射,但雷射有價格昂貴、體積龐大及不穩定的缺點,近來的研究著重在使用高亮度紅光LED取代雷射,LED的紅光比雷射光溫和,不致傷害其他健康的細胞。不會產生不良副作用。

美國太空總署(NASA)的中小企業創新研究計畫與美國Quantum Device公司共同研發一套以LED進行光動力療法的設備,經過5年的試驗證實有效,並且獲得美國食品藥品管理局(FDA)的批准進行更進一步的人體臨床實驗,目前的重點著重在皮膚癌及腦腫瘤的治療上(圖10)。

光動力治療在微生物防治上也有應用空間,主要特指生物膜的防治。當微生物細胞吸附在含有水分的固體表面時,微生物會繼續生長複製並分泌胞外聚合物,這種由細胞及其胞外聚合物所組成具有生物活性的薄膜就是所謂的生物膜(biofilms)。以化學殺菌劑或抗生素處理是目前主要的生物膜防治方式,PDT在原核微生物感染治療上始於1983年的胃炎治療,近期亦有報導顯示由病毒感染之皮膚癌也可藉PDT達到治療效果。PDT在真核微生物防治上主要針對醫療器材的殺菌。真核微生物在形成生物膜時,其生成及抗藥性機制都比原核微生物複雜,目前全球各醫院因白色念珠菌造成的念珠菌血症逐年增加,一般殺菌消毒劑都起不了作用,因此防制念珠菌的問題變得相當棘手,PDT應用於生物膜防治的研究正方興未艾,尤其是針對白色念珠菌(Bliss, et al., 2004; Chabrier-Rosello, et al., 2005)。

十一、醫療照明

圖11所示為兩種使用藍光照射黃色螢光粉來達成白光LED的光譜,低色溫的白光偏黃,高色溫的白光有較高的演色性,比較接近晝光,比前者更適合作為醫療照明。現階段可有三種方式來產生LED白光,包括圖11所示的兩波長與使用RGB三種LED混光或是透過紫外線照射RGB三種螢光粉來達成,如圖12所示的三波長方式。

醫院中手術房的照明關係手術成敗,過去使用的照明燈具都安裝在手術房的上方,雖說是無影燈,但多少在照明上會因施術者或被手術者本身而產生陰影。高亮度的LED可提供適當的光質、光量與高演色度且不產生熱度,所以可以安裝於較接近手術者的地方,甚至安裝於刀具上或者用於內視鏡,直接對胸腔或其他微創開口做照明。

十二、其他

其他LED相關應用已被申請專利的尚包括用於治療鼻炎(Mendes and Neuman, 1997),治療心肌梗塞(Streeter, 2003a)與治療中風(Streeter, 2003b)等的光療法。前者也有商品化個人用產品問世(Biolight公司的光鼻器)。專利說明內容中有關使用何種波長的光,多大的光功率密度(mW/cm2)與治療時間都未明述,只知使用發光二極體為光源。

結論

LED光源在農業應用目前多屬研究機構進行基礎或應用研究所用,然而,隨著科技的進步,LED光度的增加與因量產、競爭與達成投資回收所造成價格的降低,LED取代日光燈光源應用在量產規模的組培苗栽培及作物栽培上應是指日可待。

LED在生物產業範圍內的應用甚廣,除了在環控農業領域取代傳統人工光源使用之外,在作物栽培模式、銷售運輸模式與儀器研發上都有發展空間。種苗經長期黑暗運輸不僅會產生乙烯,更會消耗內存糖分,造成負成長。LED搭配電池或其他電源可提供光補償點的光量,使得長期運輸為可行,過去必須仰賴空運可改為海運,輸送成本降低,產業競爭力可以提高。

紅光與紅外光可抗發炎,促進傷口癒合,此特性應用於植物嫁接組織的快速恢復或者不同光譜應用於植物組織培養癒傷組織的誘導分化,組培苗出瓶時機與出瓶後馴化存活機率;高頻閃爍給光可促進組培苗生長並兼具省電效果應該也頗具商業價值;凡此種種都可做進一步探討。現階段使用儀器多只能量測葉片內葉綠素整體的含量,無法區分葉綠素a或b,更無法求出葉綠素a/b比值,後者可做為植物適應光環境的指標,可透過不同波長的LED進一步研發相關儀器。

動、植物光生理學,人體光生理學都是值得深入了解與待開發的領域。尤其是後者須透過醫學工程領域研發適用的儀器設備,亦有頗多的應用空間。然而,此類研究的進行與落實研究成果需要跨領域的合作與推動,是值得吾人後續努力的方向。

目前雖說已有許多光療法相關專利被申請,但查其內容多半語焉不詳,或許基於機密考量但也有搶先機的意味,是否真正具備療效,仍有待更進一步的人體實驗。市面上國外商品也才開發,仍屬戰國時代,其技術瓶頸並不高,但獲利空間頗高;或許國內的光電業者做應用的下游廠商可針對此方面做一些佈局與相關專利上的迴避,發揮創意開發國人自製的相關產品。如此,不僅可行銷國際,更可避免國外廠商漫天叫價,提供比價與議價的空間與功能。更重要的是療效要有醫界的背書,此方面國外的整合研究正積極開展中,國內不應落後。有興趣的廠商應該主動提供相關設備給醫界或學術界進行整合應用研究。