光生物辐射危害解读

乔 波 程丽玲

(1.杭州浙大三色仪器有限公司，浙江杭州 310030;2.浙江省出入境检验检疫局，浙江杭州 310016)

1 引言

照明系统的光生物辐射，是选取8小时的暴露时间，通过设定辐射限值对应的特定危害，来衡量光辐射对眼睛前侧部分 (角膜、结膜与晶状体)、视网膜和皮肤的潜在损害。眼睛前侧部分的危害主要涉及眼睛的光化学危害、眼睛近紫外危害和眼睛红外危害。视网膜危害主要涉及视网膜蓝光危害和视网膜热危害。皮肤危害主要涉及皮肤的光化学危害和皮肤热危害。

2 辐射危害与人体健康

2.1 皮肤和眼睛的光化学危害

皮肤和眼睛的光化学紫外危害辐射限值——入射到没有采取保护措施的皮肤和眼睛的紫外辐射的辐射限值，且仅适用于照射时间在8小时以内的情况。在任何一天中连续超过8小时的辐射在这里都不予考虑。有效辐射的曝辐限值为30J·m－2。

紫外辐射是指波长小于可见辐射波长的光辐射。随着LED短波技术的发展，深蓝及紫外LED逐步被用于一些产品之中，并在感光油漆或油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、复印、皮肤病及内外科疾病治疗、杀菌消毒、保健、荧光分析等领域的应用都有了快速发展。但是由于眼睛和部分皮肤长期、完全暴露在空气当中，所以过多的紫外辐射会对人类健康造成负面影响。

研究发现，皮肤对紫外线的吸收与其波长有关。波长越短，透入皮肤的深度越小，照射后黑色素沉着较弱;波长越长，透入皮肤的深度越大，照射后黑色素沉着较强。由于受光化学反应的作用，能级较高的光子流能引起细胞内的核蛋白和一些酶的变性。因此，被紫外线照射后，需经过6～8小时的潜伏期后才发生细胞的改变并出现症状，包括皮肤干痛、表皮皱缩，甚至起泡脱落。因紫外线对组织的穿透力很弱，皮肤下的深层组织较少受伤。但严重的紫外线，可引起人体疲乏、低热、嗜睡等全身反应。有些人的皮肤由于对紫外线过敏，光照后发生日光性皮炎 (又称晒伤)，暴露区皮肤瘙痒、刺痛、皮肤脱屑，还可能溃破结痂。

对于人眼来说，高强度的紫外辐射只要照射几分钟，例如电弧焊接时发出的强紫外辐射 (如图1所示)，就可能会损伤眼球最前部区域，导致角膜和结膜最外层细胞被破坏，从而引发光致角膜炎和光致结膜炎。通常人眼在受到6到8小时照射后，将感觉到一阵钻心的疼痛。但是由于角膜和结膜的细胞会不断再生，所以这类损伤是可以修复的，基本上1～2天之后就可痊愈。紫外光辐射对眼睛的危害作用光谱加权函数如图2所示。

图1 电弧强紫外辐射图Fig.1 Arc ultraviolet radiationFigure

图2 皮肤和眼睛的光化学紫外危害加权函数Fig.2 Spectral weighting functionfor actinic UV hazard for skin and eye

所以，为了降低光化学紫外危害，必须将辐射源的光化学紫外辐射辐照度降低到限值以下。这就要求对于某些特定用途灯具的使用人员，要进行必要的防护措施。而对于普通照明用灯的光化学危害，则需要制造商提供必要的保证。

2.2 眼睛的近紫外危害

光谱范围在315nm～400nm之间的光辐射对眼睛的总曝辐量，在时间小于1000s的情况下将不超过10000J·m－2;在时间大于1000s(大约16min)的情况下，对没有保护措施的眼睛的UV－A波段辐照度EUVA不应超过10W·m－2。

众所周知，自然界中绝大多数紫外线来自太阳光。通常情况下，从太阳发出的光波到达地球表面时，被覆盖于地球表面的大气层所过滤。绝大部分紫外线被挡住，只有极少部分穿过大气层照射下来。正是由于臭氧的存在，使阳光中的紫外线被过滤而减弱到一定的正常限度，才不至于危害人体健康。但是，随着短波LED技术的发展，与人类朝夕相处的某些日用品中也出现了近紫外光辐射。

所以，人类在面临温室效应减低了大气层厚度，增强了日光中的紫外线强度的同时，还要遭受短波LED的带来的近紫外辐射危害。过多接受紫外线照射不仅会导致眼干燥、眼疲劳、眼结膜炎，角膜炎，眼色素膜炎等，还并会诱发晶状体变性，产生白内障，及造成视网膜炎等疾病。光辐射与眼睛的作用区域如图3所示。特别是对于视觉系统尚未发育成熟的儿童，由于他们眼球的晶状体对短波光具有较高的透射比，从而使紫外光更易到达视网膜 (如图4所示)。所以，若一些婴幼儿玩具用品使用了此类短波LED产品，将会对婴幼儿眼睛视觉系统造成不可挽回的伤害。

图3 光辐射与眼睛作用区域图Fig.3 Optical radiation and active area of eye

图4 视网膜无晶状体紫外危害加权函数Fig.4 Spectral weighting functionfor aphakicretina hazard

然而，在所有会产生电磁辐射的电子波中，紫外线辐射能量低，穿透力弱，其光量子连普通玻璃都不能透过，对纸、有机玻璃和一般透明塑料薄膜的透过率也很低。一层二毫米的玻璃就足以挡住百分之八十的紫外线。如果是两层玻璃，紫外线就完全被挡住了。所以，对于用户来说，只需采用一些简单措施即可实现对于紫外危害的防护，甚至是我们佩戴的眼镜。但是，灯系统制造商不能因此而将防护紫外危害的责任推给用户。遏制紫外危害的主要途径依然是依靠制造商提供符合光生物辐射安全要求的灯具产品。

2.3 视网膜蓝光危害

为了防止长期受到蓝光辐射的视网膜产生视网膜光化学损伤，光源的光谱辐亮度与蓝光危害函数B(λ)加权积分后的能量，也就是蓝光加权辐亮度LB不应超过下面的限值:105J·m－2·sr－1(t≤104s)或100W·m－2sr－1(t＞104s)。

蓝光危害是指由波长为300nm～700nm的辐射照射后引起的，具有导致视网膜损伤潜能的光化学作用。视网膜蓝光危害作用光谱加权函数如图5所示。

当前，白光LED通常采用二波长发光 (蓝光+黄光)或三波长发光 (红光+黄光+蓝光)的技术实现。无论上述哪种模式的白光，都需要蓝光的存在。业界目前大多采用GaN芯片的蓝光激发荧光粉产生白光，且激发波长越低，光子能量越高，光化学作用也越明显。LED芯片的发光峰值波长为450～470nm的蓝光，处于视网膜蓝光光化学损伤最敏感波段，从而使窄光束高亮度的LED，其蓝光对人眼造成光化学损伤的可能性也高。研究发现，蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍，蓝光危害可能会导致视网膜黄斑部发生病变，且由于这种损害是不可修复的，所以存在着直接导致失明的潜在可能。虽然人类的眼睛光学系统具有一定的过滤蓝光的能力，但是随着年纪增长，眼内的晶状体也会随之变黄，从而影响蓝光对眼睛的危害 (如图6所示)。

图5 视网膜蓝光危害作用光谱加权函数Fig.5 Spectral weighting functionfor retina

图6 晶状体透过率与年龄的关系曲线Fig.6 Relationship between age

所以，对于蓝光危害的防御，不能依赖于人类的眼睛光学系统，更重要的是通过改进白光LED芯片技术，从而达到从源头上遏制照明系统蓝光危害的目的。

2.4 视网膜热危害

为了防止视网膜热损伤，光源的积分光谱辐亮度Lλ与灼伤危害加权函数R(λ)加权后得出的值，也就是热危害加权辐亮度不应超过50000/(α·t0.25)W·m－2·sr－1(10μs≤t≤10s)。对于一个红外热源或者是任何近红外的光源，它们所产生的微弱视觉刺激不足以产生不适应，当用眼睛观察且辐照时间大于10s时，其近红外 (780nm～1400nm之间)的辐亮度 LIR应被限值在:6000/αW·m－2sr－1(t＞10s)。

虽然对于人体的视网膜热危害的研究资料有限，但是通过对猴子和兔子的研究发现，视网膜热危害的作用光谱范围主要集中在400nm～1100nm，作用的光谱峰值波长为500nm。造成视网膜热危害的主要原因是，光辐射的热化学反应使蛋白质和其他主要细胞生物成分发生变性，同时使生物组织受损。对于400nm～1400nm光的吸收主要集中在接近视网膜色素上表皮细胞和脉络膜部位，所以，此处也是视网膜发生热危害的初始地。在IEC62471:2006(CIES:009)中，规定了如图7所示的视网膜热危害作用光谱加权函数。但是随着对视网膜热危害作用机理的深入研究，研究人员发现视网膜的热危害作用光谱加权函数在400nm～700nm范围内，其作用光谱效力相同。并不是在400nm～500nm范围内的视网膜的热危害作用光谱加权函数，为对应波长下的视网膜蓝光危害作用光谱加权函数的十倍。因此，在最新修订的CIES:009中，新规定的视网膜热危害作用光谱加权函数如图8所示。

视网膜出现损伤的主要症状是当明亮的弧光照射到视网膜上时，人眼会出现沙点或盲点。视网膜可视损伤可在暴露5min后在眼科检查中被发现。在受到24h之内照射后最严重的可能出现失明，有一些会在14天后出现有限的恢复。

事实上，视网膜热损伤通常是由于氙灯弧光照射了眼睛，在灯下很少会出现这种损伤。这种损伤几乎一定是发生在极端恶劣的环境中，或者是在很强的没有进行任何保护的场所。因此，关于此类损伤的报道极少。人们自然的对这种反应的厌恶就限制了这种损伤的发生，也就预防了这种损伤。

图7 视网膜热危害作用光谱加权函数 (原)Fig.7 Spectral weighting functionfor retinal thermal hazard(Original)

图8 视网膜热危害作用光谱加权函数 (新)Fig.8 Spectral weighting functionfor retinal thermal hazard(new)

2.5 眼睛红外辐射危害

为了避免对眼角膜的热危害以及对晶状体的后遗症 (比如白内障)，对于在波长780nm～3000nm之间的红外辐射，当照射时间小于1000s时，红外辐射的视觉曝辐限值应该不超过:18000·t－0.75W·m－2(t≤1000s)或100W·m－2(t＞1000s)。

长期受到红外辐射影响，会导致人眼晶状体的浑浊，从而引发白内障。危害最大的波段为780nm～1400nm，但也有人认为是780nm～3000nm。这种危害的机制还未被完全搞清，一般认为这种危害和晶状体受到的直接影响、晶状体周围环境对晶状体的间接影响都有关。特别是当波长大于1400nm时，入射辐射几乎全部被角膜和房水吸收，造成眼睛内部损伤。由于眼睛晶状体细胞的更新速度很慢，这种损伤在很长时间内都难以恢复。这种病变发生率较高的职业是传统的在熔化炉边的吹玻璃工人和在熔炼耐火石边与液态金属打交道的工人。现在，这些场合的工人都配备了适当的防护设备，所以这种危害造成的病变发生率已经很小。

图9 熔炼锅炉红外辐射Fig.9 Infrared radiation of smelting boiler

但是，对于灯或灯系统，用户不可能配备防护装备，只能依靠制造商对于灯具出射光谱的合理控制，来减少甚至消除红外辐射对于人体眼睛，特别是晶状体的损伤。

2.6 皮肤热危害

可见光和红外辐射 (380nm～3000nm)对皮肤的辐照应被限制在20000·t0.25J·m－2(t≤10s)。

红外线理疗对组织产生的热作用、消炎作用及促进再生作用已为临床所肯定。外界红外线辐射人体产生的一次效应可以使皮肤和皮下组织的温度相应增高，促进血液的循环和新陈代谢，促进人的健康。近红外微量照射治疗对微循环的改善效果显著，尤以微血流状态改善明显。表现为辐照后毛细血管血流速度加快，红细胞聚集现象减少，乳头下静脉丛淤血现象减轻或消失，从而对改善机体组织、重要脏器的营养、代谢、修复及功能有积极作用。

但是，对于非功能性应用的照明灯具来说，出射光中含有的红外辐射光谱可能会对人体的健康，特别是皮肤产生不良影响。红外线引起的热辐射对皮肤的穿透力超过紫外线。其辐射量的25%～65%能到达表皮和真皮，8% ～17%能到达皮下组织(如图10所示)。红外线通过其热辐射效应使皮肤温度升高，毛细血管扩张，充血，增加表皮水分蒸发等直接对皮肤造成的不良影响。其主要表现为红色丘疹、皮肤过早衰老和色素紊乱。此外，红外线还会增强紫外线对皮肤的损害作用，从而加速皮肤的衰老过程。

图10 辐射光谱与皮肤危害Fig.10 Radiation spectrum and skin hazard

因此，对于红外线，我们需要在特定的功能性应用中，发挥其积极的医学效用。但是，对于照明系统，我们则要避免红外线对人体皮肤的伤害。所以，灯系统制造商有责任对于产品的红外热危害进行控制。

3 总结

光生物辐射安全是人类健康所面临的一项新的课题。由于光辐射损伤通常是一种长期累积的眼睛视觉系统或皮肤病变，其形成和发展过程往往难以察觉。所以，越来越多的人开始关注灯或灯系统的光生物安全。

照明产品的光生物辐射安全的测量和评估涉及复杂的测试、分析技术。所以，很多国家都投入了较大的精力进行此项技术的研究。我国在光生物辐射安全的测量和评估方面已在国际上发挥主导作用，并牵头制定国际标准。同时，随着国际标准的同步采用，继欧盟和美国之后，为保障使用者的安全，我国对各类进入市场的照明产品，也将陆续把光生物辐射安全纳入强制性的安全要求之中。

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