发光二极管在生物产业的应用

摘要

长久以来在广义农业的生产上，荧光灯管与高压钠灯是最主要也最普遍的人工光源。如何补光、提高补光均匀度、调整光质与研发xxx率的人工光源一直是学界研究的重点。近年来光电技术的进步大幅提升了发光二极管 (Light-Emitting Diode, LED) 的亮度与效率，使得利用此种光源在广义农业生产上、在人工照明上都变得可行。发光二极管具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、高耐震、寿命长、波长可指定与低发热等几项优点，相较于目前使用荧光灯或高压钠灯为人工光源的系统而言具有光量、光质 (红/蓝光比例或红/远红光比例) 可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等优点，因此对封闭有环控的农业生产环境 (如植物组织培养室、植物生长箱等) 是一种非常适合的人工光源，对需要特定波长的应用也相当具有弹性。美国太空总署xxLED应用于太空农业上，其后续亦将LED应用于xx恶性肿瘤的光动力疗法上取代传统使用的雷射光。皮肤医学领域继雷射与脉冲光之后，LED也成了新宠，其在柔光回春/美颜领域的应用正方兴未艾；其他光疗法应用领域包括伤口愈合、对关节炎、黄胆病、生理时钟失调、心肌梗塞、中风、纾解压力、鼻炎、疱疹与季节性情感失调等的xx。本文针对近年来发光二极管在生物产业上之应用做一回顾。

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

    发光二极管(Light-emitting diode, LED)的相关产品早在1968年就已经问世，不过当时光强度低且没有全彩化，所以应用上仍局限于标示、观赏或光侦测等用途。此些发光二极管多为磷化铟系列(红外线波段)、磷化镓及砷化镓系列(红、黄、绿等可见光波段)。经过这几年光电科技的进步，不但发展出高亮度的LED(1980年代中期)，1993年日本日亚公司(Nichia)更成功开发出高亮度氮化铟镓系列的蓝光LED，使全彩化的LED产品得以实现，也拓展了其用途，包括汽车、通讯产品、信息产品、交通号志、照明及生物产业等，其中生物产业上的用途就是近几年来相当热门的一个领域。本文旨在针对近年来高亮度发光二极管在生物产业上的应用做一回顾。所谓生物产业，在此分为广义农业生产与生物医疗两大方面。

 广义农业生产上的应用

    光为植物生长中重要的环境因子之一，主要来自于太阳的辐射能。太阳的辐射自极长之无线电波、远、中、近红外线、可见光、紫外线A、B、C、X射线至极短之宇宙线，为一种连续光谱，一般称为电磁波。

广义的农业包括田间农业生产、设施内园艺生产、林业、畜禽生产与渔业等。随着科技进步及农业生产型态的改变，导入人工光源来取代或补充xx日光的不足已是环控农业中的常态，使用的人工光源包括荧光灯、高压钠灯、金属卤素灯及灯泡等。高效率高亮度的LED是下一波的重点。

    高效率人工光源的发展一直是农业生产上或研究上非常重要的一项课题(Bula et al., 1991)。近年来光电技术的进步带动了高亮度红光、绿光、蓝光与远红光发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)的诞生。LED具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、高耐震、寿命长、波长固定与低发热等优点，相较于目前普遍使用的荧光灯或高压钠灯而言具有光量(Light Intensity)可调整、光质(Light Quality，红/蓝光比例或红/远红光比例等)可调整、冷却负荷低与可提高单位面积栽培量等优点，因此对气密性良好有环控的农业生产环境如太空农业，植物组织培养室或植物生长箱等是一种非常适合的人工光源(Barata et al., 1992; Bula et al., 1994; Hoenecke et al., 1992; Eiichi et al., 1997)。基于光量与成本的考虑，动物生产上尚无应用LED的先例，但使用其他人工光源则已颇为普及。在昆虫防治上应用LED应是近期界可以看到的应用。

一、光与植物栽培

    在太阳辐射电磁波中有三区段的辐射对植物生长发育有决定性的影响，除了可见光(380～780 nm)外，尚有紫外线(UV, 100～380 nm)和红外线(780～10⁵ nm)。此主要是由于植物的三套受光系统所致，叶绿素a,b吸收红光与蓝光进行光合作用，类胡萝卜素吸收450 nm波长引起屈旋光性以及高能量光形态发生(图1)，光敏素吸收660、730nm波长控制许多形态发生的反应。

    植物是{wy}能够把太阳光能量转化为质量的生物，植物的光合作用是地球上一切生命的基础。光合作用需要波长范围在400～700nm之间(可见光部分)的光，但是光对植物的影响除了提供光合作用所需之外，尚包括光周期的调节，另外，光质(红、蓝光比例，红、远红光比例等)对植物的型态发生亦有决定性的影响。

随着光电科技的进步，光量更增，价位更降与取得容易的结果，造成全球性应用超高亮度LED于作物栽培的研究正方兴未艾。截至目前为止，LED已经被应用于许多植物光生理领域的研究或植物栽培上，例如藻类培养生物反应器(Lee and Palsson, 1994)、叶绿素生合成研究(Tripathy and Brown, 1995)、光型态发生(Hoenecke et al., 1992)及光合作用(Tennessen et al., 1994; Tennessen et al., 1995)等研究上。

    在作物种类上许多作物或花卉已经被证实可成功的应用LED来栽培，包括有：莴苣(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)、小麦(Tripathy and Brown, 1995; Goins et al., 1997)、菠菜(Yanagi and Okamoto, 1994)、虎头兰(Tanaka et al., 1998)、草莓(Nhut et al., 2000)、马铃薯(Iwanami et al., 1992; Miyashita et al., 1995; 饶与方，2001; Jao and Fang, 2002)、蝴蝶兰(饶与方，2002)、白鹤芋(Nhut et al., 2001)及藻类(Lee and Palsson, 1994; Hans et al., 1996)。其中，在藻类栽培上证实只需要红光LED即可(Hans et al., 1996)，但是对其他植物而言，除红光外，蓝光(Hoenecke et al.,1992)与远红光(Miyashita et al., 1995)光量大小同时会影响生长及型态发生。针对虎头兰拟原球体(PLB)与愈合组织(Callus)的增殖，不同组合的红、蓝光适用于不同时机可得到{zd0}的产能 (Tanaka, at al., 1998)。

    不同红、蓝与远红光组合光源光谱可以影响并控制某些植物病源菌的发生(Schuerger and Brown, 1994, 1997)。

    純紅光栽培的仙人掌長相怪異

    组织培养是在室内快速且大量繁殖植物种苗的方法，一般使用荧光灯为人工光源。然而，基于灯管的寿命、发光效率不够理想与发热大，用于照明与降温的耗电成本颇高。研发较低散热与较高效率的人工光源以降低量产成本为业界所需。饶与方(2001)使用红光与蓝光高亮度LED建立可调整光量、光质、给光频率(Frequency)与工作比(Duty Ratio)的组织培养苗专用的人工光源(图2)，可视需要提供连续无闪烁的光或高频闪烁的光。在不影响植物生长速率下，工作比可调进一步提供省电空间。此设备可作为植物光生理研究者的研究工具。因为LED使用直流电源，因此同时具有光量、频率与工作比可调整的特性，进而可产生出连续光源(Continuous Light)或间歇光源(Intermittent Light)的变化，Lee和Palsson(1994)，Hans等(1996)与Ladislav等(1996)就使用LED所产生的间歇光源来促进藻类的生长与生产；Iwanami等(1992)透过使用LED补充红光或远红光光量来改变光质，进而讨控制马铃薯组培苗茎长度与生长状况；Yanagi等(1996)使用红光与蓝光LED来探讨光质与光量对莴苣生长与光型态发生(Photomorpogenesis)之影响。Nhut等(2000) 发现使用LED作为草莓组培苗生长的人工光源可提高其在驯化阶段之存活率，同时亦使用LED作为白鹤芋组培苗生产之人工光源(Nhut et al, 2001)，比起荧光灯光源来更加有效率。Johnson等(1996)发现将原先定义的光重力(Light-Gravity)光谱范围扩大延伸到红外光光谱区，实验发现加入红外光LED光源将改变原燕麦苗的生长状态与对重力的反应(Gravitropic Response)。

    Jao和Fang (2001b, 2003b)使用高频闪烁的红、蓝光LED为光源(2001a, 2003a)，发现可在不提高耗电成本下提高马铃薯组培苗的生长速率。饶等 (2003)使用不闪烁的红、蓝光LED栽培蝴蝶兰种苗，发现与荧光灯下栽培除了叶长之外并无明显差异，证实LED可用来栽培蝴蝶兰组培苗，亦适用于做为光型态发生基础研究之人工光源。

    蓝光应用于洋桔梗种苗栽培，相对于白光、红光或不加光可大幅提高地上部与地下部的成长速率，缩短育苗期 (Shidahara and Ohta, 2003)。

    饶与方(2002)使用不闪烁的红、蓝光LED为光源(2001a, 2003a)，探讨在总累计光量不变(5.67 mol/m²，红光总计占40%，蓝光总计占60%)与光周期不变(16/8 hrs 明期/暗期)的情况下，同时给红、蓝光(各1单位光量，各16小时)与交替给红、蓝光(各2单位光量，各8小时)时，对马铃薯组培苗生长的影响。结果显示同时提供红、蓝光者有{zg}生长速率；总累计光量相同时，低光量、长光照时间优于高光量、短光照时间；当给蓝光时间(譬如8 hrs)短于给红光时间(譬如16 hrs)时，{zj0}的给光时机是一开始就同时提供红光与蓝光 (Jao and Fang, 2003c)。

二、灯具改良与仪器研发

    除了在植物生理与植物栽培应用上的研究外，许多学者也投入LED光源本身特性及灯具改良与研发上的研究。Takita等(1996)发展LED光源光量与光谱分布仿真模式，将LED当作点光源(Point Light Source)并配合光量倒平方法则(Inverse Square Law)来建立模式，协助预测及计算使用LED为光源时栽培平面上之光量与光质(B/R Ratio)分布状况。

    Ono等(1997)量测了四家公司(Everlight, Panasonic, Toshiba and Rohm Corp.)生产的红、蓝光LED，并找出各自{zj0}的工作电压及电流，Fang and Jao (2000)则针对另外四家(Excellence, Everlight, Hewlett Packard and Nichia Corp.)做了相同的检验，同时计算其在光量子、照度与能量单位间之转换常数。

    Okamoto等(1996)发展使用LED为光源的栽培盒，方法是将LED封装在培养盒(11 cm x 11cm x 14 cm)的盖子上当作光源，总共使用9颗蓝光LED与36颗红光LED。一套使用LED为光源，适合教学与植物光生理研究的设备- Photo-Manipulation-Boxes也在2000年问世(Williams, 2000)，并应用此设备进行一系列莴苣种子发芽光生理之研究。除上述偏重研究用途之设备外，市面上也已经开始xx使用LED为光源并搭配有人机操作接口的植物生长箱(Ryusho Industrial Co., Japan; Quantum device, USA)。上述设备都同时搭配有红光(660nm)、蓝光(470nm)与远红光(735nm)三种光谱波段之LED光源，而这符合大部分植物在光生理与光合作用中光敏素与叶绿色之吸收光谱，这种选择光谱的特性是传统人工光源所无法达成的。

    应用高等植物叶片内叶绿素a, b对不同光谱有不同吸收能力的特性(图1)，亦有厂商研发叶绿素侦测仪器(Minolta SPAD 502, Spectrum Technologies, U.S.A.)，该仪器内主要使用650与940nm波长的红光与红外光LED，量测前者的穿透率可间接求出吸收率，650nm的波长极接近叶绿素a与b吸收光谱的两个峰值之一；量测后者的穿透率则可作为校正基准。然而，此设备无法区分叶绿素a, b为其缺失。阴性植物叶绿素a/b比值通常低于3，阳性植物则通常高于3 (Chang and Troughton, 1972)，Dale和Causton (1992)认为叶绿素a/b比值可作为植物适应光环境的指标。

    Jao和Fang (2001a)使用LED为光源发展一套适用于组培苗与种苗栽培的光源设备-LEDSet，主要包含4颗高亮度蓝光LED及9颗高亮度红光LED、一个驱动器、一个控制器及一支由市售一公尺长电轨改良的装置(图2a)。透过控制器可调整光量、光质、频率与工作比(Jao and Fang , 2001b; 方等，2001a, b；Fang et al., 2002)，后续做了一些改良(Jao and Fang, 2003a)，如图2b所示；相通技术亦扩展至植物生长箱新型光源之设计，如图3所示 (方等，2001c, d；Fang et al., 2003)。

    光量分布的均匀度可透过计算机仿真软件进行设计(饶与方，2000)。该设备在10 cm 距离内(一般常用组培瓶高度)可提供120±20 μmol·m^-2·s^-1的光量，可搭配现行栽培架进行安装，同时因为LED低发热的特性，栽培时可以尽可能靠近组培瓶，也同时提高原栽培架的空间利用率。

LED做为作物栽培的光源，可提供高度的弹性，譬如：LED可提供各种色光，常用的为蓝光(450nm)，红光(660 nm)与红外光(730 nm)。LED具光量可调的特性允许模拟{yt}中太阳光强度的变化；给光频率与工作比可调的特性，允许提供高频间歇给光模式，有利于探讨光合作用中光反应与暗反应的相关机制，并允许进一步节省用电；红光配合蓝光LED的使用能提供一适当的光质；红光与红外光LED搭配可探讨两者对光型态发生的影响，进而了解光敏素的机制。

    大多数植物都至少需要红、蓝光才能正常生长，少了任ㄧ者，不是长不好，就是形状怪异，如图4的仙人掌在最近ㄧ个月只在红光下生长。也有局部例外的作物，譬如日本某植物工厂栽培的莴苣品系就只需要红光(图5）。图6显示在环控室内栽培种苗，使用适当比例的红、蓝光LED为光源，栽培成效远比使用灯管或在温室内栽培佳。

三、光与动物生长繁殖

    光强度、光质与光照时间三者对动物的影响反应于生产上的包括乳牛的泌乳量，蛋鸡的产蛋率，肉鸡、肉牛等的增肉率，与鸡蛋内胆固醇含量等。

    周(2002)使用计数器配合单芯片电路研发低价的鸡蛋计数系统。初步安装8个蛋道，量测一个月的数据已明显观察出立体化环控鸡舍内上下层光量差异明显与产蛋率呈现正相关。当光量足够时 (20~50 lux )，光质的影响不大；但当光量不足时，红光的效果{zh0}。此显示家禽感受光线的存在少部分透过眼睛，主要则为透过头壳、皮肤等传至大脑，因为在可见光中以红光穿透皮肤最深。

    牛舍内照度不足会明显影响食欲，亦会影响增肉率与泌乳量(ASAE, 1988)，肉鸡舍生长管理中颇重要的一项即为光线管理。Liberman(1991)提及全谱光下饲养的鸡只比其他人工灯光下饲养的鸡来得健康，寿命延长两倍，能下更多蛋，且所下的蛋大约减少25%的胆固醇含量。

四、光与动物诱引

    如图7所示，人与昆虫的眼睛对于光线的敏感度不同，昆虫需要紫外线来提供照明(图7右图左曲线)，温室使用的塑料布在制程中加上紫外线阻隔的添加剂，设施内虫害问题可大幅减轻。但如果使用蜜蜂来协助授粉，此种塑料布就不适合使用。飞蛾扑火的原因主要就是蛾类有驱旋光性，昆虫的眼睛大多对紫外线较为敏感。再者，黏虫贴纸多为黄色，针对蚜虫则使用蓝色贴纸，显然不同颜色的光对不同昆虫有不同的吸引力。夜间点亮黄光，对夜行性昆虫可发挥忌避的效果(图7右图右曲线)。

    农业上杀虫的方式除了采用化学性农药之外，生物性防治方式譬如使用性费洛蒙来诱杀或者物理方式的使用灯光来驱虫或吸引昆虫都是可行的方式。坊间的杀菌灯或捕蚊灯多使用UV灯管且多为家用型，改为使用LED搭配太阳能板，开发户外型应该都是未来的趋势。

    渔船出海在夜间作业多使用集鱼灯，短波长的蓝光与紫光对水的穿透率远高于长波长的红光，使用蓝光(470 nm)LED来制造集鱼灯在日本已有商业化产品问世，其主要成效在省电与光害的减少。小型渔船(9~10吨)多配备15~60盏3 kW的集鱼灯，耗电最多可达180 kW。LED集鱼灯每盏使用1000颗蓝光LED，同前规格的渔船搭配使用40盏可达颣似的集鱼效果，总耗电则只需 3 kW (4万颗LED)，相当于原来一盏灯的耗电量 (冈本，2004；桥本等，2003)。

    一般家庭或户外使用的灯具多半包括蓝光与局部紫外光的波长，此些波段在昆虫的眼里都属可见光范围，如果能够开发可滤除此些波段的灯罩，则该灯具可发挥照明的效果又不会吸引昆虫，在居家与户外的夜间活动上应该可有不少商机。

五、光与光触媒

    光触媒需要紫外线来激发，光触媒种类包括TiO₂、CdS、ZnO与WO₃等，以二氧化钛为最常见。二氧化钛光触媒有金红石、锐钛矿及板钛矿三种结晶构造，当二氧化钛受到能量大于二氧化钛能带的光照射时，会产生电子与电洞，它们与水和氧发生反应会产生活性氢氧自由基及过氧基活性氧成分，此些成分具分解有机化合物的能力；环境中的有机污染物，包括臭味的来源、有害化学物质、环境xxx与微生物等。因为锐钛矿和板钛矿的能隙能量为3.2 eV，金红石为3.0 eV，所以前二者需要入射光的波长在380 nm 以下，后者则须要在413 nm以下。由于通常采用的二氧化钛为锐钛矿结构，所以必须采用紫外线照射。

    常见的紫外光源则包括汞灯系与钝气灯系，前者主要包括白热灯管(315~400 nm)、荧光灯管(350~375 nm)、高压汞灯管(355~356 nm)与低压汞灯管(180~280 nm)等四类；后者的光谱分布则较广。室内的紫外线来源多半仰赖灯管，但紫外线又对人体可能造成伤害，所以可小型化可隐藏的UV-LED就有发展的机会。由LED的发展很明显可看出波长越短越晚上市，日本Nichia的氮化铟镓蓝光LED(450 nm)问世后，技术上有了突破， 进口电极于国内封装已有395 nm(1 mW)的产品，欧洲也有370 nm (20 mW), 350 nm (40 mW) 问世， Nichia 则于2003年推出365 nm(100 mW)。

生物医疗上的应用

    除了农业生产上的应用外，LED做为医疗仪器光源亦具有高度发展潜力，相较于动、植物光生理学，人体光生理学是值得深入了解与待开发的一块新领域。

一、光线与自律神经系统

    Krakov(1951)检验色彩视觉与自律神经系统的关联，提出红光可以刺激交感神经系统，代表增加兴奋和紧张；而蓝光可刺激副交感神经系统，代表放松、减轻焦虑和减轻敌意。而此项说法在1958年被Gerard所证实(Liberman, 1991)。此类用于纾解压力的光照疗法在近年来已有专利被申请 (Frenkel and Frenkel, 1999)，专利内容强调有色的色光，对光源种类则无明确订定。

二、光线与生理时钟

     光线进入眼睛提供了视觉与非视觉功能，前者到视网膜，后者到脑中的下视丘、脑下垂体与松果腺(epiphysis cerebri)，其中松果腺则与生理时钟直接相关。松果腺，字义为脑的顶端，位于两个脑半球中心深处，在脑垂体的后上方，大小如豌豆。松果腺针对透过眼睛进入的光信息，协调整个人体运作以及和外界的一致变化。它藉由运用来自下视丘的生理时钟相关讯息，决定何时释出功能强大的褪黑xx(Melatonin)。褪黑xx是重要的神经内分泌调节器，可调节身体的分泌节律，并对大部份人体器官的自律、xxx及行为功能等有着深远的影响。由于褪黑xx可穿透任何体内血管障壁的特性，使它在生理功能扮演中枢的角色，且可调合心灵、身体及环境间复杂的交互作用(Liberman, 1991)。

    视网膜接受光源的刺激可以经由神经传至松果腺，进而改变血清素转变为褪黑xx的数量。个人的视觉系统必须是完整无缺，才会有正确的褪黑xx分泌节律。尽管环境中充满了时间变化的刺激，对盲人而言，通常还是没有正确的褪黑xx分泌节律，只有内生性的循环规律着生理时钟(Liberman, 1991)。目前也有应用LEDxx生理时钟失调光照疗法的专利被申请(Vreman and Stevenson, 2002)。

三、季节性忧郁症

    根据美国国家心智健康研究院(National Institute for Mental Health , NIMH)的统计，目前约有10%的美国人患有季节性忧郁症(Seasonal Affective Disorder, SAD)及相关衍生的健康问题。SAD发生在秋天、冬天，而春天、夏天就会消失，罹患者是受到阳光不足的影响，心情通常都会随着季节而改变。这表示日照长短在这段季节里作为生物时钟的时间暗示或是赋予者，因其长度或强度不足所造成的结果，是重要的致病原因。现代精神医学也已相信，使用人工照光方式是改善病情的有效生理疗法。

    有季节性忧郁症的患者，其褪黑xx的分泌量会升高。由于完整光谱光线可以减少褪黑xx分泌，因此以光线xx患有SAD的病患非常有效。绿色光(540nm)是抑制褪黑xx分泌最明显的光谱，这与人类视紫质(rhodopsin)的吸收光谱相同。Liberman(1991)提到Lewy(1980)认为每日起床后以强度10,000 lux的白光照射30分钟可抑制褪黑xx的分泌，可纾解季节性忧郁。这项观察结果不仅对了解褪黑xx的生理结果非常重要，同时也有助于调节分泌节律，以xxSAD及其他健康上的问题。目前已有应用LED的相关专利被申请，内容为用于多种生理精神失调的光照疗法，譬如SAD的光照疗法(Lopez-Claros, 1996)。

四、蓝光的医疗应用

    60%新生儿有一种称为胆红素的黄色色素累积在皮肤与身体组织，终致皮肤泛黄，称为小儿黄胆。Lucey(1968)临床证实将患黄胆的新生儿暴露于全谱光或蓝光(450nm)八天后，其胆红素可降至安全范围。目前已有使用装有发光二极管的衣服的黄胆新生儿的光疗法专利被申请(Vreman, 2003)。另外，McDonald(1982)认为关节疼痛的减轻与蓝光及接触时间有直接关联。接触时间愈长，疼痛减轻程度愈大(Liberman, 1991)。目前已有针对关节炎的光疗法专利被申请(Hart and Malak, 2003)。Perricone (2003)也提出使用蓝光与紫光为主，绿光为辅，针对皮肤的光疗法专利。

五、红光的医疗应用

    Liberman(1991)提到近来的研究显示以不同速度间隔闪烁红光，开始xx后1小时，72%患者表示严重的偏xx已停止，其余的28%中，93%认为感觉好了许多，大多数患者认为快速的闪烁及高强度的光是最舒服的。Texas 州立大学研究发现红光提升13.7%的力量及增加臂肌5.8%的活动力，研究结果证实红光可协助需快速爆发力的运动表现。

    红光用于皮肤溃疡xx与辅助伤口愈合已有专利被申请(Mendes and Lison, 1993)，目前以色列也有商品化产品(Biobeam 660伤口光疗器)问世。该产品在使用时分连续光与10%脉冲光(100Hz)两种模式，分别提供浅层(尖峰功率18 mW)与深层(尖峰功率75 mW)xx。相同设备亦宣称对xx单纯性疱疹有疗效，此部分亦有另一个专利被申请(Mendes and Harel, 1996)，然而专利内容未明述使用何种光源。

六、红、蓝光并用的医疗应用

    Papageorgiou等(2000)发现蓝光(415nm)与红光(660nm)并用可xx轻微至中度严重的青春痘，疗程三个月。其中蓝光LED光谱范围内包括了9%在紫外光范围，具xx效果，且不会杀伤皮肤。照射量：4.23 mW/cm²，每天15分钟，累计320 J/cm²。红光具抗发炎效果，照射量： 2.67 mW/cm²，每天15分钟，累计 202 J/cm²。青春痘光疗法亦有只使用紫外光(320-350 nm)的专利被申请，该专利使用雷射为光源 (Kollias et al., 2003)。

七、红外光的医疗应用

   Souil等(2001)证实815nm近红外线可促进伤口愈合：使用近红外线雷射二极管可诱导具长效的72-kDa 热休克蛋白(heat shock protein, HSP)的产生(HSP 70)。HSP是温血动物遭逢体温升高达5 ℃时，体内所增生的一种蛋白质，允许身体细胞、组织与器官对抗升温逆境。后续发现此蛋白质亦能提高身体对抗低氧症、贫血、发炎与暴露在重金属污染与菌体内毒素污染等逆境的能力。

针对关节炎、肌腱炎、背痛、网球手肘与五十肩等亦有酸痛光疗器(BioBeam 940)的产品问世，然而，该光疗器使用的光线波长为940 nm，属红外光(近红外线)范围，与前述McDonald (1982)研究中使用的蓝光不同。BioBeam 940提供两种使用模式：连续光与3%脉冲光(100Hz)的尖峰功率分别为25mW与270mW。

八、光疗法应用于美容

   光疗法使用雷射，从近视、除斑、除毛、除色素等，在美容领域中独占鳌头了好一阵子，直到脉冲光(intense pulse light, IPL)兴起。脉冲光也是一种能量xx方法，波长从560 nm至1200nm光谱光波，可配合个人体质作参数的调整，以除斑、除毛与回春的应用为{zshy}。

回春xx(photo rejuvenation)主要包括色素、静脉屈张、血管斑及老化产生的肤质现象如松弛、皱纹等，涵盖范围广泛。脉冲光没有雷射xx后产生的破皮及受伤情况，因此颇受整型诊所与爱美女性的喜爱。脉冲光的光源包括了低功率雷射与高亮度LED。柔光回春/美颜xx(low intensity photo rejuvenation) 专指应用高亮度LED为光源的脉冲光，市面上已有商品化产品，有分诊所使用型与个人使用型。前者台湾有进口，医院的文宣海报将该设备称为战痘蓝波，后者如以色列Biolight 公司的美光器与美国DermaWave公司的类似产品，两产品均针对柔光回春/美颜市场并宣称兼有xx青春痘之效果(图8左图)。

    回春xx主要针对皮肤的纤维母细胞 (fibroblast)提供能量以调节其衍生的细胞和胶原蛋白。相关疗法的专利包括针对脸部xx(Ella, 2003)与强调使用蓝光与紫光为主，绿光为辅的处理皮肤的光疗法(Perricone, 2003)。绿光(410~450 nm)可穿透2 mm 厚度皮肤组织，红光(610~650 nm)可穿透1cm的皮肤组织 (Sharman,et al., 1999)。

九、无重力下组织愈合研究

    在无重力的状态下，受伤的细胞组织生长复原的相当缓慢，在威斯康辛大学的一组研究人员就使用LED为光源来xx受伤的人体细胞，发现生长复原的速度是正常细胞的5倍之多(Whelan, 2001)这项技术将可被应用在长途及长时间的太空旅行上，用来xx航天员发生受伤的情形。此研究成果并不受限于只能应用于太空中，亦有搭配高压氧的疗法。单独使用红光也有商品化产品问世(图8右图与图9)。

十、光动力医学(Photodynamic Medicine)

    光动力医学(Photodynamic Medicine)，泛指光动力诊断(Photodynamic Diagnosis， PDD)与光动力xx(Photodynamic Therapy, PDT)，是目前发展渐趋成熟的癌病变诊治方式。光动力医学是给癌症病患服用或涂抹光感物质，该物质在基态(ground state)时因吸收特殊波长(大多是红光)的光能量后跃升到受激态(excited state)后，若因为能量释放直接由单相态(singlet state)回到基态，则可产生荧光，此特性可用来发展荧光诊断技术；若因能量释放而在单相态发生电子旋转，导致进行系统间跨越而成为三相态(triplet state)时，会引发光化学反应。此光化学反应在癌症细胞中就会产生单相氧(自由基)，可进而杀死癌症细胞，这是PDT的基本原理。

    PDT的光源目前多使用雷射，但雷射有价格昂贵、体积庞大及不稳定的缺点，近来的研究着重在使用高亮度红光LED取代雷射，LED的红光比雷射光温和，不致伤害其他健康的细胞。不会产生不良副作用。

美国太空总署(NASA)的中小企业创新研究计划与美国Quantum Device公司共同研发一套以LED进行光动力疗法的设备，经过5年的试验证实有效，并且获得美国食品药品管理局(FDA)的批准进行更进一步的人体临床实验，目前的重点着重在皮肤癌及脑肿瘤的xx上(图10)。

    光动力xx在微生物防治上也有应用空间，主要特指生物膜的防治。当微生物细胞吸附在含有水分的固体表面时，微生物会继续生长复制并分泌胞外聚合物，这种由细胞及其胞外聚合物所组成具有生物活性的薄膜就是所谓的生物膜(biofilms)。以化学xx剂或xxx处理是目前主要的生物膜防治方式，PDT在原核微生物感染xx上始于1983年的胃炎xx，近期亦有报导显示由病毒感染之皮肤癌也可藉PDT达到xx效果。PDT在真核微生物防治上主要针对医疗器材的xx。真核微生物在形成生物膜时，其生成及抗药性机制都比原核微生物复杂，目前全球各医院因白色xxx造成的xxx血症逐年增加，一般xx消毒剂都起不了作用，因此防制xxx的问题变得相当棘手，PDT应用于生物膜防治的研究正方兴未艾，尤其是针对白色xxx(Bliss, et al., 2004; Chabrier-Rosello, et al., 2005)。

十一、医疗照明

    图11所示为两种使用蓝光照射黄色荧光粉来达成白光LED的光谱，低色温的白光偏黄，高色温的白光有较高的演色性，比较接近昼光，比前者更适合作为医疗照明。现阶段可有三种方式来产生LED白光，包括图11所示的两波长与使用RGB三种LED混光或是透过紫外线照射RGB三种荧光粉来达成，如图12所示的三波长方式。

    医院中手术房的照明关系手术成败，过去使用的照明灯具都安装在手术房的上方，虽说是无影灯，但多少在照明上会因施术者或被手术者本身而产生阴影。高亮度的LED可提供适当的光质、光量与高演色度且不产生热度，所以可以安装于较接近手术者的地方，甚至安装于刀具上或者用于内视镜，直接对胸腔或其他微创开口做照明。

十二、其他

   其他LED相关应用已被申请专利的尚包括用于xx鼻炎(Mendes and Neuman, 1997)，xx心肌梗塞(Streeter, 2003a)与xx中风(Streeter, 2003b)等的光疗法。前者也有商品化个人用产品问世(Biolight公司的光鼻器)。专利说明内容中有关使用何种波长的光，多大的光功率密度(mW/cm²)与xx时间都未明述，只知使用发光二极管为光源。

结论

    LED光源在农业应用目前多属研究机构进行基础或应用研究所用，然而，随着科技的进步，LED亮度的增加与因量产、竞争与达成投资回收所造成价格的降低，LED取代日光灯光源应用在量产规模的组培苗栽培及作物栽培上应是指日可待。

   LED在生物产业范围内的应用甚广，除了在环控农业领域取代传统人工光源使用之外，在作物栽培模式、销售运输模式与仪器研发上都有发展空间。种苗经长期黑暗运输不仅会产生乙烯，更会消耗内存糖分，造成负成长。LED搭配电池或其他电源可提供光补偿点的光量，使得长期运输为可行，过去必须仰赖空运可改为海运，输送成本降低，产业竞争力可以提高。

    红光与红外光可抗发炎，促进伤口愈合，此特性应用于植物嫁接组织的快速恢复或者不同光谱应用于植物组织培养愈伤组织的诱导分化，组培苗出瓶时机与出瓶后驯化存活机率；高频闪烁给光可促进组培苗生长并兼具省电效果应该也颇具商业价值；凡此种种都可做进一步探讨。现阶段使用仪器多只能量测叶片内叶绿素整体的含量，无法区分叶绿素a或b，更无法求出叶绿素a/b比值，后者可做为植物适应光环境的指标，可透过不同波长的LED进一步研发相关仪器。

    动、植物光生理学，人体光生理学都是值得深入了解与待开发的领域。尤其是后者须透过医学工程领域研发适用的仪器设备，亦有颇多的应用空间。然而，此类研究的进行与落实研究成果需要跨领域的合作与推动，是值得吾人后续努力的方向。

    目前虽说已有许多光疗法相关专利被申请，但查其内容多半语焉不详，或许基于机密考虑但也有抢先机的意味，是否真正具备疗效，仍有待更进一步的人体实验。市面上国外商品也才开发，仍属战国时代，其技术瓶颈并不高，但获利空间颇高；或许国内的光电业者做应用的下游厂商可针对此方面做一些布局与相关专利上的回避，发挥创意开发国人自制的相关产品。如此，不仅可营销国际，更可避免国外厂商漫天叫价，提供比价与议价的空间与功能。更重要的是疗效要有医界的背书，此方面国外的整合研究正积极开展中，国内不应落后。有兴趣的厂商应该主动提供相关设备给医界或学术界进行整合应用研究。