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1、长久以来在广义农业的生產上，萤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、调整光质与研发更高效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昇了发光二极体(Light-Emitting Diode, LED) 的亮度与效率， 使得利用此种光源在广义农业生產上、在人工照明上都变得可行。发光二极体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，相较於目前使用萤光灯或高压钠灯為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產环
2、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。美国太空总署首创LED 应用於太空农业上，其后续亦将LED 应用於治疗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衝光之后，LED也成了新宠，其在柔光回春/美顏领域的应用正方兴未艾；其他光疗法应用领域包括伤口癒合、对关节炎、黄胆病、生理时鐘失调、心肌梗塞、中风、紓解压力、鼻炎、皰疹与季节性情感失调等的治疗。本文针对近年来发光二极体在生物產业上之应用做一回顾。前言 发光二极体 (Light-emitting diode, LED)的相关產品早在1968 年就已经问世， 不过当
3、时光强度低且没有全彩化，所以应用上仍侷限於标示、观赏或光侦测等用途。此些发光二极体多為磷化銦系列 (红外线波段 )、磷化鎵及砷化鎵系列(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銦鎵系列的蓝光LED，使全彩化的LED 產品得以实现，也拓展了其用途，包括汽车、通讯產品、资讯產品、交通号誌、照明及生物產业等，其中生物產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体在生物產业上的应用做一回顾。所谓生物產业，在此分為广义农业生產与生物医疗两大方面。广
4、义农业生產上的应用光為植物生长中重要的环境因子之一，主要来自於太阳的辐射能。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，為一种连续光谱，一般称為电磁波。广义的农业包括田间农业生產、设施内园艺生產、林业、 畜禽生產与渔业等。随著科技进步及农业生產型态的改变，导入人工光源来取代或补充天然日光的不足已是环控农业中的常态，使用的人工光源包括萤光灯、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產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
5、、绿光、蓝光与远红光发光二极体(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，相较於目前普遍使用的萤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產环境如太空农业，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
6、 al., 1992; Eiichi et al., 1997)。基於光量与成本的考量，动物生產上尚无应用 LED 的先例， 但使用其他人工光源则已颇為普及。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(380780 nm)外，尚有紫外线(UV, 100 380 nm)和红外线 (780105 nm)。此主要是由於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
7、生的反应。植物是唯一能够把太阳光能量转化為质量的生物，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400700nm 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，尚包括光週期的调节，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。随著光电科技的进步，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 於作物栽培的研究正方兴未艾。截至目前為止，LED 已经被应用於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 an
8、d 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：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 an
9、d 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;
10、 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) 与癒合组织 (Callus)的增殖，不同组合的红、蓝光适用於不同时机可得到最大的產能(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) 。组织
11、培养是在室内快速且大量繁殖植物种苗的方法，一般使用萤光灯為人工光源。然而， 基於灯管的寿命、 发光效率不够理想与发热大，用於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產成本為业界所需。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。此设备可作為植物光生理研究者的研究工具。因為 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，进而可產生出
12、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所產生的间歇光源来促进藻类的生长与生產；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萵苣生长与光型态发生 (Photomorpogenesis)之影响。 Nhut 等(2000) 发现使用LED 作為草莓组培苗生长的人工光源可提高其
13、在驯化阶段之存活率，同时亦使用LED 作為白鹤芋组培苗生產之人工光源 (Nhut et al, 2001) ，比起萤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 為光源 (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
14、苗，发现与萤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，亦适用於做為光型态发生基础研究之人工光源。蓝光应用於洋桔梗种苗栽培，相对於白光、 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 為光源 (2001a, 2003a)， 探讨在总累计光量不变(5.67 mol/m2，红光总计佔40%，蓝光总计佔60%)与光週期不变 (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
15、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、蓝光者有最高生长速率；总累计光量相同时，低光量、长光照时间优於高光量、短光照时间；当给蓝光时间(譬如 8 hrs)短於给红光时间 (譬如 16 hrs)时，最佳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 光源光量与光谱分佈模拟模式，将LED 当作点光源 (Point Light Source) 并配合光量倒平方法则(Inverse S
16、quare Law)来建立模式， 协助预测及计算使用LED 為光源时栽培平面上之光量与光质(B/R Ratio) 分佈状况。Ono 等(1997)量测了四家公司(Everlight, Panasonic, Toshiba and Rohm Corp.)生產的红、蓝光LED ，并找出各自最佳的工作电压及电流，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 為光源的栽培盒， 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 為光源，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萵苣种子发芽光生理之研究。除上述偏重研究用途之设备
