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1、来自科学家方伟的发光二极管生物作用的论述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
2、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。美国太空总署首创LED应用于太空农业上，其后续亦将LED应用于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治疗。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
3、 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 br
4、ight 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,l
5、ight intensity/quality adjustable and low thermal energy output,thus making it apromising light source for plant growth in aconfined environment such as aplant tissue culture room or growth chamber.LED is very suitable for applications required specific wavelength.NASA is the first organization usin
6、g LEDs in the mission to Mars.At present,their research has expan ded 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.Be
7、sides 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
8、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
9、、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荧光灯、高压钠灯、
10、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
11、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(380780 nm)外，尚有紫外线(UV,100380 nm)和红外线(780105 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
12、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。植物是唯一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
13、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,19
14、95；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 Palss
15、on,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最大的产能(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)。纯红光栽培的仙人掌长相
16、怪异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
