基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測(cè)試方法研究

王 琪，焦 洋，宋佳音

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2.天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測(cè)試方法研究

王 琪1, 2，焦 洋3，宋佳音1, 2

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2.天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

LED技術(shù)目前正處在高速發(fā)展時(shí)期，其應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸由室外照明領(lǐng)域向室內(nèi)照明領(lǐng)域擴(kuò)展，并有望成為普通室內(nèi)照明的主要光源，室內(nèi)用白光LED的光生物安全性已成為建筑光環(huán)境領(lǐng)域的前沿問(wèn)題。本研究首先結(jié)合本項(xiàng)目前期的成果，以熒光粉激發(fā)白光LED作為實(shí)驗(yàn)光源，以四種人體皮膚和眼睛細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞，運(yùn)用MTT比色法對(duì)不同輻照時(shí)長(zhǎng)和不同輻照強(qiáng)度下的光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)——細(xì)胞活力進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)；然后對(duì)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地篩選和分析，得到不同輻照時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞活力的影響結(jié)果；最后以此建立起了一種全面、快速、準(zhǔn)確的室內(nèi)用白光LED照明產(chǎn)品光生物安全性測(cè)試方法。

室內(nèi)照明；白光LED；光生物安全；MTT比色法；細(xì)胞活力

引言

照明科學(xué)是針對(duì)人與光之間需求關(guān)系的研究，包括視覺(jué)器官的感知和非視覺(jué)兩個(gè)方面。而人工光源是其中的紐帶，常見(jiàn)的人工光源包括熱輻射光源(普通白熾燈、鹵鎢燈)和氣體放電光源(熒光燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等)及固態(tài)光源(包括發(fā)光二極管、有機(jī)發(fā)光二極管等)。其中，發(fā)光二極管(LED)和有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)是20世紀(jì)末新出現(xiàn)的半導(dǎo)體照明光源，其技術(shù)目前正處在高速發(fā)展時(shí)期[1]。在全球能源危機(jī)不斷加劇的背景下，世界各國(guó)紛紛倡導(dǎo)使用具有諸多優(yōu)點(diǎn)的LED照明產(chǎn)品；同時(shí)，在產(chǎn)業(yè)資本和政府補(bǔ)貼政策的雙重推動(dòng)之下，其應(yīng)用領(lǐng)域正由室外照明領(lǐng)域向室內(nèi)照明領(lǐng)域發(fā)展，并正在取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈等，成為室內(nèi)照明的首選光源[2-4]。隨著人們對(duì)自身健康重視度和對(duì)光生物輻射效應(yīng)了解的提高，LED光源光生物安全性已逐漸成為了公眾和照明領(lǐng)域?qū)＜宜接懙臒狳c(diǎn)問(wèn)題。在此背景下，用于室內(nèi)照明中的LED照明產(chǎn)品，尚未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用的驗(yàn)證，人們對(duì)其光生物安全性的關(guān)注更是達(dá)到了前所未有的程度[3-4]。

光生物安全性研究的是光輻射與生物機(jī)體的相互作用。包括光輻射在內(nèi)的輻射安全已被世界衛(wèi)生組織列為繼水源、空氣、噪音之后人類(lèi)所面臨的第四大環(huán)境安全問(wèn)題[3]。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)布了一系列關(guān)于LED照明產(chǎn)品的光生物安全性的標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)在2002年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)CIE S 009 /E:2002《Photobiological safety of lamps and lamp systems》；國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在2006年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)IEC 62471:2006《Photobiological safety of lamps and lamp systems》；我國(guó)在2006年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，在2016至2017年相繼發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)CSA 035.1—2016《LED 照明產(chǎn)品視覺(jué)健康舒適度測(cè)試 第1部分：概述》、CSA 035.2—2017《LED照明產(chǎn)品視覺(jué)健康舒適度測(cè)試 第2部分：測(cè)試方法——基于人眼生理功能的測(cè)試方法及技術(shù)要求》、CSA 035.3—2017《LED照明產(chǎn)品視覺(jué)健康舒適度測(cè)試 第3部分：測(cè)試方法——基于眼底功能的測(cè)試方法及技術(shù)要求》[5-10]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)有很多相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)LED照明產(chǎn)品的光生物安全性進(jìn)行了研究，主要集中于LED的藍(lán)光危害方面，且實(shí)驗(yàn)多處于人體或動(dòng)物的器官或組織層面，細(xì)胞層面的實(shí)驗(yàn)又多選用人體或動(dòng)物眼部細(xì)胞[11-14]。

綜上所述，目前對(duì)于LED照明產(chǎn)品的光生物安全性的評(píng)價(jià)，尚缺少針對(duì)室內(nèi)用白光LED照明產(chǎn)品的光生物安全性基于人體細(xì)胞層面表征的全面研究及相應(yīng)的測(cè)試方法。本研究通過(guò)室內(nèi)用白光LED照明產(chǎn)品對(duì)人體皮膚和眼睛細(xì)胞的一系列光照實(shí)驗(yàn)，探尋一種可以全面、快速、準(zhǔn)確地反映室內(nèi)用白光LED照明產(chǎn)品光生物安全性的測(cè)試方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)光源。根據(jù)本項(xiàng)目前期對(duì)我國(guó)市場(chǎng)中常見(jiàn)的和建筑空間中普遍使用的LED光源的調(diào)研結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選取熒光粉激發(fā)白光LED(3 000 K、4 000 K)作為實(shí)驗(yàn)光源，并配置靈活可控的控制器以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)光功能。

2)細(xì)胞。由于光輻射會(huì)被人體組織強(qiáng)烈地吸收，并且能有一定深度(紫外穿透深度約為幾個(gè)微米，紅外穿透深度約為幾個(gè)毫米)，人體的皮膚和眼睛是暴露在光輻射的威脅之下的。所以就人體而言，應(yīng)主要考慮光輻射對(duì)皮膚、眼睛前表面(眼角膜、眼結(jié)膜、晶狀體)和視網(wǎng)膜的危害[3]。故本實(shí)驗(yàn)選取下述四種細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞：兩種人體皮膚細(xì)胞——人永生化角質(zhì)細(xì)胞HaCat和男性正常龜頭細(xì)胞系HS68、兩種人體眼睛細(xì)胞——人晶狀體上皮細(xì)胞SRA01/04和人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞D407。

3)輻照時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度。光輻射的生物反應(yīng)一般可分為光化學(xué)作用和熱作用。由于短波區(qū)域的光子能量高，光化學(xué)主要在短波區(qū)域起作用，而熱作用則在長(zhǎng)波區(qū)域占主導(dǎo)地位。在光化學(xué)作用中，細(xì)胞分子中的電子吸收一些特定波長(zhǎng)的光子后，光會(huì)激發(fā)電子躍遷，從而導(dǎo)致該區(qū)域的化學(xué)鍵斷裂和重組，進(jìn)而對(duì)DNA產(chǎn)生影響。熱反應(yīng)的機(jī)理則是某些部位吸收了光，使得局部溫度上升，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性或細(xì)胞熱損傷。光化學(xué)作用和熱作用的不同在于，低強(qiáng)度的熱輻射導(dǎo)致的熱反應(yīng)會(huì)隨著熱從被照射部位傳導(dǎo)至其他部位而減低，而光化學(xué)反應(yīng)取決于劑量，低強(qiáng)度長(zhǎng)期照射與高強(qiáng)度短期照射造成的傷害是一樣的[3]。綜合考慮上述因素，本實(shí)驗(yàn)選取1 h、2 h、3 h三檔時(shí)長(zhǎng)作為實(shí)驗(yàn)輻照時(shí)長(zhǎng)，選取20 W/m2、40 W/m2、60 W/m2、80W/m2、100 W/m2五檔輻照強(qiáng)度作為實(shí)驗(yàn)輻照強(qiáng)度。

4)光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

①光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定。本項(xiàng)目前期曾進(jìn)行過(guò)室內(nèi)照明系統(tǒng)中不同光源照射下哺乳動(dòng)物細(xì)胞的光細(xì)胞毒性研究：該研究選取猴脈絡(luò)膜-視網(wǎng)膜(內(nèi)皮)細(xì)胞RF/6A、男性正常龜頭細(xì)胞系HS68和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞3T3-L1作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞；選取白熾燈、LED(5 000 K)、UVA和UVB作為實(shí)驗(yàn)光源并設(shè)置一組不受實(shí)驗(yàn)光源照射的對(duì)照組；在一定的輻照強(qiáng)度下進(jìn)行一定時(shí)長(zhǎng)的照射，然后分別檢測(cè)實(shí)驗(yàn)細(xì)胞的細(xì)胞活力、乳酸脫氫酶(LDH)釋放量、活性氧(ROS)生成量、脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、谷胱甘肽(GSH)水平等六項(xiàng)光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。研究結(jié)果如圖1所示。

圖1 室內(nèi)照明系統(tǒng)中不同光源照射下哺乳動(dòng)物細(xì)胞的光細(xì)胞毒性研究結(jié)果(來(lái)源：文獻(xiàn)[15])Fig.1 The study results of the photocytotoxicity of different lights on mammalian cells in interior lighting system (from reference[15])

從圖1中可看出，在三種實(shí)驗(yàn)細(xì)胞的細(xì)胞活力、乳酸脫氫酶(LDH)釋放量、活性氧(ROS)生成量、脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、谷胱甘肽(GSH)水平等六項(xiàng)光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果中，細(xì)胞活力這一指標(biāo)在不同實(shí)驗(yàn)光源間差異均最為顯著，完全具備光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)所需的直接、快速、靈敏、穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，本實(shí)驗(yàn)選取細(xì)胞活力作為實(shí)驗(yàn)光源的光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

②細(xì)胞活力檢測(cè)方法。本實(shí)驗(yàn)選取MTT比色法作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞的細(xì)胞活力的檢測(cè)方法。MTT，即溴化3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑 [3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-dipenyl terazolium bromide]，簡(jiǎn)稱(chēng)四唑鹽，又名噻唑藍(lán)。MTT產(chǎn)品為淡黃色粉末，易被水溶解和透過(guò)細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，可被活細(xì)胞內(nèi)的琥珀酸脫氫酶還原，形成不溶于水的藍(lán)紫色甲臢(Formazam)結(jié)晶。該結(jié)晶可溶于酸性異丙醇、二甲基亞砜(DMSO)、SDS等有機(jī)溶劑中，通過(guò)多孔掃描分光光度計(jì)依顏色深淺可測(cè)定出各吸光度值。由于結(jié)晶物形成的量與細(xì)胞數(shù)量及代謝活性成比例，因此吸光度值的大小可反映細(xì)胞的數(shù)量及活性，吸光度值越大，細(xì)胞活力越強(qiáng)。MTT比色法靈敏度高且快速、準(zhǔn)確、重復(fù)性好[16-17]。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1)接種細(xì)胞。使用與酶標(biāo)儀匹配的96孔培養(yǎng)板，測(cè)定細(xì)胞增殖每孔體積200 μl含約5 000～10 000個(gè)細(xì)胞，注意設(shè)置六個(gè)重復(fù)孔。

2)培養(yǎng)細(xì)胞。人晶狀體上皮細(xì)胞SRA01/04使用RPM1640培養(yǎng)基(含10%FBS、1%雙抗)，人永生化角質(zhì)細(xì)胞HaCat、男性正常龜頭細(xì)胞系HS68和人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞D407使用DMEM-H培養(yǎng)基(含10%FBS，1%雙抗)，在溫度為37℃±0.5 ℃的二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后給予特定的物理因素刺激：光照。

3)光照處理。

①不同輻照時(shí)長(zhǎng)。進(jìn)行輻照強(qiáng)度為60 W/m2，輻照時(shí)長(zhǎng)分別為1 h、2 h、3 h的光照處理。

②不同輻照強(qiáng)度。進(jìn)行輻照時(shí)長(zhǎng)為兩種人體皮膚細(xì)胞1 h、兩種人體眼睛細(xì)胞2 h，輻照強(qiáng)度為分別為20 W/m2、40 W/m2、60 W/m2、80 W/m2、100 W/m2的光照處理。

4)呈色。光照處理結(jié)束后，每孔200 μl培養(yǎng)基加入20 μl MTT(5 mg/ml)，在溫度為37 ℃±0.5 ℃的二氧化碳培養(yǎng)箱中繼續(xù)孵育4 h。然后終止培養(yǎng)，小心吸出培養(yǎng)上清液，每孔加入150 μl DMSO，置于搖床上低速振蕩使結(jié)晶物充分溶解。

5)比色。選擇492 nm波長(zhǎng)測(cè)定，在Multiskan MK3型酶標(biāo)儀(Thermo)上測(cè)定各孔吸光度值并記錄結(jié)果。

6)計(jì)算細(xì)胞增殖率。

式中ρ為細(xì)胞增殖率，E為光照處理組的平均吸光度值，Eo為同樣環(huán)境中不做光照處理的對(duì)照組的平均吸光度值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同輻照時(shí)長(zhǎng)對(duì)細(xì)胞活力的影響

結(jié)合表1和圖2可以看出，相較于同樣環(huán)境中不做光照處理的對(duì)照組，進(jìn)行了不同輻照時(shí)長(zhǎng)的光照處理的細(xì)胞其活力均會(huì)受到影響，且大部分情況下細(xì)胞活力減弱。對(duì)于人永生化角質(zhì)細(xì)胞HaCat和男性正常龜頭細(xì)胞系HS68這兩種人體皮膚細(xì)胞來(lái)說(shuō)，在輻照時(shí)長(zhǎng)為1h時(shí)，其細(xì)胞活力最弱，與對(duì)照組之間的差異最為顯著；對(duì)于人晶狀體上皮細(xì)胞SRA01/04和人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞D407這兩種眼睛細(xì)胞來(lái)說(shuō)，在輻照時(shí)長(zhǎng)為2h時(shí)，其細(xì)胞活力最弱，與對(duì)照組之間的差異最為顯著。

3.2 不同輻照強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞活力的影響

結(jié)合表2和圖3可以看出，相較于同樣環(huán)境中不做光照處理的對(duì)照組，進(jìn)行了不同輻照強(qiáng)度的光照處理的細(xì)胞其活力均會(huì)受到影響，且大部分情況下細(xì)胞活力減弱。對(duì)于人永生化角質(zhì)細(xì)胞HaCat、男性正常龜頭細(xì)胞系HS68、人晶狀體上皮細(xì)胞SRA01/04和人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞D407這四種細(xì)胞來(lái)說(shuō)，其細(xì)胞活力均隨著輻照強(qiáng)度的增大先減弱后增強(qiáng)，在輻照強(qiáng)度為60W/m2時(shí)，其細(xì)胞活力最弱，與對(duì)照組之間的差異最為顯著。

表1 不同輻照時(shí)長(zhǎng)對(duì)細(xì)胞活力的影響

表2 不同輻照強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞活力的影響

圖2 不同輻照時(shí)長(zhǎng)對(duì)細(xì)胞活力的影響Fig.2 The effects of different irradiation hours on cell viability

圖3 不同輻照強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞活力的影響Fig.3 The effects of different irradiation intensities on cell viability

4 結(jié)論與展望

本研究以熒光粉激發(fā)白光LED作為實(shí)驗(yàn)光源，以人永生化角質(zhì)細(xì)胞HaCat、男性正常龜頭細(xì)胞系HS68、人晶狀體上皮細(xì)胞SRA01/04和人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞D407四種人體細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞，采用MTT比色法對(duì)1 h、2 h、3 h三檔輻照時(shí)長(zhǎng)和20 W/m2、40 W/m2、60 W/m2、80 W/m2、100 W/m2五檔輻照強(qiáng)度下的光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。根據(jù)前面得到的研究結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1)通過(guò)本項(xiàng)目前期曾進(jìn)行過(guò)的室內(nèi)照明系統(tǒng)中不同光源照射下哺乳動(dòng)物細(xì)胞的光細(xì)胞毒性研究結(jié)果，確定基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測(cè)試方法的光生物安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)為細(xì)胞活力，細(xì)胞活力的檢測(cè)方法為MTT比色法。

2)通過(guò)本研究不同輻照時(shí)長(zhǎng)對(duì)細(xì)胞活力的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測(cè)試方法的輻照時(shí)間為皮膚細(xì)胞1 h、眼睛細(xì)胞2 h。

3)通過(guò)本研究不同輻照強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞活力的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測(cè)試方法的的輻照強(qiáng)度為60 W/m2。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)室內(nèi)用白光LED照明產(chǎn)品的光生物安全性基于人體細(xì)胞層面表征的全面研究，建立起了一種全面、快速、準(zhǔn)確的室內(nèi)用白光LED照明產(chǎn)品光生物安全性測(cè)試方法，如表3所示。

表3 基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測(cè)試方法

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Study on Photobiological Safety Testing Methods of White LED for Indoor Lighting Based on Cellular Level Characterization

WANG Qi1, 2, JIAO Yang3, SONG Jiayin1, 2

(1.SchoolofArchitecture,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 2.TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology,Tianjin300072,China; 3.StateGridJibeiElectricPowerCompanyQinhuangdaoPowerSupplyCompany,Qinhuangdao066000,China)

LED technology is currently in a period of rapid development. Its application areas are gradually expanding from the field of outdoor lighting to the field of indoor lighting, and it is expected to become the main light source for ordinary indoor lighting. Photobiological safety of white LED for indoor lighting has become a frontier issue in the field of building light environment. Firstly, in this study, combined with the early results of the project, phosphor excited white LED is used as the experimental light source, and four kinds of human skins and eye cells are used as experimental cells, then MTT colorimetric assay is used to conduct the detection experiment of photobiological safety evaluation index: cell viability, in different irradiation hours and under different irradiation intensities. Secondly, the original data of the experiment are scientifically screened and analyzed to obtain the effect of different irradiation hours and intensities on cell viability. Finally, a comprehensive, fast and accurate photobiological safety testing method of White LED for indoor lighting is established.

indoor lighting; white LED; photobiological safety; MTT colorimetric assay; cell viability

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目：“基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用WLED光生物安全研究” (51408405)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目：“人工光源LED光生物安全性痕量檢測(cè)方法研究” (15JCQNJC07500) 通訊作者：宋佳音，E-mail:zuro@vip.sina.com

TM923.34

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10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.015