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谭建川:人本照明的彩色led灯珠生物学背景解析

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年夜天然对于人类的影响从人类降生之初最先便没有住手过,此中最为主要的一项即是昼夜瓜代对于于咱们作息纪律的影响。远古的人类在日落以后点起篝火、千百年前的昔人点起油灯以及烛炬都是为了在没有天然光照的前提下仍旧可以得到必然勾当的自由。这类环境连续了上百万年直到一百多年前爱迪生发现白炽灯,由这人类开启了用科技手腕来照明的时代。

本世纪初人类进入了半导体照明的时代,这是人类照明史上的一次革命,由于半导体照明使患上人类可以或许比照明前提具备很年夜的节制水平,这类节制水平是已往的白炽灯、日光灯技能所没法赐与的。陪同半导体照明技能一同成长起来的照明节制技能答应人们自立地调亮或者调暗照明情况,并可以或许转变色温以切合本身的爱好,由此使患上“人本照明”成为可能。人本照明是一个很年夜的课题,牵扯到生物学、人体工学、半导体科学、照明科学、节制理论、照明设计、用户生理学等等。本文先对于其最基本的生物学道理做一个先容。

在履历了漫长的进化以后,咱们的身体已经经顺应了日出而作、日落而息的日夜节律 (Circadian Rhythm),也就是咱们常说的“生物钟”。人体是否能连结正常的日夜节律直接决议了咱们的康健以及对于自身状态的感到。这也就是很多持久熬夜、作息不纪律的人遍及感应精力欠好、康健状态降落的缘故原由。

在本世纪初,神经学家在人类以及动物的视网膜上发明了一种怪异的神经细胞:内禀感光视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell),缩写为ipRGC,它其实不介入视觉成像以及色觉辨识。ipRGC上有一种色素叫做“黑视素”,英文是melanopsin。这类黑视素在遭到光照后会诱发ipRGC孕育发生神经旌旗灯号,经由神经通路传导至下丘脑处的“视交织上核”(suprachiasmatic nucleus),缩写为SCN。然而ipRGC其实不是独一一种影响日夜节律的视网膜细胞。咱们所有其它的视觉细胞在差别的色光前提下对于SCN也会孕育发生差别的影响。这些细胞包孕视杆细胞(Rods)、短波视锥细胞(S-Cones)、中波视锥细胞(M-Cones)、长波视锥细胞(L-Cones)。SCN饰演的脚色就是年夜脑的时钟,也就是整个生物体的时钟。

谭建川:人本照明的生物学背景解析

图1:人眼视网膜中的感光细胞和ipRGC的位置。来历:美国伦斯勒理工学院的照明研究中央(Lighting Research Center)

这个时钟对于生物体的作用大要上是如许的:SCN将孕育发生的日夜节律旌旗灯号通报给位于间脑上真个松果体 (pineal grand)。松果体的重要功效是孕育发生褪黑素,也称“松果体素”(melatonin)。因为褪黑素影响生物体的睡眠,以是它也被称为“睡眠激素”,市道上有许多褪黑素药片,就是帮忙掉眠人群改良睡眠质量的。SCN所提供的日夜节律旌旗灯号影响松果体中褪黑素的排泄量。从生物化学角度讲,褪黑素是由血清素 (serotonin)在酶的催化反映下形成的。血清素是一种让人苏醒、警悟的激素,体内血清素含量高时人会感觉自身状况精良、认知力强、影象力好、进修能力强、幸福感强。以是在白日的时辰,SCN会按捺褪黑素的排泄,使患上血清素含量上升,从而维持人们在白日的勾当。到了夜晚,SCN对于褪黑素排泄的按捺作用削弱,褪黑素排泄量增长,由此致使血清素削减,从而指导人们进入眠眠状况。褪黑素也是一种很强的自然抗氧化剂,它led灯珠的亮度在咱们睡着的时辰能起到抗癌的效果。

谭建川:人本照明的生物学背景解析

图2:视交织上核(SCN)以及松果体(Pineal gland)的位置图。图片来历于收集。

不仅是褪黑素,咱们身体中的许多激素排泄也遭到SCN的调配。好比肾上腺(adrenal gland)所排泄的皮质醇(cortisol)就在很年夜水平上也遭到SCN的节制。敞亮的光照会刺激皮质醇的排泄,而暗光前提下其排泄就遭到按捺。皮质醇可以或许叫醒咱们的身体性能,提高咱们的焦点体温、心率以及血压,也能促成咱们的正常消化性能。假如SCN没有向肾上腺发出排泄皮质醇的旌旗灯号,咱们可能会感应倦怠以及无精打三星led灯珠彩,并且会造成咱们的消化体系对于食品(出格是碳水化合物)的异样加工,从而可能诱发糖尿病等一系列与消化体系有关的疾病。

按照对于多种哺乳动物举行的试验,研究者们发明黑视素的感光峰值呈现在波长为480纳米摆布,但因为人眼晶状体透射效果,整体的感光峰值波长漂移至490纳米。而人类SCN对于褪黑素排泄按捺作用的峰值呈现在波长为460纳米摆布。是以450纳米到490纳米的波长区间是遍及以为的最有用调控日夜节律的规模,所有基于人本照明而举行的照明产物设计都应该重点思量这个波长区间。遗憾的是,传统照明光源不克不及提供充足的450纳米至490纳米之间的特定光谱,从而在白日的室内正常排泄皮质醇以及按捺褪黑素。即即是所谓的“天然光”荧光灯管也没法在这个光谱区间提供充足的强度。不外幸运的是,如今的半导体照明光源 (LED)却可以或许在这个光谱区间提供充足的强度,并且LED光源自己的驱动体式格局也使患上调治光谱以及色温成为可能。当今的照明市场上已经经有许多可调色温的产物呈现,这就是人们对于人本照明的需求在市场上的表现。

此外,光照的机会对于人类日夜节律也具备显著的影响。试验成果显示,对于于一个有正常作息时间的人来讲,在平明以及上午提供光照,会使其日夜节律提早;而在薄暮以及夜间提供光照,会使其日夜节律滞后。以是,夙起而且在早上充实接管光照的人轻易连结早睡夙起的习气,而熬夜晚睡的人就更加地晚睡晚起。临床不雅察已经经有充实证据显示,持久的熬夜、倒班或者者不纪律的作息最轻易激发日夜节律紊乱,而这类紊乱会致使人体的各类康健问题,包孕:癌症、血汗管疾病、高血压、糖尿病、肥胖症、抑郁症等一系列问题。可以绝不夸张地说,光照会在很年夜水平上影响咱们的康健状态,以是咱们常说的“早睡夙起身体好”其实不是一句浮泛的说教。

除了了光谱以及光照机会,光照强度以及连续时间也会对于日夜节律孕育发生很主要的影响。关于光照因素对于人本照明效果的影响作用将在后续的文章中做具体的先容。

(作者:谭建川)


标签:人本照明半导体照明生物学

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