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蓝色可见光的研究与应用进展
蓝色可见光的生物、化学和医学研究与应用进展
梁人杰南京理工大学纳米光电研究所
摘要：
蓝色可见光泛指红橙黄绿青蓝紫光色中的青蓝紫，波长在380nm—500nm，作为构成全色可见光不可缺少的光谱成分，对自然界完美的视觉效应有着举足轻重的作用。
然而，蓝色可见光对人类还有着更为神妙的贡献。
文章讨论基于蓝色可见光的非视觉光生物效应，与“天人合一”的古训和哲理承先启后，如出同源，关系到人类的工作效率和身体健康；蓝色可见光对治疗人类某些疾病以及对人类体肤美容的医学生物效应，已演化为没有化学药品副作用的物理疗法；此外，基于蓝色可见光的化学催化技术正在得到新的应用。
蓝色可见光可以避免紫外线更严重的生物损伤而逐渐得到重视。
蓝光将得到进一步研究，应用及其产品开发，蓝光将继续为人类造福。
1.蓝色可见光谱的发现
十七世纪的1666年，牛顿采用棱镜对太阳光的色散试验证实太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种光色组成的复色光，如图1，反驳了古希腊学者亚里士多德宣扬的宗教式论点——太阳光无比纯净而又极其崇高。
人们发现，正是在包括蓝光的全色可见光的连续光谱照射下，地球万物光学上对光谱选择性反射，透射和吸收，刺激眼球视网膜柱状细胞和锥状细胞的信息传递到大脑，人类视觉才能感受到了五彩斑斓的绚丽世界。
而蓝色可见光谱则是全色可见光的重要组成部分。
2.蓝色可见光谱的波长
在宽广的电磁波波谱中人类眼睛能够感知的电磁波区域称为可见光。
光波也是电磁波。
人类感知的可见光是波长范围约在380nm到780nm之间的电磁波。
有些人可见光范围仅在波长400nm到700nm之间。
可见光各种颜色光谱的分布范围如表1所示。
表1各种可见光色的波长范围
光谱颜色
光谱波长
光谱频率
1
红色
约625—780nm
约480—405MHz
2
橙色
约590—625nm
约510—480MHz
3
黄色
约565—570nm
约530—510MHz
4
绿色
约500—565nm
约600—530MHz
5
青色
约485—500nm
约620—600MHz
6
蓝色
约440—485nm
约680—620MHz
7
紫色
约380—440nm
约790—680MHz
通常把人类可见光的短波长光谱范围简称为蓝色可见光谱，如表1中的青蓝紫光谱，对应为波长约为380nm～500nm的区间。
3.蓝光可见光谱能量生物效应与照明安全
光是以电磁波的形式辐射的能量。
蓝色可见光谱是全色可见光中频率最高，能量最大的区域。
1966年科学家奈尔（Nell）等人研究发现，高能量的蓝色可见光会引起视网膜细胞的损伤，导致视力下降甚至丧失。
2010年国际光年度会议专家们指出：
380nm-500nm的短波蓝色可见光，会以高能量穿透人眼晶状体直达视网膜，并产生自由基，导致视网膜色素光敏细胞萎缩衰亡，引起视力损伤，而且是不可逆的，将导致视力急剧下降甚至丧失。
近年来，国际上，据IEC/TR62778定义，上述蓝光危害是由波长400nm～500nm的辐射照射后引起的光化学作用，是导致视网膜损伤的潜在因素。
此伤害机理主要是超过10s的热损伤生理反应。
然而，蓝光损伤并非LED时代才有，早在开始有了人工光源就已经存在，特别是气体放电光源荧光灯，金卤灯，紧凑型节能等等的出现，先天就决定了有蓝光危害，更严重的是气体放电光源还存在非可见光的紫外光危害。
同时，太阳光也存在蓝光危害，甚至紫外线损伤。
一味以蓝光危害责怪固态光源的新星——LED是很不公平的。
近年随着IEC60598-1第8版修订出版，中国新版的标准等同采用IEC60598-1的GB7000.1-2015已在执行，照明灯具蓝光危害的测量、评价与分级已有新的依据。
蓝光危害问题变得不难解决。
然而，蓝光是日光或白色光的重要组成部分，所谓的“无蓝光光源”，“无蓝光照明”，有失科学常识。
蓝色可见光可避免紫外线更严重的生物损伤而逐渐得到重视。
今后，蓝光将得到进一步研究，应用及其产品开发，蓝光将继续为人类造福。
4.基于蓝光的非视觉光生物效应颠覆了传统的照明设计和控制的原理
2002年，美国Brown大学的柏森（Berson,D.M）通过生物工程学研究,首次揭示了人类眼睛的非视觉光生物效应，后也被称为：
“司辰视觉”（Cirtopic）。
研究显示，波长在450nm至495nm的蓝色可见光辐射范围（图2）下，人类通过自身的第三种光感受器产生的非视觉光生物效应，将使身体表现为精神振作，注意力集中，工作效率提高。
图2是人类非视觉光生物效应与视觉光生物效应敏感光谱区域对比。
人类第三种光感受器的非视觉生物效应的光谱，位于波长约500nm以下的蓝光谱范围。
为了验证非视觉光生物效应的存在，科学家摘除白鼠眼睛中的柱状细胞和锥状细胞，在调节灯光照射时发现白鼠眼睛的瞳孔仍然发生变化，说明哺乳动物的眼睛内确实存在一种不同于眼球内柱状细胞和锥状细胞的第三种光感受器。
科学家对大白鼠通过各种光谱照射研究证明，白天光辐射含有465nm波长的蓝光时，大白鼠脑部褪黑素分泌量最高，此时，非视觉生物效应的作用使得野外老鼠大多数是在白天睡觉，昼伏夜出。
而对人类而言，则是昼出夜伏为主。
人类是在黑暗环境下褪黑素分泌最强，有利深度睡眠。
而白天在450nm至495nm的蓝色可见光谱下，人类的非视觉光生物效应表现为活力增强，精力集中，此时的褪黑素分泌最弱。
第三种光感受器是一种光敏蛋白质，但是，并非发挥视觉功能，如图3所示，而是接受外部环境的光信息，控制与协调人类的活动规律及其强度，发挥着生物钟的管理功能，管理着人体主要参数，诸如：
人体活力，体温，褪黑素分泌的一种生物节奏系统（图4）。
这种基于蓝光的非视觉光生物效应颠覆了传统的照明设计，照明控制，以及灯具设计的原理，并提醒人们服从自然规律的重要性。
人们开始有了一系列全新的认识：
1）光谱可以调节和控制人体的生物反应，影响人体生命特征变化，激素分泌和兴奋程度等。
光的昼夜节律还调控人体的自然循环，影响食欲、睡眠和情绪。
蓝光，有时，也如药物或兴奋剂一样，可以调理人体健康甚至治疗疾病，而且没有副作用。
2）真正人性化的照明设计和照明控制，必须同时考虑照明光强，照明光谱及其与时序的关系，照明设计与控制方法，灯具的设计，照明质量评价，必须由原来传统的单一的视觉效果评价，过渡到视觉效果和涉及人体健康的非视觉效果的双重评价。
3）照明灯光的暖色调或冷色调，低色温或高色温的差别或者需求，因为涉及蓝色可见光谱分量，再也不仅仅只是满足哪些人的心理感受，哪些人是否喜爱的问题，而是还关系到人们的工作效率，精神充沛，精力集中，降低操作事故率，或者关系到人们休息是否充分，睡眠是否充足等等影响身体健康的因素。
4）基于蓝光的非视觉光生物效应，体现了“天人合一”的自然规律与哲理。
如果在照明设计上或在生活习惯上，违反了这种自然规律，如长期熬夜，亮灯睡觉，昼夜颠倒，将造成人体生物钟错时，激素分泌紊乱，其后果将是激素紊乱类疾病缠身，发生儿童早熟，女性乳腺疾病，男性前列腺疾病以及未老先衰等，严重影响人体健康。
5）在智慧照明灯具发展领域，应推崇一系列符合视觉生物效应和非视觉生物效应的，更为人性化的新型智能健康照明灯具。
5.蓝色可见光的人体生物效应成为某些疾病有效的物理疗法
5.1蓝光的光热生物效应有助加快皮肤伤口愈合
2016年5月意大利佛罗伦萨大学研究人员在德国《JournalofBiophotonics》---生物光子学杂志发表了一项实验研究成果：
LED照射蓝光有助皮肤表皮层伤口加快止血和愈合，且没有副作用。
实验证实，经过8天的LED蓝光照射治疗，10只实验鼠伤口发炎的情况均有所缓解。
同时，LED蓝光的光热效应会使皮肤温度升高，这也有助于胶原的聚集以及真皮组织的恢复，而伤口及其周围皮肤并未见任何不良反应。
进一步研究证实，蓝光产生的光热效应有助加快皮肤表皮层伤口愈合，并且没有副作用的论点。
证明基于蓝色可见光的物理治疗，可以有效促进人类皮肤创面伤口痊愈，预防感染，防止水肿等并发症。
2016年5月23日法国《TOPSANTE》健康杂志也进行了跟踪报道。
5.2基于蓝色和红色可见光谱的美容美肤科无创物理治疗方法
近年来，蓝色可见光照射疗法越来越受到研究人员和整容医生的关注，LED蓝色光源今后有可能用来消除术后疤痕。
一些专家还认为LED可成为一种帮助人们抗衰老的技术，因为它可以刺激细胞从而减缓皮肤老化。
痤疮（Pimple）在美容美肤或皮肤科最为常见，又称青春痘、毛囊炎或粉刺。
严重的痤疮或因痤疮留下疤痕，将影响脸部美容。
大部分药物都含有激素而留有副作用。
抗生素治疗痤疮耐药问题日趋严重，造成色素沉着或可逆性肝炎等不良反应。
照射光谱的物理方法PDT光动力治疗——PhotodynamicTherapy，俗称红蓝光祛痘，基于光谱能量的生物光热效应，对于痤疮炎性期的患者则可基本治愈，而且没有任何副作用。
如图5所示，红蓝二种光谱功能不同，分工各异。
通常，红色光谱可渗透至6mm的组织，如果皮肤表面的光散射率较高时，红色光谱的治疗深度也可达1-3mm，而蓝色光谱，可渗透至1-2mm的组织，故蓝光主要作用于表皮。
研究证明，波长410nm～490nm的蓝光有杀菌作用，蓝光照射会在痤疮杆菌内产生毒性单态氧及其他自由基，抑制引发痤疮的痤疮杆菌生长，并导致痤疮杆菌大量凋亡。
最终临床表现是，蓝光很强的杀菌效果促使痤疮干瘪与消退。
研究还证明，波长610nm～760nm的红光下，对皮肤具有极高的穿透性，照射皮肤可以直达真皮层，使真皮层的细胞和线粒体中的过氧化氢酶的活性增强，加速细胞新陈代谢，使糖元含量增加，并促进蛋白合成和三磷酸腺苷分解，加快细胞的新生和胶原蛋白合成。
从而达到表皮细胞饱满、紧致肌肤，淡化痘印，去除细小皱纹的美容功效。
有案例表明，对较深的痤疮皮损，可用红光联合光敏药剂5-ALA（5-氨基乙酰丙氨酸）治疗，而对于陈旧性痤疮，痘坑痘印，可以通过PLASMA等离子束来治疗。
显然，光谱美容与治疗属于物理疗法，克服了激素和抗菌素等化学药物的副作用。
5.3蓝色可见光有助治疗慢性疼痛，抑郁症和睡眠障碍
5.3.1治疗慢性疼痛
2013年，德国心理学家、神经学家托马斯·托勒教授和他的研究团队在国际上首次采用含有蓝色可见光谱的持续照射疗法开展慢性疼痛治疗的医学试验。
从8月份起在18个月内，对100位疼痛患者进行光线辅助治疗。
患者在4个星期的时间里，每天都到慕尼黑理工大学疼痛学中心接受常规治疗，在治疗过程中，病员需要置身于比平常在普通诊所接触到的光线亮很多倍的照明环境中，就医环境的光照度设计成3000～4000lx，而且还按要求对光谱进行了调整，使照明环境含有更多的蓝色光谱，但是又不会让眼睛感到不舒服。
整个天花板的灯光仿佛头顶就是夏日碧蓝的晴空。
相比而言，普通办公室光照度一般仅在500lx左右，而且并没有加强蓝色光谱。
托马斯·托勒教授还身兼德国疼痛学会会长，是疼痛症专家，任职于慕尼黑理工大学疼痛学中心。
托马斯·托勒教授认为：
“这种含有更多的蓝色光谱的就医环境，可以刺激病人的情绪、睡眠模式和活动状态，减少病人的疼痛感，从而影响生活的质量。
但是，现在下结论还太早，不过，目前迹象良好。
接受这一疗法的疼痛患者都表示感觉自己更加振作、有信心”。
托马斯·托勒教授希望通过这种蓝光疗法实验研究，能够成为对抗慢性疼痛的一件有力武器。
慢性疼痛被喻为“不死的癌症”，在医学上是指持续或反复发作一个月以上的疼痛，其病因和病情表现都比较复杂，但是，无论是肌肉劳损、腰椎间盘突出、创伤后疤痕，还是病毒感染，都是感觉神经系统损伤引起大脑的不愉快情绪反应。
据统计，目前全球有15亿慢性疼痛患者，而在中国至少也有1亿。
如何战胜这一顽症，已成为世界医学界急需攻克的难题。
5.3.2慢性疼痛与睡眠紊乱和抑郁症相关
托马斯·托勒教授研究报告表示，慢性疼痛与睡眠和抑郁相关，他认为“用强光刺激视网膜，对自然调节睡眠，缓和情绪和减轻疼痛之间可能存在关联”。
现在，很多专家似乎支持德国托马斯·托勒教授的观点以及他的蓝色可见光治疗慢性疼痛病症的医学试验。
德国欧司朗公司生物学家安德里亚斯·沃提斯亚克称：
“研究显示，如果我们无法得到恢复性睡眠，就更容易抑郁，疼痛感也会加强”。
英国NHS信托基金会的疼痛学顾问汤姆·史密斯指出，慢性疼痛是一种复杂的多因素疾病，常与抑郁症、焦虑症、失眠症等交织在一起，这些症状的交叉作用会加重病人的疼痛感，而托马斯·托勒教授的光线疗法其实是一种“借力法”，主要是通过治疗抑郁症及睡眠障碍来缓解慢性疼痛。
我国同行暨南大学附属第一医院精神心理科潘集阳教授表示：
疼痛、情绪问题、睡眠障碍三者经常交叉在一起，改善其中一个环节就能改善另一个。
国外的研究发现，用抗抑郁药物治疗慢性疼痛可以起到很好的效果，这说明抑郁和疼痛存在共同的病理生理机制。
而这些都是德国医学专家采用蓝光疗法治疗慢性疼痛的基础。
广州医学院第二附属医院疼痛科主任卢振和认为：
这种光疗法作为精神调节，与心理科常用的催眠疗法、环境疗法、音乐疗法在机理上是类似的，都能使病人心态松弛，对大脑皮层的异常兴奋灶起到很好的调整作用”。
5.3.3治疗睡眠障碍，外伤性脑损伤（TBI）和老年痴呆症
美国哈佛医学院的一项最新研究显示，明亮的蓝色可见光疗法可以改善人们的睡眠、认知、情绪，以及缓解曾受过轻度外伤性脑损伤（TBI）的大脑的功能。
研究在18名有轻度外伤性脑损伤（TBI）及睡眠障碍的成人中展开。
研究者发现，持续6个星期在早晨进行光疗，白天的主观嗜睡就会明显减少，从而提高夜晚的睡眠质量。
加拿大蒙特利尔大学睡眠和生物节律研究中心的研究者在实验中发现，蓝色可见光在体温升高、心率加快和减少白天嗜睡方面作用更强，不论在夜晚还是白天，只要灯光开启，身体对蓝光的反应就会急剧增加。
美国也有研究显示，在晚上睡觉前让志愿者使用两个小时的iPad，结果其褪黑素水平被抑制了23%，令他们的睡眠受到影响。
进一步研究显示，当受试者凌晨2点暴露在波长450～480nm的蓝色可见光下，褪黑素受到抑制最为严重，实验证明，波长为460纳米的纯蓝光对褪黑激素的抑制作用是波长为555纳米的纯绿光的两倍。
老年人因年龄的增长，眼睛晶状体逐渐变厚，瞳孔收缩，造成传入视网膜的光通量减少，意味着白天蓝色可见光接收很少，容易在白天嗜睡，特别是有老年痴呆症的人，破坏了身体系统的正常节奏，也就是破坏了每天24小时重复的生物循环，造成生理障碍。
一项研究成果已经证明，平日合适的蓝色可见光谱照明，可以调节体内的褪黑素，可改善老年人群晚上的睡眠质量，治疗老年慢性睡眠紊乱症。
一种设计成类似于眼镜的，可向视场环境补偿蓝色可见光谱的智能蓝光护目镜，可以在白天抵消老年人因视网膜衰老造成的光通量损失。
目前已成功对51岁到81岁之间的一批试验者进行了临床试验，取得了较好的效果。
研究人员测试了试验者的褪黑激素水平。
如果这种蓝光眼镜能减轻试验者白天的睡意，那其褪黑激素水平就会下降。
结果发现，仅接受1小时蓝光眼镜的照射，就可以使人褪黑素水平下降35％到60％，满足刺激老年人生理系统康复的要求，这样就有可能有效治疗睡眠紊乱症，白天精神十足，晚上深度睡眠。
综上所述，蓝色可见光的光疗法原理，本质上是基于2002年美国科学家柏森（Berson,D.M）发现的基于蓝光的非视觉光生物效应，蓝色可见光照射治疗必须在白天进行。
目前，采用蓝色可见光的光疗法对帮助治疗慢性疼痛，抑郁症，睡眠障碍和老年痴呆症，在国外已经在逐渐发展。
然而，在中国尚未足够重视。
这是蓝色可见光在医学上很值得关注的物理治疗课题，也为开发人性化新型智能照明器材和物理医疗器材拓展了极好思路。
6.基于蓝色可见光谱的光催化器件——可擦写式蓝色激光书写板
2017年《AdvancedScienceNews》---先进科学刊物报道了一项由山东大学国家胶体材料工程技术研究中心王文寿教授课题组研究的创新技术成果——可擦写式蓝色激光书写板，引起了国际学术界和工业界的广泛关注。
这是一种基于蓝色可见光的光催化（Photocatalytic）驱动染料颜色可逆变化信息存储体系。
通过原位锡离子自掺杂技术，在二氧化锡纳米颗粒中引入氧缺陷，一方面能够拓宽二氧化锡对可见光的吸收，另一方面氧缺陷在光催化反应过程中可以起到自牺牲电子供体的作用。
在与美国加州大学河滨分校YadongYin教授课题组合作，揭示出可见光响应型二氧化锡/亚甲基蓝可逆光致变色体系的变色机理。
二氧化锡/亚甲基蓝可逆光致变色体系可在450nm波长的蓝光作用下，使氧缺陷型二氧化锡产生光生空穴和光生电子，氧缺陷能够快速俘获光生空穴，剩余光生电子还原亚甲基蓝，使得体系从蓝色变为无色；在650nm的红光作用下，无色亚甲基蓝通过红光诱发自催化的过程快速恢复到原始蓝色，成为一种可擦写式蓝色激光笔光书写板技术，并可对可见光快速响应，该体系制备的固态光书写板，可以实现蓝光激光笔任意书写，光书写的文字可清晰保持2小时以上，擦去过程只需在90°C下加热10分钟，有望在黑板，公告，广告，标志等领域获得应用。
目前已有的光致变色体系绝大多数只能用紫外线激活，紫外线能量极高，有生物损伤，且易使变色体系自身副反应和光降解。
然而，蓝色可见光相对紫外线对生物体基本无大害，作为光又可以非直接接触操作，长距离衰减小，能远程控制，因此，既高效又快捷。
这些优点使蓝色可见光的光致变色材料在可擦写式信息存储领域将具有重要的应用，科学意义重大，实用性强。
这种基于蓝色可见光的可擦写式信息存储器件的用途，除了作为可擦写“黑板”和各种可檫写书写板，替代投影“黑板”，也可替代临时性阅读纸张，缓解因纸张巨大需求所带来的能源消耗和环境污染等问题。
7.结语：
蓝色可见光具有非常好的前景。
蓝色可见光高能量对视网膜的损伤，目前的科学水平和产业实践已经证明是可以抑制的。
而且，蓝色可见光完全可以避免紫外线那种更严重的生物损伤而得到发展。
自从固态光源LED,QLED,OLED的成功，使得蓝光光源有史以来从来也没有像今天那样如此容易获得，从此蓝光的视觉生物效应，开始极大地丰富了人文视觉艺术氛围。
蓝光，蓝光映照的空间环境，以其冷艳，Cool,时尚，洁净之美，深沉的魅力，“胸怀无限”，“遥远之梦想”...而受到老中青人群的酷愛。
加之，基于蓝光的非视觉光生物效应，非视觉的肌肤美容，抗衰老效应和生物杀菌的医学效应，蓝光如同咖啡一样的兴奋作用，蓝光如同某些药物的功效，且蓝光物理治疗没有任何药物的副作用，以及蓝光对化学材料神奇的光催化效应，蓝色可见光正在推动高新科技的发展。
蓝光正在扩展人们的视界，远眺美好的未来。
蓝色可见光将继续为人类造福。
参考文献
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[3]《照明与控制》，南京理工大学南京工业职业技术学院教材，梁人杰2009.
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[7]《时代之光简报》2010年第8期
[8]梁人杰智能照明控制技术现状发展与展望，[J]，照明工程学报，2014.2###
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