发光二极体在生物产业的应用.docx
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发光二极体在生物产业的应用
發光二極體在生物產業的應用
Light-emittingdiodesinBio-Industry
方煒饒瑞佶
WeiFangRuey-ChiJao
摘要
長久以來在廣義農業的生產上,螢光燈管與高壓鈉燈是最主要也最普遍的人工光源。
如何補光、提高補光均勻度、調整光質與研發更高效率的人工光源一直是學界研究的重點。
近年來光電技術的進步大幅提昇了發光二極體(Light-EmittingDiode,LED)的亮度與效率,使得利用此種光源在廣義農業生產上、在人工照明上都變得可行。
發光二極體具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、高耐震、壽命長、波長可指定與低發熱等幾項優點,相較於目前使用螢光燈或高壓鈉燈為人工光源的系統而言具有光量、光質(紅/藍光比例或紅/遠紅光比例)可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優點,因此對封閉有環控的農業生產環境(如植物組織培養室、植物生長箱等)是一種非常適合的人工光源,對需要特定波長的應用也相當具有彈性。
美國太空總署首創LED應用於太空農業上,其後續亦將LED應用於治療惡性腫瘤的光動力療法上取代傳統使用的雷射光。
皮膚醫學領域繼雷射與脈衝光之後,LED也成了新寵,其在柔光回春/美顏領域的應用正方興未艾;其他光療法應用領域包括傷口癒合、對關節炎、黃膽病、生理時鐘失調、心肌梗塞、中風、紓解壓力、鼻炎、皰疹與季節性情感失調等的治療。
本文針對近年來發光二極體在生物產業上之應用做一回顧。
Tubularfluorescentlamps(TFL)andhigh-pressuresodiumlamps(HPS)aretheprincipalartificiallightsourcesusedinagricultureapplications.Efficientmeanstoapplylight,itsuniformity,lightquantityandqualitywereunderinvestigationworldwide.Recentdevelopmentofphotoelectronicshasenabledthecommercializationofsuperbrightlight-emittingdiodes(LEDs),thusmakingthepossibilityofusingLEDsinplantproductionaswellasilluminationpossible.LEDshavemanyadvantagesoverconventionallightsourcesincludinghighenergy-conversionefficiency,utilizingDCpower,compactandsolid,longerlife,wavelengthspecific,lightintensity/qualityadjustableandlowthermalenergyoutput,thusmakingitapromisinglightsourceforplantgrowthinaconfinedenvironmentsuchasaplanttissuecultureroomorgrowthchamber.LEDisverysuitableforapplicationsrequiredspecificwavelength.NASAisthefirstorganizationusingLEDsinthemissiontoMars.Atpresent,theirresearchhasexpandedtheapplicationsofLEDstoreplaceLASERinphotodynamictherapyforcancertreatments.InthefieldofDermatology,LEDisthelowintensitylightsourceusedasalternativeinphotorejuvenationfollowingLASERandpulselight.Besidesskintreatment,LEDcanbeusedinotherlighttherapiesforthetreatmentsofwoundhealing,joint/tissueinflammation,jaundicednewborns,circadianrhythmdisorders,myocardialinfarction,stroke,stressreduction,rhinitis,herpesandseasonalaffectivedisorderetc.TheobjectiveofthisstudywastoreviewthemeansofapplyingLEDsinbio-industry.
前言
發光二極體(Light-emittingdiode,LED)的相關產品早在1968年就已經問世,不過當時光強度低且沒有全彩化,所以應用上仍侷限於標示、觀賞或光偵測等用途。
此些發光二極體多為磷化銦系列(紅外線波段)、磷化鎵及砷化鎵系列(紅、黃、綠等可見光波段)。
經過這幾年光電科技的進步,不但發展出高亮度的LED(1980年代中期),1993年日本日亞公司(Nichia)更成功開發出高亮度氮化銦鎵系列的藍光LED,使全彩化的LED產品得以實現,也拓展了其用途,包括汽車、通訊產品、資訊產品、交通號誌、照明及生物產業等,其中生物產業上的用途就是近幾年來相當熱門的一個領域。
本文旨在針對近年來高亮度發光二極體在生物產業上的應用做一回顧。
所謂生物產業,在此分為廣義農業生產與生物醫療兩大方面。
廣義農業生產上的應用
光為植物生長中重要的環境因子之一,主要來自於太陽的輻射能。
太陽的輻射自極長之無線電波、遠、中、近紅外線、可見光、紫外線A、B、C、X射線至極短之宇宙線,為一種連續光譜,一般稱為電磁波。
廣義的農業包括田間農業生產、設施內園藝生產、林業、畜禽生產與漁業等。
隨著科技進步及農業生產型態的改變,導入人工光源來取代或補充天然日光的不足已是環控農業中的常態,使用的人工光源包括螢光燈、高壓鈉燈、金屬鹵素燈及燈泡等。
高效率高亮度的LED是下一波的重點。
高效率人工光源的發展一直是農業生產上或研究上非常重要的一項課題(Bulaetal.,1991)。
近年來光電技術的進步帶動了高亮度紅光、綠光、藍光與遠紅光發光二極體(Light-EmittingDiode,LED)的誕生。
LED具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、高耐震、壽命長、波長固定與低發熱等優點,相較於目前普遍使用的螢光燈或高壓鈉燈而言具有光量(LightIntensity)可調整、光質(LightQuality,紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等)可調整、冷卻負荷低與可提高單位面積栽培量等優點,因此對氣密性良好有環控的農業生產環境如太空農業,植物組織培養室或植物生長箱等是一種非常適合的人工光源(Barataetal.,1992;Bulaetal.,1994;Hoeneckeetal.,1992;Eiichietal.,1997)。
基於光量與成本的考量,動物生產上尚無應用LED的先例,但使用其他人工光源則已頗為普及。
在昆蟲防治上應用LED應是近期界可以看到的應用。
一、光與植物栽培
在太陽輻射電磁波中有三區段的輻射對植物生長發育有決定性的影響,除了可見光(380~780nm)外,尚有紫外線(UV,100~380nm)和紅外線(780~105nm)。
此主要是由於植物的三套受光系統所致,葉綠素a,b吸收紅光與藍光進行光合作用,類胡蘿蔔素吸收450nm波長引起屈光性以及高能量光形態發生(圖1),光敏素吸收660、730nm波長控制許多形態發生的反應。
植物是唯一能夠把太陽光能量轉化為質量的生物,植物的光合作用是地球上一切生命的基礎。
光合作用需要波長範圍在400~700nm之間(可見光部分)的光,但是光對植物的影響除了提供光合作用所需之外,尚包括光週期的調節,另外,光質(紅、藍光比例,紅、遠紅光比例等)對植物的型態發生亦有決定性的影響。
隨著光電科技的進步,光量更增,價位更降與取得容易的結果,造成全球性應用超高亮度LED於作物栽培的研究正方興未艾。
截至目前為止,LED已經被應用於許多植物光生理領域的研究或植物栽培上,例如藻類培養生物反應器(LeeandPalsson,1994)、葉綠素生合成研究(TripathyandBrown,1995)、光型態發生(Hoeneckeetal.,1992)及光合作用(Tennessenetal.,1994;Tennessenetal.,1995)等研究上。
在作物種類上許多作物或花卉已經被證實可成功的應用LED來栽培,包括有:
萵苣(Bulaetal.,1991;Hoeneckeetal.,1992;Yanagietal.,1996;Okamotoetal.,1997)、胡椒(BrownandSchuerger,1995;Schuergeretal.,1997)、胡瓜(SchuergerandBrown,1994)、小麥(TripathyandBrown,1995;Goinsetal.,1997)、菠菜(YanagiandOkamoto,1994)、虎頭蘭(Tanakaetal.,1998)、草莓(Nhutetal.,2000)、馬鈴薯(Iwanamietal.,1992;Miyashitaetal.,1995;饒與方,2001;JaoandFang,2002)、蝴蝶蘭(饒與方,2002)、白鶴芋(Nhutetal.,2001)及藻類(LeeandPalsson,1994;Hansetal.,1996)。
其中,在藻類栽培上證實只需要紅光LED即可(Hansetal.,1996),但是對其他植物而言,除紅光外,藍光(Hoeneckeetal.,1992)與遠紅光(Miyashitaetal.,1995)光量大小同時會影響生長及型態發生。
針對虎頭蘭擬原球體(PLB)與癒合組織(Callus)的增殖,不同組合的紅、藍光適用於不同時機可得到最大的產能(Tanaka,atal.,1998)。
不同紅、藍與遠紅光組合光源光譜可以影響並控制某些植物病源菌的發生(SchuergerandBrown,1994,1997)。
組織培養是在室內快速且大量繁殖植物種苗的方法,一般使用螢光燈為人工光源。
然而,基於燈管的壽命、發光效率不夠理想與發熱大,用於照明與降溫的耗電成本頗高。
研發較低散熱與較高效率的人工光源以降低量產成本為業界所需。
饒與方(2001)使用紅光與藍光高亮度LED建立可調整光量、光質、給光頻率(Frequency)與工作比(DutyRatio)的組織培養苗專用的人工光源(圖2),可視需要提供連續無閃爍的光或高頻閃爍的光。
在不影響植物生長速率下,工作比可調進一步提供省電空間。
此設備可作為植物光生理研究者的研究工具。
因為LED使用直流電源,因此同時具有光量、頻率與工作比可調整的特性,進而可產生出連續光源(ContinuousLight)或間歇光源(IntermittentLight)的變化,Lee和Palsson(1994),Hans等(1996)與Ladislav等(1996)就使用LED所產生的間歇光源來促進藻類的生長與生產;Iwanami等(1992)透過使用LED補充紅光或遠紅光光量來改變光質,進而討控制馬鈴薯組培苗莖長度與生長狀況;Yanagi等(1996)使用紅光與藍光LED來探討光質與光量對萵苣生長與光型態發生(Photomorpogenesis)之影響。
Nhut等(2000)發現使用LED作為草莓組培苗生長的人工光源可提高其在馴化階段之存活率,同時亦使用LED作為白鶴芋組培苗生產之人工光源(Nhutetal,2001),比起螢光燈光源來更加有效率。
Johnson等(1996)發現將原先定義的光重力(Light-Gravity)光譜範圍擴大延伸到紅外光光譜區,實驗發現加入紅外光LED光源將改變原燕麥苗的生長狀態與對重力的反應(GravitropicResponse)。
Jao和Fang(2001b,2003b)使用高頻閃爍的紅、藍光LED為光源(2001a,2003a),發現可在不提高耗電成本下提高馬鈴薯組培苗的生長速率。
饒等(2003)使用不閃爍的紅、藍光LED栽培蝴蝶蘭種苗,發現與螢光燈下栽培除了葉長之外並無明顯差異,證實LED可用來栽培蝴蝶蘭組培苗,亦適用於做為光型態發生基礎研究之人工光源。
藍光應用於洋桔梗種苗栽培,相對於白光、紅光或不加光可大幅提高地上部與地下部的成長速率,縮短育苗期(ShidaharaandOhta,2003)。
饒與方(2002)使用不閃爍的紅、藍光LED為光源(2001a,2003a),探討在總累計光量不變(5.67mol/m2,紅光總計佔40%,藍光總計佔60%)與光週期不變(16/8hrs明期/暗期)的情況下,同時給紅、藍光(各1單位光量,各16小時)與交替給紅、藍光(各2單位光量,各8小時)時,對馬鈴薯組培苗生長的影響。
結果顯示同時提供紅、藍光者有最高生長速率;總累計光量相同時,低光量、長光照時間優於高光量、短光照時間;當給藍光時間(譬如8hrs)短於給紅光時間(譬如16hrs)時,最佳的給光時機是一開始就同時提供紅光與藍光(JaoandFang,2003c)。
二、燈具改良與儀器研發
除了在植物生理與植物栽培應用上的研究外,許多學者也投入LED光源本身特性及燈具改良與研發上的研究。
Takita等(1996)發展LED光源光量與光譜分佈模擬模式,將LED當作點光源(PointLightSource)並配合光量倒平方法則(InverseSquareLaw)來建立模式,協助預測及計算使用LED為光源時栽培平面上之光量與光質(B/RRatio)分佈狀況。
Ono等(1997)量測了四家公司(Everlight,Panasonic,ToshibaandRohmCorp.)生產的紅、藍光LED,並找出各自最佳的工作電壓及電流,FangandJao(2000)則針對另外四家(Excellence,Everlight,HewlettPackardandNichiaCorp.)做了相同的檢驗,同時計算其在光量子、照度與能量單位間之轉換常數。
Okamoto等(1996)發展使用LED為光源的栽培盒,方法是將LED封裝在培養盒(11cmx11cmx14cm)的蓋子上當作光源,總共使用9顆藍光LED與36顆紅光LED。
一套使用LED為光源,適合教學與植物光生理研究的設備-Photo-Manipulation-Boxes也在2000年問世(Williams,2000),並應用此設備進行一系列萵苣種子發芽光生理之研究。
除上述偏重研究用途之設備外,市面上也已經開始販售使用LED為光源並搭配有人機操作介面的植物生長箱(RyushoIndustrialCo.,Japan;Quantumdevice,USA)。
上述設備都同時搭配有紅光(660nm)、藍光(470nm)與遠紅光(735nm)三種光譜波段之LED光源,而這符合大部分植物在光生理與光合作用中光敏素與葉綠色之吸收光譜,這種選擇光譜的特性是傳統人工光源所無法達成的。
應用高等植物葉片內葉綠素a,b對不同光譜有不同吸收能力的特性(圖1),亦有廠商研發葉綠素偵測儀器(MinoltaSPAD502,SpectrumTechnologies,U.S.A.),該儀器內主要使用650與940nm波長的紅光與紅外光LED,量測前者的穿透率可間接求出吸收率,650nm的波長極接近葉綠素a與b吸收光譜的兩個峰值之一;量測後者的穿透率則可作為校正基準。
然而,此設備無法區分葉綠素a,b為其缺失。
陰性植物葉綠素a/b比值通常低於3,陽性植物則通常高於3(ChangandTroughton,1972),Dale和Causton(1992)認為葉綠素a/b比值可作為植物適應光環境的指標。
Jao和Fang(2001a)使用LED為光源發展一套適用於組培苗與種苗栽培的光源設備-LEDSet,主要包含4顆高亮度藍光LED及9顆高亮度紅光LED、一個驅動器、一個控制器及一支由市售一公尺長電軌改良的裝置(圖2a)。
透過控制器可調整光量、光質、頻率與工作比(JaoandFang,2001b;方等,2001a,b;Fangetal.,2002),後續做了一些改良(JaoandFang,2003a),如圖2b所示;相通技術亦擴展至植物生長箱新型光源之設計,如圖3所示(方等,2001c,d;Fangetal.,2003)。
光量分佈的均勻度可透過電腦模擬軟體進行設計(饒與方,2000)。
該設備在10cm距離內(一般常用組培瓶高度)可提供120±20μmol·m-2·s-1的光量,可搭配現行栽培架進行安裝,同時因為LED低發熱的特性,栽培時可以盡可能靠近組培瓶,也同時提高原栽培架的空間利用率。
LED做為作物栽培的光源,可提供高度的彈性,譬如:
LED可提供各種色光,常用的為藍光(450nm),紅光(660nm)與紅外光(730nm)。
LED具光量可調的特性允許模擬一天中太陽光強度的變化;給光頻率與工作比可調的特性,允許提供高頻間歇給光模式,有利於探討光合作用中光反應與暗反應的相關機制,並允許進一步節省用電;紅光配合藍光LED的使用能提供一適當的光質;紅光與紅外光LED搭配可探討兩者對光型態發生的影響,進而了解光敏素的機制。
大多數植物都至少需要紅、藍光才能正常生長,少了任ㄧ者,不是長不好,就是形狀怪異,如圖4的仙人掌在最近ㄧ個月只在紅光下生長。
也有局部例外的作物,譬如日本某植物工廠栽培的萵苣品系就只需要紅光(圖5)。
圖6顯示在環控室內栽培種苗,使用適當比例的紅、藍光LED為光源,栽培成效遠比使用燈管或在溫室內栽培佳。
三、光與動物生長繁殖
光強度、光質與光照時間三者對動物的影響反應於生產上的包括乳牛的泌乳量,蛋雞的產蛋率,肉雞、肉牛等的增肉率,與雞蛋內膽固醇含量等。
周(2002)使用計數器配合單晶片電路研發低價的雞蛋計數系統。
初步安裝8個蛋道,量測一個月的數據已明顯觀察出立體化環控雞舍內上下層光量差異明顯與產蛋率呈現正相關。
當光量足夠時(20~50lux),光質的影響不大;但當光量不足時,紅光的效果最好。
此顯示家禽感受光線的存在少部分透過眼睛,主要則為透過頭殼、皮膚等傳至大腦,因為在可見光中以紅光穿透皮膚最深。
牛舍內照度不足會明顯影響食慾,亦會影響增肉率與泌乳量(ASAE,1988),肉雞舍生長管理中頗重要的一項即為光線管理。
Liberman(1991)提及全譜光下飼養的雞隻比其他人工燈光下飼養的雞來得健康,壽命延長兩倍,能下更多蛋,且所下的蛋大約減少25%的膽固醇含量。
四、光與動物誘引
如圖7所示,人與昆蟲的眼睛對於光線的敏感度不同,昆蟲需要紫外線來提供照明(圖7右圖左曲線),溫室使用的塑膠布在製程中加上紫外線阻隔的添加劑,設施內蟲害問題可大幅減輕。
但如果使用蜜蜂來協助授粉,此種塑膠布就不適合使用。
飛蛾撲火的原因主要就是蛾類有驅光性,昆蟲的眼睛大多對紫外線較為敏感。
再者,黏蟲貼紙多為黃色,針對蚜蟲則使用藍色貼紙,顯然不同顏色的光對不同昆蟲有不同的吸引力。
夜間點亮黃光,對夜行性昆蟲可發揮忌避的效果(圖7右圖右曲線)。
農業上殺蟲的方式除了採用化學性農藥之外,生物性防治方式譬如使用性費洛蒙來誘殺或者物理方式的使用燈光來驅蟲或吸引昆蟲都是可行的方式。
坊間的殺菌燈或捕蚊燈多使用UV燈管且多為家用型,改為使用LED搭配太陽能板,開發戶外型應該都是未來的趨勢。
漁船出海在夜間作業多使用集魚燈,短波長的藍光與紫光對水的穿透率遠高於長波長的紅光,使用藍光(470nm)LED來製造集魚燈在日本已有商業化產品問世,其主要成效在省電與光害的減少。
小型漁船(9~10噸)多配備15~60盞3kW的集魚燈,耗電最多可達180kW。
LED集魚燈每盞使用1000顆藍光LED,同前規格的漁船搭配使用40盞可達纇似的集魚效果,總耗電則只需3kW(4萬顆LED),相當於原來一盞燈的耗電量(岡本,2004;橋本等,2003)。
一般家庭或戶外使用的燈具多半包括藍光與局部紫外光的波長,此些波段在昆蟲的眼裡都屬可見光範圍,如果能夠開發可濾除此些波段的燈罩,則該燈具可發揮照明的效果又不會吸引昆蟲,在居家與戶外的夜間活動上應該可有不少商機。
五、光與光觸媒
光觸媒需要紫外線來激發,光觸媒種類包括TiO2、CdS、ZnO與WO3等,以二氧化鈦為最常見。
二氧化鈦光觸媒有金紅石、銳鈦礦及板鈦礦三種結晶構造,當二氧化鈦受到能量大於二氧化鈦能帶的光照射時,會產生電子與電洞,它們與水和氧發生反應會產生活性氫氧自由基及過氧基活性氧成分,此些成分具分解有機化合物的能力;環境中的有機污染物,包括臭味的來源、有害化學物質、環境荷爾蒙與微生物等。
因為銳鈦礦和板鈦礦的能隙能量為3.2eV,金紅石為3.0eV,所以前二者需要入射光的波長在380nm以下,後者則須要在413nm以下。
由於通常採用的二氧化鈦為銳鈦礦結構,所以必須採用紫外線照射。
常見的紫外光源則包括汞燈系與鈍氣燈系,前者主要包括白熱燈管(315~400nm)、螢光燈管(350~375nm)、高壓汞燈管(355~356nm)與低壓汞燈管(180~280nm)等四類;後者的光譜分佈則較廣。
室內的紫外線來源多半仰賴燈管,但紫外線又對人體可能造成傷害,所以可小型化可隱藏的UV-LED就有發展的機會。
由LED的發展很明顯可看出波長越短越晚上市,日本Nichia的氮化銦鎵藍光LED(450nm)問世後,技術上有了突破,進口電極於國內封裝已有395nm(1mW)的產品,歐洲也有370nm(20mW),350nm(40W)問世,Nichia則於2003年推出365nm(100mW)。
生物醫療上的應用
除了農業生產上的應用外,LED做為醫療儀器光源亦具有高度發展潛力,相較於動、植物光生理學,人體光生理學是值得深入了解與待開發的一塊新領域。
一、光線與自律神經系統
Krakov(1951)檢驗色彩視覺與自律神經系統的關聯,提出紅光可以刺激交感神經系統,代表增加興奮和緊張;而藍光可刺激副交感神經系統,代表放鬆、減輕焦慮和減輕敵意。
而此項說法在1958年被Gerard所證實(Liberman,1991)。
此類用於紓解壓力的光照療法在近年來已有專利被申請(FrenkelandFrenkel,1999),專利內容強調有色的色光,對光源種類則無明確訂定。
二、光線與生理時鐘
光線進入眼睛提供了視覺與非視覺功能,前者到視網膜,後者到腦中的下視丘、腦下垂體與松果腺(epiphysiscerebri),其中松
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