高亮度发光二极体於生物产业之应用.pdf

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1、高亮度發光二極體於生物產業之應用(1)(2)方煒饒瑞佶(1).國立臺灣大學生物產業機電工程學研究所教授(2).私立建國技術學院資訊管理系助理教授摘要長久以來在農業生產上，螢光燈管(TubularFluorescentLamp,TFL)與高壓鈉燈(HighPressureSodiumLamp,HPS)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農業生產上變得可行。發光二極

2、體具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、壽命長、波長固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(LightIntensity)可調整、光質(LightQuality，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。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，脈衝光之後，LED也成了新寵，其在柔光回春(low

3、intensityphotorejuvenation)領域的應用正方興未艾；其他光療法應用領域包括對關節炎、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。關鍵詞：人工光源，發光二極體，生物產業，組織培養，光療法，光回春1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或觀賞等用途。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

4、日本日亞公司(Nichia)更成功開發出高亮度藍光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，在此分為農業生產與生物醫療兩大方面。一、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。隨著科技進步及農業生產型態的

5、改變，漸漸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(TubularFluorescentLamp,TFL)、高壓納燈(HighPressureSodiumLamp,HPS)、金屬鹵素燈(MetalHalideLamp,MHL)及燈泡(IncandescentLamp)等。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(Bula,etal.,1991)。近年來光電技術的進步帶動了高亮度紅光、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、

6、使用直流電、體積小、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

7、工光源則已頗為普及。1.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5了可見光(380∼780nm)外，尚有紫外線(UV,100∼380nm)和紅外線(780∼10nm)。此主要是由於植物的三套受光系統所致，葉綠素吸收近於660nm波長進行光合作用，光敏素吸收660、730nm波長控制許多形態發生的反應；而類胡蘿蔔素吸收450nm波長引起屈光性以及高能量光形態發生(photomorphogenesis)。2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∼70

8、0nm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(pho