王 茜

(浙江農(nóng)林大學(xué) 建筑系， 杭州 311300)

?

不同色溫白光LED對人體晝夜節(jié)律的影響

王 茜*

(浙江農(nóng)林大學(xué) 建筑系， 杭州 311300)

隨著現(xiàn)代人類生活節(jié)奏的加快，生物節(jié)律被打亂，眼睛的非視覺神經(jīng)通路對人體晝夜節(jié)律的影響作用越來越引起人們關(guān)注.本實驗著重研究在相同照度(2 000 lx)下，不同色溫(2 700 K，4 500 K，9 000 K)的白光對人體晝夜節(jié)律的影響.實驗是通過分析唾液中褪黑素含量的變化，掌握不同色溫白光對人體褪黑素的影響作用.通過實驗數(shù)據(jù)的分析得到如下結(jié)論：C場景(9 000 K)下對人體褪黑素的抑制最為顯著，達到40.81%，同時褪黑素的相位延遲也最為明顯，達到了44 min.與以往實驗不同，本次實驗全部采用LED光源.結(jié)果表明，人體晝夜節(jié)律對高色溫的白光LED比較敏感.與國外文獻對比分析，其中差異可能是實驗條件以及人種不同造成.

晝夜節(jié)律； 色溫； LED白光； 褪黑素； 抑制率； 相位延遲

第三類感光細胞[1]還未正式發(fā)現(xiàn)之前，各方研究者已經(jīng)在研究光與人體晝夜節(jié)律之間的關(guān)系.早先進行的研究發(fā)現(xiàn)，亮的白光可以抑制人體褪黑素的分泌，影響人體褪黑素、體溫以及皮質(zhì)醇的活動曲線[2-4].根據(jù)這些研究，白光可以用于治療睡眠障礙以及由于季節(jié)或倒班工作環(huán)境造成的晝夜節(jié)律紊亂的各種病癥中.Surry大學(xué)的研究者們[5]在南極的實驗證明，富含藍光的白光(10 000 K)和普通白光(5 000 K)相比較，對人體的睡眠有積極作用.

另外在Van Hoof[6]等人的實驗中發(fā)現(xiàn)，富含藍光的高色溫的白光(6 500K，1 800 lx)，相對普通的白光(2 700K，1 800 lx)對病人的癡呆有積極的治療作用(本文中所指照度未作特別說明均指眼睛瞳孔處照度).

傳統(tǒng)上用白光做有關(guān)人體晝夜節(jié)律的實驗所采用光源都是熒光燈或者白熾燈.傳統(tǒng)光源有自身局限，很難做成移動的光源裝置.McIntyre等[7]在實驗中第一次用熒光燈制作了頭戴式光裝置，光源正好在眉毛上部，從晚上24∶00到凌晨2∶00開啟光源，檢測在亮光的2 h期間，人體血液中的褪黑素水平抑制達到73%.隨著LED光源的出現(xiàn)以及LED本身光源的特性，后來的研究者們傾向用LED光源來研究光與人體的關(guān)系.

實驗采用所有光源為白光LED，研究同樣照度(2 000 lx)下，不同色溫(2 700 K，4 500 K，9 000 K)的白光LED對人體晝夜節(jié)律的影響.

1 實驗方法

1.1 實驗用燈

本次實驗用燈芯片采用XPE系列芯片，由照明公司提供技術(shù)支持見圖1.

圖1 實驗用燈Fig.1 The experiment lamps

實驗中實驗用燈放置在距離人眼垂直距離30 cm的桌面上，在人眼的視線范圍內(nèi)見圖2.此次實驗有3種實驗用燈，在人眼處的照度均為2 000 lx，色溫分別為2 700 K、4 500 K和9 000 K.詳情見表1.

圖2 實驗用燈立面示意圖Fig.2 The schematic drawing of LED white light

表1 實驗用燈數(shù)據(jù)資料

1.2 場景及被試

因為被試選擇有男有女，本次實驗建設(shè)了兩個睡眠實驗室，見圖3.男性被試在實驗室一，女性被試在實驗室二，兩個睡眠實驗室的被試分配如圖4.

圖3 睡眠實驗室Fig.3 Sleep laboratory

圖4 被試分配Fig.4 The schematic drawing of sleep laboratory

為保證實驗的順利進行，在本次實驗之前2012年6月和7月分別進行了2次預(yù)實驗.通過2次預(yù)實驗，確定年輕健康人體的褪黑素對光照更加敏感，因此選擇在校學(xué)生作為被試；另一方面，通過預(yù)實驗的數(shù)據(jù)分析以及實驗流程的檢驗，明確實驗中要對被試進行嚴格控制，包括飲食方面.

本次實驗對象選擇12位在校健康學(xué)生(4位女生，8位男生)，年齡在19～26歲.實驗對象自愿參與本次實驗，并滿足以下條件：1)面部無破損；2)不酗酒、不好咖啡因、不服安眠藥以及睡眠要規(guī)律；3)醫(yī)學(xué)檢查眼底正常；4)常規(guī)血液檢查沒有問題的.另外符合以下條件之一的不得參與實驗：1)正參加其它實驗的被試；2)研究人員認為其他原因不適合實驗者.

根據(jù)國家的《醫(yī)療機構(gòu)管理條例》規(guī)定[8]，所有實驗對象須書面簽訂知情協(xié)議書.

在實驗前7 d，發(fā)放睡眠日記，實驗對象每天填寫睡眠日記，并將睡眠時間調(diào)整為晚上11點到早晨7點.所有實驗對象睡眠正常，無晚睡晚起熬夜習(xí)慣.

12位實驗對象被隨機分配到3組實驗場景下進行對照實驗，每個實驗場景的實驗對象為4人.

本次實驗是在2012年9月11到14日進行，平均日出日落時間分別是05∶36和18∶05.

1.3 實驗過程

實驗過程見表2.實驗中還需注意：1)所有實驗對象在實驗前7 d，填寫睡眠日記，調(diào)整睡眠時間為晚上11點到早晨7點并做睡眠調(diào)查，確保實驗對象無晚睡晚起、熬夜習(xí)慣，飲食方面無偏好酒精、咖啡，無吃安眠藥的習(xí)慣；2)實驗對象于實驗前1 d以及實驗結(jié)束時進行血液生化檢驗，測體溫、血壓、脈搏和心電圖，并進行眼底檢查；3)通過自然流出的方式收集唾液于醫(yī)用無菌收集管內(nèi)，收集結(jié)束后立刻冰凍于-20C°的冰箱內(nèi)，以備化驗.

2 實驗結(jié)果

實驗第1、2天看出，褪黑素的分泌從20∶30開始呈現(xiàn)上升趨勢，在午夜24∶00左右達到最高值.分析第1、2天的數(shù)據(jù)，由于第1天改變環(huán)境，被試心理影響因素比較大，數(shù)據(jù)離散大，見圖5，排除第1天受試者剛進入實驗室對陌生環(huán)境的適應(yīng)的的心理因素，本次實驗以第2天的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值進行分析.不同場景的實驗對象的褪黑素分泌曲線見圖6.

表2 實驗過程

2.1 褪黑素的抑制率比較

本文中抑制率定義為第3天光照后褪黑素的分泌量被抑制的程度.抑制率=(11∶00的值-01∶00的值)÷11∶00的值×100%.比較A、B和C3種場景下褪黑素抑制率見圖7柱狀圖.

圖5 A、B、C不同場景下被試第1、2天褪黑素數(shù)據(jù)比較Fig.5 Data comparison of day 1 and day 2 under situation A,B and C，respectively

從圖7可以看出，A、B、C 3個場景下，第3天的褪黑素的分泌量跟第2天比較有明顯的抑制.C場景下褪黑素的抑制率最高，達到40.81%，其次為B場景，抑制率為26.24 %，A場景下的抑制率為12.51%.A、B、C這3個場景的比較中，方差齊性檢驗表明各場景間的方差具備齊性(P=0.494).用Bonferroni方法進行兩兩比較，A場景下和B場景比較褪黑素的抑制率差別不顯著(P=0.494)，A場景和C場景下比較褪黑素的抑制率差別顯著(P=0.037)，B場景和C場景下比較褪黑素抑制率差別不顯著(P=0.429).

圖6 A、B、C不同場景下受試者褪黑素的分泌曲線Fig.6 Mean salivary melatonin percentages on day 2， 3 and 4， under situation A,B and C, respectively

圖7 不同場景下抑制率的柱狀圖對比Fig.7 Mean melatonin percentages suppression注:“*”表示與自身未接受光照刺激時候的褪黑素抑制率(第2天)相對比，表現(xiàn)顯著(P<0.05)

2.2 褪黑素分泌曲線的相位延遲

為了比較不同組實驗對象的褪黑素的分泌曲線，根據(jù)文獻[10]定義DLMO(The time of dim light melatonin onset)值為褪黑素高于基準(zhǔn)線均值兩個標(biāo)準(zhǔn)差的時間點.相位延遲時間=DLMO (day 4)-DLMO (day 2).

圖8顯示，C場景下的褪黑素分泌相位延遲達到44 min，B場景下的褪黑素分泌相位延遲為28 min，A場景的褪黑素分泌相位延遲最低為13 min.A場景跟B場景相比較，褪黑素的延遲差別不顯著(P=0.516)，B場景跟C場景比較，褪黑素的延遲差別也不顯著(P=0.389)，A場景跟C場景比較，差別顯著(P=0.035).

圖8 不同場景下褪黑素分泌相位的延遲柱狀圖對比Fig.8 Mean phase delay for different conditions

3 討論

本次實驗在照度為2 000 lx的時候，用不同色溫的白光LED對人體進行2 h照射后，發(fā)現(xiàn)其對人體的晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響的影響不同.尤其是色溫為9 000 K時，褪黑素的抑制達到40%以上，相位延遲達到44 min.Flinder大學(xué)Wright H R實驗中白光LED對人體照射2 h的抑制率達到50%[11]，相位延遲達到22.1 min.當(dāng)將實驗對象置于照度在1 000～3 000 lx的白光(熒光燈)照射下，褪黑素的抑制可達到36%到73%[12-13]，相位延遲達到36～60 min.由此可見，本次實驗中白光LED對人體晝夜節(jié)律的影響與傳統(tǒng)白光對人體晝夜節(jié)律的影響作用相似.以上文獻中的實驗均為白光(熒光燈)與單色光以及白光LED做比較.本次實驗光源全部采用白光LED，研究不同色溫的白光LED對人體晝夜節(jié)律的影響.

分析本次實驗數(shù)據(jù)與Wright實驗中的差異，主要原因可能是實驗條件以及實驗對象的差異.根據(jù)2012年7、8月的兩次預(yù)實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本次實驗對實驗對象的控制非常重要：要排除除了光刺激之外的任何可能干擾人體晝夜節(jié)律的因素.另外，光與人體晝夜節(jié)律的實驗研究在國外開展的比較早，參考的主要為國外文獻，而在亞洲進行此項的研究文獻尚不夠充足，因此是否人種的不同會對本實驗的結(jié)果有一定的影響仍有待進一步研究.

[1] BERSON D M， DUNN F A， MOTOHARU T. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock[J].Science， 2002， 295(5557)：1070-73．

[2] CZEISLER C A， ALLAN J S， STROGATZ S H， et al. Bright light resets the human circadian pacemaker independent of the timing of the sleep-wake cycle[J].Science， 1986， 233(4764)：667-671.

[3] LEWY A J， SACK R L， MILLER L S， et al. Antidepressant and circadian phase-shifting effects of light[J].Science， 1987， 235(4786)：352-354.

[4] LEWY A J， WEHR T A， GOODWIN F K， et al. Light suppresses melatonin secretion in humans[J].Science， 1980， 210(4475)：1267-126.

[5] FRANCIS G， BISHOP L， LUKE C， et al. Sleep during the Antarctic winter: preliminary observations on changing the spectral composition of artificial light[J].Sleep Res， 2008， 17:354-360．

[6] VAN H J， AARTS M P， RENSE C G， et al. Ambient bright light in dementia: effects on behaviour and circadian rhythmicity[J].Building Environ， 2009， 44(1)：146-155．

[7] MCINTYRE I M， JOHNS M， NORMAN T R， et al. A portable light source for bright light treatment[J].Sleep Res， 1990， 13:272-275．

[8] 中華人民共和國國務(wù)院.醫(yī)療機構(gòu)管理條例[S].1994-09-01．

[9] DEACON S， ARENDT J. Posture in fluences melatonin concentrations in plasma and saliva in humans[J].Neurosci Lett， 1994， 167(1-2)：191-194．

[10] VOULTSIOS A， KENNAWAY D J， DAWSON D. Salivary melatonin as circadian phase marker∶validation and comparison to plasma melatonin[J].Biol Rhythms， 1997， 12(5)：457-465．

[11] WRIGHT H R， LACK L C， PARTRIDGE K J.Light emitting diodes can be used to phase delay the melatonin rhythm[J].Pineal Res， 2001， 31(4)：350-355．

[12] BOJKOWSKI C J， ALDHOUS M E， ENGLISH J， et al. Suppression of nocturnal plasma melatonin and 6-Sulphatoxymelatoninby bright and dim light in man[J].Horm Metab Res， 1987， 19(9)：437-440．

[13] LAAKSO M L， HATONEN T， STENBERG D， et al. One-hour exposure to moderate illuminance (500 lux) shifts the human melatonin rhythm[J].Pineal Res， 1993， 15(1)：21-26．

The effects of different white LEDs on human circadian rhythm

WANG Qian

(School of Landscape Architecture， Zhejiang A & F University， Hangzhou 311300)

Effects of different colour temperature of LED white light under the same illuminance were compared on melatonin suppression and phase shifting of the salivary melatonin rhythm. 12 participants were randomly assigned to 3 conditions. And each condition contained 4 consective evenings. Half-hourly saliva samples were collected during the whole experience. Result of Condition C(9 000 K， 2 000 lx) showed the greatest melatonin suppression of 40.81% and also exhibited the greatest DLMO delay on night for 44 min. These results strengthened earlier findings that human circadian system is more sensitive to high colour temperature white light compare to standard white light．

circadian rhythm； colour temperature； LED white light； melatonin； suppression； phase delay

2015-11-09.

浙江省教育廳科學(xué)研究項目(2045210169)；浙江農(nóng)林大學(xué)?？蒲邪l(fā)展基金項目(2034020079).

1000-1190(2016)02-0258-05

Q428

A

*E-mail: xiximie@sohu.com．