不同色温白光LED对人体昼夜节律的影响

王 茜

(浙江农林大学 建筑系， 杭州 311300)



不同色温白光LED对人体昼夜节律的影响

王 茜*

(浙江农林大学 建筑系， 杭州 311300)

随着现代人类生活节奏的加快，生物节律被打乱，眼睛的非视觉神经通路对人体昼夜节律的影响作用越来越引起人们关注.本实验着重研究在相同照度(2 000 lx)下，不同色温(2 700 K，4 500 K，9 000 K)的白光对人体昼夜节律的影响.实验是通过分析唾液中褪黑素含量的变化，掌握不同色温白光对人体褪黑素的影响作用.通过实验数据的分析得到如下结论：C场景(9 000 K)下对人体褪黑素的抑制最为显著，达到40.81%，同时褪黑素的相位延迟也最为明显，达到了44 min.与以往实验不同，本次实验全部采用LED光源.结果表明，人体昼夜节律对高色温的白光LED比较敏感.与国外文献对比分析，其中差异可能是实验条件以及人种不同造成.

昼夜节律； 色温； LED白光； 褪黑素； 抑制率； 相位延迟

第三类感光细胞[1]还未正式发现之前，各方研究者已经在研究光与人体昼夜节律之间的关系.早先进行的研究发现，亮的白光可以抑制人体褪黑素的分泌，影响人体褪黑素、体温以及皮质醇的活动曲线[2-4].根据这些研究，白光可以用于治疗睡眠障碍以及由于季节或倒班工作环境造成的昼夜节律紊乱的各种病症中.Surry大学的研究者们[5]在南极的实验证明，富含蓝光的白光(10 000 K)和普通白光(5 000 K)相比较，对人体的睡眠有积极作用.

另外在Van Hoof[6]等人的实验中发现，富含蓝光的高色温的白光(6 500K，1 800 lx)，相对普通的白光(2 700K，1 800 lx)对病人的痴呆有积极的治疗作用(本文中所指照度未作特别说明均指眼睛瞳孔处照度).

传统上用白光做有关人体昼夜节律的实验所采用光源都是荧光灯或者白炽灯.传统光源有自身局限，很难做成移动的光源装置.McIntyre等[7]在实验中第一次用荧光灯制作了头戴式光装置，光源正好在眉毛上部，从晚上24∶00到凌晨2∶00开启光源，检测在亮光的2 h期间，人体血液中的褪黑素水平抑制达到73%.随着LED光源的出现以及LED本身光源的特性，后来的研究者们倾向用LED光源来研究光与人体的关系.

实验采用所有光源为白光LED，研究同样照度(2 000 lx)下，不同色温(2 700 K，4 500 K，9 000 K)的白光LED对人体昼夜节律的影响.

1 实验方法

1.1 实验用灯

本次实验用灯芯片采用XPE系列芯片，由照明公司提供技术支持见图1.

图1 实验用灯Fig.1 The experiment lamps

实验中实验用灯放置在距离人眼垂直距离30 cm的桌面上，在人眼的视线范围内见图2.此次实验有3种实验用灯，在人眼处的照度均为2 000 lx，色温分别为2 700 K、4 500 K和9 000 K.详情见表1.

图2 实验用灯立面示意图Fig.2 The schematic drawing of LED white light

表1 实验用灯数据资料

1.2 场景及被试

因为被试选择有男有女，本次实验建设了两个睡眠实验室，见图3.男性被试在实验室一，女性被试在实验室二，两个睡眠实验室的被试分配如图4.

图3 睡眠实验室Fig.3 Sleep laboratory

图4 被试分配Fig.4 The schematic drawing of sleep laboratory

为保证实验的顺利进行，在本次实验之前2012年6月和7月分别进行了2次预实验.通过2次预实验，确定年轻健康人体的褪黑素对光照更加敏感，因此选择在校学生作为被试；另一方面，通过预实验的数据分析以及实验流程的检验，明确实验中要对被试进行严格控制，包括饮食方面.

本次实验对象选择12位在校健康学生(4位女生，8位男生)，年龄在19～26岁.实验对象自愿参与本次实验，并满足以下条件：1)面部无破损；2)不酗酒、不好咖啡因、不服安眠药以及睡眠要规律；3)医学检查眼底正常；4)常规血液检查没有问题的.另外符合以下条件之一的不得参与实验：1)正参加其它实验的被试；2)研究人员认为其他原因不适合实验者.

根据国家的《医疗机构管理条例》规定[8]，所有实验对象须书面签订知情协议书.

在实验前7 d，发放睡眠日记，实验对象每天填写睡眠日记，并将睡眠时间调整为晚上11点到早晨7点.所有实验对象睡眠正常，无晚睡晚起熬夜习惯.

12位实验对象被随机分配到3组实验场景下进行对照实验，每个实验场景的实验对象为4人.

本次实验是在2012年9月11到14日进行，平均日出日落时间分别是05∶36和18∶05.

1.3 实验过程

实验过程见表2.实验中还需注意：1)所有实验对象在实验前7 d，填写睡眠日记，调整睡眠时间为晚上11点到早晨7点并做睡眠调查，确保实验对象无晚睡晚起、熬夜习惯，饮食方面无偏好酒精、咖啡，无吃安眠药的习惯；2)实验对象于实验前1 d以及实验结束时进行血液生化检验，测体温、血压、脉搏和心电图，并进行眼底检查；3)通过自然流出的方式收集唾液于医用无菌收集管内，收集结束后立刻冰冻于-20C°的冰箱内，以备化验.

2 实验结果

实验第1、2天看出，褪黑素的分泌从20∶30开始呈现上升趋势，在午夜24∶00左右达到最高值.分析第1、2天的数据，由于第1天改变环境，被试心理影响因素比较大，数据离散大，见图5，排除第1天受试者刚进入实验室对陌生环境的适应的的心理因素，本次实验以第2天的数据作为基准值进行分析.不同场景的实验对象的褪黑素分泌曲线见图6.

表2 实验过程

2.1 褪黑素的抑制率比较

本文中抑制率定义为第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%.比较A、B和C3种场景下褪黑素抑制率见图7柱状图.

图5 A、B、C不同场景下被试第1、2天褪黑素数据比较Fig.5 Data comparison of day 1 and day 2 under situation A,B and C，respectively

从图7可以看出，A、B、C 3个场景下，第3天的褪黑素的分泌量跟第2天比较有明显的抑制.C场景下褪黑素的抑制率最高，达到40.81%，其次为B场景，抑制率为26.24 %，A场景下的抑制率为12.51%.A、B、C这3个场景的比较中，方差齐性检验表明各场景间的方差具备齐性(P=0.494).用Bonferroni方法进行两两比较，A场景下和B场景比较褪黑素的抑制率差别不显著(P=0.494)，A场景和C场景下比较褪黑素的抑制率差别显著(P=0.037)，B场景和C场景下比较褪黑素抑制率差别不显著(P=0.429).

图6 A、B、C不同场景下受试者褪黑素的分泌曲线Fig.6 Mean salivary melatonin percentages on day 2， 3 and 4， under situation A,B and C, respectively

图7 不同场景下抑制率的柱状图对比Fig.7 Mean melatonin percentages suppression注:“*”表示与自身未接受光照刺激时候的褪黑素抑制率(第2天)相对比，表现显著(P<0.05)

2.2 褪黑素分泌曲线的相位延迟

为了比较不同组实验对象的褪黑素的分泌曲线，根据文献[10]定义DLMO(The time of dim light melatonin onset)值为褪黑素高于基准线均值两个标准差的时间点.相位延迟时间=DLMO (day 4)-DLMO (day 2).

图8显示，C场景下的褪黑素分泌相位延迟达到44 min，B场景下的褪黑素分泌相位延迟为28 min，A场景的褪黑素分泌相位延迟最低为13 min.A场景跟B场景相比较，褪黑素的延迟差别不显著(P=0.516)，B场景跟C场景比较，褪黑素的延迟差别也不显著(P=0.389)，A场景跟C场景比较，差别显著(P=0.035).

图8 不同场景下褪黑素分泌相位的延迟柱状图对比Fig.8 Mean phase delay for different conditions

3 讨论

本次实验在照度为2 000 lx的时候，用不同色温的白光LED对人体进行2 h照射后，发现其对人体的昼夜节律产生影响的影响不同.尤其是色温为9 000 K时，褪黑素的抑制达到40%以上，相位延迟达到44 min.Flinder大学Wright H R实验中白光LED对人体照射2 h的抑制率达到50%[11]，相位延迟达到22.1 min.当将实验对象置于照度在1 000～3 000 lx的白光(荧光灯)照射下，褪黑素的抑制可达到36%到73%[12-13]，相位延迟达到36～60 min.由此可见，本次实验中白光LED对人体昼夜节律的影响与传统白光对人体昼夜节律的影响作用相似.以上文献中的实验均为白光(荧光灯)与单色光以及白光LED做比较.本次实验光源全部采用白光LED，研究不同色温的白光LED对人体昼夜节律的影响.

分析本次实验数据与Wright实验中的差异，主要原因可能是实验条件以及实验对象的差异.根据2012年7、8月的两次预实验结果，发现本次实验对实验对象的控制非常重要：要排除除了光刺激之外的任何可能干扰人体昼夜节律的因素.另外，光与人体昼夜节律的实验研究在国外开展的比较早，参考的主要为国外文献，而在亚洲进行此项的研究文献尚不够充足，因此是否人种的不同会对本实验的结果有一定的影响仍有待进一步研究.

[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] 中华人民共和国国务院.医疗机构管理条例[S].1994-09-01．

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[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．

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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.

浙江省教育厅科学研究项目(2045210169)；浙江农林大学校科研发展基金项目(2034020079).

1000-1190(2016)02-0258-05

Q428

A

*E-mail: xiximie@sohu.com．