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发光二极管生物光源及其医学应用研究

刘江  
【摘要】: 发光二级管(light emitting diode,LED)是一种高亮度、高效率、长寿命的新型固体光源。被广泛应用于大屏幕显示,交通信号灯,多媒体信息存储,照明等领域,无论是产值还是产量,在半导体光电器件中均占据主导地位。近年来,研究开发LED在生命科学中的应用受到日益广泛的关注,本论文的工作主要是研制出LED生物光源,然后用该光源进行细胞生物学实验。 论文的第一章,首先从非相干单色光的细胞生物效应、光生物调节作用机理、光生物调节中非共振作用的特征、以及生物信息模型(BIMP)等几方面,论述和确立了研制LED生物光源的理论依据。接着第二章简要综述了最近几年来LED在生命科学领域中的研究进展,主要包括LED在植物、动物、人体临床、生物医学材料、环境监测和科研方面的应用。由于在LED光生物刺激研究中,对光源的照射剂量、光强调节和光强的均匀性等参数的要求非常准确,而目前的LED生物应用装置又缺乏这些功能,因此,开发出一套针对不同生物实验对象,光强高、中、低搭配的LED光源将是十分必要的,该生物光源的研制,将使LED这种新型光生物实验技术进一步标准化和实用化, 第三章进行了LED生物光源的研制,采用透镜组扩大光束、透镜阵列聚焦和点阵光曲面聚集光能三种光路设计,设计出可用于动物细胞和组织培养使用的,低强度、中等强度和较高强度的LED生物光源。在这三种光源中,是通过选择每个光源中的四个工作参数来调节输出光的辐射照度。实际测试数据表明:低强度光源输出的辐射照度范围为0.0021—0.9961(W/m~2),在直径20mm的照射面积内所测辐射照度的标准偏差为0.02W/m~2(n=40,Mean:0.71 W/m~2);中等强度光源输出的辐射照度范围为0.3579—11.2286(W/m~2),在直径30mm照射面积内所测辐射照度的标准偏差为0.02W/m~2(n=60,Mean:6.37 W/m~2;较高强度光源输出的辐射照度范围为17—110(W/m~2),在直径40mm照射面积内所测辐射照度的标准偏差为0.02W/m~2(n=80,Mean:71.54 W/m~2)。经检验这三种光源在被照射面上的辐射照度都呈匀称分布,对测试所得数据,使用统计分析软件SPSS拟合得出三种光源的辐射照度经验计算公式,它们显著性检验的P值都小于0.05。该系 列光源除了具备光强可调、分布均匀优势外,还具有波长、波峰宽适宜,以及小 巧、价廉、能耗低、发热少等特点,尤其是该生物光源在设计时采用的单元组装 模式,使得不同强度的光照能够在同一批生物样品上实现,大大拓宽了生物实验 的可选择性,提高了工作效率和实验准确性。 第四章和第五章,使用以上自制的中等强度的LED生物光源,研究在波长为 640士17nm的LED红光作用下,对细胞的促进增殖和抑制凋亡。 促进增殖方面,是用5.93(w加2)和7.13(w/m2)两种辐射照度的LED,照射所 培养的人皮肤成纤维细胞,48小时后用细胞计数检测增殖。结果发现,培养人 皮肤成纤维细胞的增殖在接受89mJ/cmZ、21 4mJ/cmZ照射剂量后无变化,而在接 受428mJ/emZ照射后,与对照组相比有显著性差异。该实验结果支持BIMP模型, 正如1.3节所指出的,促进增殖属于途径n,89mJ/cm“和Z14mJ/emZ这两个剂量 满足BIMpl,无增殖效应,而428mJ/cmZ剂量满足班MPZ,促进增殖。 抑制凋亡方面,是用0.9(W/mZ)和10(w/mz)两种辐射照度的LED,照射所培养的, 由Ap(25一35)诱导的鼠嗜铬细胞瘤细胞系PC12。结果表明,不同剂量的LED 照射对细胞调亡有不同影响,以0.9(W加2)辐射照度的LED照射60分钟,则能 显著减少由Ap诱导的PC12细胞调亡。该实验结果可以为探讨使用光学技术这 种绿色疗法,来防治老年痴呆病提供一定的启示。


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