生物光学应用技术的研发和产业化

生物光学应用技术的研发和产业化

姓名: 陈正荣 黄立  

单位: 深圳英莱能源科技有限公司  邮编: 518103

摘要

本文主要从生物光学的分类出发，探讨其主要分支及其在农业种植、养殖业、人体健康方面的主要应用以及产业化进程。生物光学经过不断的研究、实践、开发应用不断深入我们的日常生活，在提升作物产量、育种繁殖、生物治疗等发面发挥着越来越重要的作用。

关键词 生物光学 植物 养殖 健康

一、生物光学技术分类

生物光学通常被称为生物光子学，主要以量子光学作为理论基础、以生命系统的弱光和超弱光子辐射探测系统作为实验手段来研究光子-生命体相互作用的微观机制和物理本质，建立和发展以新陈代谢作用作为主要特征和标志的生物光子学理论，揭示生物组织和生命体的自组织、自相似、自调节、以及自适应和遗传性状等的光物理本质，使生命科学直接深入到物质结构的深层次，并由此带动生命科学的腾飞和发展。

生物光子学是跨学科的综合型研究领域，主要包含生物医学，光子学，材料科学，成像技术等多方面的学科内容。其主要研究: 1、系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等也是一项重要的任务。2、医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术，新颖的激光诊断和激光医疗机理及其作用机理的研究。

本文将从生物光学技术的研发以及产业化应用两方面进行探讨。

二、生物光学技术研发

生物光学主要研究光子-生命体相互作用过程中场及生命体所表现出的各种线性及非线性效应的物理机制，研究光子-生命体相互作用过程中场及生命体所呈现出的各种经典与非经典现象的物理本质，探索非经典光子与生命现象之间的关系；研究光子-生命体相互作用过程中场及生命现象(指新陈代谢、自组织、自相似、自调节和自适应等)这两者之间的相互影响和相互关联的物理特征和基本规律;探索人脑思维过程的特征、机理和规律，发展癌症等疑难病症的超快速光学诊断技术;探索高等植物光和作用的特征、机理和规律；发展生命系统的弱光及超弱光子辐射探测技术，并将该项技术用于动植物生长发育过程中的生理与病理研究之中，由此带动生物医学工程的腾飞与发展。

三、生物光学技术产业化

光是农业生产中最重要的环境因子之一，在调控动植物及微生物生长发育、实现高产、优质、高效等方面具有不可替代的重要作用。在现代农业生产系统中,人工光源已广泛应用于设施种植业、设施养殖业、设施水产与海洋捕捞、食用菌与微藻繁殖、以及植保诱虫驱虫等领域。

1．生物光学技术与现代农业种植

植物工厂被认为是21世纪解决世界资源、人口和环境问题的重要途径，是未来高科技工程中实现食物自给的重要方式。作为新型的农业生产方式，植物工厂还处于学习与成长阶段，需要投入更多的关注与研究，通过比较不难发现，为应对连阴天、雾霾等恶劣天气导致的弱光寡照逆境，同时保障设施作物高产稳产，发光二极管光源装备最为符合当前发展趋势。未来植物工厂的发展方向应侧重新型高精度、低成本传感器和远程可控的、可调光谱的补光照明装置系统及专家化控制系统。同时，未来植物工厂将向低成本化、智能化、自适应化的不断发展。发光二极管光源的使用和普及为植物工厂高精度环境控制提供保障，发光二极管光环境调控是一个复杂的过程，涉及光质、光照强度、光周期等综调控，有待相关专家学者对人工光植物工厂发光二极管补光照明进行深入研究与使用推广，发光二极管植物生长灯的研究主要集中在以下几个特征：波长（380-780nm之间可用于光合作用）、亮度（单位面积发光强度）、光强（光源明亮程度）、光通量（每秒光量总和）、光效（光通量/功率）、显色指数（色彩逼真度）、色温（光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温）、炫光（影响照明质量的因素）、同步性（发光二极管实现协调变化的基本要求）、防护等级（由两个数字所组成，第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵人的等级（分0-6级），第二个数字代表灯具防湿气、防水侵人的密封程度（分0-8级），数字越大表示其防护等级越高。）。

宋羽[1]在2017年就番茄种植的株间补光的博士论文就已经发现“株间补光能显著改善密植番茄中下冠层的株间光环境，显著提升叶片光合效率，减少气孔关闭，从而促进植物生长与果实发育。”。除该列举的研究之外，发光二极管植物生长灯还被广泛应用于绿叶蔬菜、藤蔓蔬果、花卉等的育种、繁育，不仅能加速种子发芽速度、植株生长速率、果实成熟速度，在温室货室内环境下通过对室温、水分、营养、二氧化碳等其他因素的调节，使原本一年收割1-2季度的蔬果花卉能够达到5-8次收获，提升品质的同时，大大提升了产量。Zhonghua Bian等[2]也发现“连续24小时LED灯显着增加莴苣叶中酚类化合物含量和自由基清除能力

”。

当然，尽管LED等补光灯在植物工厂一类的认为控制产业上有着数不尽的优点，但想要确保农业种植对补光灯的利用一直在这一科技的前沿，还有非常多的研究值得深入。[3]

2．生物光学技术与养殖业：畜牧以及水生生物

在畜牧业以及水生生物养殖行业，关于生物光学的研究已有十余载，从肉鸡、母兔、鹌鹑、奶牛等的养殖、育仔，到相关的论文研究，我们不难在诸多文献中找到线索。

朱慈根等在研究了三组新西兰母兔在不同的光照条件下的产仔率与存活率之后得出结论：结合能耗因素，建议采取人工授精前3天的光照制度，能够显著提高母兔情期的发情配种数，因而产仔数量随之显著提升。[4] 刘庚水等认为，影响养鸡的环境因素有很多,但归纳起来主要的环境控制因素有:光环境,空气环境和水环境,其中光照对蛋鸡的生产影响甚大。[5]

大连海洋大学海洋科技与环境学院院长刘鹰教授[6]分享了《LED对水生生物生长发育的影响研究与展望》主题报告。在企业生产应用，鱼类性成熟率从47%降低到20%以下；揭示发光二极管光谱影响岭南黄肉鸡生理-行为-生长的通路，根据发光二极管光谱的影响规律调制特种光谱，优化光周期与光照强度，形成成套调控策略。研究发现：在不同 发光二极管光谱（全光谱、红光、橙光、绿光、蓝光）条件下，通过分析和比较实验组间大菱鲆早期发育时序、孵化率、苗种生长率和成活率以及幼鱼对光谱的选择喜好性等，确定大菱鲆早期发育时期的最适光谱环境。在不同发光二极管光谱（全光谱、红光、橙光、绿光、蓝光）和光照度（0.3W/m2、1.0W/m2和2.0W/m2）条件下，研究不同光照对欧洲舌齿鲈幼鱼生长、存活、免疫等的影响，为生产中欧洲舌齿鲈适宜光环境的选择提供参考。研究了光对皱纹盘鲍生长、发育、代谢、内分泌的影响，集合转录组、蛋白组、代谢组学技术，阐明了皱纹盘鲍适应不同光质的生物学过程，发现CaM（钙调蛋白）、CDPK（蛋白激酶）在鲍感知外界光环境变化的过程中起到了调控作用。

3．生物光学技术与人体健康

在医学领域，生物光学现主要被应用于光学检测、光学成像、辅助治疗等领域，每个领域又细分为：光学检测下的红外光谱、荧光检测、拉曼检测、光学传感器；成像技术领域下的光声显微系统、共聚焦显微镜、光学频谱成像；辅助治疗领域下的反射透射光谱辅助手术、光镊技术等。[7]

光学技术在生物医学领域的实际应用能力，不管是检测，成像还是辅助治疗都有着不可代替的功效。目前，光学技术仍存在巨大市场潜力，有着重要的社会，经济意义。随着更多人才的投入和新材料的发现，将会出现更为先进的设备与技术，攻破旧技术的局限，使信息传递更为便捷，娱乐更加多彩，也让治疗绝症成为可能。

四、小结

生物光学技术在其他很多方面同样有令人值得期待的应用，本文探讨的只不过是冰山一角。随着不断的深入研究与应用，我们有理由相信，生物光学能够给我们的生活带来巨大的变化。

参考文献

[1] 宋羽. 株间LED补光与温室番茄光能利用特性及生长发育关系的研究. 中国农业大学, 2017,02.

[2] Zhonghua Bian, Chungui Lu, Steven Grundy. Uncovering LED light effects on plant growth: New angles and perspectives–LED light for improving plant growth, nutrition and energy-use efficiency. Acta Horticulturae, [2022-01], https://doi:10.17660/ActaHortic.2018.1227.62.

[3] Gioia D. Massa, Hyeon-Hye Kim and Raymond M. Wheeler, Cary A. Mitchell. Plant Productivity in Response to LED Lighting. HORTSCIENCE, 2008, 43(7): 1951-1956

[4] 朱慈根, 潘孝青, 邵乐, 潘雨来. 不同补光时间对母兔繁殖性能的影响. 中国养兔, 2017, 5: 33-34.

[5] 刘庚水, 朱亨银. 基于光照制度的鸡舍不光技术研究现状分析. 福建农机, 2014, 03.

[6] 刘鹰. LED对水生生物生长发育的影响研究与展望. 中国半导体照明网, 2019-11-29.

[7]卞满云. 试论光电子技术在生物医学中的应用. 基层建设, 2018, 34.