人工光源在生物產業的應用
方煒
台大生物產業機電工程學系教授
植物是唯一能夠把能量轉化為質量的組織，植物的光合作用是地球上一切生命的基礎。光合作用需要光，但是光對植物的影響除了提供光合作用所需之外，尚包括光週期的調節；另外，光質對植物的型態發生亦有決定性的影響。
組織培養使用人工光源，是在室內快速且大量繁殖無特定病毒植物種苗的方法。全球需要大量的植物種苗，組織培養技術已有多年歷史，但植物工廠型態的量產化生產的研究則方興未艾。然而，基於燈管的壽命與發光效率均不夠理想，發熱的後果更需耗電來移除，整體耗電成本頗高。本研究群過去曾建立自走式光源與擺動式光罩，並據以建立植物工廠，目前於蘭花業界應用已頗具成果。
目前主要工作在研發較低散熱與較高效率的人工光源以降低量產成本，以符合業界所需。使用紅光與藍光高亮度發光二極體(LED)建立可調整光量、光質、給光頻率與工作比的人工光源，可視需要提供連續無閃爍的光或高頻閃爍的光。此設備可作為植物光生理研究者的研究利器。應用上述工具的初步研究已證實在不影響組織培養苗生長速率的情況下，以高頻閃爍間歇給光的方式達到省電的目標是可行的。種苗儲存可使用LED進行低溫弱光儲藏，提供光補償點光量即可長期儲存。LED在降低花卉外銷成本上也頗具潛力，可應用低溫弱光儲藏原理以海運取代空運。
Emerson 發現紅光與紅外光併用時比單獨使用紅光或紅外光時的光合作用速率提升2-3倍，奠下後續發現高等植物有兩套光合作用系統機制的基礎。本研究群亦發現紅光與藍光就算總光量一樣，光週期相同，一起給光比分別給光的栽培效果要好多，這應與葉綠體a, b 都有兩個吸收峰分別落在紅光與藍光範圍有關，也與藍光促進氣孔開啟，進而促進二氧化碳吸收與光合作用速率有關。
光線在動物體與人體上的應用上包括蟲害防治領域使用的藍光與黃光光源，藍色與黃色捕蟲貼紙等可因應不同蟲害使用。在歐美的肉雞舍內以提高設施內光量的均勻度為前提下，兼顧穩定肉雞情緒之功能，亦使用藍/綠光線。蛋雞則多使用紅光與光週期控制來調整產蛋量。
紅光刺激交感神經系統，可增加興奮和緊張；藍光刺激副交感神經系統，可協助放鬆、減輕焦慮和減輕敵意。藍光(450nm)治療小兒黃疸與關節炎，紅光抑制偏頭痛，提升肌耐力，紅光(660 nm)、藍光(415 nm)併用治療青春痘，白光治療季節性憂鬱症(SAD)，白光、藍光或綠光調整時差，紅外光(815 nm)促進傷口癒合，紅光更可用於光動力療法取代雷射治療腫瘤。以色列亦有使用紅外光940nm治療關節炎的設備問世。
高亮度LED做為量產規模的組織培養廠人工光源具高度發展潛力，紅、藍光LED的持續降價有利於研發成果的推廣，光量持續加強有利於應用領域的拓展。高亮度LED做為醫療儀器與設備光源更具高度發展潛力，光線對生物生理的影響與應用可成為生物產業機電工程學系重點研究方向之一。