光生物学与生物技术：细胞与组织的受控光辐照

光生物学研究光辐射——从紫外C波段到近红外——如何与生物材料相互作用：与DNA、蛋白质、光敏剂、光感受器和细胞结构相互作用。生物技术将这些知识作为有目的的工具加以运用——用于灭活微生物、控制细胞信号通路、对组织进行光动力治疗，或推动生物分子的光介导修饰。核心技术挑战在于，生物系统的响应并非取决于灯具的电功率或笼统的照射时间，而是取决于实际到达作用位点的光谱辐照度、由此产生的剂量，以及单个光子的波长依赖性效应。若没有可溯源的光学测量，任何生物学观测结果都只能是部分可重复的。

从技术角度看，主要转变在于所用光源的变化：从宽谱汞灯转向窄谱紫外LED和准分子光源。这一转变提高了光生物学表征的要求，因为每种新的波长组合都需要各自的作用光谱、各自依据IEC 62471的安全性评估，以及各自的剂量测定。日益增长的监管关注——例如2022年和2023年针对紫外灯产品的IEC 62471-6以及针对可见辐射的IEC 62471-7的更新——正是这种光源类型激增的直接结果。

从汞灯到紫外LED的转变不仅改变了成本和效率，也改变了可用的方法：由于LED阵列可同时提供多个可独立控制的波长，如今可以通过改变激发波长直接实验测定作用光谱，而不再依赖少数几条固定的灯线光谱。222 nm附近远紫外C（far-UVC）光源的确立开辟了经典消毒之外的应用（参见紫外消毒），因为其在组织中的浅穿透深度及独特的光化学性质——某些生物分子类别的光解量子产率明显更高即为例证——催生了新的安全性特征和作用机制（Jing等，2024年，《Water Research》）。在监管方面，《水俣公约》正推动全球于2027年前逐步淘汰用于一般照明的含汞灯；用于研究和消毒的专用紫外光源目前通过单独豁免加以处理，但也面临越来越大的调整压力（《关于汞的水俣公约》——豁免条款）。与此同时，IEC和CIE已更新了针对灯具及灯具系统的安全标准——涵盖紫外LED在内的紫外灯产品的IEC 62471-6:2022，以及针对以可见光为主的光源的IEC 62471-7:2023——使新型LED和激光光源的光生物学风险分级日益具有约束力（IEC官方商店）。

该应用领域的市场规模、增长率及相关资料汇总于紫外技术的市场发展页面。

生物效应源于特定分子（即发色团）对光子的吸收：核酸优先吸收UV-C和UV-B波段，芳香族氨基酸和黄素吸收UV-A和蓝光波段，卟啉及其他光敏剂通常吸收蓝光和红色可见光波段。当具有适当能量的光子击中发色团时，可能引发电子跃迁，从而启动光化学反应——例如DNA损伤、单线态氧的产生，或光受体蛋白的构象变化。该转化的概率由量子产率描述。由于吸收光谱具有波长依赖性，光源的光生物效应并非由其总功率决定，而是由光谱辐照度与波长相关的作用光谱的乘积决定，该作用光谱表示各波长对特定生物学终点的相对效率（BIPM SI Brochure, Appendix 3）。

用于对生物样品进行受控辐照的光源技术种类繁多，它们在带宽、波长范围、对样品的热负荷以及老化特性方面各不相同。

低压汞灯在253.7 nm处发出近单色光，传统上用于微生物学和消毒领域的UV-C应用。中压和高压汞灯可提供从UV-B到可见光的宽带线状光谱，可作为光稳定性测试的低成本光源等用途。氙弧灯通过滤光片模拟太阳光（D65/ID65）连续光谱，是ICH Q1B规定的药品光稳定性测试参考光源。准分子灯，例如基于氯化氪的准分子灯，可发出准单色光——例如222 nm——由于其对皮肤和眼睛的穿透深度较浅以及独特的光化学特性，其应用已超越单纯的消毒领域而日益受到重视（Ma等，2023年）。紫外和可见光LED为窄带光源，几乎可瞬时开关，不含汞，并可组合成跨越多个波长的阵列，这大大简化了直接记录作用光谱的工作。激光器和激光二极管可在极小面积内提供高功率密度，主要用于需要通过光纤将光引导至特定位置的场合，例如光遗传学或聚焦光动力治疗。

照射的光生物效应并非由单一物理量决定，而是取决于多个必须分别记录的物理量之间的相互作用。

辐照度（单位为W/m²或mW/cm²）描述照射到表面的辐射功率，决定达到某一剂量所需的时间。剂量，即辐照量（单位为J/m²或mJ/cm²），是辐照度对时间的积分，通常是与对数减少值或红斑等生物效应相关联的物理量。光谱辐照度（W/(m²·nm)）是在需要对多个波长进行比较、组合或按作用光谱加权时的基础物理量——任何所需的加权量都可由其推导得出，反之则不然。经作用光谱加权的有效辐照度考虑到并非每瓦光功率都具有同等效力，只有经相关作用光谱加权后的部分才是有效的。光子通量（单位面积每秒的光子数，通常以µmol·m⁻²·s⁻¹表示）在光生物技术中具有重要意义，因为光化学反应从根本上受光子数量限制，而非能量限制。照射时间和样品温度必须单独记录，因为热效应可能与光化学效应叠加，而这一点仅凭剂量数据是无法体现的。

一个常见的错误是将灯的电功率等同于作用位点的光学剂量。灯与目标结构之间存在距离、光学元件、可能还有滤光片、容器壁、盖子、培养基，在细胞密度较高时甚至细胞本身；这些层每一层都会以与波长相关的方式衰减辐射。因此，在样品容器上方进行的测量描述的是光源本身，而不是细胞层的实际曝光情况。

同样常见的假设是，仅说明时间就足以作为记录。根据Bunsen-Roscoe互易定律，对于纯光化学过程，辐照度与时间的乘积是恒定的；然而对于生物系统而言，这种互易性仅在有限的强度和时间窗口内成立。修复机制、氧气补充和物质传递均在各自的时间尺度上运行，因此在短时间高辐照度下给予的相同剂量，可能与长时间低辐照度下给予的相同剂量产生不同的结果（光生物学中互易律失效的综述；关于光生物学互易性限制的研究）。因此，比较一系列实验的人应分别说明辐照度、时间和剂量，而不应将高强度下的较短曝光简单视为一种中性换算。

第三个常被低估的问题是，将文献中的剂量与可直接套用的工艺数值混淆：例如，某特定222 nm准分子光源报告的10 mJ/cm²灭活剂量（Ma等，2023）仅适用于该文献所述的测量几何结构和基质——若不重新测量，将其套用于不同的样品厚度、浑浊介质或不同波长是不允许的。最后，人们常常低估热效应与光化学效应可能相互叠加的情况：高功率、宽带光源会使样品产生可测量的升温，只有将两种效应分别单独测定，才能将纯热触发的反应与光化学效应区分开来（Höhn等，2015）。

样品容器的光谱透过率具有很强的波长依赖性，在实际应用中，这是最大却最少被记录的误差来源之一。标准聚苯乙烯盖子和培养板对UV-C和UV-B辐射的衰减可能比对UV-A或可见光高出几个数量级，因此仅记录为"紫外辐照"的实验，实际上根据所用容器的不同，样品所接收的剂量可能存在很大差异。培养基本身含有吸收紫外线和蓝光的成分——例如作为pH指示剂的酚红，或核黄素——根据比尔-朗伯定律，随着液层厚度增加，辐照度呈指数衰减；即使只有几毫米厚的培养基，也会显著降低到达培养物底部的剂量。在细胞密集接种的情况下，还会叠加"内滤效应"，即靠近表面的细胞比位于更深处的细胞获得更大比例的剂量。在微孔板中，液面处形成的弯液面还会在同一孔内产生不均匀的、与位置相关的辐照度。只要上述任一影响因素未知，就应在预定的样品位置而非自由光路中实际测量辐照度。

有两个量可以解释：为什么在波长发生变化的情况下，相同的剂量并不会自动产生相同的效果——它们是光子能量和量子产率。

光子能量由以下公式得出：

E_photon = h · c / λ

其中普朗克常数 h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s，光速 c = 2.998 × 10⁸ m/s，λ 为波长。因此，波长越短，每个光子所携带的能量越高。

量子产率 Φ 描述的是每个被吸收的光子所引发的光化学事件数：

Φ = （光化学事件数） / （吸收光子数）

Φ 并非自然常数；它取决于具体分子、其所处环境，并且通常还与激发波长本身有关（参见IUPAC 金皮书）。要有意义地应用这两个量，前提条件是辐射确实被吸收——未被吸收的光子无论能量高低，都不会对反应产生贡献。辐照度相同但波长不同的两个光源，通常会产生不同的光生物学效应——这既是因为目标分子的吸收程度不同，也是因为量子产率本身可能与波长相关。

问题：紫外消毒和光生物学研究中，222 nm准分子光源正日益取代传统的254 nm低压汞灯。这两个波长之间的光子能量有何差异，这对光化学效果又意味着什么？

假设条件：单色辐射，λ₁ = 222 nm，λ₂ = 254 nm；h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s；c = 2.998 × 10⁸ m/s。

模型：E_photon = h · c / λ

计算：
E₁ = (6.626 × 10⁻³⁴ J·s × 2.998 × 10⁸ m/s) / 222 × 10⁻⁹ m ≈ 8.95 × 10⁻¹⁹ J
E₂ = (6.626 × 10⁻³⁴ J·s × 2.998 × 10⁸ m/s) / 254 × 10⁻⁹ m ≈ 7.82 × 10⁻¹⁹ J
换算为电子伏特（1 eV = 1.602 × 10⁻¹⁹ J）：E₁ ≈ 5.59 eV，E₂ ≈ 4.88 eV。

结果：222 nm处的光子能量比254 nm处的光子能量高约14%。

技术解读：这一差异与实验结果相吻合，即核酸碱基和氨基酸在222 nm处的光解量子产率比在254 nm处高4至61倍（Jing等，2024年，《Water Research》）。在实际应用中，这意味着不同波长下相同的辐射剂量（J/cm²）并不会自动产生可比的生物学效应——仅测量并给出辐照度数值，而不注明波长信息，不足以对某一工艺过程进行可重复的描述，也无法将其在不同光源之间进行转移。

皮肤科与光疗。窄谱UV-B（通常约311 nm）用于治疗银屑病和白癜风。此处的关键量是患者个体的最小红斑剂量（MED），因人而异，并根据ISO/CIE 17166规定的红斑作用光谱进行评估。

光动力疗法（PDT）。光敏剂被波长与其吸收带匹配的光激发——对于浅表病灶约为405 nm（Soret带），对于较深病灶则为630～635 nm。此过程的关键量是穿透深度，在所谓的治疗窗口（约600～850 nm）内穿透深度最大，因为组织的散射和吸收在此范围内最小（PDT物理学综述，PMC）。

细胞与微生物学。在研究实验室中，细菌和细胞培养物在明确条件下被辐照，以研究DNA修复机制、突变率或光毒性，例如使用BS-02 辐照箱。此处的关键要求是在众多平行实验和不同实验日之间，实际样品位置处剂量的可重复性（Estévez Castro等，2018）。

药品光稳定性测试。根据ICH Q1B，原料药和成品药必须暴露于规定的紫外线和可见光剂量（至少200 W·h/m²紫外线和120万勒克斯小时可见光）下，以评估光致降解情况。关键因素是测试光源光谱与D65/ID65参考光谱的精确匹配（EMA/ICH Q1B），详情参见制药与光稳定性。

光遗传学与神经科学。基因编码的光感受器，如通道视紫红质（约473 nm激活）或盐细菌视紫红质（约590 nm抑制），通过光纤耦合LED或激光驱动。关键量是光纤尖端或目标组织处的辐照度，而非光源的输出功率（光遗传学光源综述，PMC）。

光生物技术与生物过程工程。光作为一种选择性工具在蛋白质化学中的应用日益增多——例如用于生物分子的光驱动功能化——同时也用于照射生物反应器中具有光合活性的微生物（Berton与Holland，2025）。此处的关键因素是单位体积的光子通量以及反应器体积尽可能均匀的照明。

化妆品与防晒研究。紫外线滤光剂和光敏剂功效的体外测试采用红斑加权或光毒性加权辐照。关键因素是测试光谱与太阳紫外光谱的匹配程度，因为不同的活性成分组合可能具有很强的波长选择性。

对于微孔板中的高通量并行筛选，采用具有可单独寻址波长和位置的LED阵列，通过对各孔进行校准来补偿空间不均匀性。

对于氙闪光灯等脉冲光源，当脉冲形状本身具有光生物学意义时，单纯的时间积分测量不足以满足要求；此时需要采用时间分辨测量方法。

对于热敏样品——例如活体组织样品或温度敏感型酶——需将带持续温度监测的冷却样品架结合使用，以清晰区分光化学效应与热效应。

对于光纤光遗传学或组织间PDT等体内应用，在自由光束中进行测量从根本上是不充分的；辐照度必须在光纤远端处或通过经验证的组织模型进行估算。

任何测量方案的出发点都是确定哪个量对所讨论的生物学终点真正重要——而不是恰好有哪种仪器可用。如果只使用单一的、已充分表征的波长，并且其作用光谱加权已知，那么使用与该作用光谱相匹配的滤光片组合的宽带辐射计，例如RMD Pro，就已足够（有关传感器选择的背景信息，请参见紫外传感器的选择）。一旦需要比较、组合或重新评估多个波长，或涉及未知的、宽带的、正在老化的光源，就需要使用光谱辐射计进行光谱测量，例如SR900，因为事后无法从积分读数中还原出光谱信息。

测量应始终在实际样品所在位置进行——即在细胞层所在的位置，而不是在容器盖上方的自由光束中——否则容器材料和介质造成的衰减会被系统性低估。相关的测量不确定度来自传感器响应度与实际光源光谱之间的光谱失配、非平行入射下传感器响应度的角度依赖性（余弦误差），以及所用参考标准的校准不确定度。一旦样品大于光源均匀照射的区域——例如置于单个LED阵列下的多孔板——就需要进行空间分辨测量。对于输出在曝光期间发生变化的脉冲光源或漂移光源，时间分辨率则变得十分重要。

在自动化辐照过程中——例如持续数周或数月、涉及大量样品的系列实验——仅一次性设定灯功率和曝光时间是不够的，因为实际辐照度会因灯管老化、光学元件污染和温度漂移而持续变化。剂量控制运行——如辐照箱中UV-MAT 剂量控制所实现的方式——使用已校准的传感器持续测量辐照度，并在达到目标剂量后自动结束曝光，而不是在固定时间后关闭。这使实际给定的剂量与光源老化脱钩，从而保证长期系列实验的可比性。

在受监管的环境中——例如类GMP检测实验室，或依据DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03认可的校准实验室——每一次单独剂量都需要可追溯的、有据可查的记录，以便事后仍能对批次或实验进行核实比较；所用传感器的计量溯源性由认可的校准实验室提供。

在实践中，光谱辐照度通常通过一台经过校准的光谱辐射计一次性测量涵盖紫外、可见光以及（在相关情况下）近红外范围。对于已知光源的常规测量，通常使用配备作用光谱加权传感器的辐射计，其光谱响应度已经过调整以匹配所定义的作用光谱。对于细胞和细菌培养物的确定性、剂量控制曝光，则使用具有独立可切换光谱通道的辐照箱，例如UV-MAT，其剂量控制基于实际测得的——而非仅仅是标称的——辐照度。

通过实验将照射的纯热效应与光化学效应区分开来——这正是较长照射时间常常掩盖的那种重叠效应。
水滤红外线A照射的实际等温效应
Höhn, Annika, et al. "Actual isothermal effects of water-filtered infrared A-irradiation." Photochemistry and Photobiology 91.4 (2015): 887–894.

通过基因表达数据表明，222 nm照射能直接光解修复酶，并提供了222 nm相对于254 nm在核碱基和氨基酸光解方面明显更高的量子产率数据，本页的示例计算正是基于此。
通过多靶点损伤实现准分子远紫外光（222 nm）对大肠杆菌光复活的抑制
Jing, Zi-Bo, et al. "Suppression of photoreactivation of E. coli by excimer far-UV light (222 nm) via damage to multiple targets." Water Research 255 (2024): 121533.

表征了多种病原体及替代指示物在222 nm准分子照射下的灭活动力学，并提供了本页所引用的远紫外C消毒剂量数量级。
KrCl*准分子灯222 nm照射下常见病原体及替代指示物的紫外灭活
Ma, Ben, et al. "UV Inactivation of Common Pathogens and Surrogates Under 222 nm Irradiation from KrCl* Excimer Lamps." Photochemistry and Photobiology (2023).

以下用户发表的研究成果展示了该领域的广度——从皮肤反应、修复机制到光驱动蛋白质化学。

研究紫外线照射如何改变皮肤免疫细胞的炎症反应。
紫外线照射对皮肤免疫细胞炎症反应的影响
Miceli, Rebecca, et al. "Influence of UV irradiation on the skin-immune cell inflammatory response." Research Square (2026).

根据功效和细胞毒性筛选用于防晒配方的植物来源化合物混合物——将防护效果作为光谱加权量处理。
基于体外功效和细胞毒性特征的植物化学混合物防晒产品开发合理筛选
Martínez, Silvia Ximena Barrios, et al. "Rational Selection of Phytochemical Mixtures for Sunscreen Development Based on in vitro Efficacy and Cytotoxicity Profiles." Revista Brasileira de Farmacognosia 36.1 (2026).

在相同细胞系中比较放射毒性与光毒性，并使用BS-04辐照箱照射，评估多种光敏剂的增效作用。
补骨脂素、三甲基补骨脂素和邻碘Hoechst33258光敏剂增效作用下的放射毒性与光毒性比较
Tietze, Katja, et al. "Comparison of Radio- and Phototoxicity in Association with an Enhancing Effect of the Photosensitizers Psoralen, Trioxsalen and Ortho-Iodo-Hoechst33258 on FaDu, PC-3, 4T1 and B16-F10 Cells." Biomedicines 13.1 (2024): 73.

在修复缺陷突变体中展示了细胞修复对紫外线照射结果的影响程度。
uvrA、recJ和recN基因突变对紫外线处理的大肠杆菌细胞核样体重组的影响
Estévez Castro, Carlos Felipe, Jorge Humberto Serment-Guerrero, and Jorge Luis Fuentes. "Influence of uvrA, recJ and recN gene mutations on nucleoid reorganization in UV-treated Escherichia coli cells." FEMS Microbiology Letters 365.11 (2018): fny110.

将光用作蛋白质化学中的选择性工具，而非应激因子。
用于蛋白质功能化的光诱导化学反应
Berton, Cesare, and Jason P. Holland. "Light-induced chemistry for protein functionalisation." Chemical Communications (2025).

在光生物学、生物技术和医学主题领域中，Opsytec客户共发表了34篇论文；这些论文按主题列于客户发表的论文——按主题页面下。

• ISO/CIE 17166:2019 – 红斑参考作用光谱与标准红斑剂量（iso.org）
• IEC 62471（系列）– 灯具及灯具系统的光生物安全性，包括 IEC 62471-6:2022（紫外灯产品）和 IEC 62471-7:2023（可见光辐射）（webstore.iec.ch）
• DIN 5031-10:2018 – 光学辐射物理与照明工程，第10部分：光生物效应辐射、量、符号及影响（dinmedia.de）
• ICH Q1B – 新原料药与药品的光稳定性试验（ema.europa.eu）
• BIPM，国际单位制手册，附录3 – 光化学与光生物量的单位（bipm.org）
• ISO 21348:2007 – 太阳辐照光谱类别的定义（UV-A/-B/-C 边界）（iso.org）

紫外辐射的生物学效应是如何产生的？
紫外光子被DNA碱基或蛋白质等生色团吸收，并引发光化学反应——例如DNA损伤或结构变化。有效性在很大程度上取决于波长，因为每种生色团都有其特定的吸收光谱。若没有吸收，无论施加多大功率，都不会产生效应。

光动力疗法应选用哪种波长？
波长的选择需与所使用光敏剂的吸收光谱相匹配。约405 nm的蓝光适用于浅表病灶，约630～635 nm的红光因组织穿透力更强而适用于较深部位。因此该选择需要在吸收效率与穿透深度之间做出权衡。

微生物灭活所需的剂量是多少？
所需剂量取决于波长和微生物种类。对于222 nm准分子光源，研究报告显示，许多细菌和病毒实现4-log灭活所需剂量约为10 mJ/cm²；254 nm光源通常需要相近的数值，但对组织的影响不同。文献数值始终对应特定的测量几何条件，未经验证不可直接套用。

辐照度与剂量有何区别？
辐照度（W/m²）描述单位面积上的瞬时功率；剂量（J/m²）是其对时间的积分。通常与生物学效应相关的是剂量，而辐照度决定达到该剂量所需的时间。因此这两个量应分别记录。辐照度、剂量与辐通量之间在形式上的区别，请参见辐射度量概述。

为何相同剂量在不同波长下会产生不同效应？
这是因为光子能量和量子产率均与波长相关。较短波长的光子携带更多能量，可激活不同的光化学反应路径，从而导致量子产率显著不同。因此，若不附带波长信息，单独给出剂量数值不足以用于比较效应。

如何测量细胞培养物的实际辐照度？
理想情况下应在实际样品位置进行测量，尽可能靠近细胞层，而不是在容器上方的自由光束中测量。容器材质、盖子及培养介质会以与波长相关的方式衰减辐射，有时衰减幅度可达数个数量级。若在这些吸收体之外进行测量，会系统性地低估实际的衰减程度。

何时宽波段测量已足够，何时需要光谱测量？
当使用单一且特性明确的波长时，采用与作用光谱匹配的传感器进行宽波段测量即已足够。一旦需要比较、组合或重新评估多个波长，或光源未知或为宽波段光源，则需要使用光谱辐射计进行光谱测量。

温度在光生物学实验中起什么作用？
高功率光源会使样品明显升温，热触发的反应可能叠加或放大光化学效应。要实现清晰的区分，需要使用冷却样品架，或同时进行等温对照测量。若没有温度控制，观察到的效应就无法可靠地仅归因于辐照本身。

光生物学和生物技术与多个相邻领域接壤：医学光疗将相同的光生物学原理应用于医生为患者开具的治疗处方，制药光稳定性测试的是成品的光敏感性而非生物效应，而职业安全与光生物安全针对的是相同的物理量，但涉及的是非故意而非有意的照射。与之相邻的还有作为专门灭活应用的紫外线消毒，以及针对植物材料光生物效应的植物、农业与食品技术。有关激发、敏化和量子产率的物理化学方面内容，详见光化学。

不确定经过盖子、培养基和容器壁后实际到达细胞层的剂量是多少？合理的光生物学评估应从实际样品位置的测量开始——而不是在光源的自由光束中测量。对于细胞和细菌培养物的明确剂量控制辐照，UV-MAT 剂量控制非常适用；对于未知或复合光源的光谱表征，可选用SR900 光谱辐射计；而对于已知光源的日常监测，则可选用RMD Pro 辐射计。所用传感器的校准与计量溯源性由符合ISO/IEC 17025标准的认可校准实验室提供。欢迎您就您的测量需求与我们联系。