紫外線(xiàn)(UV)LED市場(chǎng)在過(guò)去十年中已經(jīng)擴大了五倍，預計到2025年將增長(cháng)到10億美元以上。預計影響市場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵趨勢是能夠擴展到包括農業(yè)在內的新應用。紫外線(xiàn)，在適當的頻率和劑量下，可以增加藥用和傳統植物中活性物質(zhì)的產(chǎn)生，并且還可以幫助維持健康的生長(cháng)環(huán)境。但要充分利用UV LED，需要考慮一些重要的重新設計。Violet Gro的母公司Violet Defense Group的首席執行官Terrance Berland將解釋這些是什么考慮因素;例如，為什么合并適當的鏡片材料至關(guān)重要。

　　紫外線(xiàn)可增加藥用植物中活性物質(zhì)含量

　　隨著(zhù)室內和城市農業(yè)的爆炸，LED的節能不僅吸引人，而且紫外線(xiàn)LED的進(jìn)步使得紫外線(xiàn)，特別是UV-A和UV-B的額外好處成為可能。室內農業(yè)。紫外線(xiàn)已被證明可以促進(jìn)藥用植物中活性物質(zhì)的植物生產(chǎn)的增加，包括許多植物的抗氧化益處或大麻中的四氫大麻酚含量。紫外線(xiàn)還可以通過(guò)減少霉菌，霉菌和某些植物害蟲(chóng)來(lái)幫助維持健康的生長(cháng)環(huán)境-所有這些都需要替代化學(xué)品，因為它們具有增強的殺菌能力。雖然室內農業(yè)中使用的許多主要固定裝置產(chǎn)生一定程度的紫外光譜(無(wú)論多小)，但它們的外部透鏡材料阻擋了大部分(如果不是全部的話(huà))，實(shí)際到達植物的紫外線(xiàn)光。隨著(zhù)紫外線(xiàn)LED價(jià)格持續下降，能夠經(jīng)濟有效地將目標紫外線(xiàn)納入正常生長(cháng)過(guò)程中，正確的波長(cháng)，正確的劑量，以及特定植物物種生命周期中的正確時(shí)間將得到改善。然而，UV LED仍然需要與適當的透鏡組合，該透鏡能夠透射UV光而不會(huì )降低透鏡和/或LED本身的劣化或破壞的風(fēng)險。

　　圖1：具有UV分類(lèi)的UV和可見(jiàn)光譜

　　介紹

　　紫外(UV)光是電磁波譜的關(guān)鍵部分，波長(cháng)范圍為10nm至400nm。這部分光譜位于人眼的可見(jiàn)光范圍之外，盡管昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)可以感知到某些部分的紫外線(xiàn)[1]。大部分紫外光譜，包括所有極紫外線(xiàn)(10-100納米)和280納米以下的大部分光譜都被大氣吸收。然而，鑒于我們人工產(chǎn)生這些波長(cháng)的能力，了解紫外光譜各部分的益處仍然很重要。

　　紫外光譜分類(lèi)，它們的用途和優(yōu)點(diǎn)：?UV-C(200-280 nm)：幾乎完全被地球大氣吸收，UV-C常用于其殺菌效果?UV-B(280-320 nm)：約95 UV-B的百分比被地球大氣吸收，并且經(jīng)常因其與皮膚癌風(fēng)險增加有關(guān)而被人們所知，然而，它也被證明具有抗菌作用，包括處理農業(yè)感染和害蟲(chóng)，如白粉病或蜘蛛螨蟲(chóng);以及觸發(fā)增加黃酮類(lèi)和大麻素的植物反應?UV-A(320-400 nm)：通常被稱(chēng)為“黑光”，UV-A光在紫外光譜中具有最長(cháng)的波長(cháng)，被認為是最不危害的;它以紫外線(xiàn)固化，假冒檢測和法醫學(xué)應用而聞名，但也因其能夠觸發(fā)所需的植物反應而應用于農業(yè)。

　　大多數紫外線(xiàn)照明行業(yè)一直由LED以外的其他來(lái)源，尤其是水銀燈泡。然而，近年來(lái)UV LED已經(jīng)取得了顯著(zhù)進(jìn)步，這不僅是由于固態(tài)UV裝置的制造的進(jìn)步，而且是由于增加了尋找更環(huán)保和節能的產(chǎn)生UV光的選擇的壓力。

　　然而，LED最近才能夠有意義地適應所有的紫外線(xiàn)范圍。自20世紀90年代末以來(lái)，在UV-A(390-420nm)范圍的上部傳輸UV光的LED已經(jīng)可用，通常用于偽造檢測或驗證駕駛執照或文件，以及取證[2]。事實(shí)上，UV LED市場(chǎng)的很大一部分主要是用于固化的工業(yè)和商業(yè)應用，例如油墨，涂料或粘合劑，通常通過(guò)波長(cháng)為350-390nm的UV-A光來(lái)完成[3]。

　　當您進(jìn)入較短波長(cháng)的UV-B和UV-C時(shí)，應用會(huì )轉向消毒食品，空氣，水和表面。這些是LED中可用的一些最新波長(cháng)(第一個(gè)商業(yè)UV-C LED基于水的消毒系統于2012年推出[4])，盡管紫外線(xiàn)具有長(cháng)期，完善的殺菌效果歷史。LED的節能不僅對許多行業(yè)有吸引力，例如水凈化，而且它們極小的尺寸使它們成為非常靈活的選擇，包括創(chuàng )建便攜式消毒系統的能力。

　　鑒于這些進(jìn)步，UV LED市場(chǎng)在過(guò)去十年中已經(jīng)擴大了五倍，預計到2025年將增長(cháng)到13億美元。預計影響市場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵趨勢是能夠進(jìn)一步擴展到包括太陽(yáng)能產(chǎn)品在內的新應用，食品飲料行業(yè)和農業(yè)[5]。然而，仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)，特別是因為它涉及這些產(chǎn)品的鏡片組件，以確保該技術(shù)能夠以成本有效的方式實(shí)現每個(gè)行業(yè)的期望結果。

　　隨著(zhù)室內和城市農業(yè)的爆炸，人們越來(lái)越希望以經(jīng)濟有效的方式繼續改進(jìn)生長(cháng)過(guò)程，這仍然會(huì )為目標植物帶來(lái)積極的結果。關(guān)于在農業(yè)中使用LED的許多現有研究都集中在可見(jiàn)光的波長(cháng)和植物對各種過(guò)程所需的光譜上。在廣泛的研究中，“美國宇航局確定LED燈是在地球和太空中種植植物的最佳單源光源[6]?！笔聦?shí)上，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究來(lái)確定不同波長(cháng)之間的關(guān)系及其影響。關(guān)于植物生長(cháng)。這些信息將有助于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)定制光譜照明，從而以更低的能源成本為工廠(chǎng)帶來(lái)更好的結果。例如，已經(jīng)確定紅光光譜(630-660nm)對于莖的生長(cháng)和葉片的膨脹是必需的。它也是調節開(kāi)花和休眠期的波長(cháng)。

　　雖然早期的LED讓大多數工廠(chǎng)(和種植者)想要更多，但最新的最先進(jìn)的LED為室內種植提供了更多可行的選擇，可以節省大量成本(如果與正確的鏡片材料配對)，特別是與傳統相比照明選項，如高壓鈉(HPS)。

　　現在，UV LED的進(jìn)一步發(fā)展使得有可能以非常有針對性的方式為室內生長(cháng)過(guò)程帶來(lái)紫外線(xiàn)，特別是UV-A和UV-B的額外好處。研究人員發(fā)現，在沒(méi)有紫外線(xiàn)的情況下，某些植物品種可能“在葉片和枝條組織上形成愈傷組織樣膨脹[7]?！崩?，普通玻璃阻擋了超過(guò)90%的UV-B輻射[8]，因此，在溫室或其他類(lèi)似環(huán)境中生長(cháng)的植物，沒(méi)有補充照明可能會(huì )產(chǎn)生不利影響。

　　紫外線(xiàn)也被證明可以促進(jìn)藥用植物中活性物質(zhì)的植物生產(chǎn)的增加，包括許多植物的抗氧化益處或大麻中的四氫大麻酚含量。植物具有化學(xué)過(guò)程，使它們能夠識別觸發(fā)某些反應的不同波長(cháng)的光，包括可以改變植物形狀和改變化學(xué)組成的紫外線(xiàn)反應[9]。然而，光子學(xué)領(lǐng)域仍然需要更多的研究重點(diǎn)來(lái)真正理解所有影響，包括最佳的部署方法。

　　圖2：紫外線(xiàn)可以增加藥用植物中活性物質(zhì)的含量，如迷迭香或四氫大麻酚的抗氧化作用

　　植物對紫外線(xiàn)的響應最常見(jiàn)的方法之一是紫外吸收化合物的合成和積累。這些化合物，包括酚類(lèi)物質(zhì)，對植物來(lái)說(shuō)就像一種防曬劑，可以防止過(guò)度暴露在紫外線(xiàn)下造成的損害。然而，酚類(lèi)化合物的益處不僅有助于保護植物，而且已被證明具有顯著(zhù)的人類(lèi)健康益處，包括抗氧化益處和預防各種慢性疾病，包括某些癌癥和心血管疾病。在葡萄和紅葡萄酒中發(fā)現的白藜蘆醇已經(jīng)被研究過(guò)它對心臟，免疫系統甚至大腦功能的健康影響[10]。對迷迭香的研究表明，當使用UV-B輻射生長(cháng)時(shí)，其總酚含量大約翻倍。

　　另一種以紫外線(xiàn)輻射下藥用化合物產(chǎn)量增加而聞名的植物是大麻(Cannabis sativa)。研究發(fā)現，在赤道最低緯度和高海拔地區的植物中發(fā)現了較高水平的大麻素(在3350米處比在1500米處大32%)。該協(xié)會(huì )認為，世界上這些地區的UV-B水平較高。隨后的研究表明，將植物暴露于UV-B可導致Δ9-四氫大麻酚(Δ9-THC)水平，其具有廣泛的藥用益處，在葉組織中增加高達48%，在花組織中增加32%[12]。

　　紫外線(xiàn)還可以通過(guò)減少霉菌，霉菌和某些植物害蟲(chóng)來(lái)幫助維持健康的生長(cháng)環(huán)境-所有這些都需要替代化學(xué)品，因為它們具有增強的殺菌能力。植物產(chǎn)生的紫外線(xiàn)吸收化合物可以保護它們免受太多的紫外線(xiàn)輻射，也有助于保護植物免受感染，傷害和某些植物害蟲(chóng)的侵害。就好像這些化合物改變了植物對這些害蟲(chóng)的“吸引力”。

　　室內種植者面臨的主要威脅是白粉病。然而，已經(jīng)證明紫外線(xiàn)可以顯著(zhù)減少葡萄，玫瑰植物，黃瓜，迷迭香和草莓等植物的霉菌。研究人員使用適當劑量的UV-B成功地將白粉病的嚴重程度降低了90-99%[13]。

　　UV-B光還被證明可有效減少生存螨蟲(chóng)，已知螨蟲(chóng)會(huì )破壞整個(gè)作物。在Ohtsuka和Osakabe的一項研究中，暴露于UV-B劑量的幼蟲(chóng)中只有不到6%在第二天存活，所有幼蟲(chóng)在實(shí)驗的第3天死亡[14]。

　　第三個(gè)主要威脅是灰霉病(Botrytis cinerea)，一種灰霉病或通常稱(chēng)為灰腐病，可以針對大約200種不同的物種，通常是水果或花卉，包括草莓，葡萄和大麻。這種害蟲(chóng)通常從室外進(jìn)入，然后通過(guò)空氣或鞋子和衣服傳播到室內種植室。因此，處理該害蟲(chóng)可能涉及整個(gè)室內空氣消毒和/或地板消毒系統。研究表明，使用UV-C輻射可以最有效地處理灰葡萄孢(Botrytis cinerea)孢子。Mercier等。al(2001)的UV-C劑量為440-2200 J/m?時(shí)，消毒率達到90%以上[15]。

　　在過(guò)去的幾十年中，支持紫外線(xiàn)保護作物免受霉菌，霉菌和其他植物害蟲(chóng)的益處的證據，以及增強植物藥用價(jià)值的能力已經(jīng)大大增加。然而，如何成功地將UV結合到室內生長(cháng)設施中仍然存在重大挑戰。

　　圖3：白粉病和螨蟲(chóng)對許多作物構成重大威脅，但使用紫外線(xiàn)可以大大減少

　　在考慮UV LED時(shí)，您不能僅僅停留在LED上。UV LED系統必須根據所需的UV劑量，應用所需的波長(cháng)以及相對于植物冠層的照明布局來(lái)考慮特定的LED。但是，您還必須添加熱管理，光學(xué)設計，電源和驅動(dòng)器[16]，最重要的是鏡頭材料。

　　隨著(zhù)室內生長(cháng)，確定最能滿(mǎn)足植物需求的光譜至關(guān)重要，因為不同波長(cháng)的影響取決于您在生長(cháng)周期中的位置以及特定的植物種類(lèi)。例如，在可見(jiàn)光譜中，一小部分綠光(特定物種高達24%)可能有利于支持植物生長(cháng)，但研究表明它是物種特異性的，超過(guò)50%可能有害效果[17]。將紫外線(xiàn)照射到農業(yè)照明中時(shí)也是如此-您必須清楚自己想要為植物完成的工作。

　　有幾種情況可能需要將UV集成到室內生長(cháng)設施的主要光源中。例如，白藜蘆醇是植物響應應力產(chǎn)生的藥用物質(zhì)，是通過(guò)需要波長(cháng)低于360nm的UV-A輻射的化學(xué)反應形成的。對增加特定類(lèi)黃酮或大麻素水平感興趣的種植者可能希望將UV-A，UV-B或兩者的組合作為目標，以達到其目標效果。

　　如果種植者有興趣預防特定植物有害生物的侵染，例如白粉病，蜘蛛螨，設計用于提供特定劑量的UV-B光的補充照明對于幫助控制這些植物有害生物是至關(guān)重要的。為了治療灰葡萄孢(Botrytis cinerea)，紫外線(xiàn)可以整合到設計用于室內空氣消毒的方法中，或作為有針對性的補充照明，可用于在常規治療周期中提供正確劑量的UV-C光。鑒于紫外線(xiàn)對農業(yè)的不同需求和應用，重要的是與一家了解紫外線(xiàn)應用的照明公司合作，以增強生長(cháng)和消毒/害蟲(chóng)控制。

　　無(wú)論是評估照明燈具還是單個(gè)LED組件，常見(jiàn)的方法都是比較各個(gè)制造商宣傳的光輸出測量值。但是，必須極其謹慎地確保您實(shí)際上在各種選項中比較相同的測量值，并且要注意許多產(chǎn)品/公司沒(méi)有充分披露其測試參數，包括稱(chēng)為距離的關(guān)鍵尺寸。如果不控制這些參數的差異，數字的比較就沒(méi)有意義了。

　　此外，市場(chǎng)上的許多傳感器被設計成僅測量電磁波譜的特定部分，并且可能無(wú)法正確地捕獲選擇部分，通常包括可見(jiàn)光譜的遠紅端和非可見(jiàn)光譜的UV端。例如，在使用光合光子通量密度(PPFD)專(zhuān)門(mén)評估照明選項時(shí)，重要的是要了解傳感器將捕獲傳感器校準的波長(cháng)中的任何能量。然而，并非所有波長(cháng)都攜帶相同的能量，并且所有波長(cháng)都不具有同等價(jià)值或對植物有吸引力，并且由于傳感器的測量能力的限制，許多關(guān)鍵波長(cháng)可能被排除。

　　每個(gè)光子的能量與相關(guān)電磁波的波長(cháng)成反比。波長(cháng)越短，光子的能量越大，波長(cháng)越長(cháng)，光子的能量越小。因此，紅光比黃光或綠光具有更少的能量，即使在光合作用和其他植物化學(xué)過(guò)程方面紅光更適合植物。換句話(huà)說(shuō)，產(chǎn)生大量黃光和綠光的光可以產(chǎn)生更高的PPFD讀數，但可能不會(huì )產(chǎn)生植物所需的光。

　　如果專(zhuān)門(mén)評估紫外線(xiàn)照明選項，值得一提的是，盡管有各種紫外線(xiàn)輻射計設計用于測量主要產(chǎn)生UV-C的傳統寬帶汞弧系統產(chǎn)生的紫外線(xiàn)，但它們無(wú)法正確測量紫外線(xiàn)產(chǎn)生的紫外線(xiàn)輸出。UV-LED，特別是如果您的燈光設計包含多個(gè)UV峰，這些UV峰與所使用的傳感器的目標光譜沒(méi)有特別的對應關(guān)系。許多UV-LED芯片制造商將在積分球中測量其LED的UV輸出，也稱(chēng)為Ulbricht球[18]，它可能或可能不是工廠(chǎng)實(shí)際經(jīng)歷的良好代理。

　　即使使用適當的傳感器來(lái)測量光輸出，也要采取適當的謹慎措施，工廠(chǎng)本身最終是對燈光性能和實(shí)現預期結果的最佳判斷，您應該認真考慮環(huán)境內測試以幫助驗證來(lái)自產(chǎn)品制造商的聲明。

　　在為植物選擇LED照明時(shí)，至關(guān)重要的是要記住雖然植物可能無(wú)法獲得太多光線(xiàn)，但它們肯定會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量。雖然LED比汞燈更有效，但研究表明紫外LED僅將接收輸入功率的約15-25%[19]轉換為光。剩余部分作為熱量傳遞，因此熱管理必須是系統的關(guān)鍵部分。

　　此外，當光在植物不需要的光譜區域產(chǎn)生波長(cháng)時(shí)，未被植物吸收的光子最終將轉化為需要更大冷卻成本的環(huán)境中的熱量-無(wú)論是在持續的電力需求方面，還是在前期基礎設施成本。

　　類(lèi)似于溫室上的覆蓋物，某些類(lèi)型的鏡片，例如來(lái)自HPS照明的外部玻璃夾套，實(shí)際上阻擋了大部分紫外線(xiàn)到達植物，將光轉化為熱量。

　　使用UV或甚至深藍色LED的另一個(gè)因素是大多數鏡片材料隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )經(jīng)歷顯著(zhù)的降解，導致效率降低，甚至可能導致足夠的熱量被困住以最終破壞LED本身。

　　然而，Violet Gro的專(zhuān)利技術(shù)等新技術(shù)的進(jìn)步使得紫外光源與特殊類(lèi)型的紫外透射鏡片材料相結合，可以直接和直接接觸，而不會(huì )產(chǎn)生這些不利影響。這種獨特的透鏡以及與UV LED的相關(guān)直接接觸允許更多的UV光透射并通過(guò)透鏡投射到其預期的光源，從而進(jìn)一步提高效率并降低熱輸出。這有利于LED的壽命，并且大大降低室內生長(cháng)設施的冷卻要求。

　　圖4：被鏡頭內的熱量損壞的LED示例

　　隨著(zhù)紫外線(xiàn)LED價(jià)格的不斷下降，在適當的波長(cháng)，正確的劑量以及特定植物物種生命周期的適當時(shí)間，將紫外線(xiàn)有效地納入生長(cháng)過(guò)程的能力將大大提高。這一現實(shí)將有助于進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)紫外線(xiàn)解決方案，包括確定紫外波長(cháng)和劑量的最佳組合，以實(shí)現特定植物物種的預期效果。

　　無(wú)論期望的植物生長(cháng)或害蟲(chóng)控制結果如何，對于燈的有效性和壽命，UV LED仍然需要與適當的紫外透射透鏡組合，該透鏡能夠透射紫外光而不會(huì )有降低或破壞透鏡的風(fēng)險和/或或者LED本身。