太阳紫外辐射过度暴露导致的眼部损伤主要表现为角膜炎、结膜炎、白内障、翼状胬肉等^[1-4]。为了解紫外辐射对眼部损伤，需要对环境紫外辐射进行测量^[5]，应用真人佩戴仪器进行个体暴露测量^[6-8]以及应用人体模型进行模拟个体眼部紫外辐射暴露测量^[9-11]等。紫外辐射对人体产生危害的生物损伤效应具有波长依赖性。作用光谱某个特定波长紫外辐射可引起生物反应的相对损伤效应^[12-13]。欲获得紫外辐射对眼产生损伤作用的生物有效强度则需将到达眼部的紫外光谱强度和眼损伤效应作用光谱相加权。目前少数应用水平或垂直面太阳紫外辐射与作用光谱加权^[14-16]进行研究，而应用到达眼部的紫外辐射光谱强度与眼损伤作用光谱加权构建的生物有效强度眼损伤研究较少。本研究采用人体模型和光纤光谱仪采集的到达眼部紫外辐射光谱数据，并与角膜损伤^[17]、结膜损伤^[18]、晶体损伤^[19]作用光谱相加权，计算对应的生物有效强度，旨在阐明眼部暴露与环境紫外辐射的光谱差异性，指导公众正确认知眼部紫外线暴露的危险时段。结果报告如下。

AvaSpec-2048×14-2-USB2型光纤光谱仪(荷兰Avantes B.V公司)，具有高量子效率和高紫外灵敏度的薄型背照式CCD光谱仪。它基于AvaBench-75光学平台，采用对称式Czerny-Turner光路设计，采用2 048×14个像素的高紫外灵敏度CCD面阵探测器，尤其适合较弱强度和高分辨率方面的应用监测；光谱仪的半波峰宽度为2.0 nm，杂散光 < 0.1%，信噪比约为500 dB。光谱仪使用的衍射光栅的光栅线对数为1 200线/mm，闪耀波长为250 nm，狭缝宽度为200 μm；配置16位AD转换卡和高速USB 2.0接口，可实现每秒450幅光谱的超高速采样速率，每幅光谱图的传输速度为2.24 ms。本研究使用的光纤探头为余弦校正器CC-UV/VIS，其有效直径为3.9 mm，采用特氟龙(聚四氟乙烯)漫射材料，对200~800 nm谱段优化，可接收180°视场角的光线。仪器定标由英国国家物理实验室(National Physical Laboratory, NPL GB)完成，光谱范围为200~400 nm。

旋转式眼部紫外辐射暴露模型(中国医科大学公共卫生学院环境卫生教研室自制)，从上至下由人体头部模型、支架及转盘3部分组成，整体高度约1.70 m；人体模型眼部中心距地面高度约1.6 m，2眼中心水平距离约6 cm；眉弓最高点距眼表面水平距离约0.6 cm；光纤光谱仪的一个探头置于模型右眼中心眼表面最前位置，用于进行眼部紫外暴露强度的监测。眼部探头的视线低于水平面约10°，眼视角(field of the view, FOV)约139°(上视角约58°，下视角约81°)。光纤光谱仪另一探头位于模型头顶水平位置，用于进行水平环境紫外辐射强度的监测。

监测地点为海南省三亚市海棠湾镇(18.4°N, 109.7°E, 海拔约18 m)。监测地点为5层楼楼顶，楼顶为铺有沥青的水泥地面，视线范围内无遮挡。

(1) 监测时间：选择当地年最高太阳高度角日附近几天进行。三亚市位于北回归线(23.5°N)以南，其在一年中有2次太阳直射(年最高太阳高度角日)分别出现在5和7月，5月当地雨水较多，故选择在7月份进行监测。(2) 天气条件：天气条件的选择遵循首选晴朗天气原则、天空中尽量无云或少云，远方地平线附近的少量云可忽略不计。在一天的监测过程中云少时进行，云多有遮挡停止监测，待云量减少后进行。

在监测开始前将模型转速设定为1 r/min(360°)，匀速顺时针旋转，相当于6°/s。同时, 将光纤光谱仪监测模式调整为每隔1秒收集1次数据，且每次监测时长1 min，确保每次监测模型正好旋转1周，并收集到眼和环境各60组不同波长的光谱数据，代表1周60个不同地理朝向，数据单位为μw cm^-2nm^-1。在监测时，每次监测人体模型均以模型眼部正对太阳方向作为起始位置，并顺时针旋转进行监测，2次监测时间间隔5 min。

监测获得的数据由光纤光谱仪自带的“AvaSoft 7.4 for USB 2.0”软件处理为Microsoft Excel格式，此时的数据是眼部暴露数据和环境监测数据分开表示的数据，该光谱数据不是间隔1 nm的整波长数据，需要使用OriginPro 8.0数据处理软件计算整波长的光谱数据。在整波长的光谱数据基础上应用OriginPro 8.0软件对300~400 nm波长紫外辐射积分求得UVB(ultraviolet B)段紫外辐射强度值。本研究以模型正对太阳时眼部的监测数据作为最大暴露值，模拟人体眼部紫外辐射的最大暴露状态。

生物有效紫外辐射强度是由实际监测获得的紫外光谱辐射强度值与对应的作用光谱相加权，计算公式如下：

式中S(λ)代表监测获得的紫外光谱辐射强度值，A(λ)代表特定损伤效应在某一波长作用光谱权重系数值，d(λ)是光谱的波长间隔，为1 nm。本研究应用的角膜、结膜、和晶体损伤作用光谱，其开始波长均为300 nm，而截止波长分别为318、310和371 nm，所有光谱均呈现线性分布间隔1 nm。

紫外辐射暴露剂量计算公式如下：

式中S(λ)代表监测获得的紫外光谱辐射强度值，T代表暴露紫外辐射的时间间隔。本研究监测时间从北京时间(China standard time, CST)8:00到18:00。

图 1

图 1 环境不同波长辐射强度随时间日间分布

图 2

图 2 眼部暴露不同波长辐射强度随时间日间分布

在紫外光谱300~320 nm范围内以5 nm为间隔，在320~400 nm范围内以10 nm为间隔共选择13个波长，分别为300、305、310、315、320、330、340、350、360、370、380、390和400 nm。在时间相同时，环境和眼部不同波长辐射强度值分布与波长呈正相关(图 1、2)。环境紫外辐射不同波长辐射强度随时间分布呈单峰状，最大值出现在北京时间13：00左右，最大值范围从2.8 μw cm^-2nm^-1(300 nm)~161.5 μw cm^-2nm^-1(400 nm)(图 1)。眼暴露紫外辐射的日间分布与环境不同，呈双峰分布，峰值出现在北京时间10：00[最大值范围从0.7 μw cm^-2nm^-1(300 nm)~65.4 μw cm^-2nm^-1(400 nm)]和16：00左右[最大值范围从0.7 μw cm^-2nm^-1(300 nm)~66.2 μw cm^-2nm^-1(400 nm)](图 2)。

图 3

图 3 不同时间点环境紫外辐射光谱

图 4

图 4 不同时间点眼部暴露紫外辐射光谱

从光谱分布形状上看无论是环境还是眼部暴露紫外辐射，所有不同时间点的光谱分布几乎一致，均呈现在300~320 nm的UVB段随波长变长值增高，中间没有波峰与波谷；而在320~400 nm的UVA段，总体是随波长变长值增高，但是中间分布波峰与波谷。环境紫外辐射值是13：00左右最高(图 3)，而眼部暴露紫外辐射是10：00和16：00左右最高(图 4)。

图 5

注：A：角膜损伤；B：结膜损伤；C：晶体损伤。 图 5 1 h间隔眼部暴露生物有效紫外辐射光谱

图 5A、B和C分别表示每1 h间隔不同时间点眼部暴露各波长眼角膜损伤、结膜损伤和晶体损伤生物有效紫外辐射分布。结果显示，眼角膜损伤、结膜损伤和晶体损伤紫外辐射光谱截止波长分别为318、310和371 nm；眼部暴露结膜损伤有效紫外辐射在所有时间点上均呈现随波长增加辐射减小趋势，10：00，300 nm最大值约为0.004 6 μw cm^-2nm^-1。眼暴露角膜损伤和晶体损伤有效紫外辐射分布，在18：00，均呈现随波长增加辐射减小趋势，而在其它时间点，角膜损伤辐射在311 nm出现峰值，在305 nm出现谷值，晶体损伤辐射在307 nm出现峰值；10：00，311 nm角膜损伤最大辐射值约为0.300 0 μw cm^-2nm^-1，而307 nm晶体损伤最大辐射值约为0.440 0 μw cm^-2nm^-1。

本研究结果显示，环境紫外辐射不同波长辐射强度随时间成钟形的单峰分布，最大值出现在北京时间13：00左右；眼暴露紫外辐射的日间分布与环境暴露日间分布不同，呈双峰分布，眼部暴露的峰值出现在北京时间10：00和16：00左右；9：00—10：00和15：00—16：00是除中午以外对眼损伤的高危时间段。

紫外辐射作用于人体的生物效应取决于对生物有效损伤强度。Parisi等^[14]在澳大利亚(27.5 °S，海拔693 m)监测水平环境紫外辐射并与眼损伤光谱权重加权，求得水平环境紫外辐射对应的角膜和晶体生物损伤有效值，结果显示，生物有效强度在3个不同太阳天顶角(solar zenith angle，SZA)上的分布呈现同一波长眼损伤有效强度是SZA越小值增大，在SZA 6°角膜和晶体损伤有效光谱辐射强度的最大值，分别在2和3 μw cm^-2nm^-1左右。本研究结果显示，同一波长角膜、结膜、晶体眼损伤生物有效辐射强度随太阳高度角分布呈现在10：00和16：00(太阳高度角50°)出现最大值，并且角膜损伤和晶体损伤的最大有效辐射强度分别为1.6和2.5 μw cm^-2nm^-1。本研究结果与Parisi等^[14]结果不同。差异可能与下列因素有关：(1) 监测地点海拔差异：Parisi等研究地点海拔693 m，而本文是18 m，海拔不同可能造成紫外辐射强度上的差异。有文献表明海拔每增加1 000 m，320 nm紫外辐射强度降低20%，300 nm紫外辐射强度降低30%^[20]；(2) Parisi等未标明监测地表面物质及是否无遮挡，而本文是在沥青屋顶进行监测，监测结果可能受到地面反照率影响^[21-22]；(3) Parisi等是应用水平环境数据，而本文是测量到达眼部的眼暴露数据。

本研究结果显示，角膜损伤光谱强度在311 nm出现峰值，在305 nm出现谷值；结膜损伤在303 nm出现峰值；晶体损伤光谱强度在307 nm出现峰值，类似钟形曲线分布。提示，不同部位眼损伤的强效应波长不同。生物有效强度是由作用特定部位的紫外辐射强度和对应作用光谱相加权构建的。任何影响监测获得的紫外辐射光谱构成的因素发生改变，生物损伤有效强度就会变化。研究表明云和大气污染对紫外辐射的影响具有波长依赖性^[23]。不同气候，不同污染程度，尤其是乌云和严重环境污染条件下可能会得到不同的结果。因此，在进行眼部紫外辐射暴露评估时，还应充分考虑各种气候条件以及空气污染程度等因素。