專利名稱：差異光化學(xué)和光力學(xué)加工的制作方法
背景技術(shù)：
很多人都知道需要減少對(duì)合成化學(xué)品和抗生素，以及殺蟲劑和除草劑的使用和依賴。很明顯，除非出現(xiàn)安全的替代品，它們對(duì)醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和整個(gè)社會(huì)的影響非常巨大。每年無(wú)數(shù)劑量的抗生素和其它藥品用于控制各種病痛和感染，人類和作物使用無(wú)數(shù)化學(xué)品和放射線，頭上有虱子的兒童使用含殺蟲劑的香波。在它們有效對(duì)抗大量疾病和蟲害的同時(shí)，由于這些化學(xué)品對(duì)環(huán)境和人類健康的威脅，其使用也日益受到公眾關(guān)注。
發(fā)現(xiàn)病原微生物、細(xì)菌或害蟲產(chǎn)生對(duì)化學(xué)品、抗生素、藥品或殺蟲劑的抗性不再是什么新聞，在目標(biāo)病原或害蟲開(kāi)始出現(xiàn)對(duì)新化學(xué)品的抗性之前，農(nóng)學(xué)家和醫(yī)生只能預(yù)期5到10年的有效期，因此必須發(fā)現(xiàn)替代品。根據(jù)食品質(zhì)量保護(hù)法案和清潔空氣法案，很多最有效的殺蟲劑和除草劑正待去除。這些立法開(kāi)始考慮環(huán)境問(wèn)題，但是準(zhǔn)備放棄這些化學(xué)品使全球的農(nóng)學(xué)家再次感受到緊迫，必須找到方法保持它們的經(jīng)濟(jì)壽命和國(guó)際貿(mào)易狀況。同時(shí)很多抗生素使用方法不正確或其效力正在不完全降低。
光化學(xué)和光力學(xué)反應(yīng)是本申請(qǐng)的兩項(xiàng)內(nèi)容。光化學(xué)反應(yīng)是光尤其是紫外光影響或引發(fā)的反應(yīng)。選擇性光化學(xué)加工是尖端的無(wú)污染加工或處理方法。光力學(xué)反應(yīng)是一個(gè)名詞，我們用來(lái)描述由電磁能(EME)引起的分子力學(xué)反應(yīng)，彎曲、伸長(zhǎng)、搖擺、旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)是物理或力學(xué)動(dòng)作。下面有更詳細(xì)的解釋。本發(fā)明中每種應(yīng)用可專門設(shè)計(jì)選定波長(zhǎng)，使光(電磁能)只影響目標(biāo)或感染，而不影響接受治療或處理的人或農(nóng)產(chǎn)品。
準(zhǔn)備治療或處理的對(duì)象或產(chǎn)品以及相關(guān)目標(biāo)或感染接受測(cè)試確定光譜特性。比較從宿主和目標(biāo)或感染收集的光譜，考慮使用表現(xiàn)最高或最有效差異吸收的頻率進(jìn)行加工。然后評(píng)估所考慮頻率的可用性、功率轉(zhuǎn)換效率，有效通量密度、發(fā)射帶寬、過(guò)濾或頻率調(diào)節(jié)后的效率，以及宿主在所考慮波長(zhǎng)的透過(guò)性。
選定波長(zhǎng)后進(jìn)行輻射密度測(cè)試。如果宿主是非消耗品則進(jìn)行體外測(cè)試。對(duì)于可進(jìn)行破壞性測(cè)試的宿主(如食品包括谷物或生肉或魚，或涂料)，可對(duì)產(chǎn)品樣品增加選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度，直至確定對(duì)宿主產(chǎn)生有害作用的程度。目標(biāo)或感染也以同樣方式處理并監(jiān)測(cè)死亡或一或多種代謝功能的破壞。由此確定吸收差異和加工參數(shù)。加工時(shí)間受幾個(gè)因素限制，其中第一個(gè)是差異吸收的數(shù)量級(jí)。如果有在需要波長(zhǎng)處具有窄帶發(fā)射能力的高強(qiáng)度源，具有高度差異吸收的宿主和相關(guān)感染可以有非常短的處理時(shí)間。宿主和相關(guān)感染差異吸收低時(shí)，優(yōu)選在幾個(gè)差異點(diǎn)用合適波長(zhǎng)進(jìn)行處理。多模式加工，或多波長(zhǎng)處理可以使用不引起宿主有害作用的任何或所有波長(zhǎng)。感染與宿主的接近程度(目標(biāo)在宿主內(nèi)部或位于其表面)也是一種因素。如果感染在宿主內(nèi)部，宿主必須對(duì)治療波長(zhǎng)有一定程度的透過(guò)性，以使能量可達(dá)到感染處，或者宿主有能力傳導(dǎo)或傳遞選定能量到感染位置。如果感染位于宿主表面，宿主只需不吸收或反射治療波長(zhǎng)即可。表面感染允許使用更多波長(zhǎng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)物質(zhì)有很少的穿透波長(zhǎng)。最后，需要考慮產(chǎn)品的物理狀態(tài)、以及運(yùn)送產(chǎn)品到暴露位置的方法。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明涉及將物體選擇性暴露在單位波長(zhǎng)具有足夠通量密度的特定波長(zhǎng)電磁(EM)能，以引起或促進(jìn)預(yù)期作用。該方法包括但不限于，破壞、消毒、變性、殺蟲、分解或脫水一或多種物質(zhì)。更具體地，本發(fā)明涉及將物體，其中可含多種物質(zhì)的混合物，置于具有光譜特性的電磁能中，以利用物質(zhì)內(nèi)或物質(zhì)混合物內(nèi)的光譜學(xué)差異。施加能量以引起由吸收差異導(dǎo)致的波長(zhǎng)依賴的反應(yīng)，這種外加能量表現(xiàn)在分子振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和電以及磁狀態(tài)的自身改變或量子躍遷。一般來(lái)說(shuō)，該方法使用的波長(zhǎng)范圍從約1光秒到約10電子伏，或具有小于電離能的能級(jí)的波長(zhǎng)。
由于害蟲或病原不能產(chǎn)生對(duì)熱或電磁(EM)能吸收的抗性這一事實(shí)，本發(fā)明的差異吸收方法具有優(yōu)于化學(xué)品的優(yōu)點(diǎn)。另外，本方法不需要新化學(xué)品或藥品注冊(cè)的時(shí)間和費(fèi)用，并且可得到良好的放大測(cè)試結(jié)果供實(shí)施。本方法使用的頻率不能斷開(kāi)化學(xué)鍵。優(yōu)選地，所用頻率沒(méi)有足夠能量斷裂化學(xué)鍵，并且不使用電離能?；瘜W(xué)鍵可以解離、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，但不被斷裂。本方法不能造成產(chǎn)品的化學(xué)變化，因此，特別適用于有機(jī)和商業(yè)應(yīng)用。
科學(xué)家使用紅外(IR)光譜進(jìn)行定量和定性分析已有幾十年，近些年更加優(yōu)化。現(xiàn)在IR光譜可檢測(cè)傳送帶上谷物中的病原，新開(kāi)發(fā)的紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)谷倉(cāng)中的蟲害。本發(fā)明的方法不僅檢測(cè)，而且利用產(chǎn)品和害蟲的光譜吸收差異。通過(guò)其對(duì)于所有不同類型物質(zhì)的獨(dú)特作用，本方法使用電磁(EM)能促進(jìn)不同類型物質(zhì)的反應(yīng)。
期望作用期望作用用于描述通過(guò)使用本方法而得到的預(yù)定的積極結(jié)果。它包括但不限于，破壞、消毒、變性、殺蟲、分解、脫水、標(biāo)記、標(biāo)簽、照明(illuminate)一或多種物質(zhì)。照明物質(zhì)是通過(guò)設(shè)計(jì)的方法將物質(zhì)暴露于特定的EME波長(zhǎng)，以引起物質(zhì)發(fā)射或再發(fā)射能量，來(lái)幫助鑒定或排除特定物質(zhì)。標(biāo)記物質(zhì)是一種期望作用，其中物質(zhì)的感染或不期望成分可被改變或激發(fā)，從而可被參考。標(biāo)簽或指定目標(biāo)具有吸引化學(xué)品、催化劑、藥劑、nanobot等的期望作用。脫水是選擇性地減少宿主或宿主的某些部分中存在的水或溶劑的百分比。破壞物質(zhì)引起過(guò)程被阻斷或物理性能被改變，以此方式使功能喪失。殺蟲是指通過(guò)選擇性方法去除宿主的某些類型的感染，這些方法將殺死或驅(qū)除害蟲或形成一種對(duì)害蟲有害或其不耐受的環(huán)境。變性是指通過(guò)加熱而改變蛋白，以此方式，作為蛋白分子結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果，導(dǎo)致其原始特性如溶解性被改變，從而用EME作為變性劑。消毒是指通過(guò)將物質(zhì)置于對(duì)某些物質(zhì)有作用的EME中使之死亡，從而對(duì)物質(zhì)滅菌，使其沒(méi)有活生物。
附圖簡(jiǎn)述

圖1表示作為波長(zhǎng)函數(shù)的DNA吸收2表示作為溫度函數(shù)的DNA吸收?qǐng)D，表明雙鏈DNA的溶鏈溫度圖3表示稻米成分的近紅外(IR)吸收光譜圖4表示 果蝽的吸收光譜圖5表示線蟲和鱈的吸收光譜圖6表示甲殼素的拉曼光譜發(fā)明詳述節(jié)肢動(dòng)物普通生物學(xué)就物種數(shù)目、全部個(gè)體數(shù)、總質(zhì)量及其廣泛生活于所有陸地來(lái)說(shuō)，節(jié)肢動(dòng)物是地球上最成功的生物，節(jié)肢動(dòng)物門分為三個(gè)亞門螯肢亞門(蝎，蛛，蜱，螨)，甲殼亞門(片腳類，等腳類，陸蟹)，和單肢亞門(昆蟲，蜈蚣，百足蟲)。這些亞門大約包含一百萬(wàn)種已知物種，在任何給定時(shí)間估計(jì)有1018個(gè)個(gè)體。
節(jié)肢動(dòng)物確定的特征之一是具有堅(jiān)硬的外骨骼或角質(zhì)層。角質(zhì)層是非細(xì)胞的多層膜，覆蓋單層上皮細(xì)胞，從其分泌形成多層膜。雖然各種節(jié)肢動(dòng)物之間硬度、厚度和組成不同，但整個(gè)門的角質(zhì)層的基本結(jié)構(gòu)和目的相似。角質(zhì)層一般分為兩層薄的最外層的上角質(zhì)層，和下面的前表皮。前表皮含硬化的甲殼素-蛋白質(zhì)復(fù)合物，它們決定了角質(zhì)層的形狀和強(qiáng)度(與之比較，連接骨片和附屬體節(jié)的節(jié)肢膜保持高度柔性和彈性，因?yàn)槠涞鞍孜幢挥不?。前表皮也包含一些脂質(zhì)和蠟質(zhì)，但與上角質(zhì)層的程度不同。前表皮中脂肪和蠟質(zhì)條紋狀分布成多個(gè)水平層，包括角質(zhì)層表面上的表面沉積層。盡管非常薄(0.1-3μm)，通過(guò)外層位置和化學(xué)成分的疏水性，上角質(zhì)層提供節(jié)肢動(dòng)物角質(zhì)層主要的防水?dāng)U散屏障。
生理學(xué)廣泛研究和很多綜述(Blomquist and Jackson，1979；Blomquist andDillwith，1985；Blomquist，1987；Hadley，1981；Lockey，1985，1988；Renobles，1991)已經(jīng)表明上角質(zhì)層性質(zhì)很復(fù)雜。其提取物典型含有直鏈和甲基支化的烴(飽和及不飽和)，蠟和固醇酯，酮-醇的乙酸酯，酮，醇，醛，和游離脂肪酸。
與其作為節(jié)肢動(dòng)物的水屏障作用相關(guān)聯(lián)，上角質(zhì)層表面主要是非極性成分，如直鏈烴(正烷烴)。在幾乎所有研究的節(jié)肢動(dòng)物中這些正烷烴長(zhǎng)度為20到37個(gè)碳原子之間的奇數(shù)鏈。支鏈烴包括單甲基-，二甲基-，和更少見(jiàn)的三甲基烷烴，它們通常伴隨正烷烴出現(xiàn)。此外，約50％的研究物種中發(fā)現(xiàn)上角質(zhì)層含有烯烴(不飽和烴)，不飽和度為一、二，偶爾是三。
也發(fā)現(xiàn)上角質(zhì)層含全部烴氧化衍生物，平均鏈長(zhǎng)10到32個(gè)碳原子的飽和和不飽和脂肪酸的混合物是其常見(jiàn)成分，其中少于一半的已分析物種中發(fā)現(xiàn)有游離醇。蠟酯也經(jīng)常伴隨烴出現(xiàn)，根據(jù)醇和脂肪酸成分的復(fù)雜程度，蠟也由簡(jiǎn)單到復(fù)雜分布。在黑寡婦蜘蛛、沙地蟑螂和介殼蟲中發(fā)現(xiàn)這些蠟主要是表面脂質(zhì)。
穩(wěn)態(tài)水對(duì)于節(jié)肢動(dòng)物維持穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞環(huán)境(溫度、pH、電解質(zhì)濃度等)的動(dòng)態(tài)平衡非常關(guān)鍵。水對(duì)于維持恒定的內(nèi)部溫度特別重要，盡管環(huán)境溫度有波動(dòng)。因?yàn)槠潴w型小，表面積/體積比高，節(jié)肢動(dòng)物迅速?gòu)沫h(huán)境中獲得熱量。為抵消這種熱量獲得，它們使用蒸發(fā)冷卻，這要求節(jié)肢動(dòng)物以大致與其表面積成比例的速率蒸發(fā)水(汗)。熱量獲得和大表面積的組合要求節(jié)肢動(dòng)物將其小體積的大部分用于儲(chǔ)存水。隨著時(shí)間節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)化出疏水上角質(zhì)層，幫助保存水分并調(diào)節(jié)其蒸發(fā)。沒(méi)有上角質(zhì)層，陸地節(jié)肢動(dòng)物將不能維持恒定的內(nèi)部溫度或保留足夠的水分，并將迅速干掉。
昆蟲的紅外標(biāo)定(targeting)角質(zhì)層對(duì)于昆蟲的存活極其重要，因?yàn)榧讱に厥墙琴|(zhì)層的主要結(jié)構(gòu)成分，它是理想的選擇性殺蟲劑靶點(diǎn)。然而，使用殺蟲劑不是昆蟲控制和根除的惟一可行方案。昆蟲身體的幾個(gè)區(qū)域可以作為靶點(diǎn)，涉及角質(zhì)層、甲殼素或其它不同材料，它們對(duì)紅外或微波有反應(yīng)。例如，昆蟲的感覺(jué)結(jié)構(gòu)，如復(fù)眼、鼓膜和觸角可作為靶點(diǎn)，導(dǎo)致昆蟲盲、聾，不能定向或找到配偶。
優(yōu)選地，已經(jīng)知道暴露于紅外光源的昆蟲表現(xiàn)感覺(jué)困難而沒(méi)有識(shí)別光源的行為。暴露于標(biāo)準(zhǔn)光源時(shí)，昆蟲反應(yīng)并因而逃離。有些昆蟲生理上對(duì)紅波長(zhǎng)的光幾乎是瞎子，但可以看到相當(dāng)多的紫外光波長(zhǎng)。由這些實(shí)驗(yàn)記錄的現(xiàn)象，Menzel推論，這些昆蟲(例如雙翅目)沒(méi)有紅光(可見(jiàn)光)受體。這種紅色盲是缺乏接收長(zhǎng)波輻射的色素的結(jié)果。然而，在紫外敏感色素和500、450或350nm的最大敏感光譜之間昆蟲具有強(qiáng)烈的視覺(jué)相關(guān)性，這些色素允許昆蟲對(duì)天空散射光譜分布作出反應(yīng)。與窄帶寬的輻射相比，昆蟲對(duì)天然的散射光有更強(qiáng)的視覺(jué)反應(yīng)，換句話說(shuō)，當(dāng)暴露于散射光時(shí)，它們跑、跳或飛離。因此，紅外波長(zhǎng)對(duì)節(jié)肢動(dòng)物保持透明(不可見(jiàn))。節(jié)肢動(dòng)物角膜由透明角質(zhì)層構(gòu)成，因此蜘蛛和昆蟲的眼可由本發(fā)明的方法進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)組織脫水，紅外透入角膜(或鼓膜)將能破壞視覺(jué)(或聽(tīng)覺(jué))功能，發(fā)生組織再水合之前，引起組織損傷，并表現(xiàn)隨后的色盲(或脫敏)以及因此存在對(duì)處理后昆蟲存活能力的挑戰(zhàn)。
另外，觸角功能和腿部運(yùn)動(dòng)與角質(zhì)層有關(guān)。正常情況下角質(zhì)層已被硬化，使之更干更硬，通過(guò)蛋白-甲殼素交聯(lián)抵抗降解。然而在關(guān)節(jié)處，角質(zhì)層沒(méi)有硬化以保持柔性。這種“弱點(diǎn)”意味著IR照射可以改變內(nèi)部甲殼素保留組織中水的能力，而水對(duì)于運(yùn)動(dòng)是必要的(附肢肌肉，連接組織，骨節(jié)(關(guān)節(jié)組織))，這種改變可引起昆蟲關(guān)節(jié)損傷，從而使昆蟲喪失能力。
普通生物學(xué)-微生物微生物在地球上已出現(xiàn)35億年。由此證明它們適應(yīng)性非常強(qiáng)，廣泛分布，且多種多樣。事實(shí)上，二十億年前早期細(xì)菌建立的主要代謝途徑至今仍是生命形式的特征。連續(xù)增殖和適應(yīng)性的延續(xù)確保細(xì)菌和真菌的生理和生化是對(duì)環(huán)境變化的幾十億年遺傳應(yīng)答的反映。
微生物分類基于1969年R.H.魏特克系統(tǒng)，他建議根據(jù)三種主要營(yíng)養(yǎng)模式可分為5個(gè)界。分別是原核生物界(細(xì)菌)，原生生物界(主要是藻類和原生動(dòng)物)，植物界(植物)，真菌界(酵母和霉菌)和動(dòng)物界(線蟲，蛔蟲，絳蟲/吸蟲和其它門)。前兩個(gè)界是基礎(chǔ)，其它三個(gè)界由其進(jìn)化而來(lái)。這個(gè)系統(tǒng)所基于的營(yíng)養(yǎng)模式是植物界(光合作用)，真菌界(營(yíng)養(yǎng)吸附吸收)，和動(dòng)物界(營(yíng)養(yǎng)攝入吸收)。另外，非細(xì)胞傳染性物質(zhì)如病毒(動(dòng)物宿主)，類病毒(植物宿主)，朊病毒(傳染性蛋白)，和病毒粒(宿主蛋白包被的核酸)屬于微生物的一部分，也應(yīng)該在分類學(xué)中包括。
真菌生理學(xué)-甲殼素真菌甲殼素化學(xué)性質(zhì)與節(jié)肢動(dòng)物的相同，除了一類也在細(xì)胞質(zhì)包含顆粒中發(fā)現(xiàn)的以外，限定于所有真菌的細(xì)胞壁。真菌中，甲殼素的作用是維持細(xì)胞壁形狀和硬度。真菌細(xì)胞壁主要由多糖和少量脂質(zhì)，蛋白和其它無(wú)機(jī)離子組成。多糖在兩種主要結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)線狀微纖維和組織性較低的基質(zhì)。細(xì)胞壁主要結(jié)構(gòu)成分-微纖維的結(jié)構(gòu)，是多糖鏈互相纏繞形成粗壯的線狀。這些線深入基質(zhì)中，基質(zhì)是未結(jié)構(gòu)化的顆粒狀較小多糖的聚集體。基質(zhì)也含有蛋白和脂質(zhì)，它們一般分別占少于基質(zhì)重量的10％和8％。真菌壁類似于增強(qiáng)混凝土，微纖維類似鋼筋而基質(zhì)類似混凝土。
微纖維本身由甲殼素，纖維素或其它非纖維素葡聚糖組成。甲殼素結(jié)構(gòu)是未分支的β-1，4-連接的N-乙酰-D-葡糖胺單元的聚合物。幾種主要真菌的細(xì)胞壁中甲殼素的存在是真菌不同于高等植物的獨(dú)特特征。真菌分類的基礎(chǔ)之一是基質(zhì)多糖和微纖維，因?yàn)榛|(zhì)中的糖分布可以將一類真菌區(qū)分于另一類真菌。
真菌細(xì)胞壁和特定生命周期結(jié)構(gòu)中甲殼素的量(干重)不同。一種Mucor rouxii的孢囊柄(形成子實(shí)體的孢子)中甲殼素含量是18％干重。其它真菌細(xì)胞壁可含有39％到58％干重的甲殼素。在真菌膜中磷脂和鞘脂是主要脂質(zhì)，它們是極性分子，含親水頭部和長(zhǎng)的疏水尾巴。質(zhì)膜是細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)者，由等量脂質(zhì)和蛋白和少量糖組成，有時(shí)也可發(fā)現(xiàn)核酸。
需要說(shuō)明，一種曲霉中細(xì)胞壁甲殼素含量恰好在芽管出現(xiàn)之前增加。細(xì)胞成分如甲殼素濃度的改變已被用于鑒定真菌生長(zhǎng)，特別是評(píng)價(jià)植物病原真菌的生長(zhǎng)。根據(jù)格里芬，通過(guò)抑制甲殼素合成來(lái)控制病原真菌好像是選擇性殺真菌劑的理想作用機(jī)制，不會(huì)有對(duì)宿主的有害副作用。然而，非常少的殺真菌劑發(fā)現(xiàn)有這種活性。然而，因?yàn)榧讱に赜蠭R活性，通過(guò)用窄帶光差異加工破壞真菌的甲殼素(因而破壞細(xì)胞壁)的方法可以是化學(xué)殺真菌劑的實(shí)際選擇。甲殼素的拉曼光譜見(jiàn)圖6。
分子振動(dòng)躍遷和紅外光譜所有物質(zhì)都由原子和分子組成。分子中原子通過(guò)其電子的三維排列被拉到一起。一些物質(zhì)中原子帶電成分(帶正電的核和繞核帶負(fù)電的電子)的排列對(duì)稱，物質(zhì)的任何區(qū)域沒(méi)有凈電荷積累(偶極距)。這種非極性物質(zhì)不能與振蕩電場(chǎng)(光)相互作用，因此完全透過(guò)微波和紅外輻射。分子氧和氮(O2和N2)，空氣的兩種主要成分就是非極性分子的例子，它們都是同核雙原子分子，因?yàn)槠鋵?duì)稱性而沒(méi)有凈偶極距或電荷。與振蕩電場(chǎng)的相互作用并從而吸收微波和紅外輻射只能在物質(zhì)有不均勻電荷分布(偶極距)的情況下發(fā)生。這些極性分子如二氧化碳(CO2)和水(H2O)在外加電場(chǎng)下象微小磁體一樣試圖按其偶極距沿電場(chǎng)排列，并且不對(duì)抗電場(chǎng)的電荷。因?yàn)闃O性分子能與振蕩電場(chǎng)(光)發(fā)生這種相互作用，這些分子有能力吸收紅外和微波輻射。
如上所述，極性分子能吸收電磁(EM)光譜中任何波長(zhǎng)的光能。EM譜包括的光波長(zhǎng)范圍非常寬，可人為分成幾個(gè)區(qū)域。這些區(qū)域列表如下
分子吸收一個(gè)光子(一小份光能)時(shí)，分子能量增加這個(gè)光子的能量。光子能量(E光子)與其波長(zhǎng)(λ)成反比(波長(zhǎng)越短能量越高)，有以下關(guān)系E光子＝hc/k(h和c是常數(shù))。光子也可以用光頻率(v)描述，它與波長(zhǎng)有以下關(guān)系v＝c/λ。分子吸收一個(gè)光子的能量改變(ΔE)用頻率表示等于hv。這種外加能量表示其分子自身在電子、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變，稱為量子躍遷。對(duì)于本發(fā)明的方法，一般來(lái)說(shuō)，主要關(guān)注波長(zhǎng)小于1光秒和能量小于10電子伏的EM能。微波輻射吸收引起分子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)之間的躍遷，而紅外輻射引起振動(dòng)狀態(tài)之間的躍遷。下面將詳細(xì)討論紅外輻射吸收。
盡管分子可以吸收IR輻射，但它們并不能連續(xù)吸收全范圍的波長(zhǎng)。物理學(xué)原理決定每個(gè)極性位點(diǎn)只對(duì)應(yīng)某種能量，因此只有對(duì)應(yīng)于所涉及化學(xué)鍵和原子的某種能量(量子力學(xué)中的“量子”)可以被吸收。如果把化學(xué)鍵比作兩個(gè)重物(原子)之間的彈簧，它可以當(dāng)作經(jīng)典力學(xué)中的諧振器。就象彈簧，當(dāng)從其平衡位置被拉伸時(shí)化學(xué)鍵產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力，這種力使原子以諧振方式(單擺運(yùn)動(dòng))移回其平衡位置?；瘜W(xué)鍵在拉伸位置的勢(shì)能(V，系統(tǒng)作功的能量)是位移(x)的拋物線函數(shù)，如下式表示V＝1/2kx2。常數(shù)k是鍵力常數(shù)，是該化學(xué)鍵的特征之一。以單位N/m2(牛頓每平方米)表示，k與鍵強(qiáng)度成正比，這種張力就象諧振器。因?yàn)榉肿诱駝?dòng)是量子化的，諧振器的薛定諤方程可表示為
解該方程，計(jì)算允許能級(jí)以及允許分子振動(dòng)躍遷，得 其中v是振動(dòng)量子數(shù)，等于0，1，2，3…且其中 。變量μ是此處所述兩原子系統(tǒng)的質(zhì)量降低值，等于μ=[1m1+1m2]-1]]>其中m1和m2是對(duì)應(yīng)原子的質(zhì)量。設(shè)想一個(gè)原子比另一個(gè)更重，較小原子比較大原子將發(fā)生更大位移，因此系統(tǒng)振動(dòng)頻率受更大影響，這樣就容易理解系統(tǒng)質(zhì)量損失。
能級(jí)本身很少用于實(shí)驗(yàn)，而振動(dòng)能級(jí)之間的能量差異更重要，這些能量差異等于分子將吸收的光子能量，此處是簡(jiǎn)單的異核雙原子分子如HCl(氫氯酸)。為計(jì)算這些能級(jí)之間的差異，連續(xù)量子數(shù)插入能量表達(dá)式并互相減去 因?yàn)樵摫磉_(dá)式用一般量子數(shù)導(dǎo)出，可以看到所有振動(dòng)能級(jí)之間的能量差異都是等價(jià)的，得到一個(gè)均勻的梯狀間隔的分子振動(dòng)結(jié)構(gòu)。很有趣的是基態(tài)振動(dòng)能級(jí)的能量(v＝0)不是0 明顯這是因?yàn)樗馕吨I振動(dòng)從不停止，甚至在最低能量狀態(tài)也是如此，原子在平衡位置附近連續(xù)振動(dòng)。
然而，雖然分子可以在各振動(dòng)能級(jí)之間躍遷，但并非所有躍遷都被允許。遵守量子力學(xué)定律的選擇規(guī)律決定允許哪些躍遷。任何分子與EM場(chǎng)相互作用最一般的選擇規(guī)律上面已經(jīng)給出為吸收紅外范圍的光子，分子必須至少具有一個(gè)躍遷偶極距(電荷重排)，其振動(dòng)頻率與光子相同。(為吸收微波輻射以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)躍遷，分子必須在期望頻率具有永久偶極距)。
對(duì)于振動(dòng)躍遷有更具體的選擇規(guī)律振動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)v只能改變1(Δv＝±1)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)分子室溫下處于振動(dòng)基態(tài)，最優(yōu)勢(shì)的振動(dòng)光譜躍遷是代表v(0→1)吸收的單線態(tài)。然而這種簡(jiǎn)單光譜不能在元素分子中看到；有幾個(gè)因素作用于回旋振動(dòng)光譜。首先，對(duì)于有永久偶極子的分子，因微波躍遷引起的吸收混在振動(dòng)光譜中間。然而對(duì)于復(fù)雜的多原子分子，旋轉(zhuǎn)躍遷因振動(dòng)吸收而不明顯，只是有使吸收峰變寬的趨勢(shì)。振動(dòng)光譜復(fù)雜表現(xiàn)的最大原因是鍵運(yùn)動(dòng)的非諧振性。振動(dòng)躍遷的量子力學(xué)表達(dá)式和選擇規(guī)律都來(lái)自一種假設(shè)分子鍵行為象諧振器。然而這種假設(shè)只是在最低勢(shì)能狀態(tài)下化學(xué)鍵行為的近似。當(dāng)化學(xué)鍵振動(dòng)激發(fā)到越來(lái)越高的能級(jí)時(shí)，因?yàn)檎駝?dòng)恢復(fù)力不再與位移力成正比，其運(yùn)動(dòng)也變得不再是諧振。振動(dòng)躍遷梯中隨后的能級(jí)不再均勻間隔而是會(huì)聚，到達(dá)最大能級(jí)之前寬度越來(lái)越小。最大能量處化學(xué)鍵將解離，諧振方程不能預(yù)測(cè)這種性質(zhì)。非諧振性以兩種方式影響光譜表現(xiàn)1)振動(dòng)躍遷趨于在小范圍頻率發(fā)生，導(dǎo)致峰展寬而不是尖吸收帶，和2)不嚴(yán)格遵守Δv＝±1選擇規(guī)律。弱吸收(稱為泛音)也可看到，對(duì)應(yīng)于禁止躍遷，如v(0→2，0→3等)。
盡管非諧振性使象彈簧-球模式行為的原子之間的激發(fā)振動(dòng)圖復(fù)雜化，但這種概念是有價(jià)值的工具，可以幫助理解吸收IR光子時(shí)受激分子的運(yùn)動(dòng)。線性雙原子分子中只有鍵間伸縮運(yùn)動(dòng)可被激發(fā)。而在多原子分子中對(duì)稱和非對(duì)稱性鍵伸縮都可能具有IR活性，同時(shí)鍵角改變的彎曲和搖擺運(yùn)動(dòng)也可能發(fā)生。這種運(yùn)動(dòng)被稱為正交模式，是可被激發(fā)的原子或原子團(tuán)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)引起任何其它運(yùn)動(dòng)。分子中正交振動(dòng)模式的數(shù)目可用下式計(jì)算#(非線性)3N-6#(線性)3N-5
其中線性或非線性是指分子幾何結(jié)構(gòu)，N是分子中的原子數(shù)。因此在含12個(gè)原子的非線性分子中有30種正交振動(dòng)模式可以吸收IR輻射，如果它們被選擇規(guī)律允許的話。除了最簡(jiǎn)單的分子以外，測(cè)量不同頻率處分子吸收輻射而產(chǎn)生的振動(dòng)光譜極其復(fù)雜。
然而，盡管單個(gè)分子的光譜難以解釋，但是分子中不同基團(tuán)產(chǎn)生特征頻率和強(qiáng)度的吸收。較大分子中具有特征化學(xué)行為的一個(gè)原子或幾個(gè)原子稱為官能團(tuán)，它們?cè)诓煌肿又形誌R輻射的頻率和強(qiáng)度保持大致恒定。例如根據(jù)基團(tuán)所處化學(xué)環(huán)境，含羰基(碳原子和氧原子形成雙鍵)的分子在1650cm-1和1800cm-1處表現(xiàn)IR吸收。因?yàn)槊總€(gè)吸收峰理論上都可指向分子運(yùn)動(dòng)或官能團(tuán)運(yùn)動(dòng)，因此可以用IR光譜鑒定未知化合物。
標(biāo)準(zhǔn)模式光譜用光譜儀可得到EM譜，光譜儀帶有輻射源，單色器和每個(gè)波長(zhǎng)范圍的檢測(cè)器。用紫外可見(jiàn)休力特-帕卡德(HP)光譜儀可得到200nm到800nm范圍的譜圖。用幾種類型的近紅外光譜儀可收集800nm到2,500nm的光譜。用馬特森3020紅外光譜儀和附件可獲得2,500nm(2.5μ)到25μ的光譜。遠(yuǎn)紅外光譜儀可獲得25μ到1mm的光譜。射頻(RF)光譜儀可得到1mm到10km范圍的光譜。同時(shí)，在很多不同來(lái)源的很多譜圖庫(kù)中收集有譜圖，或由分子建模程序產(chǎn)生。
用紅外吸收光譜儀很容易得到實(shí)驗(yàn)IR譜。大多數(shù)吸收光譜儀有相同的基本組件輻射源，樣品架，單色器(允許選擇單波長(zhǎng))和檢測(cè)器。根據(jù)樣品特性、所用EM譜范圍和研究人員期望的精確度和精密度，其組件可以改變。此處所述的研究中，用本領(lǐng)域一般技術(shù)人員已知的普通方法，每個(gè)樣品得到三種類型的中IR譜圖吸收、透射和漫反射譜。所有吸收和透射IR譜用馬特森3020紅外光譜儀獲得。漫反射吸收譜用格拉斯比S Specac 4500系列漫反射紅外傅立葉變換(DRIFT)套件得到。所有數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)范圍在400-4000cm-1(波數(shù))或2.5到25.0μm(微米)，每張譜圖以4cm-1間隔經(jīng)60次掃描。
吸收和透射IR研究中，樣品處于不同波長(zhǎng)和強(qiáng)度的光之中，光通過(guò)樣品，然后與已知強(qiáng)度的原始光束比較。透射IR結(jié)果根據(jù)通過(guò)樣品的光量(透過(guò)樣品)計(jì)算，吸收IR根據(jù)樣品的光吸收計(jì)算。兩組數(shù)據(jù)有如下數(shù)學(xué)關(guān)系
A=-logT=-logII0]]>其中A是吸光度，T是透光度，I是穿過(guò)樣品的光強(qiáng)度，而I0是原始光束的強(qiáng)度。根據(jù)比爾定律，樣品吸光度也依賴于樣品厚度和光程A＝εc1其中c是樣品濃度，1是樣品光程，ε是消光系數(shù)。
在樣品組之間盡可能經(jīng)常對(duì)馬特森進(jìn)行背景校正(缺省值是10分鐘)。氯化鈉樣品池用于天然油、塑料膜和非水化樣品(不含水)。氯化銀樣品池用于水化樣品。
DRIFT單元背景也是潔凈的樣品片或烘箱干燥的溴化鉀(KBr)。漫反射用于檢查動(dòng)物和植物樣品表面一角硬幣大小的樣品片。樣品組織旋轉(zhuǎn)90度，再旋轉(zhuǎn)90度以觀察任何吸收改變。研磨烘箱干燥的樣品(110℃，30分鐘到1小時(shí))并與烘箱干燥的溴化鉀以20∶1(KBr∶樣品)比例混勻。用烘箱干燥的KBr作背景。
紫外/可見(jiàn)光譜儀用Hewlett Packard 8453二極管陣列光譜儀和845x UV-VIS光譜工作站從190nm到1100nm掃描樣品。使用石英或塑料樣品池。用蒸餾水做背景。一些樣品浸入蒸餾水中以最小化光散射或用于適當(dāng)稀釋和/或懸浮。其它樣品壓碎然后離心分離固體和液體，然后分別測(cè)試每種組分。
高能光譜，主動(dòng)光譜和破壞性光譜高能光譜高能光譜用于不太透明、致密和厚的樣品，它們超出了標(biāo)準(zhǔn)光譜儀的范圍。標(biāo)準(zhǔn)光譜儀使用如能斯特?zé)艚z或碳硅棒作光源，在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)其總發(fā)射不超過(guò)20W(中IR范圍由3400個(gè)獨(dú)立頻率組成)，每線功率不超過(guò)0.005瓦(5mw)。在約6.5mm2面積上這種光能的通量密度小于0.7mW/mm2。高能光譜使用功率高達(dá)10瓦/cm2的發(fā)射源。
主動(dòng)光譜主動(dòng)光譜能量范圍在高能光譜和破壞性光譜之間。主動(dòng)光譜使用的能量水平可以主動(dòng)改變樣品的物理特性。利用氣相色譜(GC)質(zhì)譜儀采集測(cè)試過(guò)程中由樣品釋放到測(cè)試池中的氣體可以使研究人員跟蹤其變化。主動(dòng)光譜是評(píng)估處理和治療作用的測(cè)試平臺(tái)，體內(nèi)治療設(shè)備可以直接從這種形式的光譜中產(chǎn)生。
破壞性光譜破壞性光譜(僅體外)將光譜研究延伸到目標(biāo)破壞的程度，用于檢查宿主的損傷閾值。對(duì)樣品處理直至其開(kāi)始降解的程度可建立體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的硬停止值?？梢蕴幚順悠返匠^(guò)損傷閾值的程度以研究目標(biāo)和宿主材料在特定波長(zhǎng)如何與極高能量相反應(yīng)。通過(guò)在處理期間將GC質(zhì)譜儀與樣品室偶聯(lián)可監(jiān)測(cè)樣品，當(dāng)樣品降解時(shí)將提供進(jìn)一步的關(guān)于化學(xué)分解和反應(yīng)的信息。
此處描述的這三種高能光譜有一些共同組件，如光源，樣品架和檢測(cè)器。僅當(dāng)使用多色光源時(shí)使用單色器，激光或線性光源發(fā)射器不需要單色器。
檢測(cè)器檢測(cè)器是轉(zhuǎn)換器，其目的是截取或接收信號(hào)或電磁輻射束并將其轉(zhuǎn)換成電或數(shù)字信號(hào)的形式。檢測(cè)器的響應(yīng)取決于多種因素，如類型，輻射波長(zhǎng)和檢測(cè)器溫度。檢測(cè)器包括Golay池，輻射熱電偶，熱電堆，檢流計(jì)，輻射測(cè)熱儀和光檢測(cè)儀(光二極管，CCD，CMOS)。
低頻操作(5Hz量級(jí))Golay池大概是目前最好的非冷卻熱檢測(cè)器。通過(guò)偶聯(lián)變壓器方式正確匹配放大器時(shí)熱電偶也有良好的性能。需要高能環(huán)境下的檢測(cè)器時(shí)，必須使用冷卻檢測(cè)器如冷卻輻射測(cè)熱儀。冷卻通常提高頻率響應(yīng)并降低噪音。
量子型或光檢測(cè)器和熱檢測(cè)器的關(guān)鍵區(qū)別是熱檢測(cè)器吸收頻率為v的量子而產(chǎn)生與v成比例的效應(yīng)(每量子能量＝hv)，而光檢測(cè)器中量子產(chǎn)生效應(yīng)時(shí)大大獨(dú)立于其頻率或根本不產(chǎn)生效應(yīng)。很多應(yīng)用要求光檢測(cè)器能定量響應(yīng)低入射光水平，這可以用雪崩光二極管(APD)實(shí)現(xiàn)。
電荷耦合裝置(CCD)陣列由像素構(gòu)成，每個(gè)像素又由金屬氧化物-硅半導(dǎo)體(MOS)電容組成。其中每一個(gè)是p-型硅基底上的絕緣二氧化硅層，其上覆蓋一薄層金屬電極。外加偏置時(shí)，空穴遷移出門下硅中的耗盡層，產(chǎn)生勢(shì)能阱。照射裝置時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，隨之電子在該阱中積累，積累的電荷與輻射成正比。電荷讀出涉及從像素到像素依次轉(zhuǎn)移電荷直至在CCD芯片的邊緣處被檢測(cè)。在整個(gè)紫外頻率CCD動(dòng)態(tài)范圍是1.1μm。這些裝置的暗噪音水平也比CMOS成像裝置低，因此具有更高的靈敏度和可以記錄的更大動(dòng)態(tài)范圍(最暗和最亮光的比值)。與CCD相比，互補(bǔ)型金屬氧化物硅半導(dǎo)體(CMOS)生產(chǎn)成本極低。CMOS成像裝置一次暴露一條線，然后將該線轉(zhuǎn)入輸出記錄儀并以其它方式提供信息。高能光源如激光在某些情況下可能大大超過(guò)檢測(cè)器極限，這時(shí)每次應(yīng)用要使用適當(dāng)類型的檢測(cè)器。微波、無(wú)線電波和更長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)要使用天線和信號(hào)處理器。
樣品架/測(cè)試池測(cè)試池和樣品架可有很多不同設(shè)置但要求必須有某些組件。主要是必須有透射適當(dāng)頻率EME的窗口。窗口用很多不同物質(zhì)加工，并且必須滿足樣品、波長(zhǎng)和環(huán)境條件等的所有要求。堿金屬鹵化物(鹽)NaCl、KCl、KBr、CsBr、CsI與水化學(xué)不相容。金屬氟化物MgF2、CaF2、SrF2，BaF2與氨和酸不相容，并且對(duì)熱和力學(xué)沖擊敏感。氧族化合物ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe有灰塵以及氧化后有毒。玻璃SiO2、As2S3、AMTIR、HMFG便宜但只限于可見(jiàn)和NIR范圍。塑料HDPE、TPX、TFE、FEP便宜但易受冷流影響且遇熱變形。樣品室用不銹鋼或其它低活性材料制造。同時(shí)，樣品室經(jīng)常帶孔道從而可收集氣體供分析。樣品池安裝于軸套中以在更換樣品時(shí)快速定位。池或室的大小設(shè)計(jì)成可以放置大且厚的樣品。波長(zhǎng)超過(guò)約1mm的測(cè)試池用非金屬材料如石英(SiO2)或其它不吸收測(cè)試頻率的材料制造。測(cè)試池經(jīng)常是管狀并放置于傳輸線圈的中心，很多都是雙層壁結(jié)構(gòu)。
流量?jī)?yōu)化流量?jī)?yōu)化適用于分析和處理，在暴露于樣品池或供處理之前從光源發(fā)出的EME(流量)要進(jìn)行優(yōu)化，可通過(guò)很多方式實(shí)現(xiàn)，包括但不限于，過(guò)濾、聚焦、束展寬，校準(zhǔn)、反射、光柵，這些屬于被動(dòng)優(yōu)化。泵浦、轉(zhuǎn)換、加倍、Q轉(zhuǎn)換、脈沖、加速、激發(fā)是電動(dòng)或電光學(xué)方式改變光束的形狀或傳遞速率，它們是通過(guò)向系統(tǒng)加入能量或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成期望波長(zhǎng)。聚焦光學(xué)器件、光束展寬器和校準(zhǔn)器在可見(jiàn)和NIR的較低功率下工作，但經(jīng)常在激光和其它光源的更高功率下過(guò)熱和損壞。優(yōu)選不需要傳輸?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)。鏡子用于操作和優(yōu)化光束或能量或用于高能光譜，且需要是第一表面。
必須非常精確的控制激光輸出功率，可用電子學(xué)方法控制輸出，或使用掃描或旋轉(zhuǎn)鏡也很好。流量密度是單位面積時(shí)間的功率(Power overArea times Time)，因此大面積快速掃描屬于低流量密度，相比較而言同樣面積慢速掃描屬于高流量密度。流量密度可表示為瓦每秒或焦耳(1瓦秒等于1焦耳)。100瓦輸出并且3mm光束直徑的激光產(chǎn)生33.33瓦/mm/秒，相同光束掃描1cm2傳遞1瓦/秒/cm2。
高能、主動(dòng)和破壞性光譜的標(biāo)準(zhǔn)配置典型包括可調(diào)或單波長(zhǎng)激光作為光源，它用檢流計(jì)式掃描鏡聚焦。從掃描鏡反射的能量穿過(guò)測(cè)試池，并在樣品的另一側(cè)以熱像、穿透能或光像形式用相匹配的檢測(cè)器接收。
發(fā)射器紅外發(fā)射器范圍包括復(fù)雜的受激發(fā)射源，即氣體放電管、激光、微波激射器、速調(diào)管和自由電子激光(FEL)，直至黑體和灰體發(fā)射器，其發(fā)射基于溫度。很多受激發(fā)射裝置因?yàn)楣β实突蚰芰哭D(zhuǎn)換效率低或?qū)τ谀承?yīng)用太大而不夠理想。發(fā)射源效率必須匹配準(zhǔn)備進(jìn)行的處理。受激發(fā)射裝置可能不適用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用，其中低值大體積產(chǎn)品不能承擔(dān)處理成本。受激發(fā)射源最適用于醫(yī)療應(yīng)用或用于高值產(chǎn)品或低功率即可產(chǎn)生期望作用的場(chǎng)合。黑體和灰體發(fā)射器非常適用于可見(jiàn)和近紅外，但波長(zhǎng)長(zhǎng)于6μm時(shí)沒(méi)有足夠能量。寬范圍波長(zhǎng)的激光已經(jīng)被發(fā)展出來(lái)，有些非常易于調(diào)節(jié)如FEL。本發(fā)明方法中優(yōu)選使用更有效的發(fā)射器。
在需要引起昆蟲和/或微生物的光生物學(xué)疾病時(shí)二氧化碳(CO2)激光是良好的光源。用氣體二氧化碳作激光介質(zhì)，激光產(chǎn)生的帶寬從9到11微米。氮?dú)?N2)與二氧化碳(CO2)混合，并用放電來(lái)振動(dòng)激發(fā)。因?yàn)槭芗さ肿拥哪芗?jí)與CO2分子的非對(duì)稱伸縮能級(jí)匹配，通過(guò)分子間碰撞將能量轉(zhuǎn)移到受激的二氧化碳。從最低能級(jí)的非對(duì)稱伸縮激發(fā)態(tài)向最低激發(fā)能級(jí)的對(duì)稱伸縮躍遷時(shí)就看到了光激發(fā)。這個(gè)能級(jí)因碰撞而保持未占用狀態(tài)，并且不從激發(fā)過(guò)程獲得顯著量，因?yàn)檫@個(gè)能級(jí)的CO2分子迅速以熱形式耗散能量以回到其穩(wěn)定基態(tài)。所產(chǎn)生的輻射帶可分成大約100個(gè)離散的線，可選擇其中任何一個(gè)離散的窄帶寬的輻射線，進(jìn)而調(diào)節(jié)激光產(chǎn)生單色紅外輻射。因?yàn)槠洚a(chǎn)生的光強(qiáng)度高于其它紅外光源幾個(gè)數(shù)量級(jí)，CO2激光器作為輻射源也很吸引人。10μm波長(zhǎng)靠近CO2激光產(chǎn)生的最強(qiáng)輻射，在治療頭虱中特別有用，實(shí)例見(jiàn)實(shí)施例5。我們的研究表明人頭發(fā)和皮膚在該波長(zhǎng)紅外吸收很低，因此輻射使昆蟲損傷到無(wú)法存活的程度，而接受治療的頭發(fā)和皮膚卻不受影響。
激光理論從其剛產(chǎn)生開(kāi)始，激光幾乎應(yīng)用到現(xiàn)代生活的每一個(gè)方面。從百貨店掃描儀到光盤機(jī)，激光代表應(yīng)用光學(xué)的多樣性，并是本發(fā)明方法可能的發(fā)射源之一。術(shù)語(yǔ)激光實(shí)際上是以下的首字母縮寫受激輻射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。激光的發(fā)射過(guò)程不同于熒光和磷光，在這兩種量子過(guò)程中，分子因?yàn)槲詹ㄩL(zhǎng)λ1的入射光子而躍遷到激發(fā)態(tài)。部分光能通過(guò)熱過(guò)程丟失之后，分子發(fā)射另一個(gè)波長(zhǎng)λ2的光子，以回到最低能量的基態(tài)。因?yàn)椴糠帜芰亢纳?，與吸收光子相比，發(fā)射的光子有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)(更低的能量)(λ1＜λ2)。
然而對(duì)于激光，因存在同樣頻率的輻射，分子激發(fā)態(tài)受激后發(fā)射波長(zhǎng)λn的光子。激光過(guò)程也有強(qiáng)度的增加，這在另外兩種過(guò)程中看不到，發(fā)射波長(zhǎng)λn(由所選分子的量子躍遷決定)越多，就將導(dǎo)致受激分子發(fā)射更多數(shù)量的相應(yīng)光子。然而，發(fā)射的概率與吸收相等，正常情況下吸收和發(fā)射光子的分子數(shù)目相同，使這種強(qiáng)度增加不可能發(fā)生。為看到激光作用，必須克服分子的波爾茲曼分布。這種分布發(fā)現(xiàn)樣品激發(fā)之前大多數(shù)分子都在其基態(tài)(最低能態(tài))。相同概率的吸收和發(fā)射使樣品激發(fā)不產(chǎn)生波長(zhǎng)λn的凈發(fā)射。然而，如果激發(fā)分子的數(shù)量大于基態(tài)分子則可以逆轉(zhuǎn)波爾茲曼分布，這時(shí)引入輻射λn將導(dǎo)致樣品凈發(fā)射光子。這種粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要產(chǎn)生能量不穩(wěn)定的亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)，其壽命長(zhǎng)到足以經(jīng)歷受激發(fā)射(比熒光壽命更長(zhǎng))。
這種粒子數(shù)反轉(zhuǎn)首先產(chǎn)生于三級(jí)激光。在此過(guò)程中，通過(guò)稱為泵浦的強(qiáng)光產(chǎn)生快速躍遷，使分子被激發(fā)到高能態(tài)X*。然后分子經(jīng)快速熱量損失到低能狀態(tài)X。受入射λn光子激發(fā)，激光躍遷是分子從亞穩(wěn)態(tài)X到基態(tài)S的慢速躍遷。雖然粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在此系統(tǒng)中產(chǎn)生，但其效率很低，大量能量必須用于激發(fā)分子從S到X*。
選擇四級(jí)激光時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更有效的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在此系統(tǒng)中，分子被快速泵浦到X*。然后經(jīng)熱量損失或系統(tǒng)間交叉到達(dá)較低的亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)W*。然后在分子慢速發(fā)射光子到第三激發(fā)態(tài)W時(shí)看到激光。最后分子經(jīng)快速過(guò)程回到基態(tài)G。因?yàn)閃和W*開(kāi)始都未被占用，W*中任何分子的存在都產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。同時(shí)因?yàn)閺腤到G躍遷非?？?，沒(méi)有形成大量W狀態(tài)分子以克服反轉(zhuǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)最大效率。
然而，入射光波長(zhǎng)將導(dǎo)致激光不是無(wú)限制的。它們開(kāi)始局限于激光腔，它是儲(chǔ)存激光介質(zhì)的管子。激光腔兩端都是鏡面，使光可以穿過(guò)介質(zhì)來(lái)回反射。很像密閉管子中的聲波，激光波長(zhǎng)依賴于腔長(zhǎng)度N(0.5λ)＝L其中L＝腔長(zhǎng)度，N＝1，2，3…，介質(zhì)折射系數(shù)是1。
激光波長(zhǎng)一般更受限于選定激光介質(zhì)的固有量子躍遷。在前面的四級(jí)例子中，選擇用于激勵(lì)激光的入射光波長(zhǎng)恰好與W*到W躍遷時(shí)發(fā)射的光子波長(zhǎng)(λn)相匹配。(正常情況下然后選定腔長(zhǎng)度使2L/N＝λn)。這種共振光子將激發(fā)激光活性，一個(gè)入射光子將導(dǎo)致從激光介質(zhì)中發(fā)射光子級(jí)聯(lián)，如果腔的一側(cè)鏡子部分透明則可以從中引出輻射。因?yàn)檫@些波長(zhǎng)限制，激光的發(fā)散性非常低，并且高度單色和相干。激光輸出強(qiáng)度高，帶寬窄，這些特性提高了激光在科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中的價(jià)值。
方法一般來(lái)說(shuō)，物質(zhì)選擇性暴露于特定波長(zhǎng)的電磁能，每波長(zhǎng)有足夠的通量密度以引起或促進(jìn)期望的作用。該方法包括但不限于，消毒、變性、殺蟲、分解、脫水、標(biāo)記、照射或標(biāo)簽一或多種物質(zhì)。該方法利用物質(zhì)或物質(zhì)混合物內(nèi)的光譜差異。由于差異吸收，施加能量以引起波長(zhǎng)依賴的反應(yīng)。本方法可有廣泛應(yīng)用，下面舉例說(shuō)明其中的幾個(gè)。
對(duì)考慮進(jìn)行處理的宿主或產(chǎn)品以及相關(guān)的目標(biāo)或感染進(jìn)行測(cè)試確定其光譜特性。這些光譜特性和已知處理參數(shù)和常數(shù)用于解以下方程。
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)其中P＝功率，A＝面積，t＝時(shí)間，Aλ＝吸收因子，Ea＝吸收能量，ml＝物質(zhì)質(zhì)量，C＝熱容，Tc＝臨界溫度，Ta＝環(huán)境溫度吸收因子＝由依賴光譜波長(zhǎng)產(chǎn)生的吸收臨界溫度＝期望作用比較從宿主和目標(biāo)或感染收集的光譜，表現(xiàn)出最高或最充分差異吸收的頻率考慮用于處理。然后評(píng)價(jià)所考慮頻率的可行性，功率轉(zhuǎn)換效率，有效通量密度，發(fā)射帶寬，過(guò)濾或調(diào)頻后效率，以及宿主在所考慮波長(zhǎng)的透過(guò)性或反射性。
然后評(píng)價(jià)所考慮頻率的(1)在期望波長(zhǎng)發(fā)射源的可用性。并非所有波長(zhǎng)都可以使用。(2)功率轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于每種應(yīng)用，處理必須是成本有效的，越有效越好，如果效率不夠高，本方法可能就會(huì)太長(zhǎng)并又可能引起對(duì)宿主更多的不期望作用。(3)有效通量密度。通量密度＝功率/面積x時(shí)間。
例1000W/mm2-高功率例1000W/m2-低功率有效通量密度考慮使用在期望波長(zhǎng)具有足夠功率的潛在光源，以使目標(biāo)物質(zhì)達(dá)到臨界溫度。要求在適當(dāng)面積上有足夠密集的通量密度，以產(chǎn)生期望結(jié)果。
通量密度必須有足夠能量以滿足方程，以在能量有時(shí)間耗散之前達(dá)到臨界溫度。
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCX(Tc-Tα)(1)發(fā)射帶寬所考慮發(fā)射源需要過(guò)濾嗎？一般來(lái)說(shuō)，希望得到窄帶寬，但這可能依賴于宿主和目標(biāo)或感染的光譜特性。如果在評(píng)價(jià)目標(biāo)或感染峰附近有宿主吸收峰，避免對(duì)宿主有不期望的作用非常重要。
(2)過(guò)濾或調(diào)頻后的效率。
可以從發(fā)射較寬的光源中濾掉不想要的頻率，即黑體發(fā)射源。從激光發(fā)射的頻率可以通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換、頻率調(diào)節(jié)來(lái)控制，這通過(guò)自旋反轉(zhuǎn)、拉曼散射或非線性晶體或其它方式的倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。調(diào)頻或倍頻的效率最高只有10％。確定宿主對(duì)所考慮波長(zhǎng)的透過(guò)性和/或反射性。如果感染位于表面，宿主只需不吸收單波長(zhǎng)或單波段的處理波長(zhǎng)或者將其反射即可。這種不傳播性或反射能力使更多頻率可用于處理。如果感染位于宿主內(nèi)部，宿主必須在某種程度上透過(guò)處理波長(zhǎng)，以使能量達(dá)到感染位置或具有將所述能量傳遞或轉(zhuǎn)移到感染位置的能力。宿主和相關(guān)感染具有較低程度差異時(shí)，優(yōu)選使用適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)在幾個(gè)差異位點(diǎn)處進(jìn)行處理。這種多模式加工或多波長(zhǎng)處理可使用任何或所有不引起宿主不良作用的波長(zhǎng)。
宿主在選定頻率沒(méi)有吸收非常重要。換句話說(shuō)，宿主優(yōu)選不吸收或很少吸收選定頻率。這被稱為選擇“空路”或選擇不傷害宿主而只影響目標(biāo)或感染的頻率。為選擇空路，如果宿主在該頻率也有吸收，并非總是希望選擇宿主和目標(biāo)吸收差異最大的頻率。更重要的是選擇宿主不受影響的頻率。最后必需評(píng)估產(chǎn)品的物理狀態(tài)以及運(yùn)輸產(chǎn)品到照射位點(diǎn)的方法。
選定波長(zhǎng)后，要進(jìn)行通量密度測(cè)試。對(duì)于合適的宿主，對(duì)宿主或產(chǎn)品樣品增加選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度，直至確定對(duì)宿主已經(jīng)產(chǎn)生不期望的作用。合適的宿主是可以采集實(shí)驗(yàn)樣品的宿主，而且對(duì)宿主樣品的改變沒(méi)有不良影響。合適宿主的實(shí)例包括谷物、生肉或魚、和涂料。很顯然需要用本發(fā)明方法處理的任何人或動(dòng)物不能以這種方式測(cè)試。對(duì)于人或哺乳動(dòng)物宿主，將對(duì)從宿主取得的樣品組織進(jìn)行測(cè)試。另外，用以下方程可根據(jù)已知光譜吸收對(duì)空路進(jìn)行初步數(shù)學(xué)計(jì)算P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)也以相同方式處理感染并監(jiān)測(cè)其死亡或一或多種代謝功能的破壞。從而了解吸收差異并建立工藝參數(shù)。處理時(shí)間受限于幾種因素，首先是差異吸收的程度。如果宿主和相關(guān)感染具有高度吸收差異(優(yōu)選最低20倍差異)，在所需波長(zhǎng)使用窄帶發(fā)射的高強(qiáng)度發(fā)射源可使處理時(shí)間最少。也要評(píng)估產(chǎn)品物理狀態(tài)和傳輸產(chǎn)品到照射位點(diǎn)的儀器和系統(tǒng)類型。
一般方法根據(jù)以下步驟實(shí)施1.宿主(產(chǎn)品)分類鑒定紫外/可見(jiàn)吸收譜鑒定近IR(NIR)和中IR漫反射譜確定NIR和中IR發(fā)射譜確定NIR和中IR吸收譜確定遠(yuǎn)IR吸收譜確定遠(yuǎn)IR發(fā)射譜確定RF吸收譜確定RF發(fā)射譜結(jié)合光譜特性并記錄宿主的光譜指紋。為對(duì)宿主分類，可單獨(dú)或組合使用任一種或多種所列光譜。
2.目標(biāo)或感染分類(例如害蟲、昆蟲、微生物、霉菌、真菌、酶、蛋白質(zhì)等)鑒定紫外/可見(jiàn)吸收譜鑒定近IR(NIR)和中IR漫反射譜確定NIR和中IR發(fā)射譜確定NIR和中IR吸收譜確定遠(yuǎn)IR吸收譜確定遠(yuǎn)IR發(fā)射譜確定RF吸收譜確定RF發(fā)射譜結(jié)合光譜特性并記錄目標(biāo)或感染的光譜指紋。為對(duì)目標(biāo)分類，可單獨(dú)或組合使用任一種或多種所列光譜。
3.將目標(biāo)或感染的光譜指紋與宿主的光譜指紋進(jìn)行比較鑒定宿主和目標(biāo)或感染間的差異吸收區(qū)域。
鑒定針對(duì)目標(biāo)或感染的所有可能選擇的峰。
計(jì)算宿主峰和害蟲峰之間的差異程度(差異吸收)。
評(píng)估表現(xiàn)充分差異吸收的頻率。二十倍差異是單位點(diǎn)處理優(yōu)選的最小值。通過(guò)多位點(diǎn)處理累計(jì)提供的差異也可滿足優(yōu)選差異。
評(píng)估頻率的可用性、功率轉(zhuǎn)換效率、有效通量密度、發(fā)射帶寬、過(guò)濾或調(diào)頻效率，以及宿主對(duì)所考慮波長(zhǎng)的透過(guò)性。
4.選擇已知發(fā)射源需要時(shí)調(diào)幅或調(diào)頻到適當(dāng)頻率。
進(jìn)行通量密度試驗(yàn)。
用越來(lái)越強(qiáng)的EM能量照射宿主，直至確定已經(jīng)對(duì)宿主產(chǎn)生不利作用的程度(這僅適用于合適的宿主，對(duì)于其他宿主使用數(shù)學(xué)計(jì)算)。由此確定最大照射限度。
用越來(lái)越強(qiáng)的EM能量照射目標(biāo)或感染，直至觀察到一或多種代謝功能已破壞或感染已被破壞的程度(這僅適用于合適的宿主，對(duì)于其他宿主使用數(shù)學(xué)計(jì)算)。由此確定最小照射限度。
例如用6焦耳/cm2照射感染以殺蟲用42焦耳/cm2照射宿主，發(fā)現(xiàn)有損傷宿主可耐受40焦耳/cm2而沒(méi)有損傷因此，操作參數(shù)在以下參數(shù)之間最小6焦耳/cm2以使害蟲死亡和最大40焦耳/cm2以防止宿主損傷。
操作過(guò)程在兩個(gè)限制值之間進(jìn)行。宿主安全和有效死亡是需要考慮的因素。優(yōu)選在10焦耳/cm2和30焦耳/cm2之間操作以有效殺死害蟲而不損傷宿主。10焦耳/cm2提供了安全因素，超過(guò)最低害蟲死亡能量4焦耳/cm2。
處理時(shí)間和通量也是決定功率水平的因素，尤其對(duì)于大批量應(yīng)用。功率水平越高，處理時(shí)間越短但消耗更多能量。功率轉(zhuǎn)換效率對(duì)于高值產(chǎn)品不是重要問(wèn)題，醫(yī)療應(yīng)用中很少考慮?？s短處理時(shí)間在醫(yī)療應(yīng)用中很重要，因?yàn)槟芰靠梢院纳⒌街車M織中。
5.計(jì)算目標(biāo)/宿主的差異閾值目標(biāo)達(dá)到臨界溫度/預(yù)期作用需要的功率P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα) (對(duì)宿主)宿主避免達(dá)到臨界溫度/有害作用的功率P/Axtx(A)＝Ea＝mlxCx(Tc-T) (對(duì)目標(biāo))宿主臨界溫度和目標(biāo)臨界溫度的差異是處理溫度差異。
本發(fā)明的方法將通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1血液洗滌機(jī)血液洗滌機(jī)用于處理血液，以去除或改變有害成分如病毒，感染或其它成分，或使特定類型蛋白質(zhì)變性。血液經(jīng)透析的方式流出身體，然后血液進(jìn)入處理管，它由可透過(guò)適當(dāng)范圍波長(zhǎng)的基底物制成。優(yōu)選使用合成金剛石或可透過(guò)處理波長(zhǎng)的其它非活性基底物。當(dāng)血液經(jīng)過(guò)處理管時(shí)高功率紅外光或電磁能聚焦于血液。管子的光學(xué)設(shè)計(jì)使血液中的目標(biāo)物質(zhì)可以最大吸收，以引起預(yù)期作用。病毒、細(xì)菌或其它不希望的成分是目標(biāo)。
實(shí)施例2癌癥治療獲取人體組織200nm到4000cm-1之間的數(shù)據(jù)。目的是鑒定惡性DNA的初步結(jié)構(gòu)改變，并通過(guò)吸收差異與正常DNA比較。差異分成三個(gè)范圍UV-VIS，NIR和中IR。高度差異位于265nm，此處惡性DNA吸收能力差異多約8倍(見(jiàn)圖1)。此時(shí)治療并非總是在最大差異280nm處實(shí)施。選擇265nm波長(zhǎng)而不是其它可能的波長(zhǎng)是因?yàn)槠湓谡＝M織中的吸收較低。這被稱為空路或光學(xué)治療位點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用需要的通量密度，用適當(dāng)光源在265nm發(fā)射能量，如準(zhǔn)分子激光器，二極管泵浦固態(tài)激光器，半導(dǎo)體激光器或閃光燈或其它光源。直接發(fā)射所述能量或通過(guò)光纖、波導(dǎo)管(中空二氧化硅或其它基質(zhì))、光導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡或其它方法傳到損傷位置及周圍組織。傳輸足夠通量密度的能量以使腫瘤DNA的溫度迅速增加使之變性。已知DNA在約75℃到90℃之間變性。這種變性或解鏈?zhǔn)辜?xì)胞分裂停止并隨之停止癌癥生長(zhǎng)。在極短時(shí)間內(nèi)給予高通量密度的能量使目標(biāo)DNA溫度快速增加，同時(shí)沒(méi)有時(shí)間將熱耗散到周圍組織。建議使用的265nm波長(zhǎng)在紫外范圍內(nèi)，剛好超過(guò)電離能，因此在此范圍內(nèi)工作必須非常小心。紫外照射是白種人皮膚癌的主要原因。致癌性的作用光譜不完全了解。Pathak Invest.Dermatol.，(1955)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用200-400nm之間的多色光照射引起小鼠產(chǎn)生腫瘤，而用260nm、280nm、300nm和360nm的單色光照射則不產(chǎn)生腫瘤。單色光照射的劑量比多色光照射大3倍。這個(gè)信息提示兩種可能的假說(shuō)，第一皮膚癌是兩光子過(guò)程或兩位點(diǎn)損傷過(guò)程，其中染色體被破壞同時(shí)修復(fù)機(jī)制也被破壞或喪失能力。此處描述的方法僅使用行同步的單色光以確保單頻率治療?？梢钥紤]電離能以上的全范圍頻率。水吸收是體內(nèi)治療癌癥的主要因素，水吸收很多范圍的EME，對(duì)于這種應(yīng)用在選擇頻率時(shí)必須首先考慮。
腫瘤細(xì)胞中的其它物質(zhì)也是潛在差異目標(biāo)的研究對(duì)象細(xì)胞壁、質(zhì)膜、細(xì)胞質(zhì)、蛋白質(zhì)、衣殼蛋白、多糖、脂、類核等P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)惡性DNA的通量密度計(jì)算通量密度×?xí)r間×吸收因子/波長(zhǎng)＝吸收能量＝物質(zhì)質(zhì)量×比熱(＞＜＝1.2J/g℃)×(臨界溫度(90℃)-環(huán)境溫度(37℃))實(shí)施例3稻米比較5-10個(gè)樣品稻米光譜的常見(jiàn)吸收峰，見(jiàn)圖3。同時(shí)也評(píng)估作為目標(biāo)的害蟲的常見(jiàn)吸收峰。建立差異吸收峰。對(duì)于這種應(yīng)用選擇黑體源。
通過(guò)控制輸入功率使溫度達(dá)到約3800°F，從而調(diào)節(jié)黑體源。這樣的能量轉(zhuǎn)換效率約85％。
在3800°F，黑體有約1900nm的發(fā)射峰，與害蟲內(nèi)部水的強(qiáng)OH彎曲/伸縮吸收峰組合相匹配。稻米中的水也有這個(gè)特征峰，但水是稻米非常少的成分。用2000nm截留濾光器過(guò)濾發(fā)射光以避免稻米淀粉和蛋白中的吸收峰。待處理稻米含水約14％，而害蟲含水量估計(jì)超過(guò)75％。通量密度約10到20瓦每平方英寸時(shí)處理時(shí)間為2到10秒。短照射時(shí)間結(jié)合稻米的低含水量可殺死害蟲而對(duì)稻米沒(méi)有影響或很少影響。稻米可在傳送帶上通過(guò)處理區(qū)或通過(guò)擋板或滑板處理系統(tǒng)落下以控制谷物在處理中的速度。
所有類型的稻米、谷物和堅(jiān)果都可以處理以消毒和滅蟲，以及干燥產(chǎn)品?？稍诮邮债a(chǎn)品時(shí)、加工前進(jìn)行處理，以避免將害蟲引入加工廠。也可在碾磨后或加工后以及包裝前進(jìn)行處理。
實(shí)施例4農(nóng)產(chǎn)品水分含量高的農(nóng)產(chǎn)品和食品可以相同方式處理，但優(yōu)選以害蟲的不同成分作為目標(biāo)。優(yōu)選處理頻率對(duì)于目標(biāo)、害蟲或感染有效而對(duì)宿主沒(méi)有作用或只有很小作用。如前面關(guān)于節(jié)肢動(dòng)物部分所述，所有昆蟲中都有幾種成分甲殼素、蠟質(zhì)和水。對(duì)于很多含水都很高的害蟲/產(chǎn)品以及生長(zhǎng)中的植物來(lái)說(shuō)，以蠟質(zhì)為目標(biāo)具有良好的殺滅作用。圖4表示已知攜帶多種對(duì)樹和植物有害的疾病的果蝽的兩張譜圖。下圖是昆蟲的正常吸收，而上圖是除去蠟質(zhì)以后的圖。第一個(gè)峰在2900和2900cm-1之間，第二個(gè)峰在2300到2400cm-1之間，第三個(gè)峰在約1750cm-1。本方法可用于產(chǎn)生感覺(jué)結(jié)構(gòu)障礙如以復(fù)眼、鼓膜和觸角等為目標(biāo)。
可以處理其它農(nóng)產(chǎn)品使目標(biāo)蛋白或酶變性以穩(wěn)定產(chǎn)品。例如，如果以負(fù)責(zé)果實(shí)和蔬菜腐爛的蛋白為目標(biāo)，可以增加這種產(chǎn)品的儲(chǔ)存壽命。
實(shí)施例5跳蚤，扁虱和白虱蠟峰和水峰的組合給人和動(dòng)物提供了差異害蟲殺滅方法。在本實(shí)施例中，用可發(fā)射與這些吸收峰匹配的黑體源處理狗身上的跳蚤。用手持設(shè)備照射目標(biāo)狗，該設(shè)備的紅外源可發(fā)射1500nm峰，并帶有750nm截留濾光器以避免狗吸收太高。在已知對(duì)宿主安全的波長(zhǎng)使用來(lái)評(píng)估該發(fā)射源，該發(fā)射源具有1.5微米發(fā)射峰對(duì)應(yīng)水吸收峰，并且對(duì)于昆蟲體內(nèi)的蠟質(zhì)也有相當(dāng)高的C-H鍵吸收。使用約0.5到2瓦每平方英寸的通量密度，導(dǎo)致昆蟲被殺滅且不對(duì)宿主引起不適。扁虱和白虱也對(duì)這種處理敏感。殺滅人體組織上的扁虱而不引起皮膚損傷。
實(shí)施例6線蟲線蟲經(jīng)常是吃生魚如壽司而引起疾病的原因。各種宿主上的線蟲都可處理。圖5表示線蟲和鱈的光譜。兩個(gè)可能的治療區(qū)或差異峰被標(biāo)出。1480nm峰提供鱈和線蟲之間最大差異，因而可被考慮。1680nm和1880nm峰之間也有豐富差異，但在宿主鱈魚上也顯示非常低的吸收，因此在多數(shù)應(yīng)用中都優(yōu)選。優(yōu)選1680nm到1880nm范圍，因?yàn)檫@提供最空的空路，而對(duì)宿主有最小的影響。
線蟲對(duì)很多農(nóng)作物也有破壞作用，它們生活于土壤中并攻擊作物如草莓和樹的根部。土壤熏蒸劑甲基溴用于殺滅該害蟲，但2005年以后不再允許使用這種熏蒸劑，因?yàn)樗梢云茐某粞鯇?。?shí)驗(yàn)表明，1mm到1兆米之間的波長(zhǎng)可用于控制該害蟲，其中千赫茲帶可能效果最好。
土壤可傳播或穿透該范圍波長(zhǎng)，允許深入土壤中需要的深度。約3千赫茲波長(zhǎng)低功率測(cè)試對(duì)害蟲產(chǎn)生破壞作用。
實(shí)施例7腳癬已經(jīng)測(cè)試了一種治療微生物如腳癬和真菌如趾真菌和皮膚真菌的方法。實(shí)驗(yàn)按如下進(jìn)行腳癬患者的腳浸入溫水中約10分鐘使皮膚組織水化。然后用1500nm峰能量和750nm截留濾光器的紅外光照射兩次，每次約40秒。連續(xù)治療兩天可控制腳癬而對(duì)人體宿主沒(méi)有不良作用。
實(shí)施例8干燥涂料、膠水和粘合劑涂料、膠水和類似物質(zhì)的干燥過(guò)程要求蒸發(fā)掉這些產(chǎn)品中所含的溶劑。差異吸收方法可加速并改進(jìn)此過(guò)程。比較溶劑吸收譜和涂料或膠水中成分以及涂覆表面的吸收譜。匹配施加到溶劑上的能量和未施加到色素或其它物質(zhì)上的能量，這樣可以允許施加更高的能量而不會(huì)對(duì)涂覆表面或涂料或膠水產(chǎn)生破壞。
實(shí)施例9
通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)消毒/殺蟲系統(tǒng)可用于空氣處理以破壞、控制或預(yù)防空氣傳播病原的積累和密閉通風(fēng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的微生物污染，包括但不限于飛船、潛艇、醫(yī)療設(shè)施、食品加工廠、建筑物和賓館。用與空氣中污染物吸收相匹配的高強(qiáng)度EME清掃空氣流可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。利用空氣處理系統(tǒng)中的高反射區(qū)域，對(duì)其中空氣流用單或多波長(zhǎng)EME照射引起氣流中的有害成分達(dá)到臨界溫度，而空氣則不受影響或溫度升高微不足道。見(jiàn)圖7。這種設(shè)備提供一種處理平臺(tái)，根據(jù)滅菌程度的需要選擇高功率或低功率?？諝獗怀榛蛲迫朐O(shè)備，然后激光或其它光源發(fā)射能量殺滅或蒸發(fā)污染物。
編號(hào)1.激光發(fā)射源提供能量。2.旋轉(zhuǎn)鏡優(yōu)化能量。3.具有高反射表面的處理室集中能量。4.監(jiān)測(cè)用檢測(cè)器反恐怖主義方式系統(tǒng)含有高能場(chǎng)產(chǎn)生的激光，將所有通過(guò)的有機(jī)物燒成灰。該方法不破壞空氣、其成分或顯著增加空氣溫度。該滅菌系統(tǒng)設(shè)計(jì)成內(nèi)部集成單元，很容易與任何通風(fēng)系統(tǒng)相適應(yīng)。
有機(jī)材料的熱容范圍在1.2(固體)到2.5(液體)焦耳/克/℃之間。有機(jī)物溫度增加到500℃需要的熱量相當(dāng)于大約1焦耳/毫克或1千瓦/克，這樣可燃燒物質(zhì)。
能量＝質(zhì)量×熱容×溫度改變Q＝m×C×T(焦耳＝瓦/秒)(1千瓦＝1000焦耳)有機(jī)材料不能耐受500℃環(huán)境。所有有機(jī)物在達(dá)到500℃之前將燃燒并提供能量通過(guò)燃燒將系統(tǒng)滅菌。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)除了我們的空氣滅菌系統(tǒng)中使用的差異吸收技術(shù)外，我們還開(kāi)發(fā)出一種特性作為集成組件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并報(bào)告污染水平的類型和量。與紫外或其它推薦方法相比，這是另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。
我們的設(shè)計(jì)加入成對(duì)的檢測(cè)器，每對(duì)中的一半在處理區(qū)的每一側(cè)。這些監(jiān)測(cè)器檢測(cè)一氧化氮、二氧化碳和水蒸汽。即使少量污染物正在處理，成對(duì)監(jiān)測(cè)器也可發(fā)出差異信號(hào)。
所有活生物含有蛋白，處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生一氧化氮。當(dāng)出現(xiàn)有機(jī)化合物如存在細(xì)菌、病毒、霉菌等時(shí)，碳檢測(cè)器報(bào)告差異信號(hào)。氮檢測(cè)器確認(rèn)這些生物的存在，從而區(qū)分有機(jī)生物體和非生命來(lái)源的碳如碳酸鹽礦物質(zhì)(例如化學(xué)品，白堊和大多數(shù)塑料)。因?yàn)閺奶幚韰^(qū)的相對(duì)兩端有差異信號(hào)，環(huán)境雜質(zhì)水平如相對(duì)于周圍介質(zhì)一氧化碳水平的改變不觸發(fā)假警報(bào)。
另一個(gè)監(jiān)測(cè)器連續(xù)測(cè)量散射光的存在及其量，并給出污染物和有害物水平的全圖。所有這些監(jiān)測(cè)技術(shù)都已很成熟并使用現(xiàn)成的組件。大多數(shù)其它已推薦技術(shù)要求開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)生物傳感器，它們現(xiàn)仍只在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，在存在變化和經(jīng)常無(wú)法預(yù)知的環(huán)境因素的實(shí)際環(huán)境中它們的使用當(dāng)然受到懷疑。
實(shí)施例10醫(yī)療植入體和醫(yī)療設(shè)備本發(fā)明的差異吸收方法也可用于滅菌和/或除去醫(yī)療植入體和醫(yī)療設(shè)備的有害污染。硅酮用于多種醫(yī)療植入體如乳房假體。感染是使用硅酮的主要問(wèn)題。用本發(fā)明的方法，可以制造硅酮植入體并包裝于對(duì)預(yù)期處理波長(zhǎng)透明的材料中。然后可處理包裝的硅酮植入體以使之在植入患者之前滅菌。
不銹鋼也常用作醫(yī)療植入體，例如不銹鋼用于人工關(guān)節(jié)包括人工膝和髖，不銹鋼針經(jīng)常用于融合關(guān)節(jié)和骨頭。使用不銹鋼植入體遇到的問(wèn)題之一是油污染。用本發(fā)明的方法，在假體植入患者之前，處理不銹鋼可除去污染油。
實(shí)施例11照射組織或物質(zhì)通過(guò)將特定波長(zhǎng)的EME聚焦于物質(zhì)或組織、人體、動(dòng)物、植物、細(xì)菌、病毒或化學(xué)品，用這種方法照射物質(zhì)使之再發(fā)射能量以幫助鑒定特定物質(zhì)。通過(guò)漫反射(defused refectance)、熱輻射(黑體輻射)或掃描其非照射性質(zhì)(透光或陰影圖)，外加能量可引起再發(fā)射。將組織暴露于特定波長(zhǎng)的EME以照射本來(lái)無(wú)法檢測(cè)的物質(zhì)，組織可以是人、植物等。植物組織如干果暴露于目標(biāo)EME以照射和鑒定加工中的凹陷和凹陷片段。用可使之產(chǎn)熱的特定頻率EME照射部分身體，通過(guò)其差異吸收方式可以定位和鑒定癌細(xì)胞。
實(shí)施例11照射外源材料或物質(zhì)通過(guò)將特定波長(zhǎng)的EME聚焦于物質(zhì)或組織、人體、動(dòng)物、植物、細(xì)菌、病毒或化學(xué)品，用這種方法照射物質(zhì)使之再發(fā)射能量以幫助鑒定特定物質(zhì)。通過(guò)漫反射、反射、熱輻射(黑體輻射)或掃描其非照射性質(zhì)(透光或投影圖)，外加能量可引起再發(fā)射。將組織暴露于特定波長(zhǎng)的EME以照射本來(lái)無(wú)法檢測(cè)的物質(zhì)，組織可以是人、植物等。植物組織如干果暴露于目標(biāo)EME以照射和鑒定加工中的凹陷和凹陷片段。用可使之產(chǎn)熱的特定頻率EME照射部分身體，通過(guò)其差異吸收方式可以定位和鑒定癌細(xì)胞。
實(shí)施例12標(biāo)記標(biāo)記物質(zhì)是一組方法，用方法特異性頻率使用EME差異性標(biāo)記感染目標(biāo)，或者可以改變或激發(fā)物質(zhì)中的不希望成分，由此可參考或鑒定。EME可針對(duì)產(chǎn)品引起其改變，包括但不限于顏色改變、大小改變、光譜性能改變等。
實(shí)施例13使目標(biāo)帶上標(biāo)記或指定目標(biāo)以吸引化學(xué)品、催化劑、試劑或nanobot。聚焦特定能量于宿主，由于和/或起源于熱、物理或其它頻率誘導(dǎo)的反應(yīng)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些代謝過(guò)程或功能喪失以吸引藥物或化學(xué)品。催化劑和其它試劑可通過(guò)聚焦EME濃縮。將來(lái)在人體內(nèi)修復(fù)或執(zhí)行一些任務(wù)的納米設(shè)備或其它物質(zhì)激發(fā)特異性結(jié)合位點(diǎn)，這可能導(dǎo)致或吸引這些設(shè)備和將來(lái)的其它設(shè)備。
實(shí)施例14一種光學(xué)方法或加工，用于最終鑒定并排除干果中的凹陷、小枝、殼和其它外來(lái)物質(zhì)，然后包裝并使加工果類產(chǎn)品更容易(粘性較低)，并且在高速生產(chǎn)和包裝中不改變果實(shí)自身。確定光譜特性，在包裝之前立即利用EME處理干李子，讀出其反射能或熱特性，處理能量或信號(hào)并用于排除外來(lái)物質(zhì)，這樣可以初步實(shí)現(xiàn)以上所述的光學(xué)方法，并用于全規(guī)模包裝線。這也將應(yīng)用于其它干果和蔬菜，以及鮮果、谷物和很多其它食品。
實(shí)施例15一種治療前列腺癌的方法，其中涉及內(nèi)窺鏡裝置、傳送系統(tǒng)和能量源如激光或其它適當(dāng)波長(zhǎng)和適當(dāng)功率的光源，它可以傳送足夠能量引起癌組織的差異加熱作用。這種設(shè)備將涉及中空波導(dǎo)纖維光學(xué)器件或聚焦光學(xué)器件并保持足夠小以進(jìn)入直腸。直腸和前列腺之間的組織非常薄，膀胱就在從直腸到前列腺的后面，膀胱中可充滿反射性液體以將能量集中于前列腺。
盡管參考優(yōu)選實(shí)施方案和具體實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以知道在不偏離本發(fā)明精神和范圍的前提下，可對(duì)其形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行改變。正如此，前面的詳述只是舉例說(shuō)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種為預(yù)期的所需作用而選擇性激發(fā)宿主產(chǎn)品中目標(biāo)物質(zhì)的方法，其中根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)的波長(zhǎng)依賴性吸收系數(shù)，用差異吸收方法將其暴露于電磁能，波長(zhǎng)依賴性吸收系數(shù)可以將目標(biāo)物質(zhì)和宿主產(chǎn)品中存在的其它物質(zhì)區(qū)分開(kāi)，并且其中希望其它物質(zhì)沒(méi)有或很少有激發(fā)，該方法包括以下步驟確定目標(biāo)物質(zhì)在每個(gè)波長(zhǎng)下的光譜特性(Aλ)；確定宿主中存在的其它物質(zhì)(AH，λ)的光譜特性；比較目標(biāo)和宿主的譜圖；鑒定目標(biāo)和宿主之間的差異吸收區(qū)域；鑒定差異區(qū)最大差異吸收譜帶；鑒定表現(xiàn)出足夠差異同時(shí)也表現(xiàn)出最低宿主吸收的譜帶或譜線；通過(guò)將譜圖重疊以顯示差異(Aλ)，比較并計(jì)算宿主和目標(biāo)之間每波長(zhǎng)的差異吸收程度(AT，λ/AH，λ)；用差示掃描量熱計(jì)或其它方式鑒定目標(biāo)熱容(CT)；用差示掃描量熱計(jì)或其它方式鑒定宿主熱容(CH)；確定對(duì)目標(biāo)的臨界溫度(TT，C)，即在生物學(xué)、情感、化學(xué)和/或物理狀態(tài)方面的臨界活性所需的作用溫度，這將引起或促進(jìn)所需作用，包括但不限于對(duì)一或多種所選物質(zhì)進(jìn)行變性、殺蟲、破壞、消毒或脫水；確定對(duì)宿主的臨界溫度(TH，C)，即在生物學(xué)、情感、化學(xué)和/或物理狀態(tài)方面的臨界活性所不希望的作用溫度，這將引起或促進(jìn)所需作用，包括但不限于對(duì)一或多種非選擇物質(zhì)進(jìn)行變性、殺蟲、破壞、消毒或脫水；對(duì)P/Axt求解；用以下方程計(jì)算達(dá)到對(duì)目標(biāo)的臨界溫度(TT，C)每波長(zhǎng)所需的能量P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxTCx(Tc-Tλ)；用鑒定的通量密度和以下方程根據(jù)宿主吸收因子(HAλ)計(jì)算并比較每個(gè)處理波長(zhǎng)的差異作用P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tλ)其中P＝功率，A＝面積，t＝時(shí)間，Aλ＝吸收因子，Ea＝吸收能量，ml＝物質(zhì)質(zhì)量，C＝熱容，Tc＝臨界溫度，Ta＝環(huán)境溫度，TT，c＝目標(biāo)臨界溫度，TH，c＝宿主臨界溫度，CH＝宿主熱容，CT＝目標(biāo)熱容，吸收因子＝來(lái)自波長(zhǎng)依賴性譜圖的吸收臨界溫度＝目標(biāo)所需作用或不希望的作用PxAxt＝通量密度。
2.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，包括進(jìn)一步選擇某種電磁能源的步驟，這種電磁能表現(xiàn)出滿足波長(zhǎng)和通量密度要求的發(fā)射特性，其中包括但不限于白熾燈和熒光燈、火花、電弧、氣體放電管、激光器、諧波發(fā)生器、微波激射器、磁電管，速調(diào)管、自由電子激光器、參數(shù)和分子振蕩器、電子管、半導(dǎo)體設(shè)備和旋轉(zhuǎn)發(fā)生器。
3.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，包括進(jìn)一步的步驟確定是否需要調(diào)節(jié)通量或收縮發(fā)射；評(píng)估光源的線數(shù)、每線功率、或黑體發(fā)射曲線；并評(píng)估方法的成本性能。
4.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，包括進(jìn)一步進(jìn)行通量?jī)?yōu)化的步驟，其中包括但不限于，過(guò)濾、轉(zhuǎn)換、倍增、Q轉(zhuǎn)換、脈沖、聚焦、反射、光柵、泵浦、加速、激發(fā)或其它優(yōu)化能量的方法。
5.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，包括進(jìn)一步的步驟確定能量傳輸?shù)教幚砦稽c(diǎn)或加工區(qū)域的方法；選擇已知傳遞所選處理波長(zhǎng)的傳輸方法；確定該機(jī)理的物理大小限制；考慮目標(biāo)可接近性；和考慮在處理前、中或后光譜或視覺(jué)監(jiān)測(cè)的任選需要。
6.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，包括進(jìn)一步的步驟提供大量產(chǎn)品傳送到處理位點(diǎn)或加工區(qū)域以直接照射的方法。
7.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，包括進(jìn)一步的步驟用傳送帶、螺桿傳送器、風(fēng)力傳送器、轉(zhuǎn)鼓運(yùn)輸物質(zhì)，振動(dòng)或振蕩。
8.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是節(jié)肢動(dòng)物上角質(zhì)層脂質(zhì)吸收線的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是活植物組織的吸收因子。
9.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是脂酶吸收線的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是稻米組織成分的吸收因子。
10.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是微生物感染吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是硅酮植入體的吸收因子。
11.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是病原或細(xì)菌吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是活細(xì)胞組織、血漿、水或血液中其它成分的吸收因子，其中希望很少或沒(méi)有明顯的作用。
12.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是大腸桿菌E.coli吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是生肉的吸收因子。
13.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是油污染物吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是不銹鋼植入體的吸收因子。
14.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是玻璃翼狀尖喙卵物質(zhì)(glassy winged sharpshooter egg mass)吸收線或帶的一種或幾種成分的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是活植物組織的吸收因子。
15.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ根據(jù)節(jié)肢動(dòng)物上角質(zhì)層上的甲殼素和脂質(zhì)吸收線計(jì)算，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ根據(jù)人皮膚和人毛發(fā)計(jì)算。
16.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是病毒吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是活植物組織的吸收因子。
17.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是溶劑吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是涂料色素的吸收因子。
18.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是節(jié)肢動(dòng)物吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是活哺乳動(dòng)物組織的吸收因子。
19.如權(quán)利要求1所述的選擇性激發(fā)物質(zhì)的差異吸收方法中，其中目標(biāo)物質(zhì)的吸收因子AT，λ是線蟲吸收線或帶的吸收因子，宿主物質(zhì)的吸收因子AH，λ是生魚的吸收因子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將物質(zhì)選擇性暴露于特定波長(zhǎng)的電磁能中以引起或促進(jìn)所需作用的方法，其中每波長(zhǎng)電磁能具有足夠的通量密度。該方法包括，但不限于破壞、消毒、變性、殺蟲、損傷或脫水一或多種物質(zhì)，更具體地，本發(fā)明涉及將物質(zhì)，其中可以含有物質(zhì)的混合物，經(jīng)受電磁能，同時(shí)其光譜特性表現(xiàn)出物質(zhì)內(nèi)或物質(zhì)混合物內(nèi)的光譜差異，施加能量以引起由吸收差異導(dǎo)致的波長(zhǎng)依賴性反應(yīng)。這種附加的外加能量表現(xiàn)在分子的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、磁和電狀態(tài)變化或量子躍遷，通常該方法采用的波長(zhǎng)范圍大約是1光秒到10電子伏，或者能級(jí)低于離子化能級(jí)的波長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01N21/33GK1524272SQ02813508
公開(kāi)日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2002年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月3日
發(fā)明者B·皮爾斯, B 皮爾斯 申請(qǐng)人:先進(jìn)光技術(shù)有限責(zé)任公司