差異光化學和光力學加工的製作方法

2023-04-24 07:03:16 2

專利名稱：差異光化學和光力學加工的製作方法
背景技術：
很多人都知道需要減少對合成化學品和抗生素，以及殺蟲劑和除草劑的使用和依賴。很明顯，除非出現安全的替代品，它們對醫藥、農業和整個社會的影響非常巨大。每年無數劑量的抗生素和其它藥品用於控制各種病痛和感染，人類和作物使用無數化學品和放射線，頭上有蝨子的兒童使用含殺蟲劑的香波。在它們有效對抗大量疾病和蟲害的同時，由於這些化學品對環境和人類健康的威脅，其使用也日益受到公眾關注。
發現病原微生物、細菌或害蟲產生對化學品、抗生素、藥品或殺蟲劑的抗性不再是什麼新聞，在目標病原或害蟲開始出現對新化學品的抗性之前，農學家和醫生只能預期5到10年的有效期，因此必須發現替代品。根據食品質量保護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。這些立法開始考慮環境問題，但是準備放棄這些化學品使全球的農學家再次感受到緊迫，必須找到方法保持它們的經濟壽命和國際貿易狀況。同時很多抗生素使用方法不正確或其效力正在不完全降低。
光化學和光力學反應是本申請的兩項內容。光化學反應是光尤其是紫外光影響或引發的反應。選擇性光化學加工是尖端的無汙染加工或處理方法。光力學反應是一個名詞，我們用來描述由電磁能(EME)引起的分子力學反應，彎曲、伸長、搖擺、旋轉和振動是物理或力學動作。下面有更詳細的解釋。本發明中每種應用可專門設計選定波長，使光(電磁能)只影響目標或感染，而不影響接受治療或處理的人或農產品。
準備治療或處理的對象或產品以及相關目標或感染接受測試確定光譜特性。比較從宿主和目標或感染收集的光譜，考慮使用表現最高或最有效差異吸收的頻率進行加工。然後評估所考慮頻率的可用性、功率轉換效率，有效通量密度、發射帶寬、過濾或頻率調節後的效率，以及宿主在所考慮波長的透過性。
選定波長後進行輻射密度測試。如果宿主是非消耗品則進行體外測試。對於可進行破壞性測試的宿主(如食品包括穀物或生肉或魚，或塗料)，可對產品樣品增加選定波長的強度，直至確定對宿主產生有害作用的程度。目標或感染也以同樣方式處理並監測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。加工時間受幾個因素限制，其中第一個是差異吸收的數量級。如果有在需要波長處具有窄帶發射能力的高強度源，具有高度差異吸收的宿主和相關感染可以有非常短的處理時間。宿主和相關感染差異吸收低時，優選在幾個差異點用合適波長進行處理。多模式加工，或多波長處理可以使用不引起宿主有害作用的任何或所有波長。感染與宿主的接近程度(目標在宿主內部或位於其表面)也是一種因素。如果感染在宿主內部，宿主必須對治療波長有一定程度的透過性，以使能量可達到感染處，或者宿主有能力傳導或傳遞選定能量到感染位置。如果感染位於宿主表面，宿主只需不吸收或反射治療波長即可。表面感染允許使用更多波長，因為大多數物質有很少的穿透波長。最後，需要考慮產品的物理狀態、以及運送產品到暴露位置的方法。
發明簡述本發明涉及將物體選擇性暴露在單位波長具有足夠通量密度的特定波長電磁(EM)能，以引起或促進預期作用。該方法包括但不限於，破壞、消毒、變性、殺蟲、分解或脫水一或多種物質。更具體地，本發明涉及將物體，其中可含多種物質的混合物，置於具有光譜特性的電磁能中，以利用物質內或物質混合物內的光譜學差異。施加能量以引起由吸收差異導致的波長依賴的反應，這種外加能量表現在分子振動、旋轉和電以及磁狀態的自身改變或量子躍遷。一般來說，該方法使用的波長範圍從約1光秒到約10電子伏，或具有小於電離能的能級的波長。
由於害蟲或病原不能產生對熱或電磁(EM)能吸收的抗性這一事實，本發明的差異吸收方法具有優於化學品的優點。另外，本方法不需要新化學品或藥品註冊的時間和費用，並且可得到良好的放大測試結果供實施。本方法使用的頻率不能斷開化學鍵。優選地，所用頻率沒有足夠能量斷裂化學鍵，並且不使用電離能。化學鍵可以解離、振動、旋轉等，但不被斷裂。本方法不能造成產品的化學變化，因此，特別適用於有機和商業應用。
科學家使用紅外(IR)光譜進行定量和定性分析已有幾十年，近些年更加優化。現在IR光譜可檢測傳送帶上穀物中的病原，新開發的紅外監測系統用於檢測穀倉中的蟲害。本發明的方法不僅檢測，而且利用產品和害蟲的光譜吸收差異。通過其對於所有不同類型物質的獨特作用，本方法使用電磁(EM)能促進不同類型物質的反應。
期望作用期望作用用於描述通過使用本方法而得到的預定的積極結果。它包括但不限於，破壞、消毒、變性、殺蟲、分解、脫水、標記、標籤、照明(illuminate)一或多種物質。照明物質是通過設計的方法將物質暴露於特定的EME波長，以引起物質發射或再發射能量，來幫助鑑定或排除特定物質。標記物質是一種期望作用，其中物質的感染或不期望成分可被改變或激發，從而可被參考。標籤或指定目標具有吸引化學品、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。破壞物質引起過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除害蟲或形成一種對害蟲有害或其不耐受的環境。變性是指通過加熱而改變蛋白，以此方式，作為蛋白分子結構改變的結果，導致其原始特性如溶解性被改變，從而用EME作為變性劑。消毒是指通過將物質置於對某些物質有作用的EME中使之死亡，從而對物質滅菌，使其沒有活生物。
附圖簡述

圖1表示作為波長函數的DNA吸收2表示作為溫度函數的DNA吸收圖，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明詳述節肢動物普通生物學就物種數目、全部個體數、總質量及其廣泛生活於所有陸地來說，節肢動物是地球上最成功的生物，節肢動物門分為三個亞門螯肢亞門(蠍，蛛，蜱，蟎)，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種已知物種，在任何給定時間估計有1018個個體。
節肢動物確定的特徵之一是具有堅硬的外骨骼或角質層。角質層是非細胞的多層膜，覆蓋單層上皮細胞，從其分泌形成多層膜。雖然各種節肢動物之間硬度、厚度和組成不同，但整個門的角質層的基本結構和目的相似。角質層一般分為兩層薄的最外層的上角質層，和下面的前表皮。前表皮含硬化的甲殼素-蛋白質複合物，它們決定了角質層的形狀和強度(與之比較，連接骨片和附屬體節的節肢膜保持高度柔性和彈性，因為其蛋白未被硬化)。前表皮也包含一些脂質和蠟質，但與上角質層的程度不同。前表皮中脂肪和蠟質條紋狀分布成多個水平層，包括角質層表面上的表面沉積層。儘管非常薄(0.1-3μm)，通過外層位置和化學成分的疏水性，上角質層提供節肢動物角質層主要的防水擴散屏障。
生理學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)已經表明上角質層性質很複雜。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。
與其作為節肢動物的水屏障作用相關聯，上角質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肢動物中這些正烷烴長度為20到37個碳原子之間的奇數鏈。支鏈烴包括單甲基-，二甲基-，和更少見的三甲基烷烴，它們通常伴隨正烷烴出現。此外，約50％的研究物種中發現上角質層含有烯烴(不飽和烴)，不飽和度為一、二，偶爾是三。
也發現上角質層含全部烴氧化衍生物，平均鏈長10到32個碳原子的飽和和不飽和脂肪酸的混合物是其常見成分，其中少於一半的已分析物種中發現有游離醇。蠟酯也經常伴隨烴出現，根據醇和脂肪酸成分的複雜程度，蠟也由簡單到複雜分布。在黑寡婦蜘蛛、沙地蟑螂和介殼蟲中發現這些蠟主要是表面脂質。
穩態水對於節肢動物維持穩態、細胞環境(溫度、pH、電解質濃度等)的動態平衡非常關鍵。水對於維持恆定的內部溫度特別重要，儘管環境溫度有波動。因為其體型小，表面積/體積比高，節肢動物迅速從環境中獲得熱量。為抵消這種熱量獲得，它們使用蒸發冷卻，這要求節肢動物以大致與其表面積成比例的速率蒸發水(汗)。熱量獲得和大表面積的組合要求節肢動物將其小體積的大部分用於儲存水。隨著時間節肢動物進化出疏水上角質層，幫助保存水分並調節其蒸發。沒有上角質層，陸地節肢動物將不能維持恆定的內部溫度或保留足夠的水分，並將迅速幹掉。
昆蟲的紅外標定(targeting)角質層對於昆蟲的存活極其重要，因為甲殼素是角質層的主要結構成分，它是理想的選擇性殺蟲劑靶點。然而，使用殺蟲劑不是昆蟲控制和根除的惟一可行方案。昆蟲身體的幾個區域可以作為靶點，涉及角質層、甲殼素或其它不同材料，它們對紅外或微波有反應。例如，昆蟲的感覺結構，如複眼、鼓膜和觸角可作為靶點，導致昆蟲盲、聾，不能定向或找到配偶。
優選地，已經知道暴露於紅外光源的昆蟲表現感覺困難而沒有識別光源的行為。暴露於標準光源時，昆蟲反應並因而逃離。有些昆蟲生理上對紅波長的光幾乎是瞎子，但可以看到相當多的紫外光波長。由這些實驗記錄的現象，Menzel推論，這些昆蟲(例如雙翅目)沒有紅光(可見光)受體。這種紅色盲是缺乏接收長波輻射的色素的結果。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烈的視覺相關性，這些色素允許昆蟲對天空散射光譜分布作出反應。與窄帶寬的輻射相比，昆蟲對天然的散射光有更強的視覺反應，換句話說，當暴露於散射光時，它們跑、跳或飛離。因此，紅外波長對節肢動物保持透明(不可見)。節肢動物角膜由透明角質層構成，因此蜘蛛和昆蟲的眼可由本發明的方法進行標定。通過組織脫水，紅外透入角膜(或鼓膜)將能破壞視覺(或聽覺)功能，發生組織再水合之前，引起組織損傷，並表現隨後的色盲(或脫敏)以及因此存在對處理後昆蟲存活能力的挑戰。
另外，觸角功能和腿部運動與角質層有關。正常情況下角質層已被硬化，使之更幹更硬，通過蛋白-甲殼素交聯抵抗降解。然而在關節處，角質層沒有硬化以保持柔性。這種「弱點」意味著IR照射可以改變內部甲殼素保留組織中水的能力，而水對於運動是必要的(附肢肌肉，連接組織，骨節(關節組織))，這種改變可引起昆蟲關節損傷，從而使昆蟲喪失能力。
普通生物學-微生物微生物在地球上已出現35億年。由此證明它們適應性非常強，廣泛分布，且多種多樣。事實上，二十億年前早期細菌建立的主要代謝途徑至今仍是生命形式的特徵。連續增殖和適應性的延續確保細菌和真菌的生理和生化是對環境變化的幾十億年遺傳應答的反映。
微生物分類基於1969年R.H.魏特克系統，他建議根據三種主要營養模式可分為5個界。分別是原核生物界(細菌)，原生生物界(主要是藻類和原生動物)，植物界(植物)，真菌界(酵母和黴菌)和動物界(線蟲，蛔蟲，絛蟲/吸蟲和其它門)。前兩個界是基礎，其它三個界由其進化而來。這個系統所基於的營養模式是植物界(光合作用)，真菌界(營養吸附吸收)，和動物界(營養攝入吸收)。另外，非細胞傳染性物質如病毒(動物宿主)，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)屬於微生物的一部分，也應該在分類學中包括。
真菌生理學-甲殼素真菌甲殼素化學性質與節肢動物的相同，除了一類也在細胞質包含顆粒中發現的以外，限定於所有真菌的細胞壁。真菌中，甲殼素的作用是維持細胞壁形狀和硬度。真菌細胞壁主要由多糖和少量脂質，蛋白和其它無機離子組成。多糖在兩種主要結構中發現線狀微纖維和組織性較低的基質。細胞壁主要結構成分-微纖維的結構，是多糖鏈互相纏繞形成粗壯的線狀。這些線深入基質中，基質是未結構化的顆粒狀較小多糖的聚集體。基質也含有蛋白和脂質，它們一般分別佔少於基質重量的10％和8％。真菌壁類似於增強混凝土，微纖維類似鋼筋而基質類似混凝土。
微纖維本身由甲殼素，纖維素或其它非纖維素葡聚糖組成。甲殼素結構是未分支的β-1，4-連接的N-乙醯-D-葡糖胺單元的聚合物。幾種主要真菌的細胞壁中甲殼素的存在是真菌不同於高等植物的獨特特徵。真菌分類的基礎之一是基質多糖和微纖維，因為基質中的糖分布可以將一類真菌區分於另一類真菌。
真菌細胞壁和特定生命周期結構中甲殼素的量(乾重)不同。一種Mucor rouxii的孢囊柄(形成子實體的孢子)中甲殼素含量是18％乾重。其它真菌細胞壁可含有39％到58％乾重的甲殼素。在真菌膜中磷脂和鞘脂是主要脂質，它們是極性分子，含親水頭部和長的疏水尾巴。質膜是細胞內外物質運輸的調節者，由等量脂質和蛋白和少量糖組成，有時也可發現核酸。
需要說明，一種麴黴中細胞壁甲殼素含量恰好在芽管出現之前增加。細胞成分如甲殼素濃度的改變已被用於鑑定真菌生長，特別是評價植物病原真菌的生長。根據格裡芬，通過抑制甲殼素合成來控制病原真菌好像是選擇性殺真菌劑的理想作用機制，不會有對宿主的有害副作用。然而，非常少的殺真菌劑發現有這種活性。然而，因為甲殼素有IR活性，通過用窄帶光差異加工破壞真菌的甲殼素(因而破壞細胞壁)的方法可以是化學殺真菌劑的實際選擇。甲殼素的拉曼光譜見圖6。
分子振動躍遷和紅外光譜所有物質都由原子和分子組成。分子中原子通過其電子的三維排列被拉到一起。一些物質中原子帶電成分(帶正電的核和繞核帶負電的電子)的排列對稱，物質的任何區域沒有淨電荷積累(偶極距)。這種非極性物質不能與振蕩電場(光)相互作用，因此完全透過微波和紅外輻射。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，因為其對稱性而沒有淨偶極距或電荷。與振蕩電場的相互作用並從而吸收微波和紅外輻射只能在物質有不均勻電荷分布(偶極距)的情況下發生。這些極性分子如二氧化碳(CO2)和水(H2O)在外加電場下象微小磁體一樣試圖按其偶極距沿電場排列，並且不對抗電場的電荷。因為極性分子能與振蕩電場(光)發生這種相互作用，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)光譜中任何波長的光能。EM譜包括的光波長範圍非常寬，可人為分成幾個區域。這些區域列表如下
分子吸收一個光子(一小份光能)時，分子能量增加這個光子的能量。光子能量(E光子)與其波長(λ)成反比(波長越短能量越高)，有以下關係E光子＝hc/k(h和c是常數)。光子也可以用光頻率(v)描述，它與波長有以下關係v＝c/λ。分子吸收一個光子的能量改變(ΔE)用頻率表示等於hv。這種外加能量表示其分子自身在電子、振動和旋轉狀態的改變，稱為量子躍遷。對於本發明的方法，一般來說，主要關注波長小於1光秒和能量小於10電子伏的EM能。微波輻射吸收引起分子旋轉狀態之間的躍遷，而紅外輻射引起振動狀態之間的躍遷。下面將詳細討論紅外輻射吸收。
儘管分子可以吸收IR輻射，但它們並不能連續吸收全範圍的波長。物理學原理決定每個極性位點只對應某種能量，因此只有對應於所涉及化學鍵和原子的某種能量(量子力學中的「量子」)可以被吸收。如果把化學鍵比作兩個重物(原子)之間的彈簧，它可以當作經典力學中的諧振器。就象彈簧，當從其平衡位置被拉伸時化學鍵產生一個恢復力，這種力使原子以諧振方式(單擺運動)移回其平衡位置。化學鍵在拉伸位置的勢能(V，系統作功的能量)是位移(x)的拋物線函數，如下式表示V＝1/2kx2。常數k是鍵力常數，是該化學鍵的特徵之一。以單位N/m2(牛頓每平方米)表示，k與鍵強度成正比，這種張力就象諧振器。因為分子振動是量子化的，諧振器的薛丁格方程可表示為
解該方程，計算允許能級以及允許分子振動躍遷，得 其中v是振動量子數，等於0，1，2，3…且其中 。變量μ是此處所述兩原子系統的質量降低值，等於=[1m1+1m2]-1]]>其中m1和m2是對應原子的質量。設想一個原子比另一個更重，較小原子比較大原子將發生更大位移，因此系統振動頻率受更大影響，這樣就容易理解系統質量損失。
能級本身很少用於實驗，而振動能級之間的能量差異更重要，這些能量差異等於分子將吸收的光子能量，此處是簡單的異核雙原子分子如HCl(氫氯酸)。為計算這些能級之間的差異，連續量子數插入能量表達式並互相減去 因為該表達式用一般量子數導出，可以看到所有振動能級之間的能量差異都是等價的，得到一個均勻的梯狀間隔的分子振動結構。很有趣的是基態振動能級的能量(v＝0)不是0 明顯這是因為它意味著鍵振動從不停止，甚至在最低能量狀態也是如此，原子在平衡位置附近連續振動。
然而，雖然分子可以在各振動能級之間躍遷，但並非所有躍遷都被允許。遵守量子力學定律的選擇規律決定允許哪些躍遷。任何分子與EM場相互作用最一般的選擇規律上面已經給出為吸收紅外範圍的光子，分子必須至少具有一個躍遷偶極距(電荷重排)，其振動頻率與光子相同。(為吸收微波輻射以進行旋轉躍遷，分子必須在期望頻率具有永久偶極距)。
對于振動躍遷有更具體的選擇規律振動狀態的量子數v只能改變1(Δv＝±1)。因為大多數分子室溫下處于振動基態，最優勢的振動光譜躍遷是代表v(0→1)吸收的單線態。然而這種簡單光譜不能在元素分子中看到；有幾個因素作用於迴旋振動光譜。首先，對於有永久偶極子的分子，因微波躍遷引起的吸收混在振動光譜中間。然而對於複雜的多原子分子，旋轉躍遷因振動吸收而不明顯，只是有使吸收峰變寬的趨勢。振動光譜複雜表現的最大原因是鍵運動的非諧振性。振動躍遷的量子力學表達式和選擇規律都來自一種假設分子鍵行為象諧振器。然而這種假設只是在最低勢能狀態下化學鍵行為的近似。當化學鍵振動激發到越來越高的能級時，因為振動恢復力不再與位移力成正比，其運動也變得不再是諧振。振動躍遷梯中隨後的能級不再均勻間隔而是會聚，到達最大能級之前寬度越來越小。最大能量處化學鍵將解離，諧振方程不能預測這種性質。非諧振性以兩種方式影響光譜表現1)振動躍遷趨於在小範圍頻率發生，導致峰展寬而不是尖吸收帶，和2)不嚴格遵守Δv＝±1選擇規律。弱吸收(稱為泛音)也可看到，對應於禁止躍遷，如v(0→2，0→3等)。
儘管非諧振性使象彈簧-球模式行為的原子之間的激發振動圖複雜化，但這種概念是有價值的工具，可以幫助理解吸收IR光子時受激分子的運動。線性雙原子分子中只有鍵間伸縮運動可被激發。而在多原子分子中對稱和非對稱性鍵伸縮都可能具有IR活性，同時鍵角改變的彎曲和搖擺運動也可能發生。這種運動被稱為正交模式，是可被激發的原子或原子團的獨立運動，而不會引起任何其它運動。分子中正交振動模式的數目可用下式計算#(非線性)3N-6#(線性)3N-5
其中線性或非線性是指分子幾何結構，N是分子中的原子數。因此在含12個原子的非線性分子中有30種正交振動模式可以吸收IR輻射，如果它們被選擇規律允許的話。除了最簡單的分子以外，測量不同頻率處分子吸收輻射而產生的振動光譜極其複雜。
然而，儘管單個分子的光譜難以解釋，但是分子中不同基團產生特徵頻率和強度的吸收。較大分子中具有特徵化學行為的一個原子或幾個原子稱為官能團，它們在不同分子中吸收IR輻射的頻率和強度保持大致恆定。例如根據基團所處化學環境，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IR吸收。因為每個吸收峰理論上都可指向分子運動或官能團運動，因此可以用IR光譜鑑定未知化合物。
標準模式光譜用光譜儀可得到EM譜，光譜儀帶有輻射源，單色器和每個波長範圍的檢測器。用紫外可見休力特-帕卡德(HP)光譜儀可得到200nm到800nm範圍的譜圖。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範圍的光譜。同時，在很多不同來源的很多譜圖庫中收集有譜圖，或由分子建模程序產生。
用紅外吸收光譜儀很容易得到實驗IR譜。大多數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)和檢測器。根據樣品特性、所用EM譜範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，用本領域一般技術人員已知的普通方法，每個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。所有數據的波長範圍在400-4000cm-1(波數)或2.5到25.0μm(微米)，每張譜圖以4cm-1間隔經60次掃描。
吸收和透射IR研究中，樣品處於不同波長和強度的光之中，光通過樣品，然後與已知強度的原始光束比較。透射IR結果根據通過樣品的光量(透過樣品)計算，吸收IR根據樣品的光吸收計算。兩組數據有如下數學關係
A=-logT=-logII0]]>其中A是吸光度，T是透光度，I是穿過樣品的光強度，而I0是原始光束的強度。根據比爾定律，樣品吸光度也依賴於樣品厚度和光程A＝εc1其中c是樣品濃度，1是樣品光程，ε是消光係數。
在樣品組之間儘可能經常對馬特森進行背景校正(預設值是10分鐘)。氯化鈉樣品池用於天然油、塑料膜和非水化樣品(不含水)。氯化銀樣品池用於水化樣品。
DRIFT單元背景也是潔淨的樣品片或烘箱乾燥的溴化鉀(KBr)。漫反射用於檢查動物和植物樣品表面一角硬幣大小的樣品片。樣品組織旋轉90度，再旋轉90度以觀察任何吸收改變。研磨烘箱乾燥的樣品(110℃，30分鐘到1小時)並與烘箱乾燥的溴化鉀以20∶1(KBr∶樣品)比例混勻。用烘箱乾燥的KBr作背景。
紫外/可見光譜儀用Hewlett Packard 8453二極體陣列光譜儀和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於適當稀釋和/或懸浮。其它樣品壓碎然後離心分離固體和液體，然後分別測試每種組分。
高能光譜，主動光譜和破壞性光譜高能光譜高能光譜用於不太透明、緻密和厚的樣品，它們超出了標準光譜儀的範圍。標準光譜儀使用如能斯特燈絲或碳矽棒作光源，在全波長範圍內其總發射不超過20W(中IR範圍由3400個獨立頻率組成)，每線功率不超過0.005瓦(5mw)。在約6.5mm2面積上這種光能的通量密度小於0.7mW/mm2。高能光譜使用功率高達10瓦/cm2的發射源。
主動光譜主動光譜能量範圍在高能光譜和破壞性光譜之間。主動光譜使用的能量水平可以主動改變樣品的物理特性。利用氣相色譜(GC)質譜儀採集測試過程中由樣品釋放到測試池中的氣體可以使研究人員跟蹤其變化。主動光譜是評估處理和治療作用的測試平臺，體內治療設備可以直接從這種形式的光譜中產生。
破壞性光譜破壞性光譜(僅體外)將光譜研究延伸到目標破壞的程度，用於檢查宿主的損傷閾值。對樣品處理直至其開始降解的程度可建立體內實驗的硬停止值。可以處理樣品到超過損傷閾值的程度以研究目標和宿主材料在特定波長如何與極高能量相反應。通過在處理期間將GC質譜儀與樣品室偶聯可監測樣品，當樣品降解時將提供進一步的關於化學分解和反應的信息。
此處描述的這三種高能光譜有一些共同組件，如光源，樣品架和檢測器。僅當使用多色光源時使用單色器，雷射或線性光源發射器不需要單色器。
檢測器檢測器是轉換器，其目的是截取或接收信號或電磁輻射束並將其轉換成電或數位訊號的形式。檢測器的響應取決於多種因素，如類型，輻射波長和檢測器溫度。檢測器包括Golay池，輻射熱電偶，熱電堆，檢流計，輻射測熱儀和光檢測儀(光二極體，CCD，CMOS)。
低頻操作(5Hz量級)Golay池大概是目前最好的非冷卻熱檢測器。通過偶聯變壓器方式正確匹配放大器時熱電偶也有良好的性能。需要高能環境下的檢測器時，必須使用冷卻檢測器如冷卻輻射測熱儀。冷卻通常提高頻率響應並降低噪音。
量子型或光檢測器和熱檢測器的關鍵區別是熱檢測器吸收頻率為v的量子而產生與v成比例的效應(每量子能量＝hv)，而光檢測器中量子產生效應時大大獨立於其頻率或根本不產生效應。很多應用要求光檢測器能定量響應低入射光水平，這可以用雪崩光二極體(APD)實現。
電荷耦合裝置(CCD)陣列由像素構成，每個像素又由金屬氧化物-矽半導體(MOS)電容組成。其中每一個是p-型矽基底上的絕緣二氧化矽層，其上覆蓋一薄層金屬電極。外加偏置時，空穴遷移出門下矽中的耗盡層，產生勢能阱。照射裝置時產生電子-空穴對，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移電荷直至在CCD晶片的邊緣處被檢測。在整個紫外頻率CCD動態範圍是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態範圍(最暗和最亮光的比值)。與CCD相比，互補型金屬氧化物矽半導體(CMOS)生產成本極低。CMOS成像裝置一次暴露一條線，然後將該線轉入輸出記錄儀並以其它方式提供信息。高能光源如雷射在某些情況下可能大大超過檢測器極限，這時每次應用要使用適當類型的檢測器。微波、無線電波和更長波長時要使用天線和信號處理器。
樣品架/測試池測試池和樣品架可有很多不同設置但要求必須有某些組件。主要是必須有透射適當頻率EME的窗口。窗口用很多不同物質加工，並且必須滿足樣品、波長和環境條件等的所有要求。鹼金屬滷化物(鹽)NaCl、KCl、KBr、CsBr、CsI與水化學不相容。金屬氟化物MgF2、CaF2、SrF2，BaF2與氨和酸不相容，並且對熱和力學衝擊敏感。氧族化合物ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe有灰塵以及氧化後有毒。玻璃SiO2、As2S3、AMTIR、HMFG便宜但只限於可見和NIR範圍。塑料HDPE、TPX、TFE、FEP便宜但易受冷流影響且遇熱變形。樣品室用不鏽鋼或其它低活性材料製造。同時，樣品室經常帶孔道從而可收集氣體供分析。樣品池安裝於軸套中以在更換樣品時快速定位。池或室的大小設計成可以放置大且厚的樣品。波長超過約1mm的測試池用非金屬材料如石英(SiO2)或其它不吸收測試頻率的材料製造。測試池經常是管狀並放置於傳輸線圈的中心，很多都是雙層壁結構。
流量優化流量優化適用於分析和處理，在暴露於樣品池或供處理之前從光源發出的EME(流量)要進行優化，可通過很多方式實現，包括但不限於，過濾、聚焦、束展寬，校準、反射、光柵，這些屬於被動優化。泵浦、轉換、加倍、Q轉換、脈衝、加速、激發是電動或電光學方式改變光束的形狀或傳遞速率，它們是通過向系統加入能量或將其轉換成期望波長。聚焦光學器件、光束展寬器和校準器在可見和NIR的較低功率下工作，但經常在雷射和其它光源的更高功率下過熱和損壞。優選不需要傳輸的光學系統。鏡子用於操作和優化光束或能量或用於高能光譜，且需要是第一表面。
必須非常精確的控制雷射輸出功率，可用電子學方法控制輸出，或使用掃描或旋轉鏡也很好。流量密度是單位面積時間的功率(Power overArea times Time)，因此大面積快速掃描屬於低流量密度，相比較而言同樣面積慢速掃描屬於高流量密度。流量密度可表示為瓦每秒或焦耳(1瓦秒等於1焦耳)。100瓦輸出並且3mm光束直徑的雷射產生33.33瓦/mm/秒，相同光束掃描1cm2傳遞1瓦/秒/cm2。
高能、主動和破壞性光譜的標準配置典型包括可調或單波長雷射作為光源，它用檢流計式掃描鏡聚焦。從掃描鏡反射的能量穿過測試池，並在樣品的另一側以熱像、穿透能或光像形式用相匹配的檢測器接收。
發射器紅外發射器範圍包括複雜的受激發射源，即氣體放電管、雷射、微波激射器、速調管和自由電子雷射(FEL)，直至黑體和灰體發射器，其發射基於溫度。很多受激發射裝置因為功率低或能量轉換效率低或對於某些應用太大而不夠理想。發射源效率必須匹配準備進行的處理。受激發射裝置可能不適用於農業應用，其中低值大體積產品不能承擔處理成本。受激發射源最適用於醫療應用或用於高值產品或低功率即可產生期望作用的場合。黑體和灰體發射器非常適用於可見和近紅外，但波長長於6μm時沒有足夠能量。寬範圍波長的雷射已經被發展出來，有些非常易於調節如FEL。本發明方法中優選使用更有效的發射器。
在需要引起昆蟲和/或微生物的光生物學疾病時二氧化碳(CO2)雷射是良好的光源。用氣體二氧化碳作雷射介質，雷射產生的帶寬從9到11微米。氮氣(N2)與二氧化碳(CO2)混合，並用放電來振動激發。因為受激氮分子的能級與CO2分子的非對稱伸縮能級匹配，通過分子間碰撞將能量轉移到受激的二氧化碳。從最低能級的非對稱伸縮激發態向最低激發能級的對稱伸縮躍遷時就看到了光激發。這個能級因碰撞而保持未佔用狀態，並且不從激發過程獲得顯著量，因為這個能級的CO2分子迅速以熱形式耗散能量以回到其穩定基態。所產生的輻射帶可分成大約100個離散的線，可選擇其中任何一個離散的窄帶寬的輻射線，進而調節雷射產生單色紅外輻射。因為其產生的光強度高於其它紅外光源幾個數量級，CO2雷射器作為輻射源也很吸引人。10μm波長靠近CO2雷射產生的最強輻射，在治療頭蝨中特別有用，實例見實施例5。我們的研究表明人頭髮和皮膚在該波長紅外吸收很低，因此輻射使昆蟲損傷到無法存活的程度，而接受治療的頭髮和皮膚卻不受影響。
雷射理論從其剛產生開始，雷射幾乎應用到現代生活的每一個方面。從百貨店掃描儀到光碟機，雷射代表應用光學的多樣性，並是本發明方法可能的發射源之一。術語雷射實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)。雷射的發射過程不同於螢光和磷光，在這兩種量子過程中，分子因為吸收波長λ1的入射光子而躍遷到激發態。部分光能通過熱過程丟失之後，分子發射另一個波長λ2的光子，以回到最低能量的基態。因為部分能量耗散，與吸收光子相比，發射的光子有更長的波長(更低的能量)(λ1＜λ2)。
然而對於雷射，因存在同樣頻率的輻射，分子激發態受激後發射波長λn的光子。雷射過程也有強度的增加，這在另外兩種過程中看不到，發射波長λn(由所選分子的量子躍遷決定)越多，就將導致受激分子發射更多數量的相應光子。然而，發射的概率與吸收相等，正常情況下吸收和發射光子的分子數目相同，使這種強度增加不可能發生。為看到雷射作用，必須克服分子的波爾茲曼分布。這種分布發現樣品激發之前大多數分子都在其基態(最低能態)。相同概率的吸收和發射使樣品激發不產生波長λn的淨髮射。然而，如果激發分子的數量大於基態分子則可以逆轉波爾茲曼分布，這時引入輻射λn將導致樣品淨髮射光子。這種粒子數反轉需要產生能量不穩定的亞穩激發態，其壽命長到足以經歷受激發射(比螢光壽命更長)。
這種粒子數反轉首先產生於三級雷射。在此過程中，通過稱為泵浦的強光產生快速躍遷，使分子被激發到高能態X*。然後分子經快速熱量損失到低能狀態X。受入射λn光子激發，雷射躍遷是分子從亞穩態X到基態S的慢速躍遷。雖然粒子數反轉在此系統中產生，但其效率很低，大量能量必須用於激發分子從S到X*。
選擇四級雷射時，可以實現更有效的粒子數反轉。在此系統中，分子被快速泵浦到X*。然後經熱量損失或系統間交叉到達較低的亞穩激發態W*。然後在分子慢速發射光子到第三激發態W時看到雷射。最後分子經快速過程回到基態G。因為W和W*開始都未被佔用，W*中任何分子的存在都產生粒子數反轉。同時因為從W到G躍遷非常快，沒有形成大量W狀態分子以克服反轉，從而可實現最大效率。
然而，入射光波長將導致雷射不是無限制的。它們開始局限於雷射腔，它是儲存雷射介質的管子。雷射腔兩端都是鏡面，使光可以穿過介質來回反射。很像密閉管子中的聲波，雷射波長依賴於腔長度N(0.5λ)＝L其中L＝腔長度，N＝1，2，3…，介質折射係數是1。
雷射波長一般更受限於選定雷射介質的固有量子躍遷。在前面的四級例子中，選擇用於激勵雷射的入射光波長恰好與W*到W躍遷時發射的光子波長(λn)相匹配。(正常情況下然後選定腔長度使2L/N＝λn)。這種共振光子將激發雷射活性，一個入射光子將導致從雷射介質中發射光子級聯，如果腔的一側鏡子部分透明則可以從中引出輻射。因為這些波長限制，雷射的發散性非常低，並且高度單色和相干。雷射輸出強度高，帶寬窄，這些特性提高了雷射在科學和工業應用中的價值。
方法一般來說，物質選擇性暴露於特定波長的電磁能，每波長有足夠的通量密度以引起或促進期望的作用。該方法包括但不限於，消毒、變性、殺蟲、分解、脫水、標記、照射或標籤一或多種物質。該方法利用物質或物質混合物內的光譜差異。由於差異吸收，施加能量以引起波長依賴的反應。本方法可有廣泛應用，下面舉例說明其中的幾個。
對考慮進行處理的宿主或產品以及相關的目標或感染進行測試確定其光譜特性。這些光譜特性和已知處理參數和常數用於解以下方程。
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)其中P＝功率，A＝面積，t＝時間，Aλ＝吸收因子，Ea＝吸收能量，ml＝物質質量，C＝熱容，Tc＝臨界溫度，Ta＝環境溫度吸收因子＝由依賴光譜波長產生的吸收臨界溫度＝期望作用比較從宿主和目標或感染收集的光譜，表現出最高或最充分差異吸收的頻率考慮用於處理。然後評價所考慮頻率的可行性，功率轉換效率，有效通量密度，發射帶寬，過濾或調頻後效率，以及宿主在所考慮波長的透過性或反射性。
然後評價所考慮頻率的(1)在期望波長發射源的可用性。並非所有波長都可以使用。(2)功率轉換效率。對於每種應用，處理必須是成本有效的，越有效越好，如果效率不夠高，本方法可能就會太長並又可能引起對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具有足夠功率的潛在光源，以使目標物質達到臨界溫度。要求在適當面積上有足夠密集的通量密度，以產生期望結果。
通量密度必須有足夠能量以滿足方程，以在能量有時間耗散之前達到臨界溫度。
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCX(Tc-Tα)(1)發射帶寬所考慮發射源需要過濾嗎？一般來說，希望得到窄帶寬，但這可能依賴於宿主和目標或感染的光譜特性。如果在評價目標或感染峰附近有宿主吸收峰，避免對宿主有不期望的作用非常重要。
(2)過濾或調頻後的效率。
可以從發射較寬的光源中濾掉不想要的頻率，即黑體發射源。從雷射發射的頻率可以通過頻率轉換、頻率調節來控制，這通過自旋反轉、拉曼散射或非線性晶體或其它方式的倍頻技術實現。調頻或倍頻的效率最高只有10％。確定宿主對所考慮波長的透過性和/或反射性。如果感染位於表面，宿主只需不吸收單波長或單波段的處理波長或者將其反射即可。這種不傳播性或反射能力使更多頻率可用於處理。如果感染位於宿主內部，宿主必須在某種程度上透過處理波長，以使能量達到感染位置或具有將所述能量傳遞或轉移到感染位置的能力。宿主和相關感染具有較低程度差異時，優選使用適當的波長在幾個差異位點處進行處理。這種多模式加工或多波長處理可使用任何或所有不引起宿主不良作用的波長。
宿主在選定頻率沒有吸收非常重要。換句話說，宿主優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或感染的頻率。為選擇空路，如果宿主在該頻率也有吸收，並非總是希望選擇宿主和目標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。最後必需評估產品的物理狀態以及運輸產品到照射位點的方法。
選定波長後，要進行通量密度測試。對於合適的宿主，對宿主或產品樣品增加選定波長的強度，直至確定對宿主已經產生不期望的作用。合適的宿主是可以採集實驗樣品的宿主，而且對宿主樣品的改變沒有不良影響。合適宿主的實例包括穀物、生肉或魚、和塗料。很顯然需要用本發明方法處理的任何人或動物不能以這種方式測試。對於人或哺乳動物宿主，將對從宿主取得的樣品組織進行測試。另外，用以下方程可根據已知光譜吸收對空路進行初步數學計算P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)也以相同方式處理感染並監測其死亡或一或多種代謝功能的破壞。從而了解吸收差異並建立工藝參數。處理時間受限於幾種因素，首先是差異吸收的程度。如果宿主和相關感染具有高度吸收差異(優選最低20倍差異)，在所需波長使用窄帶發射的高強度發射源可使處理時間最少。也要評估產品物理狀態和傳輸產品到照射位點的儀器和系統類型。
一般方法根據以下步驟實施1.宿主(產品)分類鑑定紫外/可見吸收譜鑑定近IR(NIR)和中IR漫反射譜確定NIR和中IR發射譜確定NIR和中IR吸收譜確定遠IR吸收譜確定遠IR發射譜確定RF吸收譜確定RF發射譜結合光譜特性並記錄宿主的光譜指紋。為對宿主分類，可單獨或組合使用任一種或多種所列光譜。
2.目標或感染分類(例如害蟲、昆蟲、微生物、黴菌、真菌、酶、蛋白質等)鑑定紫外/可見吸收譜鑑定近IR(NIR)和中IR漫反射譜確定NIR和中IR發射譜確定NIR和中IR吸收譜確定遠IR吸收譜確定遠IR發射譜確定RF吸收譜確定RF發射譜結合光譜特性並記錄目標或感染的光譜指紋。為對目標分類，可單獨或組合使用任一種或多種所列光譜。
3.將目標或感染的光譜指紋與宿主的光譜指紋進行比較鑑定宿主和目標或感染間的差異吸收區域。
鑑定針對目標或感染的所有可能選擇的峰。
計算宿主峰和害蟲峰之間的差異程度(差異吸收)。
評估表現充分差異吸收的頻率。二十倍差異是單位點處理優選的最小值。通過多位點處理累計提供的差異也可滿足優選差異。
評估頻率的可用性、功率轉換效率、有效通量密度、發射帶寬、過濾或調頻效率，以及宿主對所考慮波長的透過性。
4.選擇已知發射源需要時調幅或調頻到適當頻率。
進行通量密度試驗。
用越來越強的EM能量照射宿主，直至確定已經對宿主產生不利作用的程度(這僅適用於合適的宿主，對於其他宿主使用數學計算)。由此確定最大照射限度。
用越來越強的EM能量照射目標或感染，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(這僅適用於合適的宿主，對於其他宿主使用數學計算)。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，發現有損傷宿主可耐受40焦耳/cm2而沒有損傷因此，操作參數在以下參數之間最小6焦耳/cm2以使害蟲死亡和最大40焦耳/cm2以防止宿主損傷。
操作過程在兩個限制值之間進行。宿主安全和有效死亡是需要考慮的因素。優選在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，超過最低害蟲死亡能量4焦耳/cm2。
處理時間和通量也是決定功率水平的因素，尤其對於大批量應用。功率水平越高，處理時間越短但消耗更多能量。功率轉換效率對於高值產品不是重要問題，醫療應用中很少考慮。縮短處理時間在醫療應用中很重要，因為能量可以耗散到周圍組織中。
5.計算目標/宿主的差異閾值目標達到臨界溫度/預期作用需要的功率P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα) (對宿主)宿主避免達到臨界溫度/有害作用的功率P/Axtx(A)＝Ea＝mlxCx(Tc-T) (對目標)宿主臨界溫度和目標臨界溫度的差異是處理溫度差異。
本發明的方法將通過以下實施例進一步說明。
實施例1血液洗滌機血液洗滌機用於處理血液，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變性。血液經透析的方式流出身體，然後血液進入處理管，它由可透過適當範圍波長的基底物製成。優選使用合成金剛石或可透過處理波長的其它非活性基底物。當血液經過處理管時高功率紅外光或電磁能聚焦於血液。管子的光學設計使血液中的目標物質可以最大吸收，以引起預期作用。病毒、細菌或其它不希望的成分是目標。
實施例2癌症治療獲取人體組織200nm到4000cm-1之間的數據。目的是鑑定惡性DNA的初步結構改變，並通過吸收差異與正常DNA比較。差異分成三個範圍UV-VIS，NIR和中IR。高度差異位於265nm，此處惡性DNA吸收能力差異多約8倍(見圖1)。此時治療並非總是在最大差異280nm處實施。選擇265nm波長而不是其它可能的波長是因為其在正常組織中的吸收較低。這被稱為空路或光學治療位點。根據應用需要的通量密度，用適當光源在265nm發射能量，如準分子雷射器，二極體泵浦固態雷射器，半導體雷射器或閃光燈或其它光源。直接發射所述能量或通過光纖、波導管(中空二氧化矽或其它基質)、光導管、內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。這種變性或解鏈使細胞分裂停止並隨之停止癌症生長。在極短時間內給予高通量密度的能量使目標DNA溫度快速增加，同時沒有時間將熱耗散到周圍組織。建議使用的265nm波長在紫外範圍內，剛好超過電離能，因此在此範圍內工作必須非常小心。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)實驗發現用200-400nm之間的多色光照射引起小鼠產生腫瘤，而用260nm、280nm、300nm和360nm的單色光照射則不產生腫瘤。單色光照射的劑量比多色光照射大3倍。這個信息提示兩種可能的假說，第一皮膚癌是兩光子過程或兩位點損傷過程，其中染色體被破壞同時修復機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。可以考慮電離能以上的全範圍頻率。水吸收是體內治療癌症的主要因素，水吸收很多範圍的EME，對於這種應用在選擇頻率時必須首先考慮。
腫瘤細胞中的其它物質也是潛在差異目標的研究對象細胞壁、質膜、細胞質、蛋白質、衣殼蛋白、多糖、脂、類核等P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)惡性DNA的通量密度計算通量密度×時間×吸收因子/波長＝吸收能量＝物質質量×比熱(＞＜＝1.2J/g℃)×(臨界溫度(90℃)-環境溫度(37℃))實施例3稻米比較5-10個樣品稻米光譜的常見吸收峰，見圖3。同時也評估作為目標的害蟲的常見吸收峰。建立差異吸收峰。對於這種應用選擇黑體源。
通過控制輸入功率使溫度達到約3800°F，從而調節黑體源。這樣的能量轉換效率約85％。
在3800°F，黑體有約1900nm的發射峰，與害蟲內部水的強OH彎曲/伸縮吸收峰組合相匹配。稻米中的水也有這個特徵峰，但水是稻米非常少的成分。用2000nm截留濾光器過濾發射光以避免稻米澱粉和蛋白中的吸收峰。待處理稻米含水約14％，而害蟲含水量估計超過75％。通量密度約10到20瓦每平方英寸時處理時間為2到10秒。短照射時間結合稻米的低含水量可殺死害蟲而對稻米沒有影響或很少影響。稻米可在傳送帶上通過處理區或通過擋板或滑板處理系統落下以控制穀物在處理中的速度。
所有類型的稻米、穀物和堅果都可以處理以消毒和滅蟲，以及乾燥產品。可在接收產品時、加工前進行處理，以避免將害蟲引入加工廠。也可在碾磨後或加工後以及包裝前進行處理。
實施例4農產品水分含量高的農產品和食品可以相同方式處理，但優選以害蟲的不同成分作為目標。優選處理頻率對於目標、害蟲或感染有效而對宿主沒有作用或只有很小作用。如前面關於節肢動物部分所述，所有昆蟲中都有幾種成分甲殼素、蠟質和水。對於很多含水都很高的害蟲/產品以及生長中的植物來說，以蠟質為目標具有良好的殺滅作用。圖4表示已知攜帶多種對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，而上圖是除去蠟質以後的圖。第一個峰在2900和2900cm-1之間，第二個峰在2300到2400cm-1之間，第三個峰在約1750cm-1。本方法可用於產生感覺結構障礙如以複眼、鼓膜和觸角等為目標。
可以處理其它農產品使目標蛋白或酶變性以穩定產品。例如，如果以負責果實和蔬菜腐爛的蛋白為目標，可以增加這種產品的儲存壽命。
實施例5跳蚤，扁蝨和白蝨蠟峰和水峰的組合給人和動物提供了差異害蟲殺滅方法。在本實施例中，用可發射與這些吸收峰匹配的黑體源處理狗身上的跳蚤。用手持設備照射目標狗，該設備的紅外源可發射1500nm峰，並帶有750nm截留濾光器以避免狗吸收太高。在已知對宿主安全的波長使用來評估該發射源，該發射源具有1.5微米發射峰對應水吸收峰，並且對於昆蟲體內的蠟質也有相當高的C-H鍵吸收。使用約0.5到2瓦每平方英寸的通量密度，導致昆蟲被殺滅且不對宿主引起不適。扁蝨和白蝨也對這種處理敏感。殺滅人體組織上的扁蝨而不引起皮膚損傷。
實施例6線蟲線蟲經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。兩個可能的治療區或差異峰被標出。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，因此在多數應用中都優選。優選1680nm到1880nm範圍，因為這提供最空的空路，而對宿主有最小的影響。
線蟲對很多農作物也有破壞作用，它們生活於土壤中並攻擊作物如草莓和樹的根部。土壤燻蒸劑甲基溴用於殺滅該害蟲，但2005年以後不再允許使用這種燻蒸劑，因為它可以破壞臭氧層。實驗表明，1mm到1兆米之間的波長可用於控制該害蟲，其中千赫茲帶可能效果最好。
土壤可傳播或穿透該範圍波長，允許深入土壤中需要的深度。約3千赫茲波長低功率測試對害蟲產生破壞作用。
實施例7腳癬已經測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。實驗按如下進行腳癬患者的腳浸入溫水中約10分鐘使皮膚組織水化。然後用1500nm峰能量和750nm截留濾光器的紅外光照射兩次，每次約40秒。連續治療兩天可控制腳癬而對人體宿主沒有不良作用。
實施例8乾燥塗料、膠水和粘合劑塗料、膠水和類似物質的乾燥過程要求蒸發掉這些產品中所含的溶劑。差異吸收方法可加速並改進此過程。比較溶劑吸收譜和塗料或膠水中成分以及塗覆表面的吸收譜。匹配施加到溶劑上的能量和未施加到色素或其它物質上的能量，這樣可以允許施加更高的能量而不會對塗覆表面或塗料或膠水產生破壞。
實施例9
通風系統通風消毒/殺蟲系統可用於空氣處理以破壞、控制或預防空氣傳播病原的積累和密閉通風系統中常見的微生物汙染，包括但不限於飛船、潛艇、醫療設施、食品加工廠、建築物和賓館。用與空氣中汙染物吸收相匹配的高強度EME清掃空氣流可以實現這一目標。利用空氣處理系統中的高反射區域，對其中空氣流用單或多波長EME照射引起氣流中的有害成分達到臨界溫度，而空氣則不受影響或溫度升高微不足道。見圖7。這種設備提供一種處理平臺，根據滅菌程度的需要選擇高功率或低功率。空氣被抽或推入設備，然後雷射或其它光源發射能量殺滅或蒸發汙染物。
編號1.雷射發射源提供能量。2.旋轉鏡優化能量。3.具有高反射表面的處理室集中能量。4.監測用檢測器反恐怖主義方式系統含有高能場產生的雷射，將所有通過的有機物燒成灰。該方法不破壞空氣、其成分或顯著增加空氣溫度。該滅菌系統設計成內部集成單元，很容易與任何通風系統相適應。
有機材料的熱容範圍在1.2(固體)到2.5(液體)焦耳/克/℃之間。有機物溫度增加到500℃需要的熱量相當於大約1焦耳/毫克或1千瓦/克，這樣可燃燒物質。
能量＝質量×熱容×溫度改變Q＝m×C×T(焦耳＝瓦/秒)(1千瓦＝1000焦耳)有機材料不能耐受500℃環境。所有有機物在達到500℃之前將燃燒並提供能量通過燃燒將系統滅菌。
實時監測除了我們的空氣滅菌系統中使用的差異吸收技術外，我們還開發出一種特性作為集成組件實時監測並報告汙染水平的類型和量。與紫外或其它推薦方法相比，這是另一個顯著優點。
我們的設計加入成對的檢測器，每對中的一半在處理區的每一側。這些監測器檢測一氧化氮、二氧化碳和水蒸汽。即使少量汙染物正在處理，成對監測器也可發出差異信號。
所有活生物含有蛋白，處理時會產生一氧化氮。當出現有機化合物如存在細菌、病毒、黴菌等時，碳檢測器報告差異信號。氮檢測器確認這些生物的存在，從而區分有機生物體和非生命來源的碳如碳酸鹽礦物質(例如化學品，白堊和大多數塑料)。因為從處理區的相對兩端有差異信號，環境雜質水平如相對於周圍介質一氧化碳水平的改變不觸發假警報。
另一個監測器連續測量散射光的存在及其量，並給出汙染物和有害物水平的全圖。所有這些監測技術都已很成熟並使用現成的組件。大多數其它已推薦技術要求開發實時生物傳感器，它們現仍只在實驗室中得到驗證，在存在變化和經常無法預知的環境因素的實際環境中它們的使用當然受到懷疑。
實施例10醫療植入體和醫療設備本發明的差異吸收方法也可用於滅菌和/或除去醫療植入體和醫療設備的有害汙染。矽酮用於多種醫療植入體如乳房假體。感染是使用矽酮的主要問題。用本發明的方法，可以製造矽酮植入體並包裝於對預期處理波長透明的材料中。然後可處理包裝的矽酮植入體以使之在植入患者之前滅菌。
不鏽鋼也常用作醫療植入體，例如不鏽鋼用於人工關節包括人工膝和髖，不鏽鋼針經常用於融合關節和骨頭。使用不鏽鋼植入體遇到的問題之一是油汙染。用本發明的方法，在假體植入患者之前，處理不鏽鋼可除去汙染油。
實施例11照射組織或物質通過將特定波長的EME聚焦於物質或組織、人體、動物、植物、細菌、病毒或化學品，用這種方法照射物質使之再發射能量以幫助鑑定特定物質。通過漫反射(defused refectance)、熱輻射(黑體輻射)或掃描其非照射性質(透光或陰影圖)，外加能量可引起再發射。將組織暴露於特定波長的EME以照射本來無法檢測的物質，組織可以是人、植物等。植物組織如乾果暴露於目標EME以照射和鑑定加工中的凹陷和凹陷片段。用可使之產熱的特定頻率EME照射部分身體，通過其差異吸收方式可以定位和鑑定癌細胞。
實施例11照射外源材料或物質通過將特定波長的EME聚焦於物質或組織、人體、動物、植物、細菌、病毒或化學品，用這種方法照射物質使之再發射能量以幫助鑑定特定物質。通過漫反射、反射、熱輻射(黑體輻射)或掃描其非照射性質(透光或投影圖)，外加能量可引起再發射。將組織暴露於特定波長的EME以照射本來無法檢測的物質，組織可以是人、植物等。植物組織如乾果暴露於目標EME以照射和鑑定加工中的凹陷和凹陷片段。用可使之產熱的特定頻率EME照射部分身體，通過其差異吸收方式可以定位和鑑定癌細胞。
實施例12標記標記物質是一組方法，用方法特異性頻率使用EME差異性標記感染目標，或者可以改變或激發物質中的不希望成分，由此可參考或鑑定。EME可針對產品引起其改變，包括但不限於顏色改變、大小改變、光譜性能改變等。
實施例13使目標帶上標記或指定目標以吸引化學品、催化劑、試劑或nanobot。聚焦特定能量於宿主，由於和/或起源於熱、物理或其它頻率誘導的反應，同時會出現一些代謝過程或功能喪失以吸引藥物或化學品。催化劑和其它試劑可通過聚焦EME濃縮。將來在人體內修復或執行一些任務的納米設備或其它物質激發特異性結合位點，這可能導致或吸引這些設備和將來的其它設備。
實施例14一種光學方法或加工，用於最終鑑定並排除乾果中的凹陷、小枝、殼和其它外來物質，然後包裝並使加工果類產品更容易(粘性較低)，並且在高速生產和包裝中不改變果實自身。確定光譜特性，在包裝之前立即利用EME處理幹李子，讀出其反射能或熱特性，處理能量或信號並用於排除外來物質，這樣可以初步實現以上所述的光學方法，並用於全規模包裝線。這也將應用於其它乾果和蔬菜，以及鮮果、穀物和很多其它食品。
實施例15一種治療前列腺癌的方法，其中涉及內窺鏡裝置、傳送系統和能量源如雷射或其它適當波長和適當功率的光源，它可以傳送足夠能量引起癌組織的差異加熱作用。這種設備將涉及中空波導纖維光學器件或聚焦光學器件並保持足夠小以進入直腸。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後面，膀胱中可充滿反射性液體以將能量集中於前列腺。
儘管參考優選實施方案和具體實施例已經描述了本發明，本領域的一般技術人員可以知道在不偏離本發明精神和範圍的前提下，可對其形式和細節進行改變。正如此，前面的詳述只是舉例說明，而並非對本發明的限制。
權利要求
1.一種為預期的所需作用而選擇性激發宿主產品中目標物質的方法，其中根據目標物質的波長依賴性吸收係數，用差異吸收方法將其暴露於電磁能，波長依賴性吸收係數可以將目標物質和宿主產品中存在的其它物質區分開，並且其中希望其它物質沒有或很少有激發，該方法包括以下步驟確定目標物質在每個波長下的光譜特性(Aλ)；確定宿主中存在的其它物質(AH，λ)的光譜特性；比較目標和宿主的譜圖；鑑定目標和宿主之間的差異吸收區域；鑑定差異區最大差異吸收譜帶；鑑定表現出足夠差異同時也表現出最低宿主吸收的譜帶或譜線；通過將譜圖重疊以顯示差異(Aλ)，比較並計算宿主和目標之間每波長的差異吸收程度(AT，λ/AH，λ)；用差示掃描量熱計或其它方式鑑定目標熱容(CT)；用差示掃描量熱計或其它方式鑑定宿主熱容(CH)；確定對目標的臨界溫度(TT，C)，即在生物學、情感、化學和/或物理狀態方面的臨界活性所需的作用溫度，這將引起或促進所需作用，包括但不限於對一或多種所選物質進行變性、殺蟲、破壞、消毒或脫水；確定對宿主的臨界溫度(TH，C)，即在生物學、情感、化學和/或物理狀態方面的臨界活性所不希望的作用溫度，這將引起或促進所需作用，包括但不限於對一或多種非選擇物質進行變性、殺蟲、破壞、消毒或脫水；對P/Axt求解；用以下方程計算達到對目標的臨界溫度(TT，C)每波長所需的能量P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxTCx(Tc-Tλ)；用鑑定的通量密度和以下方程根據宿主吸收因子(HAλ)計算並比較每個處理波長的差異作用P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tλ)其中P＝功率，A＝面積，t＝時間，Aλ＝吸收因子，Ea＝吸收能量，ml＝物質質量，C＝熱容，Tc＝臨界溫度，Ta＝環境溫度，TT，c＝目標臨界溫度，TH，c＝宿主臨界溫度，CH＝宿主熱容，CT＝目標熱容，吸收因子＝來自波長依賴性譜圖的吸收臨界溫度＝目標所需作用或不希望的作用PxAxt＝通量密度。
2.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，包括進一步選擇某種電磁能源的步驟，這種電磁能表現出滿足波長和通量密度要求的發射特性，其中包括但不限於白熾燈和螢光燈、火花、電弧、氣體放電管、雷射器、諧波發生器、微波激射器、磁電管，速調管、自由電子雷射器、參數和分子振蕩器、電子管、半導體設備和旋轉發生器。
3.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，包括進一步的步驟確定是否需要調節通量或收縮發射；評估光源的線數、每線功率、或黑體發射曲線；並評估方法的成本性能。
4.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，包括進一步進行通量優化的步驟，其中包括但不限於，過濾、轉換、倍增、Q轉換、脈衝、聚焦、反射、光柵、泵浦、加速、激發或其它優化能量的方法。
5.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，包括進一步的步驟確定能量傳輸到處理位點或加工區域的方法；選擇已知傳遞所選處理波長的傳輸方法；確定該機理的物理大小限制；考慮目標可接近性；和考慮在處理前、中或後光譜或視覺監測的任選需要。
6.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，包括進一步的步驟提供大量產品傳送到處理位點或加工區域以直接照射的方法。
7.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，包括進一步的步驟用傳送帶、螺杆傳送器、風力傳送器、轉鼓運輸物質，振動或振蕩。
8.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是節肢動物上角質層脂質吸收線的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是活植物組織的吸收因子。
9.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是脂酶吸收線的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是稻米組織成分的吸收因子。
10.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是微生物感染吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是矽酮植入體的吸收因子。
11.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是病原或細菌吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是活細胞組織、血漿、水或血液中其它成分的吸收因子，其中希望很少或沒有明顯的作用。
12.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是大腸桿菌E.coli吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是生肉的吸收因子。
13.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是油汙染物吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是不鏽鋼植入體的吸收因子。
14.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是玻璃翼狀尖喙卵物質(glassy winged sharpshooter egg mass)吸收線或帶的一種或幾種成分的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是活植物組織的吸收因子。
15.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ根據節肢動物上角質層上的甲殼素和脂質吸收線計算，宿主物質的吸收因子AH，λ根據人皮膚和人毛髮計算。
16.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是病毒吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是活植物組織的吸收因子。
17.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是溶劑吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是塗料色素的吸收因子。
18.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是節肢動物吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是活哺乳動物組織的吸收因子。
19.如權利要求1所述的選擇性激發物質的差異吸收方法中，其中目標物質的吸收因子AT，λ是線蟲吸收線或帶的吸收因子，宿主物質的吸收因子AH，λ是生魚的吸收因子。
全文摘要
本發明涉及一種將物質選擇性暴露於特定波長的電磁能中以引起或促進所需作用的方法，其中每波長電磁能具有足夠的通量密度。該方法包括，但不限於破壞、消毒、變性、殺蟲、損傷或脫水一或多種物質，更具體地，本發明涉及將物質，其中可以含有物質的混合物，經受電磁能，同時其光譜特性表現出物質內或物質混合物內的光譜差異，施加能量以引起由吸收差異導致的波長依賴性反應。這種附加的外加能量表現在分子的振動、旋轉、磁和電狀態變化或量子躍遷，通常該方法採用的波長範圍大約是1光秒到10電子伏，或者能級低於離子化能級的波長。
文檔編號G01N21/33GK1524272SQ02813508
公開日2004年8月25日 申請日期2002年5月3日 優先權日2001年5月3日
發明者B·皮爾斯, B 皮爾斯 申請人:先進光技術有限責任公司