CN1524272A - 差异光化学和光力学加工 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将物质选择性暴露于特定波长的电磁能中以引起或促进所需作用的方法，其中每波长电磁能具有足够的通量密度。该方法包括，但不限于破坏、消毒、变性、杀虫、损伤或脱水一或多种物质，更具体地，本发明涉及将物质，其中可以含有物质的混合物，经受电磁能，同时其光谱特性表现出物质内或物质混合物内的光谱差异，施加能量以引起由吸收差异导致的波长依赖性反应。这种附加的外加能量表现在分子的振动、旋转、磁和电状态变化或量子跃迁，通常该方法采用的波长范围大约是1光秒到10电子伏，或者能级低于离子化能级的波长。

Description

差异光化学和光力学加工
发明背景
很多人都知道需要减少对合成化学品和抗生素，以及杀虫剂和除草剂的使用和依赖。很明显，除非出现安全的替代品，它们对医药、农业和整个社会的影响非常巨大。每年无数剂量的抗生素和其它药品用于控制各种病痛和感染，人类和作物使用无数化学品和放射线，头上有虱子的儿童使用含杀虫剂的香波。在它们有效对抗大量疾病和虫害的同时，由于这些化学品对环境和人类健康的威胁，其使用也日益受到公众关注。
发现病原微生物、细菌或害虫产生对化学品、抗生素、药品或杀虫剂的抗性不再是什么新闻，在目标病原或害虫开始出现对新化学品的抗性之前，农学家和医生只能预期5到10年的有效期，因此必须发现替代品。根据食品质量保护法案和清洁空气法案，很多最有效的杀虫剂和除草剂正待去除。这些立法开始考虑环境问题，但是准备放弃这些化学品使全球的农学家再次感受到紧迫，必须找到方法保持它们的经济寿命和国际贸易状况。同时很多抗生素使用方法不正确或其效力正在不完全降低。
光化学和光力学反应是本申请的两项内容。光化学反应是光尤其是紫外光影响或引发的反应。选择性光化学加工是尖端的无污染加工或处理方法。光力学反应是一个名词，我们用来描述由电磁能(EME)引起的分子力学反应，弯曲、伸长、摇摆、旋转和振动是物理或力学动作。下面有更详细的解释。本发明中每种应用可专门设计选定波长，使光(电磁能)只影响目标或感染，而不影响接受治疗或处理的人或农产品。
准备治疗或处理的对象或产品以及相关目标或感染接受测试确定光谱特性。比较从宿主和目标或感染收集的光谱，考虑使用表现最高或最有效差异吸收的频率进行加工。然后评估所考虑频率的可用性、功率转换效率，有效通量密度、发射带宽、过滤或频率调节后的效率，以及宿主在所考虑波长的透过性。
选定波长后进行辐射密度测试。如果宿主是非消耗品则进行体外测试。对于可进行破坏性测试的宿主(如食品包括谷物或生肉或鱼，或涂料)，可对产品样品增加选定波长的强度，直至确定对宿主产生有害作用的程度。目标或感染也以同样方式处理并监测死亡或一或多种代谢功能的破坏。由此确定吸收差异和加工参数。加工时间受几个因素限制，其中第一个是差异吸收的数量级。如果有在需要波长处具有窄带发射能力的高强度源，具有高度差异吸收的宿主和相关感染可以有非常短的处理时间。宿主和相关感染差异吸收低时，优选在几个差异点用合适波长进行处理。多模式加工，或多波长处理可以使用不引起宿主有害作用的任何或所有波长。感染与宿主的接近程度(目标在宿主内部或位于其表面)也是一种因素。如果感染在宿主内部，宿主必须对治疗波长有一定程度的透过性，以使能量可达到感染处，或者宿主有能力传导或传递选定能量到感染位置。如果感染位于宿主表面，宿主只需不吸收或反射治疗波长即可。表面感染允许使用更多波长，因为大多数物质有很少的穿透波长。最后，需要考虑产品的物理状态、以及运送产品到暴露位置的方法。
发明简述
本发明涉及将物体选择性暴露在单位波长具有足够通量密度的特定波长电磁(EM)能，以引起或促进预期作用。该方法包括但不限于，破坏、消毒、变性、杀虫、分解或脱水一或多种物质。更具体地，本发明涉及将物体，其中可含多种物质的混合物，置于具有光谱特性的电磁能中，以利用物质内或物质混合物内的光谱学差异。施加能量以引起由吸收差异导致的波长依赖的反应，这种外加能量表现在分子振动、旋转和电以及磁状态的自身改变或量子跃迁。一般来说，该方法使用的波长范围从约1光秒到约10电子伏，或具有小于电离能的能级的波长。
由于害虫或病原不能产生对热或电磁(EM)能吸收的抗性这一事实，本发明的差异吸收方法具有优于化学品的优点。另外，本方法不需要新化学品或药品注册的时间和费用，并且可得到良好的放大测试结果供实施。本方法使用的频率不能断开化学键。优选地，所用频率没有足够能量断裂化学键，并且不使用电离能。化学键可以解离、振动、旋转等，但不被断裂。本方法不能造成产品的化学变化，因此，特别适用于有机和商业应用。
科学家使用红外(IR)光谱进行定量和定性分析已有几十年，近些年更加优化。现在IR光谱可检测传送带上谷物中的病原，新开发的红外监测系统用于检测谷仓中的虫害。本发明的方法不仅检测，而且利用产品和害虫的光谱吸收差异。通过其对于所有不同类型物质的独特作用，本方法使用电磁(EM)能促进不同类型物质的反应。
期望作用
期望作用用于描述通过使用本方法而得到的预定的积极结果。它包括但不限于，破坏、消毒、变性、杀虫、分解、脱水、标记、标签、照明(illuminate)一或多种物质。照明物质是通过设计的方法将物质暴露于特定的EME波长，以引起物质发射或再发射能量，来帮助鉴定或排除特定物质。标记物质是一种期望作用，其中物质的感染或不期望成分可被改变或激发，从而可被参考。标签或指定目标具有吸引化学品、催化剂、药剂、nanobot等的期望作用。脱水是选择性地减少宿主或宿主的某些部分中存在的水或溶剂的百分比。破坏物质引起过程被阻断或物理性能被改变，以此方式使功能丧失。杀虫是指通过选择性方法去除宿主的某些类型的感染，这些方法将杀死或驱除害虫或形成一种对害虫有害或其不耐受的环境。变性是指通过加热而改变蛋白，以此方式，作为蛋白分子结构改变的结果，导致其原始特性如溶解性被改变，从而用EME作为变性剂。消毒是指通过将物质置于对某些物质有作用的EME中使之死亡，从而对物质灭菌，使其没有活生物。
附图简述
图1表示作为波长函数的DNA吸收图
图2表示作为温度函数的DNA吸收图，表明双链DNA的溶链温度
图3表示稻米成分的近红外(IR)吸收光谱
图4表示  果蝽的吸收光谱
图5表示线虫和鳕的吸收光谱
图6表示甲壳素的拉曼光谱
发明详述
节肢动物普通生物学
就物种数目、全部个体数、总质量及其广泛生活于所有陆地来说，节肢动物是地球上最成功的生物，节肢动物门分为三个亚门：螯肢亚门(蝎，蛛，蜱，螨)，甲壳亚门(片脚类，等脚类，陆蟹)，和单肢亚门(昆虫，蜈蚣，百足虫)。这些亚门大约包含一百万种已知物种，在任何给定时间估计有1018个个体。
节肢动物确定的特征之一是具有坚硬的外骨骼或角质层。角质层是非细胞的多层膜，覆盖单层上皮细胞，从其分泌形成多层膜。虽然各种节肢动物之间硬度、厚度和组成不同，但整个门的角质层的基本结构和目的相似。角质层一般分为两层：薄的最外层的上角质层，和下面的前表皮。前表皮含硬化的甲壳素-蛋白质复合物，它们决定了角质层的形状和强度(与之比较，连接骨片和附属体节的节肢膜保持高度柔性和弹性，因为其蛋白未被硬化)。前表皮也包含一些脂质和蜡质，但与上角质层的程度不同。前表皮中脂肪和蜡质条纹状分布成多个水平层，包括角质层表面上的表面沉积层。尽管非常薄(0.1-3μm)，通过外层位置和化学成分的疏水性，上角质层提供节肢动物角质层主要的防水扩散屏障。
生理学
广泛研究和很多综述(Blomquist and Jackson，1979；Blomquist andDillwith，1985；Blomquist，1987；Hadley，1981；Lockey，1985，1988；Renobles，1991)已经表明上角质层性质很复杂。其提取物典型含有直链和甲基支化的烃(饱和及不饱和)，蜡和固醇酯，酮-醇的乙酸酯，酮，醇，醛，和游离脂肪酸。
与其作为节肢动物的水屏障作用相关联，上角质层表面主要是非极性成分，如直链烃(正烷烃)。在几乎所有研究的节肢动物中这些正烷烃长度为20到37个碳原子之间的奇数链。支链烃包括单甲基-，二甲基-，和更少见的三甲基烷烃，它们通常伴随正烷烃出现。此外，约50％的研究物种中发现上角质层含有烯烃(不饱和烃)，不饱和度为一、二，偶尔是三。
也发现上角质层含全部烃氧化衍生物，平均链长10到32个碳原子的饱和和不饱和脂肪酸的混合物是其常见成分，其中少于一半的已分析物种中发现有游离醇。蜡酯也经常伴随烃出现，根据醇和脂肪酸成分的复杂程度，蜡也由简单到复杂分布。在黑寡妇蜘蛛、沙地蟑螂和介壳虫中发现这些蜡主要是表面脂质。
稳态
水对于节肢动物维持稳态、细胞环境(温度、pH、电解质浓度等)的动态平衡非常关键。水对于维持恒定的内部温度特别重要，尽管环境温度有波动。因为其体型小，表面积/体积比高，节肢动物迅速从环境中获得热量。为抵消这种热量获得，它们使用蒸发冷却，这要求节肢动物以大致与其表面积成比例的速率蒸发水(汗)。热量获得和大表面积的组合要求节肢动物将其小体积的大部分用于储存水。随着时间节肢动物进化出疏水上角质层，帮助保存水分并调节其蒸发。没有上角质层，陆地节肢动物将不能维持恒定的内部温度或保留足够的水分，并将迅速干掉。
昆虫的红外标定(targeting)
角质层对于昆虫的存活极其重要，因为甲壳素是角质层的主要结构成分，它是理想的选择性杀虫剂靶点。然而，使用杀虫剂不是昆虫控制和根除的惟一可行方案。昆虫身体的几个区域可以作为靶点，涉及角质层、甲壳素或其它不同材料，它们对红外或微波有反应。例如，昆虫的感觉结构，如复眼、鼓膜和触角可作为靶点，导致昆虫盲、聋，不能定向或找到配偶。
优选地，已经知道暴露于红外光源的昆虫表现感觉困难而没有识别光源的行为。暴露于标准光源时，昆虫反应并因而逃离。有些昆虫生理上对红波长的光几乎是瞎子，但可以看到相当多的紫外光波长。由这些实验记录的现象，Menzel推论，这些昆虫(例如双翅目)没有红光(可见光)受体。这种红色盲是缺乏接收长波辐射的色素的结果。然而，在紫外敏感色素和500、450或350nm的最大敏感光谱之间昆虫具有强烈的视觉相关性，这些色素允许昆虫对天空散射光谱分布作出反应。与窄带宽的辐射相比，昆虫对天然的散射光有更强的视觉反应，换句话说，当暴露于散射光时，它们跑、跳或飞离。因此，红外波长对节肢动物保持透明(不可见)。节肢动物角膜由透明角质层构成，因此蜘蛛和昆虫的眼可由本发明的方法进行标定。通过组织脱水，红外透入角膜(或鼓膜)将能破坏视觉(或听觉)功能，发生组织再水合之前，引起组织损伤，并表现随后的色盲(或脱敏)以及因此存在对处理后昆虫存活能力的挑战。
另外，触角功能和腿部运动与角质层有关。正常情况下角质层已被硬化，使之更干更硬，通过蛋白-甲壳素交联抵抗降解。然而在关节处，角质层没有硬化以保持柔性。这种“弱点”意味着IR照射可以改变内部甲壳素保留组织中水的能力，而水对于运动是必要的(附肢肌肉，连接组织，骨节(关节组织))，这种改变可引起昆虫关节损伤，从而使昆虫丧失能力。
普通生物学-微生物
微生物在地球上已出现35亿年。由此证明它们适应性非常强，广泛分布，且多种多样。事实上，二十亿年前早期细菌建立的主要代谢途径至今仍是生命形式的特征。连续增殖和适应性的延续确保细菌和真菌的生理和生化是对环境变化的几十亿年遗传应答的反映。
微生物分类基于1969年R.H.魏特克系统，他建议根据三种主要营养模式可分为5个界。分别是原核生物界(细菌)，原生生物界(主要是藻类和原生动物)，植物界(植物)，真菌界(酵母和霉菌)和动物界(线虫，蛔虫，绦虫/吸虫和其它门)。前两个界是基础，其它三个界由其进化而来。这个系统所基于的营养模式是植物界(光合作用)，真菌界(营养吸附吸收)，和动物界(营养摄入吸收)。另外，非细胞传染性物质如病毒(动物宿主)，类病毒(植物宿主)，朊病毒(传染性蛋白)，和病毒粒(宿主蛋白包被的核酸)属于微生物的一部分，也应该在分类学中包括。
真菌生理学-甲壳素
真菌甲壳素化学性质与节肢动物的相同，除了一类也在细胞质包含颗粒中发现的以外，限定于所有真菌的细胞壁。真菌中，甲壳素的作用是维持细胞壁形状和硬度。真菌细胞壁主要由多糖和少量脂质，蛋白和其它无机离子组成。多糖在两种主要结构中发现：线状微纤维和组织性较低的基质。细胞壁主要结构成分-微纤维的结构，是多糖链互相缠绕形成粗壮的线状。这些线深入基质中，基质是未结构化的颗粒状较小多糖的聚集体。基质也含有蛋白和脂质，它们一般分别占少于基质重量的10％和8％。真菌壁类似于增强混凝土，微纤维类似钢筋而基质类似混凝土。
微纤维本身由甲壳素，纤维素或其它非纤维素葡聚糖组成。甲壳素结构是未分支的β-1，4-连接的N-乙酰-D-葡糖胺单元的聚合物。几种主要真菌的细胞壁中甲壳素的存在是真菌不同于高等植物的独特特征。真菌分类的基础之一是基质多糖和微纤维，因为基质中的糖分布可以将一类真菌区分于另一类真菌。
真菌细胞壁和特定生命周期结构中甲壳素的量(干重)不同。一种Mucor rouxii的孢囊柄(形成子实体的孢子)中甲壳素含量是18％干重。其它真菌细胞壁可含有39％到58％干重的甲壳素。在真菌膜中磷脂和鞘脂是主要脂质，它们是极性分子，含亲水头部和长的疏水尾巴。质膜是细胞内外物质运输的调节者，由等量脂质和蛋白和少量糖组成，有时也可发现核酸。
需要说明，一种曲霉中细胞壁甲壳素含量恰好在芽管出现之前增加。细胞成分如甲壳素浓度的改变已被用于鉴定真菌生长，特别是评价植物病原真菌的生长。根据格里芬，通过抑制甲壳素合成来控制病原真菌好像是选择性杀真菌剂的理想作用机制，不会有对宿主的有害副作用。然而，非常少的杀真菌剂发现有这种活性。然而，因为甲壳素有IR活性，通过用窄带光差异加工破坏真菌的甲壳素(因而破坏细胞壁)的方法可以是化学杀真菌剂的实际选择。甲壳素的拉曼光谱见图6。
分子振动跃迁和红外光谱
所有物质都由原子和分子组成。分子中原子通过其电子的三维排列被拉到一起。一些物质中原子带电成分(带正电的核和绕核带负电的电子)的排列对称，物质的任何区域没有净电荷积累(偶极距)。这种非极性物质不能与振荡电场(光)相互作用，因此完全透过微波和红外辐射。分子氧和氮(O2和N2)，空气的两种主要成分就是非极性分子的例子，它们都是同核双原子分子，因为其对称性而没有净偶极距或电荷。与振荡电场的相互作用并从而吸收微波和红外辐射只能在物质有不均匀电荷分布(偶极距)的情况下发生。这些极性分子如二氧化碳(CO2)和水(H2O)在外加电场下象微小磁体一样试图按其偶极距沿电场排列，并且不对抗电场的电荷。因为极性分子能与振荡电场(光)发生这种相互作用，这些分子有能力吸收红外和微波辐射。
如上所述，极性分子能吸收电磁(EM)光谱中任何波长的光能。EM谱包括的光波长范围非常宽，可人为分成几个区域。这些区域列表如下：
    区域     波长范围     跃迁/作用
    功率     1光秒到3km     核磁共振
    无线电波     3km到30cm     超精细电子结构
    微波     30cm到1mm     分子反转和旋转
    远红外     1mm到3μm     振动和旋转
    近红外     3μm到700nm     振动
    可见光     700nm到400nm     电子和振动
    紫外     400nm到200nm     电子和振动
    真空紫外     200nm到3nm     原子跃迁
    X射线和     ＜3nm     原子跃迁
    γ射线     核跃迁
分子吸收一个光子(一小份光能)时，分子能量增加这个光子的能量。光子能量(E光子)与其波长(λ)成反比(波长越短能量越高)，有以下关系：E光子＝hc/k(h和c是常数)。光子也可以用光频率(v)描述，它与波长有以下关系：v＝c/λ。分子吸收一个光子的能量改变(ΔE)用频率表示等于hv。这种外加能量表示其分子自身在电子、振动和旋转状态的改变，称为量子跃迁。对于本发明的方法，一般来说，主要关注波长小于1光秒和能量小于10电子伏的EM能。微波辐射吸收引起分子旋转状态之间的跃迁，而红外辐射引起振动状态之间的跃迁。下面将详细讨论红外辐射吸收。
尽管分子可以吸收IR辐射，但它们并不能连续吸收全范围的波长。物理学原理决定每个极性位点只对应某种能量，因此只有对应于所涉及化学键和原子的某种能量(量子力学中的“量子”)可以被吸收。如果把化学键比作两个重物(原子)之间的弹簧，它可以当作经典力学中的谐振器。就象弹簧，当从其平衡位置被拉伸时化学键产生一个恢复力，这种力使原子以谐振方式(单摆运动)移回其平衡位置。化学键在拉伸位置的势能(V，系统作功的能量)是位移(x)的抛物线函数，如下式表示：V＝1/2kx2。常数k是键力常数，是该化学键的特征之一。以单位N/m2(牛顿每平方米)表示，k与键强度成正比，这种张力就象谐振器。因为分子振动是量子化的，谐振器的薛定谔方程可表示为：
Figure A0281350800141
解该方程，计算允许能级以及允许分子振动跃迁，得：
其中v是振动量子数，等于0，1，2，3…且其中 。变量μ是此处所述两原子系统的质量降低值，等于：
μ = [ 1 m 1 + 1 m 2 ] - 1
其中m1和m2是对应原子的质量。设想一个原子比另一个更重，较小原子比较大原子将发生更大位移，因此系统振动频率受更大影响，这样就容易理解系统质量损失。
能级本身很少用于实验，而振动能级之间的能量差异更重要，这些能量差异等于分子将吸收的光子能量，此处是简单的异核双原子分子如HCl(氢氯酸)。为计算这些能级之间的差异，连续量子数插入能量表达式并互相减去：
Figure A0281350800145
因为该表达式用一般量子数导出，可以看到所有振动能级之间的能量差异都是等价的，得到一个均匀的梯状间隔的分子振动结构。很有趣的是基态振动能级的能量(v＝0)不是0：
明显这是因为它意味着键振动从不停止，甚至在最低能量状态也是如此，原子在平衡位置附近连续振动。
然而，虽然分子可以在各振动能级之间跃迁，但并非所有跃迁都被允许。遵守量子力学定律的选择规律决定允许哪些跃迁。任何分子与EM场相互作用最一般的选择规律上面已经给出：为吸收红外范围的光子，分子必须至少具有一个跃迁偶极距(电荷重排)，其振动频率与光子相同。(为吸收微波辐射以进行旋转跃迁，分子必须在期望频率具有永久偶极距)。
对于振动跃迁有更具体的选择规律：振动状态的量子数v只能改变1(Δv＝±1)。因为大多数分子室温下处于振动基态，最优势的振动光谱跃迁是代表v(0→1)吸收的单线态。然而这种简单光谱不能在元素分子中看到；有几个因素作用于回旋振动光谱。首先，对于有永久偶极子的分子，因微波跃迁引起的吸收混在振动光谱中间。然而对于复杂的多原子分子，旋转跃迁因振动吸收而不明显，只是有使吸收峰变宽的趋势。振动光谱复杂表现的最大原因是键运动的非谐振性。振动跃迁的量子力学表达式和选择规律都来自一种假设：分子键行为象谐振器。然而这种假设只是在最低势能状态下化学键行为的近似。当化学键振动激发到越来越高的能级时，因为振动恢复力不再与位移力成正比，其运动也变得不再是谐振。振动跃迁梯中随后的能级不再均匀间隔而是会聚，到达最大能级之前宽度越来越小。最大能量处化学键将解离，谐振方程不能预测这种性质。非谐振性以两种方式影响光谱表现：1)振动跃迁趋于在小范围频率发生，导致峰展宽而不是尖吸收带，和2)不严格遵守Δv＝±1选择规律。弱吸收(称为泛音)也可看到，对应于禁止跃迁，如v(0→2，0→3等)。
尽管非谐振性使象弹簧-球模式行为的原子之间的激发振动图复杂化，但这种概念是有价值的工具，可以帮助理解吸收IR光子时受激分子的运动。线性双原子分子中只有键间伸缩运动可被激发。而在多原子分子中对称和非对称性键伸缩都可能具有IR活性，同时键角改变的弯曲和摇摆运动也可能发生。这种运动被称为正交模式，是可被激发的原子或原子团的独立运动，而不会引起任何其它运动。分子中正交振动模式的数目可用下式计算：
#(非线性)：3N-6
#(线性)：3N-5
其中线性或非线性是指分子几何结构，N是分子中的原子数。因此在含12个原子的非线性分子中有30种正交振动模式可以吸收IR辐射，如果它们被选择规律允许的话。除了最简单的分子以外，测量不同频率处分子吸收辐射而产生的振动光谱极其复杂。
然而，尽管单个分子的光谱难以解释，但是分子中不同基团产生特征频率和强度的吸收。较大分子中具有特征化学行为的一个原子或几个原子称为官能团，它们在不同分子中吸收IR辐射的频率和强度保持大致恒定。例如根据基团所处化学环境，含羰基(碳原子和氧原子形成双键)的分子在1650cm-1和1800cm-1处表现IR吸收。因为每个吸收峰理论上都可指向分子运动或官能团运动，因此可以用IR光谱鉴定未知化合物。
标准模式光谱
用光谱仪可得到EM谱，光谱仪带有辐射源，单色器和每个波长范围的检测器。用紫外可见休力特-帕卡德(HP)光谱仪可得到200nm到800nm范围的谱图。用几种类型的近红外光谱仪可收集800nm到2,500nm的光谱。用马特森3020红外光谱仪和附件可获得2,500nm(2.5μ)到25μ的光谱。远红外光谱仪可获得25μ到1mm的光谱。射频(RF)光谱仪可得到1mm到10km范围的光谱。同时，在很多不同来源的很多谱图库中收集有谱图，或由分子建模程序产生。
用红外吸收光谱仪很容易得到实验IR谱。大多数吸收光谱仪有相同的基本组件：辐射源，样品架，单色器(允许选择单波长)和检测器。根据样品特性、所用EM谱范围和研究人员期望的精确度和精密度，其组件可以改变。此处所述的研究中，用本领域一般技术人员已知的普通方法，每个样品得到三种类型的中IR谱图：吸收、透射和漫反射谱。所有吸收和透射IR谱用马特森3020红外光谱仪获得。漫反射吸收谱用格拉斯比S Specac 4500系列漫反射红外傅立叶变换(DRIFT)套件得到。所有数据的波长范围在400-4000cm-1(波数)或2.5到25.0μm(微米)，每张谱图以4cm-1间隔经60次扫描。
吸收和透射IR研究中，样品处于不同波长和强度的光之中，光通过样品，然后与已知强度的原始光束比较。透射IR结果根据通过样品的光量(透过样品)计算，吸收IR根据样品的光吸收计算。两组数据有如下数学关系：
A = - log T = - log I I 0
其中A是吸光度，T是透光度，I是穿过样品的光强度，而I0是原始光束的强度。根据比尔定律，样品吸光度也依赖于样品厚度和光程：
                A＝εc1
其中c是样品浓度，1是样品光程，ε是消光系数。
在样品组之间尽可能经常对马特森进行背景校正(缺省值是10分钟)。氯化钠样品池用于天然油、塑料膜和非水化样品(不含水)。氯化银样品池用于水化样品。
DRIFT单元背景也是洁净的样品片或烘箱干燥的溴化钾(KBr)。漫反射用于检查动物和植物样品表面一角硬币大小的样品片。样品组织旋转90度，再旋转90度以观察任何吸收改变。研磨烘箱干燥的样品(110℃，30分钟到1小时)并与烘箱干燥的溴化钾以20∶1(KBr∶样品)比例混匀。用烘箱干燥的KBr作背景。
紫外/可见光谱仪
用Hewlett Packard 8453二极管阵列光谱仪和845x UV-VIS光谱工作站从190nm到1100nm扫描样品。使用石英或塑料样品池。用蒸馏水做背景。一些样品浸入蒸馏水中以最小化光散射或用于适当稀释和/或悬浮。其它样品压碎然后离心分离固体和液体，然后分别测试每种组分。
高能光谱，主动光谱和破坏性光谱
高能光谱
高能光谱用于不太透明、致密和厚的样品，它们超出了标准光谱仪的范围。标准光谱仪使用如能斯特灯丝或碳硅棒作光源，在全波长范围内其总发射不超过20W(中IR范围由3400个独立频率组成)，每线功率不超过0.005瓦(5mw)。在约6.5mm2面积上这种光能的通量密度小于0.7mW/mm2。高能光谱使用功率高达10瓦/cm2的发射源。
主动光谱
主动光谱能量范围在高能光谱和破坏性光谱之间。主动光谱使用的能量水平可以主动改变样品的物理特性。利用气相色谱(GC)质谱仪采集测试过程中由样品释放到测试池中的气体可以使研究人员跟踪其变化。主动光谱是评估处理和治疗作用的测试平台，体内治疗设备可以直接从这种形式的光谱中产生。
破坏性光谱
破坏性光谱(仅体外)将光谱研究延伸到目标破坏的程度，用于检查宿主的损伤阈值。对样品处理直至其开始降解的程度可建立体内实验的硬停止值。可以处理样品到超过损伤阈值的程度以研究目标和宿主材料在特定波长如何与极高能量相反应。通过在处理期间将GC质谱仪与样品室偶联可监测样品，当样品降解时将提供进一步的关于化学分解和反应的信息。
此处描述的这三种高能光谱有一些共同组件，如光源，样品架和检测器。仅当使用多色光源时使用单色器，激光或线性光源发射器不需要单色器。
检测器
检测器是转换器，其目的是截取或接收信号或电磁辐射束并将其转换成电或数字信号的形式。检测器的响应取决于多种因素，如类型，辐射波长和检测器温度。检测器包括Golay池，辐射热电偶，热电堆，检流计，辐射测热仪和光检测仪(光二极管，CCD，CMOS)。
低频操作(5Hz量级)Golay池大概是目前最好的非冷却热检测器。通过偶联变压器方式正确匹配放大器时热电偶也有良好的性能。需要高能环境下的检测器时，必须使用冷却检测器如冷却辐射测热仪。冷却通常提高频率响应并降低噪音。
量子型或光检测器和热检测器的关键区别是热检测器吸收频率为v的量子而产生与v成比例的效应(每量子能量＝hv)，而光检测器中量子产生效应时大大独立于其频率或根本不产生效应。很多应用要求光检测器能定量响应低入射光水平，这可以用雪崩光二极管(APD)实现。
电荷耦合装置(CCD)阵列由像素构成，每个像素又由金属氧化物-硅半导体(MOS)电容组成。其中每一个是p-型硅基底上的绝缘二氧化硅层，其上覆盖一薄层金属电极。外加偏置时，空穴迁移出门下硅中的耗尽层，产生势能阱。照射装置时产生电子-空穴对，随之电子在该阱中积累，积累的电荷与辐射成正比。电荷读出涉及从像素到像素依次转移电荷直至在CCD芯片的边缘处被检测。在整个紫外频率CCD动态范围是1.1μm。这些装置的暗噪音水平也比CMOS成像装置低，因此具有更高的灵敏度和可以记录的更大动态范围(最暗和最亮光的比值)。与CCD相比，互补型金属氧化物硅半导体(CMOS)生产成本极低。CMOS成像装置一次暴露一条线，然后将该线转入输出记录仪并以其它方式提供信息。高能光源如激光在某些情况下可能大大超过检测器极限，这时每次应用要使用适当类型的检测器。微波、无线电波和更长波长时要使用天线和信号处理器。
样品架/测试池
测试池和样品架可有很多不同设置但要求必须有某些组件。主要是必须有透射适当频率EME的窗口。窗口用很多不同物质加工，并且必须满足样品、波长和环境条件等的所有要求。碱金属卤化物(盐)NaCl、KCl、KBr、CsBr、CsI与水化学不相容。金属氟化物MgF2、CaF2、SrF2，BaF2与氨和酸不相容，并且对热和力学冲击敏感。氧族化合物ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe有灰尘以及氧化后有毒。玻璃SiO2、As2S3、AMTIR、HMFG便宜但只限于可见和NIR范围。塑料HDPE、TPX、TFE、FEP便宜但易受冷流影响且遇热变形。样品室用不锈钢或其它低活性材料制造。同时，样品室经常带孔道从而可收集气体供分析。样品池安装于轴套中以在更换样品时快速定位。池或室的大小设计成可以放置大且厚的样品。波长超过约1mm的测试池用非金属材料如石英(SiO2)或其它不吸收测试频率的材料制造。测试池经常是管状并放置于传输线圈的中心，很多都是双层壁结构。
流量优化
流量优化适用于分析和处理，在暴露于样品池或供处理之前从光源发出的EME(流量)要进行优化，可通过很多方式实现，包括但不限于，过滤、聚焦、束展宽，校准、反射、光栅，这些属于被动优化。泵浦、转换、加倍、Q转换、脉冲、加速、激发是电动或电光学方式改变光束的形状或传递速率，它们是通过向系统加入能量或将其转换成期望波长。聚焦光学器件、光束展宽器和校准器在可见和NIR的较低功率下工作，但经常在激光和其它光源的更高功率下过热和损坏。优选不需要传输的光学系统。镜子用于操作和优化光束或能量或用于高能光谱，且需要是第一表面。
必须非常精确的控制激光输出功率，可用电子学方法控制输出，或使用扫描或旋转镜也很好。流量密度是单位面积时间的功率(Power overArea times Time)，因此大面积快速扫描属于低流量密度，相比较而言同样面积慢速扫描属于高流量密度。流量密度可表示为瓦每秒或焦耳(1瓦秒等于1焦耳)。100瓦输出并且3mm光束直径的激光产生33.33瓦/mm/秒，相同光束扫描1cm2传递1瓦/秒/cm2。
高能、主动和破坏性光谱的标准配置典型包括可调或单波长激光作为光源，它用检流计式扫描镜聚焦。从扫描镜反射的能量穿过测试池，并在样品的另一侧以热像、穿透能或光像形式用相匹配的检测器接收。
发射器
红外发射器范围包括复杂的受激发射源，即气体放电管、激光、微波激射器、速调管和自由电子激光(FEL)，直至黑体和灰体发射器，其发射基于温度。很多受激发射装置因为功率低或能量转换效率低或对于某些应用太大而不够理想。发射源效率必须匹配准备进行的处理。受激发射装置可能不适用于农业应用，其中低值大体积产品不能承担处理成本。受激发射源最适用于医疗应用或用于高值产品或低功率即可产生期望作用的场合。黑体和灰体发射器非常适用于可见和近红外，但波长长于6μm时没有足够能量。宽范围波长的激光已经被发展出来，有些非常易于调节如FEL。本发明方法中优选使用更有效的发射器。
在需要引起昆虫和/或微生物的光生物学疾病时二氧化碳(CO2)激光是良好的光源。用气体二氧化碳作激光介质，激光产生的带宽从9到11微米。氮气(N2)与二氧化碳(CO2)混合，并用放电来振动激发。因为受激氮分子的能级与CO2分子的非对称伸缩能级匹配，通过分子间碰撞将能量转移到受激的二氧化碳。从最低能级的非对称伸缩激发态向最低激发能级的对称伸缩跃迁时就看到了光激发。这个能级因碰撞而保持未占用状态，并且不从激发过程获得显著量，因为这个能级的CO2分子迅速以热形式耗散能量以回到其稳定基态。所产生的辐射带可分成大约100个离散的线，可选择其中任何一个离散的窄带宽的辐射线，进而调节激光产生单色红外辐射。因为其产生的光强度高于其它红外光源几个数量级，CO2激光器作为辐射源也很吸引人。10μm波长靠近CO2激光产生的最强辐射，在治疗头虱中特别有用，实例见实施例5。我们的研究表明人头发和皮肤在该波长红外吸收很低，因此辐射使昆虫损伤到无法存活的程度，而接受治疗的头发和皮肤却不受影响。
激光理论
从其刚产生开始，激光几乎应用到现代生活的每一个方面。从百货店扫描仪到光盘机，激光代表应用光学的多样性，并是本发明方法可能的发射源之一。术语激光实际上是以下的首字母缩写：受激辐射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。激光的发射过程不同于荧光和磷光，在这两种量子过程中，分子因为吸收波长λ1的入射光子而跃迁到激发态。部分光能通过热过程丢失之后，分子发射另一个波长λ2的光子，以回到最低能量的基态。因为部分能量耗散，与吸收光子相比，发射的光子有更长的波长(更低的能量)(λ1＜λ2)。
然而对于激光，因存在同样频率的辐射，分子激发态受激后发射波长λn的光子。激光过程也有强度的增加，这在另外两种过程中看不到，发射波长λn(由所选分子的量子跃迁决定)越多，就将导致受激分子发射更多数量的相应光子。然而，发射的概率与吸收相等，正常情况下吸收和发射光子的分子数目相同，使这种强度增加不可能发生。为看到激光作用，必须克服分子的波尔兹曼分布。这种分布发现样品激发之前大多数分子都在其基态(最低能态)。相同概率的吸收和发射使样品激发不产生波长λn的净发射。然而，如果激发分子的数量大于基态分子则可以逆转波尔兹曼分布，这时引入辐射λn将导致样品净发射光子。这种粒子数反转需要产生能量不稳定的亚稳激发态，其寿命长到足以经历受激发射(比荧光寿命更长)。
这种粒子数反转首先产生于三级激光。在此过程中，通过称为泵浦的强光产生快速跃迁，使分子被激发到高能态X*。然后分子经快速热量损失到低能状态X。受入射λn光子激发，激光跃迁是分子从亚稳态X到基态S的慢速跃迁。虽然粒子数反转在此系统中产生，但其效率很低，大量能量必须用于激发分子从S到X*。
选择四级激光时，可以实现更有效的粒子数反转。在此系统中，分子被快速泵浦到X*。然后经热量损失或系统间交叉到达较低的亚稳激发态W*。然后在分子慢速发射光子到第三激发态W时看到激光。最后分子经快速过程回到基态G。因为W和W*开始都未被占用，W*中任何分子的存在都产生粒子数反转。同时因为从W到G跃迁非常快，没有形成大量W状态分子以克服反转，从而可实现最大效率。
然而，入射光波长将导致激光不是无限制的。它们开始局限于激光腔，它是储存激光介质的管子。激光腔两端都是镜面，使光可以穿过介质来回反射。很像密闭管子中的声波，激光波长依赖于腔长度：
                  N(0.5λ)＝L
其中L＝腔长度，N＝1，2，3…，介质折射系数是1。
激光波长一般更受限于选定激光介质的固有量子跃迁。在前面的四级例子中，选择用于激励激光的入射光波长恰好与W*到W跃迁时发射的光子波长(λn)相匹配。(正常情况下然后选定腔长度使2L/N＝λn)。这种共振光子将激发激光活性，一个入射光子将导致从激光介质中发射光子级联，如果腔的一侧镜子部分透明则可以从中引出辐射。因为这些波长限制，激光的发散性非常低，并且高度单色和相干。激光输出强度高，带宽窄，这些特性提高了激光在科学和工业应用中的价值。
方法
一般来说，物质选择性暴露于特定波长的电磁能，每波长有足够的通量密度以引起或促进期望的作用。该方法包括但不限于，消毒、变性、杀虫、分解、脱水、标记、照射或标签一或多种物质。该方法利用物质或物质混合物内的光谱差异。由于差异吸收，施加能量以引起波长依赖的反应。本方法可有广泛应用，下面举例说明其中的几个。
对考虑进行处理的宿主或产品以及相关的目标或感染进行测试确定其光谱特性。这些光谱特性和已知处理参数和常数用于解以下方程。
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)
其中P＝功率，A＝面积，t＝时间，Aλ＝吸收因子，Ea＝吸收能量，ml＝物质质量，C＝热容，Tc＝临界温度，Ta＝环境温度
吸收因子＝由依赖光谱波长产生的吸收
临界温度＝期望作用
比较从宿主和目标或感染收集的光谱，表现出最高或最充分差异吸收的频率考虑用于处理。然后评价所考虑频率的可行性，功率转换效率，有效通量密度，发射带宽，过滤或调频后效率，以及宿主在所考虑波长的透过性或反射性。
然后评价所考虑频率的(1)在期望波长发射源的可用性。并非所有波长都可以使用。(2)功率转换效率。对于每种应用，处理必须是成本有效的，越有效越好，如果效率不够高，本方法可能就会太长并又可能引起对宿主更多的不期望作用。(3)有效通量密度。通量密度＝功率/面积x时间。
例：1000W/mm2-高功率
例：1000W/m2-低功率
有效通量密度考虑使用在期望波长具有足够功率的潜在光源，以使目标物质达到临界温度。要求在适当面积上有足够密集的通量密度，以产生期望结果。
通量密度必须有足够能量以满足方程，以在能量有时间耗散之前达到临界温度。
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCX(Tc-Tα)
(1)发射带宽：所考虑发射源需要过滤吗？一般来说，希望得到窄带宽，但这可能依赖于宿主和目标或感染的光谱特性。如果在评价目标或感染峰附近有宿主吸收峰，避免对宿主有不期望的作用非常重要。
(2)过滤或调频后的效率。
可以从发射较宽的光源中滤掉不想要的频率，即黑体发射源。从激光发射的频率可以通过频率转换、频率调节来控制，这通过自旋反转、拉曼散射或非线性晶体或其它方式的倍频技术实现。调频或倍频的效率最高只有10％。确定宿主对所考虑波长的透过性和/或反射性。如果感染位于表面，宿主只需不吸收单波长或单波段的处理波长或者将其反射即可。这种不传播性或反射能力使更多频率可用于处理。如果感染位于宿主内部，宿主必须在某种程度上透过处理波长，以使能量达到感染位置或具有将所述能量传递或转移到感染位置的能力。宿主和相关感染具有较低程度差异时，优选使用适当的波长在几个差异位点处进行处理。这种多模式加工或多波长处理可使用任何或所有不引起宿主不良作用的波长。
宿主在选定频率没有吸收非常重要。换句话说，宿主优选不吸收或很少吸收选定频率。这被称为选择“空路”或选择不伤害宿主而只影响目标或感染的频率。为选择空路，如果宿主在该频率也有吸收，并非总是希望选择宿主和目标吸收差异最大的频率。更重要的是选择宿主不受影响的频率。最后必需评估产品的物理状态以及运输产品到照射位点的方法。
选定波长后，要进行通量密度测试。对于合适的宿主，对宿主或产品样品增加选定波长的强度，直至确定对宿主已经产生不期望的作用。合适的宿主是可以采集实验样品的宿主，而且对宿主样品的改变没有不良影响。合适宿主的实例包括谷物、生肉或鱼、和涂料。很显然需要用本发明方法处理的任何人或动物不能以这种方式测试。对于人或哺乳动物宿主，将对从宿主取得的样品组织进行测试。另外，用以下方程可根据已知光谱吸收对空路进行初步数学计算：
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)
也以相同方式处理感染并监测其死亡或一或多种代谢功能的破坏。从而了解吸收差异并建立工艺参数。处理时间受限于几种因素，首先是差异吸收的程度。如果宿主和相关感染具有高度吸收差异(优选最低20倍差异)，在所需波长使用窄带发射的高强度发射源可使处理时间最少。也要评估产品物理状态和传输产品到照射位点的仪器和系统类型。
一般方法根据以下步骤实施：
1.宿主(产品)分类
鉴定紫外/可见吸收谱
鉴定近IR(NIR)和中IR漫反射谱
确定NIR和中IR发射谱
确定NIR和中IR吸收谱
确定远IR吸收谱
确定远IR发射谱
确定RF吸收谱
确定RF发射谱
结合光谱特性并记录宿主的光谱指纹。为对宿主分类，可单独或组合使用任一种或多种所列光谱。
2.目标或感染分类(例如害虫、昆虫、微生物、霉菌、真菌、酶、蛋白质等)
鉴定紫外/可见吸收谱
鉴定近IR(NIR)和中IR漫反射谱
确定NIR和中IR发射谱
确定NIR和中IR吸收谱
确定远IR吸收谱
确定远IR发射谱
确定RF吸收谱
确定RF发射谱
结合光谱特性并记录目标或感染的光谱指纹。为对目标分类，可单独或组合使用任一种或多种所列光谱。
3.将目标或感染的光谱指纹与宿主的光谱指纹进行比较
鉴定宿主和目标或感染间的差异吸收区域。
鉴定针对目标或感染的所有可能选择的峰。
计算宿主峰和害虫峰之间的差异程度(差异吸收)。
评估表现充分差异吸收的频率。二十倍差异是单位点处理优选的最小值。通过多位点处理累计提供的差异也可满足优选差异。
评估频率的可用性、功率转换效率、有效通量密度、发射带宽、过滤或调频效率，以及宿主对所考虑波长的透过性。
4.选择已知发射源
需要时调幅或调频到适当频率。
进行通量密度试验。
用越来越强的EM能量照射宿主，直至确定已经对宿主产生不利作用的程度(这仅适用于合适的宿主，对于其他宿主使用数学计算)。由此确定最大照射限度。
用越来越强的EM能量照射目标或感染，直至观察到一或多种代谢功能已破坏或感染已被破坏的程度(这仅适用于合适的宿主，对于其他宿主使用数学计算)。由此确定最小照射限度。
例如：
用6焦耳/cm2照射感染以杀虫
用42焦耳/cm2照射宿主，发现有损伤
宿主可耐受40焦耳/cm2而没有损伤
因此，操作参数在以下参数之间：最小6焦耳/cm2以使害虫死亡和最大40焦耳/cm2以防止宿主损伤。
操作过程在两个限制值之间进行。宿主安全和有效死亡是需要考虑的因素。优选在10焦耳/cm2和30焦耳/cm2之间操作以有效杀死害虫而不损伤宿主。10焦耳/cm2提供了安全因素，超过最低害虫死亡能量4焦耳/cm2。
处理时间和通量也是决定功率水平的因素，尤其对于大批量应用。功率水平越高，处理时间越短但消耗更多能量。功率转换效率对于高值产品不是重要问题，医疗应用中很少考虑。缩短处理时间在医疗应用中很重要，因为能量可以耗散到周围组织中。
5.计算目标/宿主的差异阈值
目标：达到临界温度/预期作用需要的功率
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)      (对宿主)
宿主：避免达到临界温度/有害作用的功率
P/Axtx(A)＝Ea＝mlxCx(Tc-T)          (对目标)
宿主临界温度和目标临界温度的差异是处理温度差异。
本发明的方法将通过以下实施例进一步说明。
实施例1
血液洗涤机
血液洗涤机用于处理血液，以去除或改变有害成分如病毒，感染或其它成分，或使特定类型蛋白质变性。血液经透析的方式流出身体，然后血液进入处理管，它由可透过适当范围波长的基底物制成。优选使用合成金刚石或可透过处理波长的其它非活性基底物。当血液经过处理管时高功率红外光或电磁能聚焦于血液。管子的光学设计使血液中的目标物质可以最大吸收，以引起预期作用。病毒、细菌或其它不希望的成分是目标。
实施例2
癌症治疗
获取人体组织200nm到4000cm-1之间的数据。目的是鉴定恶性DNA的初步结构改变，并通过吸收差异与正常DNA比较。差异分成三个范围UV-VIS，NIR和中IR。高度差异位于265nm，此处恶性DNA吸收能力差异多约8倍(见图1)。此时治疗并非总是在最大差异280nm处实施。选择265nm波长而不是其它可能的波长是因为其在正常组织中的吸收较低。这被称为空路或光学治疗位点。根据应用需要的通量密度，用适当光源在265nm发射能量，如准分子激光器，二极管泵浦固态激光器，半导体激光器或闪光灯或其它光源。直接发射所述能量或通过光纤、波导管(中空二氧化硅或其它基质)、光导管、内窥镜或其它方法传到损伤位置及周围组织。传输足够通量密度的能量以使肿瘤DNA的温度迅速增加使之变性。已知DNA在约75℃到90℃之间变性。这种变性或解链使细胞分裂停止并随之停止癌症生长。在极短时间内给予高通量密度的能量使目标DNA温度快速增加，同时没有时间将热耗散到周围组织。建议使用的265nm波长在紫外范围内，刚好超过电离能，因此在此范围内工作必须非常小心。紫外照射是白种人皮肤癌的主要原因。致癌性的作用光谱不完全了解。Pathak Invest.Dermatol.，(1955)实验发现用200-400nm之间的多色光照射引起小鼠产生肿瘤，而用260nm、280nm、300nm和360nm的单色光照射则不产生肿瘤。单色光照射的剂量比多色光照射大3倍。这个信息提示两种可能的假说，第一皮肤癌是两光子过程或两位点损伤过程，其中染色体被破坏同时修复机制也被破坏或丧失能力。此处描述的方法仅使用行同步的单色光以确保单频率治疗。可以考虑电离能以上的全范围频率。水吸收是体内治疗癌症的主要因素，水吸收很多范围的EME，对于这种应用在选择频率时必须首先考虑。
肿瘤细胞中的其它物质也是潜在差异目标的研究对象：细胞壁、质膜、细胞质、蛋白质、衣壳蛋白、多糖、脂、类核等
P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tα)
恶性DNA的通量密度计算
通量密度×时间×吸收因子/波长＝吸收能量＝物质质量×比热(＞＜＝1.2J/g℃)×(临界温度(90℃)-环境温度(37℃))
实施例3
稻米
比较5-10个样品稻米光谱的常见吸收峰，见图3。同时也评估作为目标的害虫的常见吸收峰。建立差异吸收峰。对于这种应用选择黑体源。
通过控制输入功率使温度达到约3800°F，从而调节黑体源。这样的能量转换效率约85％。
在3800°F，黑体有约1900nm的发射峰，与害虫内部水的强OH弯曲/伸缩吸收峰组合相匹配。稻米中的水也有这个特征峰，但水是稻米非常少的成分。用2000nm截留滤光器过滤发射光以避免稻米淀粉和蛋白中的吸收峰。待处理稻米含水约14％，而害虫含水量估计超过75％。通量密度约10到20瓦每平方英寸时处理时间为2到10秒。短照射时间结合稻米的低含水量可杀死害虫而对稻米没有影响或很少影响。稻米可在传送带上通过处理区或通过挡板或滑板处理系统落下以控制谷物在处理中的速度。
所有类型的稻米、谷物和坚果都可以处理以消毒和灭虫，以及干燥产品。可在接收产品时、加工前进行处理，以避免将害虫引入加工厂。也可在碾磨后或加工后以及包装前进行处理。
实施例4
农产品
水分含量高的农产品和食品可以相同方式处理，但优选以害虫的不同成分作为目标。优选处理频率对于目标、害虫或感染有效而对宿主没有作用或只有很小作用。如前面关于节肢动物部分所述，所有昆虫中都有几种成分：甲壳素、蜡质和水。对于很多含水都很高的害虫/产品以及生长中的植物来说，以蜡质为目标具有良好的杀灭作用。图4表示已知携带多种对树和植物有害的疾病的果蝽的两张谱图。下图是昆虫的正常吸收，而上图是除去蜡质以后的图。第一个峰在2900和2900cm-1之间，第二个峰在2300到2400cm-1之间，第三个峰在约1750cm-1。本方法可用于产生感觉结构障碍如以复眼、鼓膜和触角等为目标。
可以处理其它农产品使目标蛋白或酶变性以稳定产品。例如，如果以负责果实和蔬菜腐烂的蛋白为目标，可以增加这种产品的储存寿命。
实施例5
跳蚤，扁虱和白虱
蜡峰和水峰的组合给人和动物提供了差异害虫杀灭方法。在本实施例中，用可发射与这些吸收峰匹配的黑体源处理狗身上的跳蚤。用手持设备照射目标狗，该设备的红外源可发射1500nm峰，并带有750nm截留滤光器以避免狗吸收太高。在已知对宿主安全的波长使用来评估该发射源，该发射源具有1.5微米发射峰对应水吸收峰，并且对于昆虫体内的蜡质也有相当高的C-H键吸收。使用约0.5到2瓦每平方英寸的通量密度，导致昆虫被杀灭且不对宿主引起不适。扁虱和白虱也对这种处理敏感。杀灭人体组织上的扁虱而不引起皮肤损伤。
实施例6
线虫
线虫经常是吃生鱼如寿司而引起疾病的原因。各种宿主上的线虫都可处理。图5表示线虫和鳕的光谱。两个可能的治疗区或差异峰被标出。1480nm峰提供鳕和线虫之间最大差异，因而可被考虑。1680nm和1880nm峰之间也有丰富差异，但在宿主鳕鱼上也显示非常低的吸收，因此在多数应用中都优选。优选1680nm到1880nm范围，因为这提供最空的空路，而对宿主有最小的影响。
线虫对很多农作物也有破坏作用，它们生活于土壤中并攻击作物如草莓和树的根部。土壤熏蒸剂甲基溴用于杀灭该害虫，但2005年以后不再允许使用这种熏蒸剂，因为它可以破坏臭氧层。实验表明，1mm到1兆米之间的波长可用于控制该害虫，其中千赫兹带可能效果最好。
土壤可传播或穿透该范围波长，允许深入土壤中需要的深度。约3千赫兹波长低功率测试对害虫产生破坏作用。
实施例7
脚癣
已经测试了一种治疗微生物如脚癣和真菌如趾真菌和皮肤真菌的方法。实验按如下进行：脚癣患者的脚浸入温水中约10分钟使皮肤组织水化。然后用1500nm峰能量和750nm截留滤光器的红外光照射两次，每次约40秒。连续治疗两天可控制脚癣而对人体宿主没有不良作用。
实施例8
干燥涂料、胶水和粘合剂
涂料、胶水和类似物质的干燥过程要求蒸发掉这些产品中所含的溶剂。差异吸收方法可加速并改进此过程。比较溶剂吸收谱和涂料或胶水中成分以及涂覆表面的吸收谱。匹配施加到溶剂上的能量和未施加到色素或其它物质上的能量，这样可以允许施加更高的能量而不会对涂覆表面或涂料或胶水产生破坏。
实施例9
通风系统
通风消毒/杀虫系统可用于空气处理以破坏、控制或预防空气传播病原的积累和密闭通风系统中常见的微生物污染，包括但不限于飞船、潜艇、医疗设施、食品加工厂、建筑物和宾馆。用与空气中污染物吸收相匹配的高强度EME清扫空气流可以实现这一目标。利用空气处理系统中的高反射区域，对其中空气流用单或多波长EME照射引起气流中的有害成分达到临界温度，而空气则不受影响或温度升高微不足道。见图7。这种设备提供一种处理平台，根据灭菌程度的需要选择高功率或低功率。空气被抽或推入设备，然后激光或其它光源发射能量杀灭或蒸发污染物。
编号1.激光发射源：提供能量。2.旋转镜：优化能量。3.具有高反射表面的处理室：集中能量。4.监测用检测器
反恐怖主义方式
系统含有高能场产生的激光，将所有通过的有机物烧成灰。该方法不破坏空气、其成分或显著增加空气温度。该灭菌系统设计成内部集成单元，很容易与任何通风系统相适应。
有机材料的热容范围在1.2(固体)到2.5(液体)焦耳/克/℃之间。有机物温度增加到500℃需要的热量相当于大约1焦耳/毫克或1千瓦/克，这样可燃烧物质。
能量＝质量×热容×温度改变
Q＝m×C×T(焦耳＝瓦/秒)
(1千瓦＝1000焦耳)
有机材料不能耐受500℃环境。所有有机物在达到500℃之前将燃烧并提供能量通过燃烧将系统灭菌。
实时监测
除了我们的空气灭菌系统中使用的差异吸收技术外，我们还开发出一种特性：作为集成组件实时监测并报告污染水平的类型和量。与紫外或其它推荐方法相比，这是另一个显著优点。
我们的设计加入成对的检测器，每对中的一半在处理区的每一侧。这些监测器检测一氧化氮、二氧化碳和水蒸汽。即使少量污染物正在处理，成对监测器也可发出差异信号。
所有活生物含有蛋白，处理时会产生一氧化氮。当出现有机化合物如存在细菌、病毒、霉菌等时，碳检测器报告差异信号。氮检测器确认这些生物的存在，从而区分有机生物体和非生命来源的碳如碳酸盐矿物质(例如化学品，白垩和大多数塑料)。因为从处理区的相对两端有差异信号，环境杂质水平如相对于周围介质一氧化碳水平的改变不触发假警报。
另一个监测器连续测量散射光的存在及其量，并给出污染物和有害物水平的全图。所有这些监测技术都已很成熟并使用现成的组件。大多数其它已推荐技术要求开发实时生物传感器，它们现仍只在实验室中得到验证，在存在变化和经常无法预知的环境因素的实际环境中它们的使用当然受到怀疑。
实施例10
医疗植入体和医疗设备
本发明的差异吸收方法也可用于灭菌和/或除去医疗植入体和医疗设备的有害污染。硅酮用于多种医疗植入体如乳房假体。感染是使用硅酮的主要问题。用本发明的方法，可以制造硅酮植入体并包装于对预期处理波长透明的材料中。然后可处理包装的硅酮植入体以使之在植入患者之前灭菌。
不锈钢也常用作医疗植入体，例如不锈钢用于人工关节包括人工膝和髋，不锈钢针经常用于融合关节和骨头。使用不锈钢植入体遇到的问题之一是油污染。用本发明的方法，在假体植入患者之前，处理不锈钢可除去污染油。
实施例11
照射组织或物质
通过将特定波长的EME聚焦于物质或组织、人体、动物、植物、细菌、病毒或化学品，用这种方法照射物质使之再发射能量以帮助鉴定特定物质。通过漫反射(defused refectance)、热辐射(黑体辐射)或扫描其非照射性质(透光或阴影图)，外加能量可引起再发射。将组织暴露于特定波长的EME以照射本来无法检测的物质，组织可以是人、植物等。植物组织如干果暴露于目标EME以照射和鉴定加工中的凹陷和凹陷片段。用可使之产热的特定频率EME照射部分身体，通过其差异吸收方式可以定位和鉴定癌细胞。
实施例11
照射外源材料或物质
通过将特定波长的EME聚焦于物质或组织、人体、动物、植物、细菌、病毒或化学品，用这种方法照射物质使之再发射能量以帮助鉴定特定物质。通过漫反射、反射、热辐射(黑体辐射)或扫描其非照射性质(透光或投影图)，外加能量可引起再发射。将组织暴露于特定波长的EME以照射本来无法检测的物质，组织可以是人、植物等。植物组织如干果暴露于目标EME以照射和鉴定加工中的凹陷和凹陷片段。用可使之产热的特定频率EME照射部分身体，通过其差异吸收方式可以定位和鉴定癌细胞。
实施例12
标记
标记物质是一组方法，用方法特异性频率使用EME差异性标记感染目标，或者可以改变或激发物质中的不希望成分，由此可参考或鉴定。EME可针对产品引起其改变，包括但不限于颜色改变、大小改变、光谱性能改变等。
实施例13
使目标带上标记或指定目标以吸引化学品、催化剂、试剂或nanobot。聚焦特定能量于宿主，由于和/或起源于热、物理或其它频率诱导的反应，同时会出现一些代谢过程或功能丧失以吸引药物或化学品。催化剂和其它试剂可通过聚焦EME浓缩。将来在人体内修复或执行一些任务的纳米设备或其它物质激发特异性结合位点，这可能导致或吸引这些设备和将来的其它设备。
实施例14
一种光学方法或加工，用于最终鉴定并排除干果中的凹陷、小枝、壳和其它外来物质，然后包装并使加工果类产品更容易(粘性较低)，并且在高速生产和包装中不改变果实自身。确定光谱特性，在包装之前立即利用EME处理干李子，读出其反射能或热特性，处理能量或信号并用于排除外来物质，这样可以初步实现以上所述的光学方法，并用于全规模包装线。这也将应用于其它干果和蔬菜，以及鲜果、谷物和很多其它食品。
实施例15
一种治疗前列腺癌的方法，其中涉及内窥镜装置、传送系统和能量源如激光或其它适当波长和适当功率的光源，它可以传送足够能量引起癌组织的差异加热作用。这种设备将涉及中空波导纤维光学器件或聚焦光学器件并保持足够小以进入直肠。直肠和前列腺之间的组织非常薄，膀胱就在从直肠到前列腺的后面，膀胱中可充满反射性液体以将能量集中于前列腺。
尽管参考优选实施方案和具体实施例已经描述了本发明，本领域的一般技术人员可以知道在不偏离本发明精神和范围的前提下，可对其形式和细节进行改变。正如此，前面的详述只是举例说明，而并非对本发明的限制。

Claims (19)

1.一种为预期的所需作用而选择性激发宿主产品中目标物质的方法，其中根据目标物质的波长依赖性吸收系数，用差异吸收方法将其暴露于电磁能，波长依赖性吸收系数可以将目标物质和宿主产品中存在的其它物质区分开，并且其中希望其它物质没有或很少有激发，该方法包括以下步骤：
确定目标物质在每个波长下的光谱特性(Aλ)；
确定宿主中存在的其它物质(AH，λ)的光谱特性；
比较目标和宿主的谱图；
鉴定目标和宿主之间的差异吸收区域；
鉴定差异区最大差异吸收谱带；
鉴定表现出足够差异同时也表现出最低宿主吸收的谱带或谱线；
通过将谱图重叠以显示差异(Aλ)，比较并计算宿主和目标之间每波长的差异吸收程度(AT，λ/AH，λ)；
用差示扫描量热计或其它方式鉴定目标热容(CT)；
用差示扫描量热计或其它方式鉴定宿主热容(CH)；
确定对目标的临界温度(TT，C)，即在生物学、情感、化学和/或物理状态方面的临界活性所需的作用温度，这将引起或促进所需作用，包括但不限于对一或多种所选物质进行变性、杀虫、破坏、消毒或脱水；
确定对宿主的临界温度(TH，C)，即在生物学、情感、化学和/或物理状态方面的临界活性所不希望的作用温度，这将引起或促进所需作用，包括但不限于对一或多种非选择物质进行变性、杀虫、破坏、消毒或脱水；
对P/Axt求解；用以下方程计算达到对目标的临界温度(TT，C)每波长所需的能量：
           P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxTCx(Tc-Tλ)；
用鉴定的通量密度和以下方程根据宿主吸收因子(HAλ)计算并比较每个处理波长的差异作用：
          P/Axtx(Aλ)＝Ea＝mlxCx(Tc-Tλ)
其中
P＝功率，
A＝面积，
t＝时间，
Aλ＝吸收因子，
Ea＝吸收能量，
ml＝物质质量，
C＝热容，
Tc＝临界温度，
Ta＝环境温度，
TT，c＝目标临界温度，
TH，c＝宿主临界温度，
CH＝宿主热容，
CT＝目标热容，
吸收因子＝来自波长依赖性谱图的吸收
临界温度＝目标所需作用或不希望的作用
PxAxt＝通量密度。
2.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，包括进一步选择某种电磁能源的步骤，这种电磁能表现出满足波长和通量密度要求的发射特性，其中包括但不限于白炽灯和荧光灯、火花、电弧、气体放电管、激光器、谐波发生器、微波激射器、磁电管，速调管、自由电子激光器、参数和分子振荡器、电子管、半导体设备和旋转发生器。
3.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，包括进一步的步骤：确定是否需要调节通量或收缩发射；评估光源的线数、每线功率、或黑体发射曲线；并评估方法的成本性能。
4.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，包括进一步进行通量优化的步骤，其中包括但不限于，过滤、转换、倍增、Q转换、脉冲、聚焦、反射、光栅、泵浦、加速、激发或其它优化能量的方法。
5.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，包括进一步的步骤：确定能量传输到处理位点或加工区域的方法；选择已知传递所选处理波长的传输方法；确定该机理的物理大小限制；考虑目标可接近性；和考虑在处理前、中或后光谱或视觉监测的任选需要。
6.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，包括进一步的步骤：提供大量产品传送到处理位点或加工区域以直接照射的方法。
7.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，包括进一步的步骤：用传送带、螺杆传送器、风力传送器、转鼓运输物质，振动或振荡。
8.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是节肢动物上角质层脂质吸收线的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是活植物组织的吸收因子。
9.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是脂酶吸收线的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是稻米组织成分的吸收因子。
10.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是微生物感染吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是硅酮植入体的吸收因子。
11.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是病原或细菌吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是活细胞组织、血浆、水或血液中其它成分的吸收因子，其中希望很少或没有明显的作用。
12.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是大肠杆菌E.coli吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是生肉的吸收因子。
13.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是油污染物吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是不锈钢植入体的吸收因子。
14.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是玻璃翼状尖喙卵物质(glassy winged sharpshooter egg mass)吸收线或带的一种或几种成分的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是活植物组织的吸收因子。
15.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ根据节肢动物上角质层上的甲壳素和脂质吸收线计算，宿主物质的吸收因子AH，λ根据人皮肤和人毛发计算。
16.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是病毒吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是活植物组织的吸收因子。
17.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是溶剂吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是涂料色素的吸收因子。
18.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是节肢动物吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是活哺乳动物组织的吸收因子。
19.如权利要求1所述的选择性激发物质的差异吸收方法中，其中目标物质的吸收因子AT，λ是线虫吸收线或带的吸收因子，宿主物质的吸收因子AH，λ是生鱼的吸收因子。
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