CN1589238A - 采用光敏性试剂净化水的微生物污染的方法 - Google Patents

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Abstract

阳离子酞菁盐用作微生物污染的水，尤其是用于灭活革兰氏阳性和革兰氏阴性菌、酵母、微质体和寄生虫的光敏剂的新用途。通过同时使用阳离子酞菁盐和卟啉分子发挥水的光灭菌协同作用，所述卟啉分子通过与典型的酞菁相同的机理完成其光灭菌作用，其可见光吸收光谱有效地补充酞菁的吸收。本发明的光灭菌盐可以作为溶液、粉末或片剂或与基质结合加到水中。

Description

采用光敏性试剂净化水的微生物污染的方法
本发明涉及一种利用光敏性试剂高效净化微生物污染的水的方法。更具体而言，本发涉及酞菁阳离子衍生物(Pcs)本身，以及它们与卟啉的可能的组合，用作将被微生物性质的病原体如革兰氏阳性和革兰氏阴性菌、酵母、微质体、寄生虫和真菌污染的水的净化和灭菌的光敏性试剂的用途。
除去微生物性质的污染物的水的净化在世界多个地方，不仅在发展中国家，而且在环地中海地区引起极大关注。按照欧洲共同体科学委员会的结论，在未来三十年之内存在严重水资源匮乏的真正危机(见“Euro-Mediterranean S & T Cooperation”卷，1997，the DGXII-Section INCO-DC of the European Union出版)。
预期的水缺乏不止包括饮用或灌溉用水，还包括用于田地的水，例如渔业，一个由于发生野生鱼群匮乏而导致的尤其在地中海地区越来越来广泛扩张的实践。为此，若干方法被采用。同时对被化学和生物类污染的水资源灭菌的可行性处理进行评估的调查和实验研究已经开始或当前还在进行。迄今为止出现或可用的方法，特别是那些针对被微生物污染的水的处理和净化方法，可以概括和分类如下：
a)利用强光暴晒加热水
此方法经济方便并对环境基本无影响，但明显受限制。它仅适用于能长时间充分暴露于太阳照射的水系并强烈依赖于固有不可预知的气象条件。此外，通常在这种条件下可达到的温度(60-70℃)不足以高到导致多数耐热的微生物种类失活。(文献引自“Science，Research and Development”，Wallingford Oxon OVERSEASdevelopment unit，EU publisher，第71页，1997)
b)通过灭菌过滤器或吸附物质(如沙)过滤水
尽管当所用过滤器具有能阻碍微生物细胞通过的适宜尺寸孔径时，此方法确实很有效。但它价格昂贵并局限于处理相当少量的水。然而，沙质、动物活性炭和其他吸收物质制成的过滤器具有更弱的灭菌能力并且只能部分地减少微生物数量级。(见Xanthoulis DGuillaume Ph.“La valorization des eaux r ésiduaires del’usine de surgelation”，AGROPHORA，Athens，1994)。
c)高温和乏氧联合应用
这两种不同技术的合用必然提高可达到的灭菌水平。然而，水的脱氧处理过程是长时间的并仅能有效地被用于有限量的液体。此外，这样的方法对厌氧环境增殖的若干细菌菌株作用有限。(见Sanromanet al.″Immobilisation of Aspergillus niger and Paenerocheteand Chrysosporium on polyurethane foam″，in：ImmobilisedCells：Basics and Applications，Elsevier Science Publisher，pp.32-135，1995)。
d)二氧化钛催化的光致净化
二氧化钛是一种高效迅速起作用的光敏剂。然而，该化合物是经近紫外(大约350nm)区域的光波照射被活化。它首先具有有限的水穿透能力，尤其是如果水相对浑浊，就减少了它每单位时间的可灭菌体积；其次，它直接通过微生物细胞的遗传物质吸收，必然伴有导致遗传突变结果的诱导和耐光的微生物种类逐步分化(见SeeBalcioglou I.A，Inel Y.，″Photocatalitic degradation oforganic contaminants in semiconductor suspensions with addedhydrogen peroxide″，J.Environ.Sci.Health A3(1)：123-138，1996)
e)紫外光直接照射
因为该方法依赖一些无处不在的细胞和组织成分(比如核酸和蛋白质)的特性来有效吸收紫外光，它必然伴有几个不必要的副作用，例如它的高成本，紫外线光源操作需要精密技术，那些照射能力有限的短波长必须深入穿透水中，以及照射产生的致突变作用导致细胞的基因突变和耐光物种的分化(见poussett.，″Possibilites d′alimentation des d écharges haute pression par lesalimentations de resonance.Comparaison avec d′autres modesd′alimentation″.These de I’Universite Paul Sabatier，Toulouse，1996)
f)基于氯或二氧化氯的处理方法
氯气所起的氧化作用对大多数微生物源的病原体必然是致命的。该方法大规模的应用可能受限于氯对更高级生物体所施加的二次反应，尤其是对皮肤和眼睛组织的刺激影响带来的后果越来越受关注。
此外，对氯和二氧化氯例如用于环境的次氯酸钠的高浓度带来的后果越来越受关注。
g)基于广谱抗生素的处理方法
由于涉及高成本，该技术当前仅在特有的情况使用(例如：在密集的鱼类养殖)，这也使得它不适于处理庞大体积的水。此外，这种处理方法伴随着导致诱发抗生素耐药的微生物种类分化的高风险，除事先有效的水灭菌外，其都可能通过难以处理的流行病传播对几个生态系统(也对人)产生真正的威胁。
h)通过可见光和与惰性母核结核的卟啉导致的光敏化
可见光本身对微生物细胞无毒性，但一旦与光敏剂联合发生作用时就变为高毒性，例如一经可见光照射活化，卟啉就能产生高反应性细胞毒素种类。基于光和光敏剂的联合作用(协同)的处理过程有下列优点：
1)可见光能穿透至相当深的水中。该方法经济实用，并且其生产只需要简便易行的技术。
2)因为不涉及遗传物质，由光活化的卟啉引起的细胞毒素反应集中在细胞质和细胞膜水平，所以它不能促使耐光敏作用的微生物菌株分化。卟啉也是天然产物，并且它们的应用不会造成任何重要的环境污染(见专利号No.′s DE-19 962 505和WO-97/29 636)。
最后，应可以理解提及的现有技术不如上面涉及卟啉和其衍生物例如氯和酞菁共价地结合到诸如树脂、凝胶体和聚合体惰性基质的特点(h)。结合这些基质的卟啉的有限活动性急速地降低了它们作为光敏剂的效率，因为卟啉强有力地降低了影响它们的空间定向的灵活性和它们与细胞膜的相互作用，并且尤其是卟啉阻碍光致敏剂渗透到细胞膜最里面的部位，那里是代表细胞存活的最关键的位置。因此，光敏作用后的细胞导致的损害被限于相当表面的水平，并且不足以致死。
如上述，在有光敏剂存在的情况下，先前建议通过适当波长的可见光照射可以使微生物细胞不同程度的灭活。光敏剂的典型代表是在吸收携带适宜能量的光子时活化至电子激发态的多环化合物。一旦激发到电子激发态时，光致敏剂引发一系列光物理，光化学和光生物事件，这能导致大多数生物系统的不可逆损害。在光敏剂的多种分类中，包含四-吡咯环族的衍生物起了关键作用，例如卟啉，氯和酞菁，因为这些化合物在可见光谱的红光区(600-800nm)有强吸收波段，因此可通过吸收对若干哺乳动物组织及其他体系例如水具有高度穿透力的波长的辐射而被电子激发。因此，使用这些辐射，能获得穿过相当大体积的目标体系的均匀照射(和光损害)。
本发明主要目的是提供一种利用光敏剂的微生物灭菌方法，该光敏剂具有明显优于现有技术的光敏化作用和光毒性。更为准确地说，本发明目标是：(a)利用具有与微生物细胞表面相互作用，自身定位于微生物细胞表面并穿透进入微生物细胞的完全灵活性的光敏剂，从而提高该光化方法的整体功效；和(b)利用具有最佳光吸收特性的光敏剂，从而减少光敏剂的剂量和达到水灭菌标准所要求的光量。
本发明另一目的是使用这样设计的光敏剂：由于其合成路径和工作方法比目前已知的光敏化系统的要求明显简单，所以可获得极具竞争力的生产成本。
本发明的另一个目的是提供在结构上高度通用的(可变的)光敏剂用于制备″工程″光敏剂，即设计用来获得特定和预定的物理化学性能的光敏剂，用于明显优于目前已知的典型的类似系统的目标应用。
在以下将更明显地看出的这些和其它目的通过将微生物污染的水灭菌的方法来获得，采用至少一种根据本发明的光敏剂，作为一种光致敏剂它包括至少一个具有以下通式的阳离子酞菁，其骨架包括：
Figure A0282313700121
其中，M为选自Zn(II)、Mg(II)、Al(III)、Si(IV)、Ge(IV)、Sn(IV)、Pd(II)、Ca(II)、La(III)、Ga(III)的非-顺磁性金属离子，e、f、g和h可以是H或由具有可变长度的烷基链形成的取代基，所述烷基链包含一个或多个位于骨架内或特定加入的取代基上的官能团；这些官能团包括至少一个为阳离子的杂原子，并优选具有一个或多个以下结构：
苯胺嗡型结构：
Figure A0282313700122
哌啶嗡型结构：
Figure A0282313700131
烷基-铵型结构
Figure A0282313700132
吗啉嗡型结构
吡啶嗡型结构
Figure A0282313700134
不同的阳离子取代基被一价抗衡离子中和，例如氯化物、溴化物、碘化物、硝酸根和甲苯磺酸盐。
该阳离子取代基可以位于二个或三个相邻的异吲哚环上，而其它环上的取代基包含氢原子或选自苯酚、C0-C12烷基、苯基、吡啶和哌啶型的环的非阳离子疏水基，从而提供两亲分子。
血卟啉就是代表此种类型卟啉的一个明显例子：
酞菁是具有类似于卟啉的光敏化和光毒性特性的化合物。然而，酞菁同卟啉相比有一些重要的优点，即首先它们由明显较简单的化学合成路线和处理方法获得，这导致降低至少五倍成本；其次同样重要的是，提高结构通用性(可变性)，从而能够制备“工程”酞菁，以赋予它们能进行非常特定和靶向应用的特定和预定的化学和物理性能(见F.H.Moser，A.L.Thomas，The phthalocyanines，CRCPress，Boca Ration，1983)。
然而，可以设想酞菁和卟啉，尤其是与具有如上述的适于赋予它们上述两亲特征的化学结构的卟啉同时联用。在这方面，一个重要的例子是血卟啉，它的八-取代的四吡咯结构具有以下结构式：
Figure A0282313700141
两个仲醇基团和两上羧酸基团的存在给四吡咯大环的固有疏水结构加入了一些疏水特征，血卟啉实际上被证明是一种引起两个仲醇基和两个羧基的存在增加了四吡咯大环固有的疏水结构的亲水性。血卟啉实际上被证明是一种引起微生物类广谱病原体失活的高效光敏剂(G.Jori，PDT for the treatment of microbialinfections，Photodynamic News 2：2-3，1999)。
阳离子酞菁和卟啉联合的光毒性作用的优点具体由以下证明：
a)在可见光谱的红光区(其特征也在于在水中的强渗透力)，酞菁表现出一种明显更高的可见光吸收效率(是卟啉的10倍)，从而允许即使用低10倍的光敏剂剂量也能获得类似的光敏化作用，并节约大量能量；
b)然而，酞菁并不明显吸收可见光谱的蓝光(400-450nm)和绿光(500-550nm)区域内波长；另一方面，卟啉在这些光谱区呈现强吸收谱带。因此，阳离子酞菁和卟啉例如血卟啉的同时使用，尤其在使用的光是日光或光源是能发光覆盖整个可见光谱的卤素或钨丝灯时，提供了一个最佳光活化效率。后者光源通常经济，并且使用简单。
还应认识到酞菁和卟啉通过同样的机理作用于微生物细胞，尤其它们的光敏作用是基于细胞质膜水平的氧反应种类的光发生，结果由于不涉及遗传物质而不发生诱变作用和产生耐光微生物种类。如果需要的话，此特点允许重复光敏化方法若干次。
因为酞菁和卟啉自由地进入水介质中，并且与细胞相互作用达到某一最佳程度，它们促进的光方法不受以上段落(f)所述的限制。
更详细地，酞菁是四-异吲哚衍生物，并且通过在大环中心与1个金属离子配位和/或在大环边缘点引入1-8个适宜的取代基构成很大一类结构通用(可变)的化合物-见式1。酞菁是生物光敏剂一个优秀种类，因此它们已发现在医学领域的几个不同用途，例如用在光动力抗肿瘤治疗和预防血管成形术后的动脉发生再狭窄。
酞菁还一个特征在于对于大范围的微生物细胞，包括革兰氏阴性细菌(由于包围其细胞的壁的结构复杂，几种方法通常对其无影响)和耐抗生素菌株(例如金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林和万古霉素-抗性株)，也表现出高度光毒活性。后者是全世界日益关注的原因，因为它们正在以不断增进的速度传播。
在抗微生物领域，看上去表现出最佳光敏化效力的酞菁是与抗磁性金属离子，例如Zn(II)、Mg(II)、Al(III)、Si(IV)互相配合的那些，和外围带正离子的官能团，例如N-烷基吡啶官能团，在此R是一条烷基链，例如包括一条C1-C22链，N，N，N-三烷基苯胺官能团，其中的N是季铵化的哌啶基团和季铵化烷氨基官能团。无论如何，如上所示，通过烷基取代完成季铵化。
血卟啉对野生型和耐抗菌素的菌株(例如链球菌和葡萄球菌菌株)以及对酵母(例如假丝酵母菌株)表现出光毒性。
实际使用的几种类型的水灭菌方法可以采用两个不同的步骤进行：
a)根据目标剂量将等份酞菁，任选与血卟啉的组合以粉末、片剂形式或作为具有已知滴定度的溶液直接加到待灭菌的液相中；
b)将酞菁，任选与血卟啉的组合物加到位于待灭菌的系统之外的照射室内。
将酞菁和卟啉加到水中，随后进行的照射可能发生部分降解并有副产物形成。利用申请人完成的实验结果，此副产物不显示任何显著毒性。
为此，将接受照射并降解90％的酞菁水溶液于黑暗中加到人细胞悬浮液(成纤维细胞和角化细胞)中，即使进行长期培养之后仍没有观察到细胞生存力降低。
在所附的图表中也例示了照射室技术，其中：
图1是开放的循环灭菌设备的简图；
图2表示闭合的循环灭菌设备的简图；
图3例示适用于图1和2所示灭菌设备的双照射室。
图4是金黄色葡萄球菌菌株的光灭活图。
图5是表示在紫外线-可见光谱区域血卟啉的吸收光谱图；
图6是表示在紫外线-可见光谱区域锌-酞菁的吸收光谱图；
图7是表示八取代的阳离子锌-酞菁对金黄色葡萄球菌细胞生存力影响的曲线图；
图8是表示在血卟啉存在的情况下金黄色葡萄球菌活性下降对曝露于可见光时间的曲线图；和
图9是表示细菌细胞蓄积的血卟啉(HP)能力的图表。
在附图中，相同或类似的部分或成分以同样的数字标识表示。
图1所示的用于完成开放循环灭菌方法的设备，例如将供给加湿容器或游泳池或鱼塘的水灭菌的设备包括配置有单独的泵2的进料入口1；设计用于保存大体积物质，包括有机物质的机械过滤器或机械过滤器库3；一个或多个提供多个光源的照射室4；容器或照射室4下游的过滤器4a；和优选至少一个或多个压力泵5；出口阀6和可编程控制单元7。
应该理解，除密闭容器之外，照射室4可以进一步包括池或塘，例如鱼塘、井等等。
图2和3显示的在闭合循环灭菌设备实施方案中，照射室仅包括一个单室8或彼此相连(串联)的两个室8和9。
在包括两个室的实施方案中，室8可以位于室9之上，并可以与室9一样配置有入口电阀10，下部电容传感器11和上部电容传感器12以检查该室内待处理的液体的存在及其可能的水平，和控制光吸收从而分别发出主要在红色可见光区域吸收的酞菁和/或血卟啉存在的信号的LED(发光二极管)13，和出口电阀14和15，和保留酞菁和可能的血卟啉或其它物质的砂滤器8(或者其它吸收物质)16、17，位于室内或在一个或多个适于可控地封闭并在室8和9的壁上提供的端口19处的照射灯18。
出口电阀14是一个三通阀，它既是一个从室8出来的排出阀，也是一个通往室9进口的连接单元。在光灭菌的液体(水)供回至储罐或容器8以前，过滤器16和17是设计用来吸收和截留酞菁和可能的血卟啉的，它们可以包含阴离子树脂，例如其上结合阳离子酞菁的羧酸型树脂和硫酸型树脂，和/或具有多环结构的吸附物质，例如沸石或动物活性炭。
利用光谱技术例如吸收分光光度法或荧光分光光度法，在处理开始时和多个照射期之后可以实时定量测定进行光处理的水中的酞菁和/或血卟啉的浓度。
照射室或容器8和9彼此连接并互通流体，且它们依赖通过可见光活化的酞菁施加的杀生物作用。在室8内将水与酞菁和/或血卟啉混合，提供均一的溶液，然后利用其中适宜放置的灯单元进行光照射。室9包含灭菌的水，这些水可以利用。
处理步骤按下列顺序：
将待处理的水通过电子进口阀10流入容器8直到容器充满。容器的水位通过分别定位在容器顶端和较低位置的电容传感器11和12监控。一旦液面达到上面电容传感器12的水位，电子阀10停止入口处水的流动。
同时，在容器8内的测量设备(未显示)适当地装入固体粉末、片剂形状或液体或半液体溶液的酞菁和/或血卟啉，释放预定量的酞菁。酞菁的数量通过测量酞菁和/或血卟啉水溶液光吸收率的二极管13作进一步地监控。在酞菁的情况下，通常吸收波长在红光区内(600-800nm)。如果加入血卟啉或另外的血卟啉，可以使用相同的光源和广泛的可见的电磁辐射发射光谱源(钨丝灯或日光灯)。二极管13通过检查酞菁不足或过量显示测量设备是否出故障；在酞菁和/或卟啉缺乏或过量的情况下，停止灭菌并关闭电阀。
利用位于容器8内部的灯单元在数秒至60分钟内的适当照射时间后，打开电动出口阀14以使灭菌过的水可以移入储罐9内。当较低的电容传感器11检测到容器8是空的时候，它发出信号并且发送给控制单元7以便打开入口电阀以再次充满容器8。
如图3所示，水从容器8流出，它同时流过截留其中所含的酞菁和/或血卟啉的砂滤器16。优选地，提供一个二极管，例如与二极管13类型相同的二极管，它与滤器16相邻，位于出口侧，用于检测滤器本身的磨损；实际上如果通过二极管检测到在红光区的吸光率超过多个特定的阈值(表明酞菁和/或卟啉的吸附不完全)，则应该更换过滤器。
一旦处理过因而无菌的水已经灌注到容器9，则其中配置的电容传感器11和12检查它的水位，它通过入口14和出口15电阀来控制充水和放水，正如在容器8中发生的情况一样。
送入容器9的无菌水不含光敏剂，它在容器8中进行光降解作用，然后通过有机过滤器16截留。
理想地，主要是进一步安全的考虑，可以提供一堆和一组灯，以给容器9中所含的水进行进一步的照射。与装在容器8中的二极管相同的二极管13监控并测量酞菁和/或卟啉任何的残余浓度。
在此阶段水可以用于预期应用，因此它从出口电阀15流出，然后通过由沙或类似材料(例如沸石或动物活性炭)适当制成的过滤器17以吸附酞菁和/或卟啉，从而确保没有任何光敏剂泄漏进入环境中。
未显示的，安置在过滤器17下游并可以是例如与二极管13一样的任何适当型号的二极管检查过滤器17的堵塞和任何酞菁和/或血卟啉的泄漏。酞菁和/或血卟啉的渗漏一旦被检测到，二极管将发出信号到控制单元7，然后系统将立即关闭。
这样循环可以没有任何中断地进行。
当然，上述的系统可以在权利要求授予的保护范围内作多种修改和改变。因此，例如，可以只用一个容器完成一整套不连续过程，通过这个过程可以间断地补充所需水量。
实际上一个封闭的环形排列(图2)的设备可以对通过阀8、9、10和11的动作而发生的在设备内的驻留时间提供更好的控制，从而改进病原体的灭活。有利的是，如果可能的话，在针对用来生产饮用水、养鱼或农业目的的开放水库或池塘情况下，可以方便地用太阳光代替人造光。
通常，如上所述，一旦它们被用可见光谱区尤其是在600-800nm波长处的光照射活化到电子激发态，酞菁和/或卟啉可以导致若干菌株活性突然下降。典型实例是金黄色葡萄球菌-(革兰氏阳性细菌)的野生菌株和其耐甲氧西林的变体(MRSA)、大肠杆菌的野生型菌株(革兰氏阴性细菌)、典型的微质体(莱氏无胆甾原体)和典型的酵母(白色念珠菌)。
可以从下表1说明的例子中得出结论，例如利用较温和的照射方案，酞菁所起的光灭活作用可以导致微生物细胞数量以105因数减少(相当于原始细胞浓度的0.001％)。
a)在微摩尔范围内的酞菁浓度；
b)光敏剂-细胞培养时间等于几分钟(1到5分钟)
c)用不超过100mW/cm2光通量，和对应于最大15分钟的照射时间的不高于80J/cm2的总光剂量进行照射。
通常，酞菁分子上的正电荷被抗衡离子，例如氯化物、溴化物、碘化物或对甲苯磺酸盐中和。酞菁光活化作用可以通过在电磁光谱的可见光区域发射的光源，例如钨丝灯、石英-卤素日光灯或二极管阵列来完成。可以使用来自灯的整个光发射本身，或者可以在光束中引入适宜的滤光器，以分离对应于特定敏化剂的光吸收谱带的波长范围。
表1
在酞菁，尤其是在结构1的“e”和“f”位被带八个正电荷的正丁基-1-N，N-二乙基、N-甲基-氨基型基团取代的酞菁存在下，由可见光照射导致的所选择的微生物种类的光灭活。
细胞存活率以对数标度表示，且它与存活率设为100的用作对照组的非照射微生物细胞作比较。
微生物种类 特定实施例     LOG(Sirr/S)残余生存率
革兰氏阳性菌 金黄色葡萄球菌野生株     -3.7
金黄色葡萄球菌(耐甲氧西林)     -3.0
金黄色葡萄球菌(耐万古霉素)     -3.3
革兰氏阴性菌 大肠埃希氏菌鳗利斯顿氏菌(vibrium anguillarum)     -2.8-3.6
酵母 白色假丝酵母     -4.0
微质体 莱氏无胆甾原体     -4.0
实验条件：
-在水悬浮体中的微生物细胞浓度：106-107细胞/ml
-培养基的pH：7.4(0.8％NaCl w/v磷酸盐缓冲盐水)
-培养和照射温度：37±1℃；
-光敏剂-细胞培养：5分钟；
-在培养基中光敏剂浓度：1μmol/l；
-光源：250W锇钨灯丝合金灯，用于在照射的细胞悬浮液水平获得等于25mW/cm2的光通量；
-发射波长范围380-800nm；
-照射时间10min；
-适于细胞生存力测定的技术：克隆基因试验。
图4表示在通过上述的装置进行照射时，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌野生菌株对结构如表1所示的酞菁浓度的典型的光灭活图。在图中，存活百分比标在Y轴而照射时间以分钟计标在X轴，将0洗涤的照射系统与用磷酸盐缓冲盐洗涤3次后的系统作一比较。
图5说明在电磁光谱紫外线可见区血卟啉(典型两亲卟啉)的吸收光谱。很容易注意到，光谱在蓝色光区(380-410nm)表现出很强的吸收谱带，并在绿色光区(480-550nm)和红色光区(600-700nm)表现出增强谱带。
图6表示在电磁光谱紫外可见光区锌-酞菁的吸收光谱。在紫外(320-380nm)和红色光(600-700nm)区可以看出吸收谱带，而在蓝色光和绿色光区的吸收不显著。
图7的图解表示八取代的阳离子酞菁对耐抗菌素的金黄色葡萄球菌细胞施加的作用。在不同摩尔浓度的酞菁于黑暗中预培养5分钟之后进行照射。在37℃用600-700nm波长(50mW/cm2)照射5分钟之后通过克隆基因试验测量细胞存活。
图8是在血卟啉浓度为0.1μg/ml(圆)和1μg/ml(正方形)的情况下暴露于可见光的金黄色葡萄球菌存活下降的实验结果图表。细菌细胞是处在静止(封闭符号)或在对数(开口符号)增长期。很显然，卟啉光敏剂如何高效地影响其特征在于抗生素的耐药性快速发育的菌株失活。
图9的图形表示细菌细胞积累血卟啉(HP)的效率。特别是，此图表示卟啉浓度对与高度感染性细菌菌株，例如金黄色葡萄球菌结合的光致敏化剂数量施加的作用。在此具体情况下，卟啉-细菌细胞培养在室温下进行6分钟。在用化学方法从细胞中萃取出光敏剂后，借助荧光分光光谱术确定与金黄色葡萄球菌细胞结合的卟啉数量。
可以方便地把阳离子酞菁(其分子带有1到8个正电荷)增进大量微生物细胞广泛灭活的功效开发应用于水的光净化。使其适于此应用的酞菁光敏化方法的特点可以概括如下：
-短时间(I＜15分钟)低浓度酞菁(微摩尔/升)存在下照射可导致微生物数量下降高达至少5个对数级；
-在具有光活性的光敏剂剂量下没有检测到酞菁对动植物生物系统的毒性；
-阳离子酞菁和卟啉在水中的高溶解度使得它在环境中进一步分散并导致可以忽略的局部浓度；
-由于在用于酞菁光活化的波长处辐射的强穿透力，可以均匀地照射相对大量的水；
-无论微生物病原体的耐抗菌素谱如何，酞菁具有致使它们光灭活的性能；
-酞菁和卟啉损害细胞的性能几乎只在膜水平，这使得触发诱变过程和分化耐光微生物物种的危险最小化；
-能将酞菁以粉末、片剂形式或作为溶液或凝胶等形式用作光敏剂；
-能通过同时使用酞菁和适当的卟啉分子，如血卟啉用作光可活化的抗微生物剂来提高整个光敏化方法的效能；
-能利用要求简单技术的光源获得光敏化作用，那样经济划算并且不需要对操作者和客户采取安全措施，也不会固有地对不同生态系统要素施加任何影响。
可以将在阳离子酞菁，可能结合有血卟啉，存在下利用可见光进行的水灭菌被实际应用于下列领域：
-鱼塘和人工湖，在前一种情况下利用内装光源，在后者情况下将阳光用于酞菁光化学活化；
-饮用水，优选通过照射已处理过的水，例如用臭氧处理以降解化学污染物；在水过滤前通过一装在主要供料入口上部的柱前可以立即进行照射；
-用于农场的灌溉用水；
-收集在大池塘中以便随后用作饮用或灌溉用水的水，在这种情况下，首选阳光和人造光协同作用；
-工业用循环废水，用来降低微生物数量并使其他现象例如腐蚀、碎片沉淀堆积及类似、腐蚀等等的影响最小化；
-外科灭菌，或者更一般地，在配备可见光源的容器内预先浸泡在酞菁/卟啉水溶液中的生物医学器械；
-限制或者不限制使用当前所使用的杀生物剂情况下的水产养殖，优选密集养鱼场和养贝场，以减少微生物数量和抑制海藻和霉菌生长；
-减少海上、工业和建筑工地上的细菌增殖和藻类生长的处理；
-用于感染的水，以控制潜在病原体如微生物、幼虫和寄生虫的传播。

Claims (31)

1.阳离子酞菁盐用作微生物污染的水的光敏剂的用途。
2.权利要求1所要求的光敏剂，其用于将革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌、酵母、微质体和寄生虫的灭活作用光敏化。
3.权利要求1或2所要求的光敏剂，所述光敏剂为粉末、片剂或溶液。
4.前述任一权利要求所要求的光敏剂，其特征在于所述灭菌剂具有下列通式：
其中
M是金属离子；
e、f、g和h可以是H或包含具有可变长度的烷基链的取代基，所述烷基链包括具有一个或多个碳原子的骨架和结合在骨架内或作为附加取代基出现的官能团；所述官能团优选包含一个或多个杂原子，其中至少一个杂原子是阳离子并优选具有一个或多个以下结构：
苯胺嗡型结构：
Figure A028231370003C1
哌啶嗡型结构：
烷基-铵型结构
吗啉嗡型结构
Figure A028231370003C4
吡啶嗡型结构
5.权利要求4所要求的光敏剂，其特征在于所述金属离子为选自Zn(II)、Mg(II)、Al(III)、Si(IV)、Ge(IV)、Sn(IV)、Pd(II)、Ca(II)、La(III)、Ga(III)的抗磁性离子。
6.权利要求4或5所要求的光敏剂，其特征在于所述的每个阳离子取代基被一个或多个选自氯化物、溴化物、碘化物、硝酸根和对甲苯磺酸根离子的一价抗衡离子中和。
7.权利要求4至6之任一项所要求的光敏剂，其特征在于所述的烃取代基与二个或三个异吲哚环结合，而与其它环结合的取代基包含氢和选自苯酚、C0-C12烷基、吡啶和哌啶的非阳离子疏水基，从而提供两亲分子。
8.权利要求2至7之任一项所要求的光敏剂，其特征在于它包含至少一种卟啉分子。
9.权利要求8所要求的光敏剂，其特征在于所述至少一种卟啉有适于赋予分子两亲性质的结构。
10.权利要求8或9所要求的光敏剂，其特征在于至少一种卟啉包括血卟啉。
11.权利要求8或9所要求的光敏剂，其特征在于所述血卟啉包含具有以下通式的八取代的四吡咯结构：
Figure A028231370004C1
12.一种微生物污染水的灭菌方法，其特征在于它包括以下步骤：
-在水中加入光化学有效量的至少一种阳离子酞菁以如权利要求2-11之任一项所要求地进行灭菌，和
-用波长范围为380-800nm内或其中包含的较窄范围的电磁射线照射含有阳离子酞菁的水。
13.权利要求12所要求的方法，其特征在于在待灭菌的水的体积中阳离子酞菁和/血卟啉的数量高于0.1μmol/l。
14.权利要求12或13所要求的方法，其特征在于在开始照射前，让水接触阳离子酞菁几秒到60分钟时间。
15.权利要求12至14之任一项所要求的方法，其特征在于调节光源的工作强度以使功率流速范围为10-150mW/cm2。
16.权利要求15所要求的方法，其特征在于待灭菌水的照射时间长于5分钟。
17.权利要求12至16之任一项所要求的方法，其特征在于欲光灭菌的水包含在饮用或者农业或工业用水的水库、或鱼塘、人工湖、游泳池、生物医学仪器容器或加湿器中。
18.权利要求12至17之任一项所要求的方法，其特征在于水的光灭菌是直接在装有水的水库或塘中完成的。
19.权利要求12至17之任一项所要求的方法，其特征在于水的光灭菌是在包括至少一个照射室的专用设备中进行。
20.权利要求19所要求的方法，其特征在于所述专用设备包括至少一个泵。
21.权利要求19或20所要求的方法，其特征在于所述专用设备包括至少一个过滤器。
22.权利要求19至21之任一项所要求的方法，其特征在于所述专用设备包括至少一个可编程电子控制单元。
23.权利要求19至22之任一项所要求的方法，其特征在于所述专用设备包括至少一个容器。
24.权利要求19至21之任一项所要求的方法，其特征在于在所述照射室的末端提供一个基于树脂或吸收剂的过滤器以除去酞菁和它的化合物。
25.权利要求12至24之任一项所要求的方法，其特征在于水的光灭菌通过暴露在日光下来完成。
26.权利要求12至25之任一项所要求的方法，其特征在于水的光灭菌通过暴露在日光联合至少一种人工光源之下来完成。
27.用于实施权利要求12至26之任一项所要求的方法的设备，其特征在于它包括一个供料环(1)，它包括按顺序连接的至少一个压力泵(2)，一个用于从各个供料泵(2)泵出的液体的过滤器或过滤器组(3)，至少一个还提供照射室的待灭菌液体容器(4、8、9)，至少一个在室8内提供的并适于可控制地照射室内所含液体的光源，和一个可编程控制单元(7)。
28.权利要求27所要求的设备，其特征在于所述或每个照射室(4、8、9)包括一个入口阀(10、14)、一个出口阀(6、14、15)、至少一个用于检查待处理液体的存在和各室(4、8、9)内液体的上部阈水平的下部(11)和上部(12)电容传感器(12)，一个检查光吸收以验证是否酞菁存在于各室(4、8、9)内装载的液体之中的传感器(13)，一个保留酞菁的过滤器(4a、16、17)，和多个位于室内或适合以可控的方式封闭的端口(18)处的照射灯单元、它在各室(4、8、9)壁上形成。
29.权利要求27或28所要求的设备，其特征在于给各过滤器提供传感器以控制各过滤器的效率。
30.权利要求27至29之任一项所要求的设备，其特征在于包括至少一个位于照射室或照射室(4、8、9)下游的压力泵(5)。
31.权利要求27至30之任一项所要求的设备，其特征在于它包括多个相互串联的照射室(8、9)。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100462147C (zh) * 2007-02-12 2009-02-18 杭州师范学院 一种金属卟啉-二氧化硅降解剂的制备方法
CN103991920A (zh) * 2014-05-20 2014-08-20 刘一鸣 基于光动力的饮用水消毒方法

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5364225B2 (ja) * 2003-09-22 2013-12-11 独立行政法人科学技術振興機構 イオン性フタロシアニンデンドリマーを内包した高分子ミセル構造体による光力学療法剤、光化学的遺伝子導入用の光増感剤、および医薬品
US8859760B2 (en) 2008-07-29 2014-10-14 Frontier Scientific, Inc. Compositions for killing or preventing the growth of microbes
MX2011001005A (es) 2008-07-29 2011-09-01 Frontier Scient Inc Uso de derivados de tetraquis (n-alquilpiridinio)-porfirina para eliminacion de microbios o prevencion del crecimiento.
DE202009001015U1 (de) * 2009-01-28 2009-04-02 Melitta Haushaltsprodukte Gmbh & Co. Kg Tank
IT1400911B1 (it) * 2010-05-14 2013-07-02 Univ Padova Apparato per l'incubazione di uova e/o embrioni di organismi acquatici
IT1402153B1 (it) 2010-10-08 2013-08-28 Uni Degli Studi Camerino Composizione comprendente un larvicida fotoattivabile
RU2447027C1 (ru) * 2010-11-03 2012-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр "Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей" (ФГУП "ГНЦ "НИОПИК") Гетерогенный сенсибилизатор и способ фотообеззараживания воды
RU2471715C2 (ru) * 2011-04-14 2013-01-10 Федеральное государственное унитарное предриятие "Государственный научный центр "Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей" Гетерогенные сенсибилизаторы и способ очистки сточных вод от ароматических аминов и фенолов
EP2835054A1 (en) 2013-08-05 2015-02-11 Nimartech Limited Porphyrinoid compounds, method and apparatus for water photodisinfection.
DE102015112400B4 (de) * 2015-07-29 2018-07-19 Herbert Waldmann Gmbh & Co Kg Verfahren und Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels Photosensibilisatoren

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2387658A1 (fr) * 1977-03-25 1978-11-17 Ciba Geigy Ag Procede pour combattre les microorganismes
DE19606081A1 (de) * 1996-02-19 1997-08-21 Schaffer Moshe Dr Med Verfahren zum Entkeimen von Wasser
WO1997029636A1 (en) * 1996-02-19 1997-08-21 Schaffer, Moshe Photosensitive composition
WO2000053015A1 (de) * 1999-03-10 2000-09-14 Tetrawerke Dr. Rer. Nat. Ulrich Baensch Gmbh Verwendung von porphyrinderivaten in aquarien
DE19910561A1 (de) 1999-03-10 2000-09-14 Schaffer Moshe Verwendung von Porphyrinderivaten in Aquarien

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100462147C (zh) * 2007-02-12 2009-02-18 杭州师范学院 一种金属卟啉-二氧化硅降解剂的制备方法
CN103991920A (zh) * 2014-05-20 2014-08-20 刘一鸣 基于光动力的饮用水消毒方法
CN103991920B (zh) * 2014-05-20 2016-06-15 刘一鸣 基于光动力的饮用水消毒方法

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CA2464632A1 (en) 2003-05-01

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