(57)【要約】本発明は、望ましい効果を引き起こす又は促進するのに十分な1波長当りの線束密度の、電磁エネルギーの特異的波長に、物質を選択的に曝露する方法に関する。この方法は、1種又は複数の存在する物質の破壊、消毒、変性、駆除、崩壊又は乾燥を含むが、これらに限定されるものではない。より詳細に述べると、本発明は、物質の混合物を含み得る物質に、物質内又は物質の混合物内でスペクトル差を発揮するためのスペクトル特性と一致する、電磁エネルギーを施すことに関する。エネルギーは、示差的吸収から生じる波長依存型の反応を生じるように加えられ；この追加的に加えられたエネルギーは、それ自身、分子の振動、回転、磁気的及び電気的状態において、変化、又は量子遷移を顕在化する。一般に、この方法は、約1光秒から約10電子ボルトの範囲の波長、又はイオン化準位よりも低いエネルギー準位を伴う波長を利用する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
宿主製品中の標的物質を、その波長依存型吸収係数に従って、示差的吸収法において、電磁エネルギーに曝露することにより、前記標的物質を選択的に励起して、所定の所望の効果を得る方法であって、該方法が、該標的物質を、励起がほとんど又は全く望ましくない宿主製品中に存在する他の物質から識別する方法において、以下の工程、
標的物質の1波長当りのスペクトル特性(Aλ)を決定する工程；
宿主中に存在する他の物質のスペクトル特性(AHλ)を決定する工程；
標的スペクトルを宿主スペクトルと比較する工程；
標的と宿主の間の示差的吸収の領域を同定する工程；
最大示差的吸収により示差的領域内のスペクトルバンドを同定する工程；
十分な示差性を示し、かつ更に宿主において最低の吸収を示すスペクトルバンド又はラインを同定する工程；
示差性(Aλ)に達するようにスペクトルを重ねることにより、宿主と標的間の1波長当りの示差的吸収の大きさ(ATλ／AHλ)を比較し計算する工程；
標的の熱容量(CT)を、示差的走査熱量計又は他の手段により同定する工程；
宿主の熱容量(CH)を、示差的走査熱量計又は他の手段により同定する工程；
標的の臨界温度(TTC)、即ち、1種又は複数の選択された存在する物質の変性、駆除、崩壊、消毒又は乾燥を含むが、これらに限定されない望ましい効果を引き起こすか又は促進する、生物学的、情動的、化学的及び／又は物理的状態における臨界活動の望ましい効果温度を決定する工程；
宿主の臨界温度(THc)、即ち、1種又は複数の選択されない存在する物質の変性、駆除、崩壊、消毒又は乾燥を含むが、これらに限定されない望ましい効果を引き起こすか又は促進する、生物学的、情動的、化学的及び／又は物理的状態における臨界活動の望ましくない効果温度を決定する工程；
下記式を用い、P/A x tについて解き、標的における、臨界温度(TTC)を達成するために1波長当り必要なエネルギーを算出する工程；
P/A x t x (Aλ) ＝Ea＝m1 x TC x (Tc - Tλ)
同定された線束密度及び下記式を用い、宿主の吸収因子(HAλ)による1処理波長当りの示差的効果を計算しかつ比較する工程；
P/A x t x (Aλ) ＝Ea＝m1 x TC x (Tc - Tλ)
(式中、P＝パワー、A＝面積、t＝時間、Aλ＝吸収因子、Ea＝吸収されたエネルギー、m1＝物質の質量、C＝熱容量、Tc＝臨界温度、Tα＝周囲温度、TTC＝標的臨界温度、THC＝宿主臨界温度、CH＝宿主熱容量、CT＝標的熱容量、吸収因子＝スペクトル波長依存型で誘導された吸収、臨界温度＝望ましい効果目標又は望ましくない効果、P x A x t＝線束密度である。）を含む方法。
【請求項２】
白熱灯及び蛍光ランプ、スパーク、アーク灯、ガス放電管、レーザー、高調波発生装置、メーザ増幅器、マグネトロン、クライストロン、自由電子レーザー、パラメトリック及び分子発振器、電子管、半導体装置、及び回転発生装置を含むが、これらに限定されない、波長及び線束密度の要件を満たす放出を示す電磁エネルギー源を選択する工程を、更に含む、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項３】
線束の修飾の必要性又は放出の細幅化が求められるかどうかを決定する工程；
ラインの数、1ライン当りのパワー、又は黒体放出曲線について線源を評価する工程；及び
この方法の費用有効性を評価する工程を、更に含む、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項４】
フィルタリング、シフト、倍加、Qスイッチ、パルス化、焦点化、反射、回折格子、ポンピング、加速、励起又は他のエネルギー改善を含むが、これらに限定されるものではない、線束最適化を行う工程を、更に含む、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項５】
処理部位又は加工領域へのエネルギー運搬の手段を決定する工程；
選択された処理波長を透過することが分かっている運搬法を選択する工程；
この機構の物理的なサイズの限界を決定する工程；
標的のアクセス可能性を考察する工程；及び
処理の前、途中、又は後のいずれかにおける任意のスペクトル又は可視モニタリングの必要性を考察する工程を、更に含む、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項６】
直接曝露のために、嵩高な製品を、処理部位又は加工領域へ運搬するための手段を提供する工程を、更に含む、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項７】
更に、コンベヤベルト、スクリューコンベヤ、空気運搬機、回転ドラム、振動又は発振により、材料を輸送する工程を含む、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項８】
標的物質の吸収因子ATλが、節足動物表角皮の脂質の吸収ラインのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、生存植物組織のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項９】
標的物質の吸収因子ATλが、リパーゼ酵素の吸収ラインのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、コメ組織の成分のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１０】
標的物質の吸収因子ATλが、微生物出没の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、シリコーンインプラントのそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１１】
標的物質の吸収因子ATλが、病原体又は細菌の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、効果がほとんど又は全く認められないことが望ましい、生存細胞組織、血漿、水又は血液の他の成分のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１２】
標的物質の吸収因子ATλが、E. coli細菌の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、挽肉のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１３】
標的物質の吸収因子ATλが、油汚染物質の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、ステンレス鋼インプラントのそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１４】
標的物質の吸収因子ATλが、オオヨコバイ卵塊の1種又は複数種の成分の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、生存植物組織のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１５】
標的物質の吸収因子ATλが、節足動物の表角皮上のキチン及び脂質の吸収ラインについて算出され、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、ヒト皮膚及びヒト毛髪について算出される、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１６】
標的物質の吸収因子ATλが、ウイルスの吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、生存植物組織のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１７】
標的物質の吸収因子ATλが、溶媒の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、塗料顔料のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１８】
標的物質の吸収因子ATλが、節足動物の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、生存哺乳類組織のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【請求項１９】
標的物質の吸収因子ATλが、線虫の吸収ライン又はバンドのそれであり、かつ宿主物質の吸収因子AHλが、生魚のそれである、請求項１記載の物質を選択的に励起する、示差的吸収法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
多くの人々が、合成化学物質及び抗生物質に加え、殺虫剤及び除草剤の使用及び依存(reliance)を減らす必要性に気づいており；安全な代替品が生み出されない限りは、医療、農業及び世界的規模で社会に及ぼす影響は計り知れないことは明らかである。毎年、おびただしい投与量の抗生物質及び他の医薬品が、多くの様々な苦痛及び感染症を制御しようとして使用されている。ヒト及び農作物は、無数の化学物質及び放射線で処理されており；シラミに罹った小児は、殺虫剤でシャンプーされる。これらの物質は多くの疾患及び害虫に対して有効であるが、それらの使用は、このような化学物質が環境とヒトの健康に脅威を与えるために、社会的懸念が増大しつつある。
【背景技術】
【０００２】
微生物−病原体、細菌又は害虫が、化学物質、抗生物質、医薬品又は殺虫剤に対して耐性を発揮することの発見は、最早ニュースではなく；農学者及び医師は、新規化学物質から標的病原体又は害虫が抵抗性を示し始めるまで5〜10年の効果を期待するのみであり、代替品が発見されなければならない。最も効果的な殺虫剤及び除草剤の多くは、現在「Food Quality Protection Act(食品品質保護法)」及び「Clean Air Act(大気汚染防止法)」の下で、廃止が予定されている。この立法措置は、環境問題に対処し始めているが、係争中のこれらの化学物質を失うことは、それらの経済的採算性及び国際的取引状態を維持する点について、世界中の農学者により感じられる切迫感を新たなものにしている。更に多くの抗生物質は、それらの有効性を縮小しながら、不正確又は不完全に使用されている。
【０００３】
光化学的反応及び光力学的反応は、本発明のふたつの要素である。光化学的反応は、光、特に紫外線により影響されるか又は開始される反応である。選択的光化学的プロセシングは、プロセシング又は処理の洗練された汚染のない方法である。光力学的反応とは、電磁エネルギー(EME)に曝露された結果の分子力学的反応を説明するために本発明者らが使用する用語であり；変角、伸縮、横揺れ、回転及び振動は、物理的又は力学的効果である。より詳細に以下に説明されている。本発明において、使用される光(EME)は、標的又は出没(infestation)のみに影響し、処置されたヒト又は農業製品には影響しないように、選択された波長(複数)は、各用途について特異的にデザインすることができる。
【０００４】
処理について考察された宿主又は製品に加え関連した標的又は出没は、スペクトル特性を決定するために試験される。宿主及び標的又は出没から集計されたスペクトルは、比較され；最高の、又は十分に示差的な吸収を示す振動数は、プロセシングにおける使用が考察される。次に考察された振動数は、利用可能性、パワー転換効率(power conversion efficiency)、有効線束密度、フィルタリング又は振動数変調後の効率、並びに考察された波長での宿主の無影響性(transparency)について評価される。
【０００５】
波長が選択されると、線束密度試験が行われる。試験のために宿主が犠牲にできない全ての場合において、in vitro試験が行われるであろう。宿主に損傷を及ぼすことが目的でないような宿主の場合(例えば穀物又は生肉もしくは生魚を含む食品、又は塗料など)、宿主が望ましくない効果を被ったことが決定される時点まで、宿主製品の試料に、選択された波長の増大する強度が施される。更に標的又は出没は、同じ方法で処理され、かつ1種又は複数の代謝機能の殺傷又は破壊についてモニタリングされる。吸収の差異が認められ、次にプロセシングの境界線(perimeter)が確立される。処理時間は、いくつかの要因により制限され、第一には示差的吸収の大きさである。高度の示差性を伴う宿主及び関連した出没は、望ましい波長での狭いバンド放出を伴う高強度の発生源が利用可能であるならば、非常に短い処理時間であることができる。低度の示差的を伴う宿主及び関連した出没は、適当な波長によるいくつかの示差的部位に標的化されることが好ましい。マルチモードプロセシング、又は多波長処理は、宿主において望ましくない効果を引き起こさないようないずれかの波長又は全ての波長を利用することができる。宿主に対する出没の近接(標的が、宿主に包埋されているか又は表面に位置するかのいずれか)が要因となる。出没が宿主に包埋されている場合、宿主は、エネルギーが出没に到達することを可能にするか又は出没の位置へ選択されたエネルギーを伝導又は伝送するためのキャパシティを有するために、処理波長である程度の無影響性を有さなければならない。出没が宿主の表面上に位置する場合、宿主は、処理波長で単に非-吸収体又は反射体であることが必要である。表面出没は、ほとんどの物質はより少ない無影響の波長を有するので、より多くの波長が可能であると見込まれる。最後に、製品の物理的状態、及び製品を曝露現場に運搬する方法が考慮される。
(発明の開示)
【０００６】
発明の簡単な概要
本発明は、望ましい効果を引き起こす又は促進するのに十分な1波長当りの線束密度での電磁(EM)エネルギーの特定の波長へ物体を選択的に曝露する方法に関する。この方法は、存在する1種又は複数の物質の破壊、消毒(disinfecting)、変性、駆除(disinfesting)、崩壊、又は乾燥(dehydration)を含むが、これらに限定されるものではない。より詳細に述べると、本発明は、物質内又は物質の混合物内でスペクトルの差異を活用するために、物質の混合物を含み得る物体に、スペクトル特性と一致して、電磁エネルギーを施すことに関する。示差的吸収から生じる波長-依存型反応を引き起こすために、エネルギーが印加される；この追加的に印加されたエネルギーは、分子の振動、回転、磁気的及び電気的状態における、変化、又は量子遷移をそれ自身顕在化する。一般にこの方法は、約1光秒から約10電子ボルトまでの波長、もしくはエネルギー準位がそのイオン化準位よりも低い波長を利用する。
【０００７】
本発明の示差的吸収法は、害虫又は病原体は熱又は電磁(EM)エネルギー吸収に対して抵抗性となり得ないという事実のために、化学物質に勝る利点を有する。加えて本方法は、新規化学物質又は薬物の登録に、時間がかからず費用もかさまず、かつ実行に関する良好なスケールアップ試験結果が入手可能である。本方法において使用される振動数は、化学結合を破壊する能力を有さない。好ましくは、加えられる振動数は、化学結合を破壊するには不充分なエネルギーを有し、イオン化エネルギーは利用しない。化学結合は、解離、振動、回転などされることがあるが、破壊はされない。本方法は、製品において化学変化を生じる能力を有さず；従って、有機的用途に加え商業的用途に特に有用である。
【０００８】
科学者は、数十年間定量及び定性分析のために赤外(IR)分光法を使用しており、これは近年大きく改善された。IR分光法は、現在、搬送ライン上の穀物の病原体を検出することができ、かつ新たに開発されたIRモニタリングシステムは、現在穀物貯蔵庫内の昆虫出没の検出に使用されている。本発明の方法は、製品及び害虫のスペクトルの差異を検出するのみではなく、これを活用もする。本方法は、それの全ての異なる種類の物体に対する独自の効果を介して、異なる種類の物体における反応を促進するために、電磁(EM)エネルギーを使用する。
【０００９】
望ましい効果
望ましい効果とは、この方法の使用による、予め決定された陽性の転帰又は結果に割当てられた説明的名称である。存在する1種又は複数の物質の破壊、消毒、変性、駆除、崩壊、乾燥、マーキング、タグ付け、照明を含むが、これらに限定されるものではない。EMEの特定波長に物体を曝露するようにデザインされた方法により物質を照明し、それが特定の物質の同定又は排除を助けるためにエネルギーの放出又は再-放出を生じる。物質のマーキングは、出没又は物質の望ましくないエレメントが照会することができるように変化されるか又は励起される望ましい効果である。標的のタグ付け又は指定は、化学物質、触媒、物質、ナノボット(nanobot)などを誘引する望ましい効果である。乾燥は、宿主又は宿主の一部分に存在する水又は溶媒の割合を選択的に低下する。物質の崩壊は、妨害される方法、又は機能不全を引き起こすような方法で変化される生理特性を生じる。ある種の型の出没の宿主に関する駆除は、殺傷するか又は退去させるかもしくは環境を出没にとって望ましくない又は耐え難いものとするような選択的方法による。変性は、加熱によるタンパク質の変化であり、その結果溶解度のような当初の特性は、変性剤としてのEMEの使用のために、何らかの方法で代えられたタンパク質分子構造の結果、変化される。消毒は、一部の物質に標的化されたEMEを施し、これを死滅させることにより、物質を滅菌し、それが生存生物を含まなくすることである。
【００１０】
発明の詳細な説明
節足動物の一般的生物学
節足動物は、種の数、個体の純粋な数、それらの総集団数(total mass)、及びそれらの全ての陸上生息者の勢力占有率に関して地球上で最も生物学的に成功している生体である。Arthropoda門は、下記の3亜門に分けられる：Chelicerata(サソリ、クモ、マダニ、ダニ)、Crustacea(端脚類、等脚類、オオガニ)、及びUniramia(昆虫、唇脚類、ヤスデ)。これらの亜門は、おおまかに100万の公知の種を含み、かついずれか所定の時点で推定100京(1018)種の生存個体により集団形成される。
【００１１】
節足動物に関連した定義された特徴のひとつは、硬い外骨格又は角皮の存在である。角皮は、非細胞の多層膜であり、これはそこから分泌される上皮細胞の単層を覆っている。これは、おびただしい数の節足動物全てにわたり硬さ、厚さ及び組成に関して変動するが、角皮の基本的構造及び目的は、この門を通じて類似している。一般に、角皮は下記のふたつの層に分けられる：表角皮、薄い最も外側の層、及び下側にある原角皮。原角皮は、硬化したキチン-タンパク質複合体を含み、これは角皮の形状及び強度を説明している。(対照的に、硬皮及び付属のセグメントが一緒になっている節足動物の膜は、そのタンパク質が硬化されていないので、高度の柔軟性及び弾性を残している。)原角皮は、若干の脂質及びワックスも含むが、表角皮と同程度ではない。原角皮において、脂質及びワックスは、角皮表面上に表在的に付着された層を含む、様々な水平層に線条化されている。表角皮は、厚さ(O.1〜3μm)であるにもかかわらず、その外部配置及びその化学成分の疎水性の性質により、節足動物角皮の全てにわたり水の拡散に対する本質的障壁を提供する。
【００１２】
生理
集中的研究及び頻繁な検証(Blomquist及びJackson、1979；Blomquist及びDillwith、1985；Blomquist、1987；Hadley、1981；Lockey、1985、1988；Renobles、1991)は、表角皮が本質的に複雑であることを示している。その抽出物は、典型的には、直鎖及びメチル-分枝した炭化水素(飽和及び不飽和)、ワックス及びステロールエステル、ケト-アルコールの酢酸エステル、ケトン、アルコール、アルデヒド、及び遊離の脂肪酸を含む。
【００１３】
表角皮の表面は、節足動物にとっての水障壁としてのその役割と結びつけられ、直鎖の炭化水素(n-アルカン)のような、非極性構成成分により支配されている。これらのn-アルカンは、ほぼ全ての試験された節足動物種において認められ、長さは20〜37個の炭素原子の範囲で、これらふたつの限界間の奇数鎖である。モノメチル-、ジメチル-、及びより稀にはトリメチルアルカンを含む分枝した炭化水素は、通常n-アルカンを伴っている。加えて調べた種のおよそ50％が、1、2、場合によっては3個の不飽和を伴う、オレフィン(不飽和炭化水素)を含む表角皮を有することが分かっている。
【００１４】
表角皮は、酸化された炭化水素誘導体の完全な相補体(complement)を含むことも分かった；鎖長10〜32個の炭素も有する飽和及び不飽和脂肪酸の混合物は、共通の成分であるが、遊離のアルコールが、分析された種の半分未満で認められた。ワックスエステルは、炭化水素と一緒に分泌されることが多く、アルコール及び脂肪酸成分の複雑性に応じて、単純なものから複雑なものまで変動する。これらのワックスは、クロゴケグモ、サンドゴキブリ(sand cockroach)及びカイガラムシの支配的表面脂質であることが分かった。
【００１５】
ホメオスタシス
水は、節足動物のホメオスタシス；細胞状態の動的平衡(温度、pH、電解質濃度など)を維持する能力にとって必須である。水は、周囲温度が変動するにもかかわらず、一定の体内温度を維持する上で特に重要である。節足動物は、それらのサイズが小さく表面積対容積比が大きいために、それらの環境から熱を迅速に獲得する。この熱獲得を補正するために、これらは、蒸発冷却を使用し、このことは節足動物に、それらの表面積におおよそ比例した割合で水(汗)を蒸発することを求める。熱獲得と大きい表面積の組合せは、節足動物が、水貯蔵にそれらの小さい体容積の大部分を捧げることを必要としている。時間をかけて、節足動物は、疎水性の表角皮を発達させ、このことは、水貯蔵及びその蒸発の調節の両方を促進する。表角皮がないと、陸生の節足動物は、一定の体内温度又は十分な水貯蔵を維持することはできず、かつ迅速に乾燥されるであろう。
【００１６】
昆虫の赤外標的化
角皮は、昆虫の生存にとって極めて重要なものであり、キチンは角皮の重要な構造成分であるので、これは殺虫剤選択にとって望ましい標的部位である(i)。しかし殺虫剤の使用は、昆虫の制御及び撲滅にとって唯一の実行可能な解法ではない。昆虫は、赤外線又はマイクロ波に反応性である、角皮、キチン、又は他の示差的材料に関連する体のいくつかの領域で標的化することができる。例えば、複眼、鼓膜及び触覚のような、昆虫の感覚器構造を標的化することができ、その結果昆虫は目が見えず音が聞こえなくなり、仲間を導いたり配置したりすることができなくなる。
【００１７】
有利なことに、赤外線源に曝露された昆虫は、光源を行動認識せず感覚上の問題点を示すことが認められている。標準光源に曝露された時点で、昆虫は反応し、従って退散する。生理学的に、一部の昆虫は、事実上光の赤波長は見えないが、遠紫外線を見ることができる(ii)。これらのMenzelにより実験的に記録された現象から、赤(可視光)受容器がこのような昆虫(例えば、双翅類)に存在しないことが推測される(iii, iv)。この「赤が見えないこと」は、長波長放射についてスクリーニングする色素欠乏の結果である(v)。しかし昆虫は、紫外線感受性色素と500、450、又は350nmでの最大スペクトル感受性の間に強力な視覚相関を有し；これらの色素は、昆虫が、空の迷光分光分布に反応することを可能にする(vi,vii)。昆虫は、放射の狭いバンド幅よりも天然の迷光に対しより大きい視覚的反応を有し：別の表現をすると、迷光に曝露された場合、これらは走り、飛び上がり、跳躍し、もしくは飛んで逃げる。従って赤外波長は、節足動物にとっては透明(不-可視)である。節足動物角膜は、透明な角皮により構築されており；従って、クモ及び昆虫の目は、本発明の方法により標的化することができる(viii,ix)。角膜(又は鼓膜)の赤外線浸透は、組織の乾燥により視覚(又は聴覚)機能を崩壊し、組織の再水和が生じる前に組織損傷を引き起し、及び引き続き失明(又は鈍感化)を示し、それにより処理された昆虫の生存能への攻撃を示すことが可能であろう。
【００１８】
加えて、触覚機能及び肢の運動性が、角皮に関連している。通常、角皮は硬化され、これを、より乾燥しより硬くし、かつタンパク質-キチン内の架橋による分解に対し抵抗性とする(x)。しかし関節においては、角皮は、柔軟性とするために硬化されない。この「弱さ」は、IR曝露が、運動性に必要な組織(付属肢筋肉、結合組織、関節丘(関節組織))内に水を保持する内部キチンの能力を変化し得ることを意味し；このような変化は、昆虫の関節に損傷を引き起し、これにより昆虫を不能にすることができる。
【００１９】
一般的生物学−微生物
微生物は、35億年以上にわたり地球上に存在している。この時点で、これらは、非常に順応性、広汎性、及び多目的性であることが証明されている。実際20億年前の初期の細菌は、今日の生命形の特徴である主要な代謝経路を確立していた。継続した繁殖及び順応性の成功が、細菌及び真菌の生理学及び生化学が、環境の変化に対する遺伝的反応の数十億年間の反映であることは確実である(xi,xii)。
【００２０】
微生物の分類は、栄養摂取の3通りの基本様式を基に5種の界を示唆することを提唱している、1969年のR. H. Whittakerシステムを基にしている。これらの界は、Monera界(細菌)、Protista界(原則的に藻類及び原生動物)、Plantae界(植物)、Fungi界(酵母及びカビ)、及びAnimalia界(線虫-回虫、線形動物-条虫／吸虫、及び他の門)である。最初のふたつの界は、残り3種の進化の基礎である。このシステムが基にした栄養摂取様式は、Plantae界(光合成)、Fungi界(吸収による栄養取込み)、及びAnimalia界(摂食による栄養取込み)である。加えて非細胞性感染性物質、例えばウイルス(動物宿主)、ウイロイド(植物宿主)、プリオン(感染性タンパク質)、及びビリノ(宿主タンパク質に封入された核酸)も、この分類学に含まれる微生物集団を構成している(xiii)。
【００２１】
真菌の生理学-キチン
真菌キチンは、節足動物のそれと化学的に同じであり、かつ細胞質封入顆粒として認められる1クラスを除いて、全てが専ら細胞壁で境界とされている(xiv)。真菌において、キチンの役割は、細胞壁の形状及び固さを維持することである。真菌細胞壁は、主に多糖(糖質)及び少量の脂質、タンパク質、及び他の無機イオンで構成される。多糖は、ふたつの主要構造物において認められる：糸状ミクロフィブリル、及び余り組織化されていないマトリックス。細胞壁の主要構造成分であるミクロフィブリルの構造は、粗い強力な糸を形成する他のものの周囲に巻き付いた個別の多糖鎖である。これらの糸は、マトリックスに包埋され、より小さい多糖の凝集が、構造化されず及び顆粒に見える。マトリックスも、同じくタンパク質及び脂質で構成され；これらは一般に、各々、マトリックス質量の10％及び8％未満である。真菌壁は、コンクリートとしてのマトリックスが、鉄筋として効果するミクロフィブリルで補強されたコンクリートに似ている(xv)。
【００２２】
ミクロフィブリルそれ自身は、キチン、セルロース、又は他の非セルロース-ベースのグルカンで構成されている。構造的に、キチンは、β-1,4-連結したN-アセチルD-グルコサミン単位の分枝していないポリマーである。いくつかの主な真菌群において、真菌細胞壁内のキチンの存在は、真菌を高等植物から離れて配置する識別できる特徴である。マトリックス内の炭水化物分布は、真菌群のひとつの分類範疇とその他では異なるので、真菌分類のひとつの基本は、マトリックス糖質及びミクロフィブリルの出現である(xvi,xvii)。
【００２３】
真菌細胞壁中に存在するキチン量(乾燥質量)と特定の生活環構造の間に化学的差異が存在する。ひとつの種Mucor rouxiiにおける胞子嚢柄(胞子形成子実体)内に認められたキチン量は、18乾燥質量％である。他の真菌の細胞壁は、同じく乾燥質量でキチンを39％〜58％も含有することができる(xviii)。リン脂質及びスフィンゴ脂質は、真菌膜において認められる主要脂質であり；これらの脂質は、親水性の「頭部」及び長い疎水性の「尾部」を含む極性分子である。細胞の内側と外側の物質通過のレギュレーターである原形質膜は、等部の脂質及びタンパク質、少量の炭水化物で構成され、及び時には核酸が認められる。
【００２４】
Aspergilus種において、細胞壁内のキチン量が、生殖管出現直前に増大することに注意することは重要である。キチンのような細胞成分の濃度の変化は、特に真菌植物病原体の増殖の評価において、真菌増殖を決定する方法として利用される(xix)。Griffinに従い、病原性真菌の制御は、「キチン合成の阻害を介し、これは宿主における有害な副効果を伴わない殺真菌剤の選択のための理想的機序であるように見えるであろう。しかし、非常にわずかな殺真菌剤が、この種の活性を有することが発見された(XX)。」しかし、キチンはIR活性であるので、狭いバンド幅の光による示差的プロセシングにより真菌のキチン(及びその結果細胞壁)を破壊する方法は、化学的殺真菌剤の実践的代替品であることができる。キチンのラマンスペクトルについては図6参照のこと。
【００２５】
分子振動遷移及び赤外分光法
全ての物体は、原子及び分子からなる。分子において、原子は、それらの電子の三次元配置により互いに支えられている。一部の物質において、原子の帯電成分の配置(正帯電した核及びそれを取り囲む負帯電した電子)は対称であり、かつ電荷の正味の蓄積(双極子モーメント)が、その物質のいずれかの領域に存在することはない。このような非-極性物質は、振動電場(光)と相互効果することができず、その結果完全にマイクロ波及び赤外線放射を透過する。空気のふたつの主成分である分子酸素及び窒素(O2及びN2)は、非-極性分子の例であり；両方とも、等核二原子分子であり、それらの対称性によって、正味の双極子モーメント又は帯電はない。振動電場との相互効果、及びその結果マイクロ波及び赤外線放射の吸収は、物質が、均等でない電荷分布(双極子モーメント)を有する場合にのみ生じる。二酸化炭素(CO2)及び水(H2O)のようなこれらの極性分子は、印加された電場の存在下で小さい磁石のように効果し、かつそれらの双極子モーメントが整列し、電場の変化に対抗しないように、それら自身を並べようとする。極性分子は、振動電場(光)とのこの相互効果が可能であるので、これらの分子は、赤外線及びマイクロ波放射を吸収するためのポテンシャルを有する。
【００２６】
前述のように、極性分子は、電磁(EM)スペクトル内のあらゆる波長の光エネルギーを吸収する電位を有する。EMスペクトルに含まれた光の波長範囲は、非常に膨大であるので、光の個別の領域に恣意的に分割される。これらの領域を以下に列記する：
【００２７】
2004526169.tif 000002
【００２８】
分子が光子(光エネルギーのパケット)を吸収する場合、この分子のエネルギーは、光子エネルギーにより増大される。光子エネルギー(Ephoton)は、下記の関係により、その波長(λ)に反比例する(より短い波長はより大きいエネルギーを示す)：Ephoton＝hc／λ(h及びcは定数)。光子は、それらの光の振動数(ν)によっても説明され、これは下記により波長と関係している：ν＝c／λ。振動数を用いると、プロトンの吸収を伴う分子により経験されたエネルギーの変化(ΔE)は、hνと等しい。この加えられたエネルギーは、量子遷移として公知の分子の電子、振動、及び回転状態の変化をそれ自身顕在化する。本発明の方法に関して、一般に、1光秒よりも短い波長10電子ボルト未満のエネルギーを伴うEMエネルギーは、第一に関心のあるものである。マイクロ波放射の吸収は、分子の回転状態間の遷移を引き起こすが、赤外線放射は振動状態間の遷移を引き起こす。赤外線放射の吸収を、より詳細に説明する。
【００２９】
分子はIR放射を吸収することができる一方で、これらは、可能性のある波長の全範囲を超えて連続して吸収することはできない。性質は、あるエネルギーのみが各極性部位について可能であることを示し；従って、関連した化学結合及び原子に特異的である、ある種のエネルギー(量子力学の「量子」)を吸収することができる。化学結合がふたつの重り(原子)間のばねのように挙動すると考えるならば、これは調和振動子として古典物理学により処理することができる。ばねのように、この結合は、その平衡位置を超えて「伸縮」した場合、復元力を経験し；この力は、調和運動によりそれらの平衡位置のまわりを動く原子を生じるであろう(振り子運動)。結合のその伸縮した位置でのポテンシャルエネルギー(V、そのシステムが作業する能力)は、変位距離(x)の放物線関数であり、かつ下記式により得られる：V＝1/2kx2。定数kは、結合力定数であり、かつその結合の特徴的性質である。N/m2(ニュートン／平方メートル)の単位で表わされたkは、結合の「強さ」及び調和振動子としてのその張力に正比例する。分子振動運動は、量子化されるので、調和振動子のシュレーディンガー式を使用することができる：
【００３０】
【数１】
2004526169.tif 000003
【００３１】
その許されたエネルギー準位についてのこの式を解き、その結果可能なこの分子の振動遷移は、下記式であり：
【００３２】
【数２】
2004526169.tif 000004
【００３３】
(式中、νは振動量子数であり、及び0、1、2、3...と等しく、並びにω＝(k/μ)1/2である。)。変数μは、ここで説明されたふたつの原子システムの低下した質量であり、かつ下記式と等しい：
【００３４】
【数３】
2004526169.tif 000005
【００３５】
(式中、m1及びm2は、関心のある原子の質量である。)。このシステムの低下した質量の使用は、一方の原子が、他方よりもはるかに重く；より小さい原子は、より嵩高の原子よりもはるかに大きい変位を経験し、かつその結果このシステムの振動の振動数(vibrational frequency)においてより大きい影響を有することが想起される場合は、容易に理解されるであろう。
【００３６】
正確なエネルギー準位はほとんど実験的用途がない一方で、振動レベル間のエネルギー差は、極めて重要であり；これらのエネルギー差は、分子により吸収される光子のエネルギーと等しく、この分子はこの場合、HCl(塩酸)のような単純な異核二原子分子である。これらのレベル間の差異を計算するために、連続する量子数がエネルギー式(expression)にあてはめられ、かつ互いに減算される：
【００３７】
【数４】
2004526169.tif 000006
【００３８】
この式は一般的量子数を用いて誘導されるので、全ての振動レベル間のエネルギー差は同等であり、分子の振動構造に均等なはしご状の間隔をもたらすことを認めることができる。基底状態の振動レベル(ν＝0)のエネルギーは、ゼロではないことに注目することは興味深い：
【００３９】
【数５】
2004526169.tif 000007
【００４０】
これは、結合の振動運動が決して終わらないことを意味するので、意味があり；代わりに、その最低エネルギー状態であっても、これらの原子は、平衡位置のまわりを連続して振動する。
【００４１】
しかし分子は、様々な振動レベル間の遷移を行うことが可能であるにもかかわらず、全ての遷移が可能な訳ではない。量子力学の法則に支配された選択律は、どの遷移が可能であるかを決定する。電磁界と分子の相互効果に関する最も一般的な選択律を、先に示した：赤外範囲での光子吸収のために、分子は、光子と同じ振動数で振動する少なくとも一過性の双極子モーメント(電荷の再分布)を有さなければならない。(回転遷移に効果するマイクロ波放射を吸収するために、分子は、所望の振動数の永久双極子モーメントを有さなければならない。)
【００４２】
振動遷移については、より特異的な選択律が適用される：振動状態の量子数vは、1だけ変化することができる(Δv＝±1)。従って、ほとんどの分子は室温でそれらの基底振動状態にあるので、振動スペクトルにおいて最も優勢な遷移は、v(0→1)吸収を表わしている1本のライン(single line)であろう。しかしこの単純なスペクトルは、基本の(elementary)分子についてでさえ見られず；いくつかの複雑化は、振動スペクトルを巻き込むために利用する。第一に、永久双極子を伴うこれらの分子について、マイクロ波遷移による吸収は、振動スペクトルに埋め込まれる。しかし例えば、複雑な多原子分子について、回転遷移は、振動吸収により曖昧となり、かつ稀に幅広の吸収ピークとなる傾向がある。振動スペクトルの複雑な外見への最大の貢献は、結合の運動における非調和性によるものである。振動遷移に関する量子力学的表現律及び選択律は全て、分子結合は調和振動子のように挙動するという前提に由来していた。しかしこの前提は、最低ポテンシャルエネルギー状態の近傍での結合の挙動を近似しているのみである。結合が振動によりより高く及びより高レベルへ励起される場合、その振動の復元力は最早変位力に比例しないので、それらの運動は非調和性となり始める。振動遷移はしごにおいて、連続するエネルギー準位は、最早等間隔では配置されず、しかし被覆面積(converge)は、最大エネルギー準位に到達するまで、より狭い間隔となり始める。この最大エネルギーにおいて、結合は解離し、特性は、調和振動子の式によって予想されない。非調和性は、ふたつの方法で、スペクトルの外見に影響を及ぼす：1)振動遷移は、振動数の小さい領域を超えて生じる傾向があり、結果的に鋭い吸収バンドの代わりにより幅広のピークを生じる、及び2)Δv±1選択律に、厳密には従わない。弱い吸収(倍音(overtone)として知られている)も、v(O-＞2、O-＞3など)のような「禁制」遷移に従い、見られる。
【００４３】
非調和性は、ばね上の重りのように挙動する原子間に生じる励起した振動運動の画像を複雑にする一方で、この考えは、IR光子が吸収される場合分子において励起される運動を理解することができる価値がある概念的道具である。線状二原子分子において、励起され得る運動のみが、その結合において伸縮される。しかし多原子分子においては、結合の対称的及び非対称的伸縮が、IR活性であることに加え、結合間の角度の変角及び縦ゆれ運動が変化される。このような運動は、基準モデル、いずれか他の動きを引き起こさずに励起することができる原子又は原子群の独立した運動として知られている。分子内の基準振動モードの数は、下記式で計算することができる：
#(非線状)：3N-6
#(線状)：3N-5
ここで、線状又は非線状とは、分子の幾何学的配置を意味し、かつNは、分子内の原子数である。従って、12個の原子の非線状分子において、これらが選択律により可能になる場合は、IR放射を吸収するであろう30個の基準振動モードが存在する。異なる振動数で分子により吸収された放射の測定により作成された振動スペクトルは、全てについて極めて複雑であるが、分子は最も単純である。
【００４４】
しかし、個々の分子のスペクトルは解釈することが困難であるが、これらの分子内の異なる基は、特徴的振動数での吸収及び強度を生じる。特徴的化学的挙動を伴う比較的大きい分子におけるひとつ又は複数の原子により定義される官能基は、分子間でおおよその一定を維持する振動数及び強度でIR放射を吸収する。例えば、カルボニル基(酸素原子に二重結合した炭素原子)を伴う分子は、その基の正確な化学環境に応じて、IR吸収を1650cm-1〜1800cm-1の間に有する。各吸収ピークは理論的に分子の運動及び官能基運動に割当てることができるので、未知の化合物のアイデンティティを、それらのIRスペクトルから解明することができる。
【００４５】
標準モードの分光法
EMスペクトルは、放射線源、モノクロメーター及び各波長範囲の検出器を備えるように設計された分光光度計から得られた。スペクトルは、UV可視光Hewlett Packard (HP)分光光度計により、200nmから800nmまでの範囲で得られた。800nmから2,500nmまでのスペクトルは、いくつかの種類の近IR分光光度計を用いて集められた。スペクトルは、Mattson 3020赤外分光光度計及び付属装置を用い、2,500nm(2.5μm)から25μmまで得られた。25μmから1mmまでの範囲のスペクトルは、遠IR分光光度計により得られる。1mmから10kmの範囲のスペクトルは、高周波(RF)分光光度計を用いて得られる。同じくスペクトルは、多くの異なる線源からの多くのスペクトルライブラリーから集め、分子モデリングプログラムから誘導された。
【００４６】
実験的に、IRスペクトルは、IR吸収分光計により容易に得られる。ほとんどの吸収分光計は、同じ基本的構成部品を備えている：放射線源、試料ホルダー、モノクロメーター(単波長の選択を可能にする)及び検出器。これらの部品は、試料の特性、使用されたEMスペクトルの部分、並びに研究者が望む精度及び正確さの程度に応じて変動する。本願明細書に説明した研究において、当業者に公知の一般的方法を用い、3種のMid IRスペクトルが、各試料について得られた：吸光度、透過率、及び拡散反射スペクトル。全ての吸光度及び透過率のIRスペクトルが、Mattson 3020赤外線分光光度計から得られた。拡散反射吸光度スペクトルは、Grasby S Specac 4500 Series Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform (DRIFT)キットから得た。全てのデータに関する波長範囲は、400〜4000cm-1(波数)又は2.5〜25.0μm(ミクロン)の間であり；各スペクトルは、4cm-1間隔での60回走査が行われた。
【００４７】
未補正吸光度(absorbency)及び透過率IR試験において、試料は、変動する波長の光に曝露され、かつ試料を通過する光の強度は、原ビームの公知の強度と比較される。透過IRは、試料を通過する(透過された)光量に応じた結果を生じる一方で、吸収IRは、試料により吸収された光に応じた結果を生じる。これらのデータのふたつのセットは、数学的に下記の関係がある：
A＝-logT＝-log I／I0
(式中、Aは吸光度であり、Tは透過率であり、Iは試料を通過する光の強度であり、かつI0は原ビームの強度である。)。試料の吸光度(A)は同じく、ベールの法則に従い、試料厚さ及び経路長により決まる：
A＝εcl
(式中、cは試料濃度であり、lは試料経路長であり、かつεは吸光係数である。)。
【００４８】
Mattsonは、試料セットの間にできる限り頻繁に、バックグラウンドチェックされた(デフォルトは10分)。塩化ナトリウム(NaCl)試料セルは、天然油、プラスチックフィルム、及び非水和(水非含有)試料について利用された。塩化銀(AgCl)試料セルは、水和試料について利用された。
【００４９】
DRIFTユニットバックグラウンドは、透明試料パッド又はオーブン乾燥した臭化カリウム(KBr)のいずれかであった。拡散反射は、10セント銀貨サイズの試料パッド上の動物及び植物の両試料の表面を試験するために使用した。この試料組織は、90°回転し、再度90°回転し、吸光度の何らかの変化を観察した。オーブン乾燥した試料(110℃で30分から1時間)は、オーブン乾燥したKBrと共に、20:1比(KBr:試料)で、乳鉢及び乳棒で砕いた。オーブン乾燥したKBrはバックグランドとして使用した。
【００５０】
紫外線／可視光分光光度計
試料は、Hewlett Packard 8453ダイオードアレイ型分光光度計及び845x UV-VISスペクトルステーションを用い、190nmから1100nmで走査した。試料キュベットは、石英又はプラスチックであった。バックグラウンドは、蒸留水を用い、測定した。一部の試料を、光散乱を最小化するか又は適当な希釈及び／又は懸濁を促進するために、蒸留水に浸した。その後他の試料を粉砕し、遠心により固形物から液体を分離し；その後各成分は、個別に試験した。
【００５１】
高パワー分光法、能動的(active)分光法及び破壊(Destructive)分光法
高パワー分光法
高パワー分光法は、標準の分光光度計の範囲を超えた、部分的に不透明で濃厚かつ粘稠な試料について使用される。標準の光度計は、全ての放出された波長(中央のIR範囲は、3400の個別の振動数からなる)について、合計20ワット又はそれ未満の総放出を伴う、ネルンストグローアー又はグローバー灯のような光源を利用し、1本のライン当りパワー0.005ワット(5mw)又はそれ未満を生じる。この光エネルギーは、約6.5mm2の面積をカバーし、線束密度0.7mw/mm2未満を生じる。高パワー分光法は、パワーが最大10ワット/cm2である光源を使用する。
【００５２】
能動的分光法
能動的分光法は、パワー範囲が高パワー分光法と破壊分光法の間に広がる。能動分光法は、試料の物理的特性を能動的に変更することが可能なパワーレベルを使用する。ガスクロマトグラフィー(GC)質量分析計の追加は、研究者が、試験期間中に試料から排出された被験セル大気気体の試料採取により、変化を追跡することを可能にする。能動的分光法は、治療及び治療的効果の評価のための試験プラットフォームである。In-vivo治療装置は、この型の分光法から直接誘導されるであろう。
【００５３】
破壊分光法
破壊分光法(in vitroのみ)は、標的を破壊する点まで分光学的調査を広げ、かつ宿主の損傷閾値の探索に使用される。試料が劣化し始める点まで試料をプロセシングすることは、in vivo試験にとっては停止を困難にする。いかに標的材料及び宿主材料の両方が、特定波長で非常に高エネルギーと反応するかを調べるために、試料は損傷閾値を超えてプロセシングすることができる。試料チャンバーをGC質量分析計と連結することによりプロセシング期間の試料をモニタリングし；試料の劣化として、化学物質の崩壊及び反応の更なる洞察を提供するであろう。
【００５４】
説明されたこれら3種の高-エネルギー分光法は、いくつかの通常の構成部品、線源、試料ホルダー及び検出器も備える。多色性の線源が利用される場合にのみ、モノクロメーターを用い、レーザー源又は線源のエミッターの使用は不要である。
【００５５】
検出器
検出器は変換器であり、その目的は、電磁放射のシグナル又はビームを遮断又は受信し、かつこれを電気信号又はデジタル信号の形に転換することである。検出器の反応性は、種類、放射線の波長及び検出器の温度などの要因によって左右される。検出器は、ゴーレイセル、放射線熱電対、サーモパイル、検流計、ボロメータ、及び光検出器(ホトダイオード、CCD、CMOS)を備える。
低振動数(5Hzの桁)での操作については、ゴーレイセルは、現在入手できるほぼ最良の非冷却型サーマル検出器である。熱電対は、連結変成器により増幅器へ適切に適合させられた場合に、良好な利用性を提供する。高エネルギー状態のための検出器が必要な場合、冷却されたボロメータのような冷却された検出器を使用しなければならない。冷却は一般に、振動数反応を改善し、加えてノイズを減少する。
【００５６】
量子型又は光検出器と熱検出器の間の本質的差異は、振動数νの量子を吸収する熱検出器は、vに比例した効果を生じる(エネルギー／量子＝hν)のに対し、光検出器においては、量子は、その振動数とは無関係に大きい効果を生じるか又は全く効果を生じないことである。多くの用途が、アバランシュフォトダイオード(APD)で到達可能な低い入射光レベルに定量的に反応する能力を持つ光検出器を必要としている。
【００５７】
電荷結合素子(CCD)アレイは、金属酸化物半導体(MOS)コンデンサーからなるピクセルから作製される。これらは各々、薄い金属電極で蓋をされているp-型ケイ素基板上の絶縁二酸化ケイ素層である。加えられたバイアスにより、正孔は、ゲートの真下のケイ素中の空乏層へ移動し、ポテンシャルエネルギーウェルを形成する。この装置が照射されかつ電子がこのウェル中に蓄積された時に、電子-正孔対が形成され、蓄積された電荷は照射に比例している。電荷の読取り値は、それがCCDチップの末端で検出されるまでの、電荷のピクセルからピクセルへの逐次転送(sequential transfer)に関連している。CCDは、紫外振動数を通じて1.1μmのダイナミックレンジを有する。これらの装置は更に、CMOS画像形成装置よりもより低い暗ノイズレベルを有し、そのためより大きい感度及びより大きいダイナミックレンジ−記録することができる最暗光と最明光の間の比を有する。相補的金属酸化物半導体(CMOS)は、CCDと比べ製造が極めて安価である。CMOS画像形成装置は、一度に線を露光し、その後その線を出力記録器に転送し、これは別のフォーマットで情報を供給する。レーザーのような高パワー源は、場合によってはこの検出器を圧倒することがある。この場合、適当な検出器の種類は、用途毎に備えられる。アンテナ及びシグナルプロセッサーが、マイクロ波、ラジオ波及びより長波長側において利用される。
【００５８】
試料ホルダー／試験セル
試験セル及び試料ホルダーは、多くの異なる構造を有することができるが、ある種の構成部品が必要である。第一に、これらは、EMEを適当な振動数で透過する窓を有さなければならない。窓は、多くの異なる物質で製作され、かつ試料、波長及び環境条件などのあらゆる必要要件に合致しなければならない。アルカリ金属ハロゲン化物(塩)NaCl、KCl、KBr、CsBR、CsIは、水と化学的に不適合である。金属フッ化物MgF2、CaF2、SrF2、BaF2は、アンモニウム及び酸に不適合であり、かつ熱又は力学的衝撃に対し感受性がある。カルコゲニドZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTeは、粉塵及び酸化された場合に、若干の毒性を有する。ガラスSiO2、As2S3、AMTIR、HMFGは、安価であるが、可視及びNIR範囲に限定される。プラスチックHDPE、TPX、TFE、FEPは、安価であるが、流れを冷却し易くかつ熱により変型し易い。試料チャンバーは、ステンレス鋼又は他の低反応性金属により構成される。同じくこのチャンバーは、分析のために気体が除去されることを可能にするポートが嵌合されていることが多い。セルは、試料交換後の迅速な整列のために、トラニオン型取付台上に搭載されている。セル又はチャンバーのサイズは、大量及び濃厚な試料を収容するようにデザインされている。約1mmよりも長い波長用の試験セルは、石英(SiO2)又は他の被験振動数での非-吸収体などの、非金属材料から製作される。試験セルは、管状であることが多く、かつ透過コイル(transmitting coil)の中心に配置され、多くは二重壁である。
【００５９】
線束最適化
線束最適化は分析及び処理の両方に適用され、線源から放出されたEME(線束)は、試料セルへの曝露前又は処理のために最適化され；このことは、フィルタリング、焦点化、ビーム拡大、コリメーター処理(collimating)、反射、回折格子を含むが、これらに限定されるものではない多くの方法により実現することができ、これらは受動的最適化と見なされる。ポンピング、シフト、倍加、Qスイッチ、パルス化、加速化、励起は、システムへのエネルギーの追加、又は望ましい波長への転換により、ビームの形又は送達速度を変更する電気力学的又は電気光学的手段である。焦点化光学、ビーム拡大装置、及びコリメーターは、可視光及びNIRにおいて比較的低いパワーで作動するが、レーザー及び他の線源の高パワー下では過熱されかつ破壊されることが多い。伝達を必要としない光学システムが好ましい。鏡が、ビーム及びエネルギーを操作し及び最適化するために使用されるか、もしくは高パワー分光法において使用され、表面(first face)が必要とされる。
【００６０】
レーザー出力は、高い精度で制御されなければならず、制御された出力は電気的に実現することができるか、又は鏡の走査もしくは回転の実行は、良好な実用性をもたらす。線束密度は、(パワー／面積)x時間  であり、従って大きい面積についての高速の走査は、低線束密度に翻訳されるのに対し、同面積の低速での走査は、高線束密度に翻訳される。線束密度は、ワット／秒又はジュールで表わすことができる(1ワット・秒は、1ジュールと等しい)。100ワット出力及び3mmビーム直径のレーザーは、33.33ワット/mm/秒を生じ；1cm2について走査されたこれと同じビームは、1ワット/秒/cm2を送達するであろう。
【００６１】
高パワー、能動的及び破壊分光法についての標準の構造は、典型的には検流計ベースの走査鏡上に焦点化される線源として整調できる又は単波長のレーザーを有するであろう。走査鏡から反射されたエネルギーは、試験セルを通るよう方向付けられ、かつ合致した検出器により、試料の反対側で、熱画像、透過エネルギー又は光学画像として受け取られる。
【００６２】
エミッター
赤外エミッターは、非常に精巧な刺激された放出源、すなわちガス放電管、レーザー、メーザ増幅器、クライストロン、及び自由電子レーザー(FEL)から、温度ベースに放出する、黒体及び灰色体エミッターまで変動する。多くの刺激された放出装置は、低いパワー又は不充分なパワー転換のためか、もしくは一部の用途については余りにも大きいために望ましくない。この放出源は、実行される方法に合致した効率を有さなければならない。刺激された放出装置は、比較的価値の低い非常に嵩高な製品が、処理法の経費を正当化しないような農業用途には適さないことがある。刺激された放出源は、医療用途、又は高価値であるかもしくは低パワーは望ましい効果をもたらさないような製品に関する使用に、最も良く適することが非常に多い。黒体及び灰色体エミッターは、可視及び近IRにおいて非常に有用であるが、約6μmよりも長い波長では十分なエネルギーを有さない。レーザーは、広範囲の波長で開発されている。FELなどいくつかは、良く整調可能である。本発明の方法においては、より効率的エミッターの使用が好ましい。
【００６３】
二酸化炭素(CO2)レーザーは、昆虫及び／又は微生物において光生物学的障害を生じるために必要な光エネルギーの線源として優れた実用性を有する。気体二酸化炭素をレーザー処理媒体として使用すると、これらのレーザーは、9〜11ミクロン(μm)の放射バンドを生じる。気体窒素(N2)は、CO2と混合され、かつ電気放電により振電励起される。励起された窒素分子のエネルギー準位は、CO2分子の非対称伸縮のそれと合致するので、エネルギーは、分子内衝突により、その時励起されている二酸化炭素に転移される。その後レーザー処理が、非対称伸縮の励起状態の最低準位から、対称伸縮の最低励起準位への遷移において認められる。この準位は、衝突により集団化されないまま(unpopulated)であり、かつこの準位のCO2分子は、それらの安定した基底状態に戻るために、迅速にエネルギーを熱的に分散するので、レーザー処理過程から有意な集団を獲得しない。得られた放射バンドは、おおまかに100本の個別のラインに分離することができ；これらの個別の狭いバンド幅の放射のラインを選択することができ、これによりレーザーを、単色赤外放射を生じるように整調することができる。CO2レーザーも、これらが形成する光強度は、他の赤外線源よりも数桁大きいので、放射線源として魅力的である。レーザーにより形成される最も強い放出である10-ミクロン波長は、実施例5において例証されるように、シラミの処理において特に有用である。本発明者らが行った研究では、ヒトの毛髪及び皮膚は、この波長で赤外線放射の吸収は低いことを示している；従って、この放射は、昆虫が生存することができない程度に昆虫を崩壊する一方で、この処理を受けたヒトの毛髪及び皮膚は影響を受けないままである。
【００６４】
レーザー理論
レーザーは、それらの開発初期から、近代生活のほぼ全ての面で実行されている。食料雑貨店のスキャナーからCDプレーヤーまで、レーザーは、本発明の方法のための光及び可能な放出源のひとつが適用された多方面の領域を示している。用語「レーザー」は、実際には下記の頭文字である：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(放射の誘導放出による光増幅)。レーザー処理において遭遇する放出過程は、蛍光及びリン光において認められるものとは異なり；これら2種の量子過程においては、分子は、波長λ1の入射光子の吸収により励起状態に上昇される。熱的過程を通じて一部の光子エネルギーが喪失された後、この分子は、その低いエネルギー基底状態に戻るために、波長λ2の別の光子を放出する。一部のエネルギーは分散されるので、放出された光子は吸収された光子よりもより長い波長(より低いエネルギー)を有する(λ1＜λ2)。
【００６５】
しかしレーザー処理において、分子の励起した状態は、同じ振動数の放射線の存在により、波長λnの光子を放出するために刺激される。レーザー処理方法は更に、他のふたつの方法では認められない強度の増大も可能であり；波長λnの放射線のより大きい占有数(選択された分子によりもたらされた量子遷移により決定される)は、励起された分子からの対応する光子のより大きい数の放出を生じるであろう。しかし、放出の可能性は、吸収のそれと等しく、このことは等しい数の分子が光子を吸収及び放出するような通常の環境下では、この強度の増大は不可能であろう。レーザー処理効果を見るためには、分子のボルツマン分布は克服されなければならない。この分布は、ほとんどの分子は、試料励起以前は、それらの基底状態(最低エネルギー状態)にあることを認める。吸収及び放出の同等の可能性を持つ試料の励起は、波長λnの光の正味の放出を生じないであろう。しかしボルツマン分布は、励起された分子の集団が基底状態分子のそれよりも大きい場合には、逆転され、この場合には、放射(λn)の導入は、試料からの正味の光子放出を生じるであろう。この占有度の逆転は、寿命が誘導放出を受けるのに十分に長い(蛍光寿命よりも長い)、エネルギー的に好ましくない準安定励起状態の形成に必要であろう。
【００６６】
このような占有度の逆転は、まず3準位系レーザーにより作成される。この手法において、分子は、ポンピングとして知られている強い光により行われる迅速な遷移を通じて、高エネルギー状態X*に励起される。その後この分子は、迅速な熱エネルギー喪失を受け、より低いエネルギー状態Xとなる。入射λn光子により刺激されたレーザー遷移は、その後準安定状態Xからその基底状態Sへとゆっくり遷移される。このシステムにおいて占有度の逆転が形成されるが、これは不充分である；膨大なエネルギーは、分子のS-＞X*への励起において費やされなければならない。
【００６７】
4準位系レーザーの選択の結果として、より効率的な占有度の逆転が可能である。このシステムにおいて、分子は、急速法においてX*へとポンピングされる。その後、熱エネルギー喪失又は系間交差を受け、より低い準安定励起状態W*となる。その後のレーザー処理は、この分子は、緩徐法で第三励起状態Wへと光子を放出することにより見られる。最後に、この分子は、急速法により、その基底状態Gへと戻る。W及びW*は両方とも最初は集団ではないので、W*での分子の存在は、占有度の逆転を生じる。同じく、W-＞Gへの遷移は迅速であるので、Wにおいて集団の増成はなく、かつ最大効率が達成される。
【００６８】
しかし、レーザー処理を生じる入射放射の波長は、制限されない。これらは最初に、レーザー媒体を維持している管であるレーザー空洞に制限されている。このレーザー空洞は、両端に鏡がついており、そのために光は媒体中を往復反射する。閉管中の音波と同じく、このレーザー処理波長は、空洞長によって決まる：
N(0.5λ)＝L
(式中、L＝空洞長、N＝1,2,3...であり、かつ媒体の反射率は1である。）。
【００６９】
レーザー処理波長は、より一般的には選択されたレーザー媒体の固有の量子遷移により制限されている。先の4準位系の例において、レーザー処理を起こさせるために必要とされる入射は、W*-＞Wの遷移において放出された光子の波長(λn)に正確に合致するように選択されるであろう(通常、空洞の長さは、2L/N＝λnとなるように選択される。)。このような共鳴光子は、レーザー活性を刺激し；ひとつの入射光子は、レーザー媒体からの光子カスケードの放出を生じ、その鏡のひとつが一部透過性である場合には空洞から抽出された放出を生じるであろう。これらの波長制限のために、レーザー光は、非常に解離性が低く、高度に単色性及びコヒーレントである。レーザー出力は、高い強度及び狭いバンド幅、科学及び産業の両用途においてレーザーの価値が増大するような特性を有する。
【００７０】
方法
一般に物体は、特定波長に、又は望ましい効果を引き起こすもしくは促進するのに十分な1波長当りの線束密度の電磁エネルギーの波長に、選択的に曝露される。この方法は、1種又は複数の存在する物質の消毒、変性、駆除、崩壊、乾燥、マーキング、照射、又はタグ付けを含むが、これらに限定されるものではない。本方法は、物質内又は物質の混合物内のスペクトル差を利用する。示差的吸収の結果としての波長-依存型反応を引き起こすために、エネルギーが加えられる。本方法は、多種多様な用途に使用することができ、そのいくつかについては下記実施例において例証する。
【００７１】
処理について考察される宿主又は製品及び関連した標的もしくは出没は、それらのスペクトル特性を決定するために試験される。これらのスペクトル特性並びに公知のプロセシングパラメータ及び定数を、下記式を解くために使用することができる：
P/A x t x (Aλ)＝Ea＝m1 x C x (Tc−Tα)
(式中、P＝パワー、A＝面積、t＝時間、Aλ＝吸収因子、Ea＝吸収されたエネルギー、m1＝物質の質量、C＝熱容量、Tc＝臨界温度、Tα＝周囲温度、吸収因子＝スペクトル波長依存型で誘導された吸収、臨界温度＝望ましい効果）。
【００７２】
宿主及び標的又は出没から集計されたスペクトルが比較され；最高又は十分に示差的吸収を示す振動数がプロセシングにおける使用のために考察される。その後考察された振動数が、利用可能性、パワー転換効率、利用可能な線束密度、放出のバンド幅、フィルタリング又は振動数変調後の効率、並びに考察された波長での宿主の無影響性又は反射率について評価される。
【００７３】
次に考察された振動数が下記について、評価される：
(1)望ましい波長での放出源の利用可能性。全ての波長が現在利用可能なわけではない。
(2)パワー転換効率：処理は、1回の適用につき費用効果がなければならず−効率的であればあるほど良い。効率が十分に高くない場合は、本方法は、余りにも長くかかり、かつより大きい望ましくない宿主効果を生じる可能性がある。
(3)利用可能な線束密度：線束密度＝パワー／面積 x 時間
例：1000w／mm2−高パワー
例：1000w／m2−低パワー。
【００７４】
利用可能な線束密度は、標的物質を臨界温度にするのに十分な望ましい温度でのパワーを有するポテンシャル線源を考察する。望ましい結果を達成するために適当な面積に及ぶ濃密な十分な放出が必要とされる。
【００７５】
線束密度は、下記式を満足する十分なエネルギーを有さなければならず：
P/A x t x (Aλ)＝Ea＝m1 x C x (Tc−Tα)
エネルギーが分散する時間が経過する前に臨界温度に達する。
(1)放出のバンド幅：考察された放出源は、フィルタリングの必要があるか？一般に、狭いバンド幅が望ましいが、宿主及び標的又は出没のスペクトル特性によって左右され得る。宿主が、評価される標的又は出没におけるピークに近い吸収ピークを有する場合には、宿主に対する望ましくない効果を避けることは特に重要である。
【００７６】
(2)フィルタリング又は振動数変調後の効率。
望ましくない振動数は、広い放出源、すなわち、黒体エミッターからフィルタリングすることができる。レーザーから放出された振動数は、振動数シフト、スピンフリップラマン散乱による変調、又は非線状結晶もしくは他の手段による振動数倍加により制御することができる。振動数変調及び倍加は、最も良くともわずかに10％の効率である。考察された波長での宿主の無影響性及び／又は反射性を決定する。出没がその表面に位置する場合は、宿主は、単波長又は複数の波長の単バンドを用い、処理波長で非吸収体又は反射体である必要がある。この非透過又は反射の能力は、処理に利用可能なより多くの振動数をもたらす。出没が宿主に包埋されている場合は、この宿主は、エネルギーが出没に達することを可能にするか又は出没位置へ該エネルギーを伝導又は透過する能力を有するために、処理波長に対しある程度の無影響性を有さなければならない。示差の程度が低い宿主及び関連した出没は、いくつかの示差的部位で適当な波長で標的化されることが好ましい。このマルチモードプロセシング、又は多波長処理は、宿主に望ましくない効果を引き起こさない波長のいずれか又は全てを利用することができる。
【００７７】
宿主が、選択された振動数で非-吸収体であることは重要である。別の表現をすると、宿主は、選択された振動数で吸収しない、又はごくわずかに吸収することが好ましい。これは、「クリアパス(clear pass)」の選択、又は宿主に害を及ぼさないことが望ましいような標的又は出没が影響を受ける振動数の選択と称される。クリアパスを選択するために、宿主もその振動数を吸収する場合には、宿主と標的の間で吸収の最大差を伴う振動数を選択することが常に望ましいわけではない。より重要なことは、宿主がほとんど影響を受けない振動数を選択することである。最後に、製品の物理的状態、及び製品の曝露現場への運搬法が評価されなければならない。
【００７８】
波長が選択された場合、線束密度試験が実行される。適当な宿主に関して、宿主又は製品の試料が、宿主が望ましくない効果を受けたことが決定される点まで増大する強度の選択された波長に曝される。適当な宿主は、実験のための試料採取が可能なもの及び宿主からの試料内での変化に効果することが望ましくないことはないようなものである。適当な宿主の例は、穀物、生の肉又は魚、及び塗料を含む。本発明の方法で処理することができるヒト又は動物は明らかに、この方法では試験されない。ヒト又は哺乳類宿主の場合は、宿主から摘出された試料由来の組織は試験されないであろう。かわりに、そのクリアパスは、最初に下記式を用い公知のスペクトル吸収を基に数学的に計算することができる：
P/A x t x (Aλ)＝Ea＝m1 x C x (Tc−Tα)
【００７９】
出没は、同じ方法でも処理され、かつ1種又は複数の代謝機能の殺傷又は崩壊についてモニタリングされる。吸収の差異が認められ、かつプロセシングのためのパラメータが確立される。処理時間は、いくつかの要因により制限される；第一には、示差的吸収の大きさである。宿主及び関連した出没が、高度の示差性(最低でも20倍の示差性が好ましい)を有する場合、望ましい波長で狭いバンド放出を伴う高い強度の線源が利用可能であるならば、処理時間は最低である。低い示差性を伴う宿主及び関連した出没は、適当な波長でいくつかの示差的部位において優先的に標的化される。製品の物理的状態並びに製品の曝露現場への運搬に使用した装置及びシステムの型も評価される。
【００８０】
本方法は一般に、下記工程に従い実施される：
1.宿主(製品)の分類
UV／可視吸収スペクトルの同定
近IR(NIR)及び中間IR拡散反射スペクトル同定
NIR及び中間IRの透過スペクトルの決定
NIR及び中間IR吸収スペクトル検出
遠IR吸収スペクトルの決定
遠IR透過スペクトルの決定
RF吸収スペクトルの決定
RF透過スペクトルの決定
スペクトル特性を組合せ、かつ宿主に関するスペクトフィンガープリントを記録する。宿主を分類するために、列記されたスペクトルの1種又は複数のいずれかを、単独で又は組合せて使用することができる。
【００８１】
2.標的又は出没(例えば、害虫、昆虫、微生物、カビ、真菌、酵素、タンパク質など)の分類
UV／可視吸収スペクトルの同定
近IR(NIR)及び中間IR拡散反射スペクトル同定
NIR及び中間IRの透過スペクトルの決定
NIR及び中間IR吸収スペクトル検出
遠IR吸収スペクトルの決定
遠IR透過スペクトルの決定
RF吸収スペクトルの決定
RF透過スペクトルの決定
スペクトル特性を組合せ、かつ標的又は出没に関するスペクトフィンガープリントを記録する。標的を分類するために、列記されたスペクトルの1種又は複数のいずれかを、単独で又は組合せて使用することができる。
【００８２】
3.標的又は出没のスペクトルフィンガープリントの宿主のそれとの比較
標的又は出没と宿主の間の示差的吸収の領域の同定
標的又は出没の選択のための全ての可能性のあるピークの同定
宿主のピークと害虫のピークの間の差異(示差的吸収)の大きさの計算。
十分な示差的吸収を示す振動数の評価。20倍の示差性は、単独部位の処理についての好ましい最低である。好ましい示差性は、この示差性を累積してもたらす複数の部位の処理により満足することもできる。
利用可能性、パワー転換効率、利用可能な線束密度、放出のバンド幅、フィルタリング又は振動数変調後の効率、及び考察された波長での宿主の無影響性について振動数を評価する。
【００８３】
4.公知の線源の選択。
必要ならば振動数を適切に整調又は変調する。
線束密度実験の実施。
宿主が望ましくない効果を受けたと決定される点まで、宿主を、より高い及びより高い強度のEMエネルギーに曝す。(これは、適当な宿主についてのみである；他の宿主については、数学的決定が使用される。)。これは、曝露上限を決定する。
1種又は複数の代謝機能の崩壊が認められるか又は出没が破壊されるまで、標的又は出没を、より高い及びより高い強度のEMエネルギーに曝す。(これは、適当な宿主についてのみである；他の宿主については、数学的決定が使用される。) これは、曝露下限を決定する。
【００８４】
例えば：
害虫殺傷のためには、出没を6ジュール/cm2で。
宿主は、42ジュール/cm2で、損傷を受ける。
宿主は、損傷無しに40ジュール/cm2に耐えることができる。
従って、操作パラメータは、害虫殺傷のための6ジュール/cm2から、宿主損傷を防ぐために最大40ジュール/cm2である。
本方法は、これらふたつの限界の間で操作される。宿主安全性及び効率的殺傷は、考慮されるべき因子である。10ジュール/cm2〜30ジュール/cm2の間の方法装置の操作が、宿主を崩壊せずに害虫を殺傷する効果にとって好ましい。これは、10ジュール/cm2の安全因子を提供し、及び害虫殺傷下限4ジュール/cm2を上回る。
【００８５】
処理時間及び処理量も、特に嵩高な用途において、パワーレベルの決定の因子である。より高いパワーレベルは、より短い処理時間を有するが、より多いエネルギーを消費する。パワー転換効率は、高価な製品については問題が少なく、医療用途においてはほとんど懸念がない。より短い処理時間は、周囲組織へのエネルギー散逸のために、医療用途において重要な用途である。
【００８６】
5.標的／宿主の示差的閾値の計算
標的：臨界温度／望ましい効果を達成するのに必要なパワー
宿主について  P/A x t x (Aλ)＝Ea＝m1 x C x (Tc−Tα)
宿主：臨界温度／望ましくない効果を達成するのに必要なパワー
標的について  P/A x t x (A)＝Ea＝m1 x C x (Tc−T)
宿主についての臨界温度と標的の臨界温度の間の差異は、示差的プロセシング温度である。
本発明の方法は、下記実施例により更例証される。
【００８７】
実施例1
血液スクラバー
血液スクラバーを使用し、ウイルス、感染体又は他の成分のような、望ましくない成分を除去又は変更するため、もしくは特定の種類のタンパク質を変性するために、血液を処理する。血液は、透析型の手法において、生体から転用する。その後、血液を、適当な波長範囲の光学遷移を有する物体により構築された処理管を通過させる。合成ダイヤモンド又は処理波長で無影響性であるその他の非-反応性物質のいくつかの使用が好ましい。高パワー赤外線又は電磁エネルギーを、血液が処理管を通過する際に、血液に焦点化する。この管は、望ましい効果を引き起こすように、血液内の標的物質における吸収を最大にするように光学的デザインを有する。ウイルス、細菌、又は他の望ましくない成分が標的化される。
【００８８】
実施例2
癌治療
データは、ヒト組織について、200nm〜4000cm-1の間で得た。目的は、悪性DNAにおける発端の構造的変化を同定し、かつこれを、正常なDNAと吸収差を通して比較することである。示差性は、3種の範囲UV-VIS、NIR及び中間IRにおいて注目した。高度の示差性は、265nmに位置した、悪性DNAにおける約80倍多い吸収の差異を伴う(図2参照)。処理は、この場合280nmでの最大示差性で常に行うわけではない。265nmの波長が、正常組織におけるその低い吸収のために、他の可能性のある波長に優先して選択された。これは、クリアパス又は最適処理部位として説明される。265nmでのエネルギーは、用途毎に必要とされる線束密度に応じ、適当な線源(すなわち)エキシマレーザー、ダイオードポンピングされた固体レーザー、半導体レーザー又はフラッシュランプ又は他の線源から放出される。このエネルギーは、病巣部位及び周囲組織に、直接放出されるか、又は光ファイバー、Wave-ガイド(中空シリカ又は他の物質)、光パイプ、内視鏡又は他の運搬法により運ばれる。エネルギーは、十分な線束密度において送達され、悪性DNAの温度の急激な上昇を生じ、これを変性するであろう。DNAは、約75〜約90℃の間で変性することがわかっている。この変性又は無ほぐれ(unraveling)は細胞分裂を停止し、その後癌増殖を停止する。エネルギーは、非常に短時間、高い線束密度で供給され、熱が周囲組織に消散する時間をかけずに、標的DNAの急激な温度上昇を生じる。使用について示唆された波長265nmは、イオン化エネルギーのすぐ上紫外(UV)範囲にあり、この範囲で作業する場合には十分注意を払わなければならない。紫外線への曝露は、白人における皮膚癌の主因である。発癌性のスペクトルの効果は完全にはわかっていない。Pathak(Invest. Dermatol.、(1955))は、マウス実験において、腫瘍は、200〜400nmの多色放射線の照射により形成されるが、260nm、280nm、300nm、及び360nmの単色放射線の照射では腫瘍は形成されないことを発見した。単色放射線の線量は、多色放射線のものの3倍であった。この情報は、ふたつの可能性のある仮説を暗示しており、第一に皮膚癌はふたつの光子過程であるか、又はふたつの-位置損傷過程である。ここでは、染色体が損傷を受け、かつ修復機構が損傷を受けるか又は不能となることの両方である。説明された方法は、単独の振動数による療法を確実にするために、固定されたラインである、単色放射線のみを使用する。イオン化を上回る全ての範囲の振動数が考慮されるであろう。水吸収は、癌のin-vivo治療における主要な因子であり、水は、多くの範囲においてEMEを吸収し、かつこの用途に関して振動数選択において第一に考えられなければならない。
【００８９】
悪性細胞内の他の物質も、示差的標的の可能性について研究される；細胞壁、原形質膜、血漿、タンパク質、(キャプシド)タンパク質、多糖、脂質、核様体など。
P/A x t x (Aλ)＝Ea＝m1 x C x (Tc−Tα)
悪性DNAについての線束密度の計算；
線束密度x時間x吸収因子／1波長＝吸収されたエネルギー＝物質の質量x熱容量(＞＜＝1.2J/g・℃)x臨界温度(90℃)−周囲温度(37℃)
【００９０】
実施例3
コメ
5〜10種の試料からのコメスペクトルを、共通の吸収ピークについて比較した。図3参照。標的化される害虫も、共通の吸収ピークについて評価した。示差的吸収ピークを確立した。この用途のために、黒体線源を選択した。
黒体線源を、入力パワーの制御により、温度約3800°F(2093℃)を有するように整調した。これは、約85％のエネルギー変換効率を得た。
【００９１】
3800°F(2093℃)での黒体は、ピーク放出を約1900nmに有し、これは害虫の内部水の一緒にした強力なOH変角／伸縮の吸収ピークと合致している。コメの中の水も、この特徴的ピークを有するが、水はコメの非常に少ない成分である。この放出は、2000nmカットオフフィルターによりフィルタリングし、コメのデンプン及びタンパク質内の吸収ピークは避けられた。処理したコメは、含水率約14％を有し、害虫の含水率は75％を超えると推定された。処理時間は、線束密度約10〜20ワット／平方インチ(1.5〜3.0w/cm2)で、2〜10秒であった。短い曝露時間は、コメ中の低い含水量と組合わせると、コメにはほとんど又は全く効果を伴わずに、害虫の殺傷を可能にした。コメは、処理ゾーンにコンベヤベルトにより運搬され、バッフル又はスライドの処理システムにより落下させ、処理時の穀物の速度を制御することができる。
あらゆる種類のコメ、穀物及びナッツを、消毒及び出没駆除の両面で処理し、かつ製品を乾燥することができる。害虫のプロセシング植物への導入を避けるために、プロセシング前の製品の受け取り時に、この処理を適用することができる。同じく、処理は、ミル又はプロセシング後に加え、包装前にも適用することができる。
【００９２】
実施例4
農業製品
含水率の高い農業製品及び食品は、ほとんど同様に処理することができるが、害虫中の異なる成分が標的化されることが好ましい。この製品は、標的、害虫、又は出没が影響を受けるが、宿主はほとんど又は全く影響を受けないような振動数で処理されることが好ましい。節足動物について前項において説明したように、全ての昆虫においていくつかの共通点がある：キチン、ワックス及び水。ワックスの標的化は、含水量の高い多くの害虫／製品において及び生育している植物において、良好な殺傷をもたらす。図4は、樹木及び植物にとって有害な多くの疾患を運搬することがわかっているカメムシのふたつのスペクトルを示している。下側スペクトルは、昆虫の正常な吸収であり、上側スペクトルでは、ワックスが除去されていた。第一のピークは、2900〜2900cm-1の範囲であり；第二のピークは、2300〜24O0cm-1の範囲であり；及び、第三のピークは、約1750cm-1である。この方法は、複眼、鼓膜、触覚などの標的化のような、感覚構造に問題を生じるために使用することができる。
他の農業製品は、製品を安定化するために、標的化されたタンパク質又は酵素を変性するように処理することができる。例えば、果実及び野菜のいたみに寄与するタンパク質が標的である場合、このような製品の貯蔵寿命を延長することができる。
【００９３】
実施例5
ノミ、ダニ及びシラミ
一緒にしたワックス及び水のピークは、ヒト及び動物における示差的害虫殺傷をもたらす。この例において、イヌのノミは、これらの吸収ピークに合致した放出を有する黒体線源により処理した。ハンドヘルド型装置を用い、対象のイヌを、ピーク放出1500nmの赤外線源に、及びイヌにおける高い吸収を避けるために750nmのカットオフフィルターを用い、曝露した。この線源は、宿主にとって安全であることが分かっている波長で使用するために評価し、昆虫のワックスについての水の吸収ピーク及び適性に高いC-H結合吸収に相当するピーク放出1.5μmを有した。線束密度約0.5〜約2ワット／平方インチ(0.08〜0.31w/cm2)を用い、害虫殺傷を生じ、かつ宿主には不快感はなかった。ダニ及びシラミも、この種の処理に感受性がある。ダニは、ヒト皮膚上で、皮膚に損傷を及ぼすことなく殺傷された。
【００９４】
実施例6
線虫
線虫は、鮨のような生魚の摂食により疾患を引き起こすことが多い。線虫は、様々な宿主において処理することができる。図5は、線虫及びタラのスペクトルを示している。ふたつの可能性のある処理ゾーン又は示差的ピークが示されている。1480nmのピークは、タラ及び線虫の間に最大の示差性をもたらし、かつこれが考察されている。1680nm〜1880nmの間のピークも、十分な示差性をもたらすが、宿主のタラにおいては非常に低い吸収を示し、従ってほとんどの用途において好ましい。1680nm〜1880nmの範囲は、宿主に対し最低の効果を有するための最大のクリアパスをもたらすので好ましい。
線虫は、多くの農作物に対し破壊的な効果も有し、土壌中で生存し、かつイチゴ及び樹木などの作物の根を攻撃する。土壌燻蒸剤臭化メチルを用い、この害虫を殺菌するが、この燻蒸剤の使用は、そのオゾン層破壊効果のために、2005年以降は許可されない予定である。試験は、この害虫の制御が、1mm〜1メガメーターの間の波長で可能であり、キロヘルツバンドで最適化される可能性があることを示している。
土壌は、これらの範囲を伝送又は透過し、処理に必要な深度まで土壌に浸透することを可能にする。低パワー試験は、波長約3kHzでこのクラスの害虫を破壊した。
【００９５】
実施例7
足白癬
足白癬並びに趾爪及び皮膚の真菌のような微生物の治療法を試験した。試験は、足白癬を有する対象の足を、皮膚組織を水和するために温水に約10分間浸漬して行った。その後足を、1500nmピークエネルギー及びカットオフフィルター750nmの赤外光処理に2回、各約40秒間曝露した。2日間連続して処理すると、ヒト宿主に悪い影響を及ぼすことなく、足白癬の制御をもたらした。
【００９６】
実施例8
塗料、接着剤及び結合剤物質の乾燥
塗料、接着剤及び同様の物質を乾燥する工程は、そのような製品中に含まれた溶媒が蒸発することを必要とする。本示差的吸収法は、この工程を増速しかつ改善する。溶媒の吸収スペクトルは、塗料又は接着剤中及びそれらが塗布される表面の成分と比較する。溶媒には合致するよう加えられたが顔料又は他の物質には加えられなかったエネルギーは、被覆表面又は塗料もしくは接着剤へ損傷を及ぼすことなく、かなり高いエネルギーを加えることを可能にする。
【００９７】
実施例9
換気システム
宇宙船、潜水艦、医療施設、食品加工工場、ビル及びホテルを含むが、これらに限定されるものではないような、閉鎖された換気システムにおいて通常認められる、空中浮遊病原体及び微生物汚染物の蓄積を破壊、制御又は防止するための空気処理に、換気による駆除／消毒システムを用いることができる。これは、空気中に含まれた汚染物の吸収に合致した高強度のEMEによる空気流の掃引により実現することができる。空気流に単独又は複数の波長のEMEが施される空気操作システム中の高反射性セクションを利用するシステムは、空気流の望ましくない成分を臨界温度に到達させ、同時に空気は影響を受けないかもしくは温度上昇はわずかである。図7参照のこと。この装置は、望ましい滅菌の程度に応じて高パワー又は低パワーで処理するためのプラットフォームを提供する。空気は、この装置を通って、吸引されるか又は投入され、かつレーザー又は他の線源は、汚染物を殺傷または蒸発するエネルギーを放出する。
1.レーザー放出源：エネルギーを供給する。2.回転鏡：線束を最適化する。3.高度の反射面を伴う処理チャンバー：エネルギー集中。4.モニタリングのための検出器。
【００９８】
テロ防止(antiterrorism)様式
このシステムは、全ての有機物質を、それが通過する際に焼却処分する、レーザー発生した高エネルギー場を含む。この方法は、空気、その成分を崩壊しないか、もしくは空気の温度が顕著に上昇する。この滅菌システムは、自蔵式(self-contained)ユニットとしてデザインされており、あらゆる換気システムに容易に適合させることができる。
有機物質は、1.2(固体について)〜2.5(液体について)ジュール/g/℃の範囲の熱容量を有する。これは、有機物質の温度を〜500℃上昇するのに必要なおよそ1ジュール/mg又は1キロワット/gに等しく、従って物質は燃え尽きる。
エネルギー＝質量x熱容量x温度変化
Q＝m x C x T
(ジュール＝ワット／秒)
(1キロワット＝1000ジュール)
有機材料は、500℃の環境に耐えられない。全ての有機物は、500℃の到達する前に燃え尽き、その後燃焼時の滅菌システムへのエネルギーに貢献する。
【００９９】
リアルタイムモニタリング
本発明者らは、自分たちの空気滅菌システムにより使用された示差的吸収技術に加え、一体型構成部品−種類及び量による汚染レベルのリアルタイムモニタリング及び報告としての特徴を開発した。これは、紫外線又は他の提唱された技術に勝る重要な追加の利点を提供する。
本発明者らのデザインは、モニターの対セットを、処理ゾーンの各側について各対の半分組込んでいる。これらのモニターは、窒素酸化物、炭素酸化物及び水蒸気をモニタリングする。少量の汚染物質が処理を受けている場合でさえも、この対のあるセットから示差的シグナルが示される。
【０１００】
全ての生体は、処理した場合に窒素酸化物を生成するタンパク質を含む。この炭素検出器の示差的シグナルは、細菌、ウイルス、カビなどの有機化合物が存在する場合に報告する。窒素検出器は、これらの生物の存在を確認すると同時に、有機物と非生体の炭素供給源、例えば鉱物の炭酸塩(例えば、化学物質、チョーク及びほとんどのプラスチック)の間を識別する。処理ゾーンの反対側から示差的シグナルが得られるので、付近の車両の変動する一酸化炭素レベルなどの不純物の周囲レベルが、誤警報を引き起こすことはない。
追加のモニターは、散乱光の存在及び量を連続して測定し、汚染物質の完全な画像及び有害レベルを提供する。これらのモニタリング技術は全て、良く確立されており、かつ規格品の構成部品を利用する。その他のこれまでに提唱された技術の大半は、リアルタイムバイオセンサーの開発が必要であり、これはまだ実験室の段階でしか明らかにされておらず、一貫して変動しかつしばしば予想外の環境要因を伴う現実世界の状況においてかなり疑問の余地がある。
【０１０１】
実施例10
医療用インプラント及び装置
本発明の示差的吸収法は、医療用インプラント及び装置から望ましくない汚染物質の滅菌及び／又は除去するために使用することもできる。乳房インプラントなどの、様々な医療用インプラントにおいて、シリコーンが使用される。シリコーンの使用による感染は大きな問題である。本発明の方法を使用し、シリコーンインプラントを製造し、望ましいプロセシング波長(複数)を透過する材料中に梱包することができる。この梱包されたシリコーンインプラントは、次に滅菌処理され、その後このインプラントが患者へ導入される。
【０１０２】
ステンレス鋼も通常医療用インプラントにおいて使用される。例えばステンレス鋼は、人工膝及び腰を含む人工関節において使用され、かつステンレス鋼のピンは関節と骨を融合するために使用されることが多い。ステンレス鋼インプラント使用により遭遇する問題点のひとつは、綱への油汚染である。本発明の方法を使用すると、ステンレス鋼は、インプラントを患者に導入する前に、汚染している油を除去するように処理することができる。
【０１０３】
実施例11
組織又は物質の照射
EMEが物体又は組織に焦点を合わせているような方法により、物質を照射する；ヒト、動物、植物、細菌、ウイルス又は化学物質は、特定波長で、具体的物質の同定を補助するためにエネルギーを軽減する。加えられたエネルギーは、拡散された反射、熱の軽減(黒体放出)、又は非-照射特性(キャンドリング(candling)又はシャドウグラム(shadow gram))の走査を通じて、再放出を引き起こすことがある。組織は、そうでなければ検出できない物質を照射するために、特定波長のEMEへ曝露することができる；この組織は、ヒト、植物などである。ドライフルーツのような植物組織は、標的化されたEMEに曝露され、プロセシング時に、果実の種又はその断片を照射し及び同定する。癌細胞は、位置づけかつ同定するために、示差的方法で熱を生じる特定振動数のEMEへの体の一部の曝露により、同定可能である。
【０１０４】
実施例11
外来材料又は物質の照射
EMEが物体又は組織に焦点を合わせているような方法により、物質を照射する；ヒト、動物、植物、細菌、ウイルス又は化学物質は、特定波長で、具体的物質の同定を補助するためにエネルギーを軽減する。加えられたエネルギーは、拡散された反射、熱の軽減(黒体放出)、又は非-照射特性(キャンドリング又はシャドウグラム)の走査を通じて、再放出を引き起こすことがある。組織は、そうでなければ検出できない物質を照射するために、特定波長のEMEへ曝露することができる；この組織は、ヒト、植物などである。ドライフルーツのような植物組織は、標的化されたEMEに曝露され、プロセシング時に、果実の種又はその断片を照射し及び同定する。癌細胞は、位置づけかつ同定するために、示差的方法で熱を生じる特定振動数のEMEへの体の一部の曝露により、同定可能である。
【０１０５】
実施例12
マーキング
マーキング物質は、標的出没を方法-特異的振動数で示差的にマークするか、又は物質の望ましくないエレメントを変更又は励起し、これを参照又は同定することができるために、EMEを利用する方法の群である。EMEは、色の変化、サイズの変化、スペクトルの変化などを含むが、これらに限定されるものではない変化を引き起こす製品に方向付けることができる。
【０１０６】
実施例13
化学物質、触媒、物質又はナノボットを誘引するために、標的をタグ付け及び指定する。一部の代謝過程又は機能不全を備える宿主において特定のエネルギーを焦点化し、薬物又は化学物質を誘引する；これは、熱、物理又は他の振動数が誘導した反応に起因する及び／又はこれらにより生じる。触媒及び他の物質は、焦点化したEMEにより濃縮することができる。将来、ヒトにおけるある種の作業を修復しかつ実行するようにデザインされたナノ装置又は特異的結合部位を励起する物質が、このような装置及び将来の他のものを潜在的に指示又は誘引する可能性がある。
【０１０７】
実施例14
高速製造及び梱包時に、宿主果実を変更することなく、果実製品(より粘着性が低い)を取扱うために、ドライフルーツの果実の種、小枝、殻及び他の外来物質を最終的に同定及び規格外とし、並びにより簡便に梱包するための光-ベースの方法又は工程。これは、乾燥プラムを梱包直前に処理するために最初にスペクトルの定義及びEMEの配置、その後反射エネルギー又は熱特性の判読により実現することができ、エネルギー又はシグナルは、外来物質を規格外とするためにプロセシング及び使用され、かつ梱包ラインにおいてフルスケールで配置されるであろう。これは、他のドライフルーツ及び野菜に加え、新鮮な果実、穀物及び多くの他の食品に適用されるであろう。
【０１０８】
実施例15
悪性組織の示差的加熱を引き起こすために、内視鏡装置、送達システム及びレーザーもしくは適当な波長の他の線源のようなエネルギー源、並びに十分なエネルギーを送達するためのような適当なパワーを組込んでいる、前立腺癌治療法である。この装置は、中空の波長-ガイド光ファイバー又は焦点化光学部品を組込み、かつ直腸に挿入するのに十分な小ささを維持するであろう。直腸と前立腺の間の組織は非常に薄く；膀胱は、直腸から前立腺の直ぐ後ろ側であり、かつ膀胱は、反射性の液体で満たされており、前立腺にエネルギーが集中される。
【０１０９】
本発明は、好ましい態様及び具体的実施例を参照し説明されているが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない限りは、形状及び詳細について変更を行うことができることを認めるであろう。同様に、前述の詳細な説明は、限定よりもむしろ例証と見なされることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】図１は、波長の関数としてのDNA吸収のグラフである。
【図２】図２は、二本鎖DNAの融解温度を説明している、温度の関数としてのDNA吸収のグラフである。
【図３】図３は、コメ成分の近赤外(IR)吸収スペクトルである。
【図４】図４は、カメムシの吸収スペクトルである。
【図５】図５は、線虫及びタラの吸収スペクトルである。
【図６】図６は、キチンのラマンスペクトルである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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