专利名称：：用脉冲紫外光防治昆虫和螨的方法
技术领域：
：本发明一般涉及防治或消灭昆虫和其他不需要的生物，并且更加特别地涉及用被生物体表的有色化学物质吸收的波长的脉冲紫外光对昆虫和螨造成不可修复的或致死的损伤的方法。正如多种诸如针对经过区域、国家和国际边界的食品和农产品运输的检疫强制规定的规章障碍一样，昆虫防治在农业生产和出口中是极其需要的。使用杀昆虫剂和其他化学杀虫剂通常是用得最多的有关昆虫防治的技术方法。在美国以及很多其他国家，由于对食品的安全性以及保护环境质量的关注增加，公众对使用化学物质防治害虫的态度已有变化。自从二十世纪四十年代以来，一直是大范围地高强度地使用农业杀虫剂，结果是产生了地球人所曾看到的最大量的且最安全的食品供应。但是，由于诸如地下水污染和臭氧耗竭的环境污染和退化以及零散的急性中毒的事件，对该技术的关注也在不断增加。对这些问题的普遍了解和态度反应在不断增加的针对农业杀虫剂的规章制定的操作上。由于规定增加，农业杀虫剂的利用率已经减少了。这就使农业产生了新的技术需要，并且由于我们的贸易伙伴的能针对特定生物的检疫法规，会对食品和农业产品的国际贸易产生新的障碍。因此，需一种充分有效地消除食品供应中的昆虫的非化学物质的无残留的方法。本发明满足了这一需要以及其他需要，并克服了现有昆虫防治技术的缺点。本发明一般涉及一种将食品供应中发现的害虫、病原体和其它不需要的生物暴露给紫外光谱的电磁能的方法，其中不需要的昆虫被选择地加热并消灭掉，而不对食品造成破坏。作为例子，而不是限制，本发明的方法包括将昆虫和其它生物暴露给紫外光谱中多个高频电磁能脉冲。选择波长使得紫外光被诸如entegumen的昆虫体表有色化学物质吸收，该有色化学物质起着对紫外辐射量子的散热器的作用。以这种方式，不需要的昆虫被选择加热，而不破坏附近的食物。如此在昆虫体内引起的热能造成不可修复的或者不可逆地的致死损伤。因此，本发明包括一种基于使用脉冲的以及选择的紫外光辐射单色量子消灭昆虫的非化学物质的、无残留的快速物理学方法，该脉冲的及选择的紫外光辐射单色量子可通过激光器或激光灯(excimerlamps)产生。该方法能取代化学杀虫剂的用途，不留残留物，并且既能以便携式设备小规模实施，也可通过将其结合到能处理大量新鲜食品和诸如包装材料的其它农业商品的现有工艺来以较大规模实施。此外，由于其本质是物理的，没有如用大多数化学杀虫剂通过传递到新一代的遗传变化而建立起抗性的可能。本发明的一个目的是将生物体暴露于电磁能的短脉冲。本发明的另一个目的是产生热能并选择地将热能应用到材料上以达到灭虫的目的。本发明的又一个目的是将热能有效地应用到材料上以消灭或减少害虫虫口和或病原体数目。本发明的再一个目的是通过共振选择性地加热靶化学物质和/或生物体。本发明还有一个目的是用紫外光能选择地加热靶化学物质，而不破坏附近的食品或需要的生物体。本发明的再一个目的是减少或消除使用农业刹虫剂来防治昆虫。本发明的又一个目的是提供用光热效应原位消灭材料中的害虫和/或病原体。本发明的再一个目的是选择地杀死或抑制害虫和/或有益生物上的病原生物的生长。本发明的又一个目的启动、引起或协同地和抑制害虫和/或病原体的天然作用相互作用。在本发明的以下部分会列出本发明的另外一些目的和优点，其中该详细说明是用于充分地公开本发明的优选实施方案，而不是对其作出限制。参考到下图将对本发明有更充分的理解，其仅仅是用于说明的目的图1是表示暴露在308纳米的紫外光之下的根瘤蚜(Phylloxera)卵的死亡率对能量强度的函数的曲线。电磁能和材料的相互作用依据辐射源的物理性质以及样品的化学组成。发生在加热的样品中的热引起的化学反应的热力学和动力学主要依赖于样品的化学组成和许多物理因素。靶样品的吸收辐射能的量是该靶样品的分子结构以及诸如波长的辐射的物理特征的函数。因此，协调能源和靶样品使特定类型的分子被电激发并能得到不可逆的化学效应，包括影响诸如细胞分裂的生物学功能的反应。在以参考文献并入本发明的美国专利No.5,364,645中证实了用脉冲紫外激光器照射食物引起对物品中存在的微生物的基于核(nucleic)结构的不可修复的损伤。证明了用于此目的的具有在大约1毫微秒(ns)-100ns，优选20-30ns的范围内的周期且有在大约0.001-2J/cm2的范围内的能量强度的脉冲是有效的。脉冲照射使得允许使用具有比持续加热需要的总能量更低的较高功率级，因而，它是更有效的。此外，使用脉冲高能能源使得可在更短时间内更高温地加热。因此，在连续波加热会导致被暴露的分子原子化的功率级下，脉冲照射可以引起热的传递而不原子化。对于每一脉冲1-2J/cm2的脉冲输出，平均功率级可以高至几个MW/cm2。用多个脉冲的照射会引起热激分子的浓度的几乎立即增加，而散热仍然足够慢以对靶生物体有破坏性。根据本发明，用多个紫外能脉冲照射靶生物体。不是如美国专利No.5,364,645中那样以DNA为目标，而是选择波长以使选择的200-400nm的紫外区、优选210-350nm的紫外区的辐射量子被通常存在于昆虫体表的诸如entegumen的某些有色化学物质选择吸收。已发现这些“类似密胺”的化学物质对紫外光高度吸收，并起着“散热器”的作用，迅速将紫外光能转化成热能，造成不能被散发掉的小面积的高温，其会对生物体引起不可修复的或不可逆的致死性损伤。在昆虫的诸如卵、螨、幼虫和成虫的所有生物学发育阶段都曾显示出这些效果。重要的是，已发现由于不同化学物质对昆虫的entegumen的共振特性，所选择的紫外能谱的波长比其他波长作用更佳。用选择的210nm-350nm区的窄带(单色或近单色的)波长紫外辐射量子也可使得可选择待作用的昆虫的类型。尤其是已发现在220nm处的密胺色素具有吸收峰。根据本发明的应用紫外照射的效果，由于暴露给选择的紫外辐射量子发生在紫外光的极短的持续不到1个微秒的分帧或脉冲中，是迅速而且是不可逆的。因而增加即使是诸如少于1毫焦耳的少量能量仍然产生千瓦或兆瓦功率级的瞬时热，因为1兆瓦等于每毫微秒1毫焦耳。在诸如靶有色色素的特异紫外吸收区的紫外能转换成热能产生强的近乎瞬时的热。生物体系不能快速散发这些热量，因而生物结构被破坏掉。例如，能量在200-400毫焦耳/脉冲的范围内并且脉冲周期少于10纳秒的脉冲由诸如激元激光器(excimerlasers)或灯的单色或近单色能源产生时，并且假定热能是100％转化，热的产生将在大约20-40MW/脉冲的范围内。由于在激元激光器的情况下这些激元技术可以以每秒几百个脉冲准确地操作，而在激元灯(exicimerlamps)的情况下可以以每秒几千个脉冲准确地操作，可以产生极高的热能，并且高到足以迅速且高效地扫描大面积的怀疑有昆虫、螨、卵或其他目标物。实施例1为证实使用脉冲紫外线防治昆虫虫口的功效，本发明人选择了一些昆虫、螨和昆虫卵用2个单色辐射源，即由LambdaPhysikEMG-150KrF激元激光器的248nm和由LambdaPhysikEMG101MSCExCl激元激光器的308nm照射。样品用一些实验设备曝光。一些样品用激光器(用于高能量强度；100毫焦耳/cm2)的直射光束曝光，而其它样品用散射透镜或望远镜装置(用于低能量强度；＜1毫焦耳/cm2)的扩展光束曝光。实施例2以大约100mJ/cm2脉冲使鞘翅目接受平行紫外激光光束的1-2个脉冲。由于大量热的损伤，曝光给2个脉冲的鞘翅目昆虫几乎立即死亡。在放大(实体镜30X)情况下，清楚地看到了热损伤，并且显示出明显的氧化(变褐)、炭化(触角)并且entegumen的明显有色的区域消失。实施例3把大小在几毫米至1-2厘米的范围内的一组同翅亚目昆虫暴光给以大约108mJ/cm2脉冲的248nm处的紫外光的1-3个脉冲。放大观察给出的结果类似于对鞘翅目观察的那些。由于以变褐(氧化)效应而证明的热引起的损伤，大多数样品几乎是立即死亡。实施例4由来自扩展紫外激光器的以大约0.8mJ/cm2脉冲的248nm的10个脉冲处理大约4-6mm长的蚂蚁。在暴光后，蚂蚁很快起爆。实施例5用来自脉冲紫外激光器的308nm的以25mJ/cm2一2.3J/cm2范围内的能量在叶上处理大小小于1mm的根瘤蚜卵和大小约1mm的成年棉叶螨(spidermite)。暴光后24小时后，成虫虫口下降高达90％。由于热吸收，处理的卵出现被氧化(变褐)。实施例6将大小小于1mm的根瘤蚜卵暴光给来自脉冲紫外激光器(发散透镜)的308nm的扩展光束。用34.7/cm2暴光，卵受到的70％的致死率。将暴光增加至66J/cm2致使所有样品的致死率大于97％。图1示致死率对三种不同的实验的暴光能量的函数的效应，图上每种不同的符号(三角、空白格、实心格)代表不同的实验。实施例7用来自激元激光器的238nm的紫外辐射量子的1-5个脉冲处理大小大约1mm的半翅目卵。该卵显示出变褐的效应。没有卵孵化。实施例8将大小小于0.1mm的Breripalpuschilensis(与Breripalpuscalifornicus类似)螨暴光给来自脉冲紫外激光器的248nm的直射光束。在进行中间观察的同时逐步增加总暴光量，直至所有虫口均被杀死。根据虫口的大小和成熟度，用于完全防治的必要能量从38.5mJ/cm2至79.5mJ/cm2不等。实施例9表1和2概括了根据本发明的实验条件和昆虫防治效果。实施例1至8中概括的实验和表1和2表明脉冲紫外光对防治不仅是多数种类而且是多个发育阶段的昆虫和螨是有效的。因而，可见本发明提供了用某一波长的脉冲紫外光充分有效地防治生物，其中紫外光被所述生物体表的有色化学物质吸收，并且其中所述紫外光通过将所述紫外光转化成热能对所述生物体造成至死性损伤，而不改变附近的食物的表面特征。作为被防治的特定昆虫的特征的类似蜜胺的有色色素被视为紫外照射的散热器。实质上，由于有色色素的“共振”效应以及快速的能量输入的光热效应，照射对于昆虫成为致死性的。还可以了解到的是神经系统和视觉的部分通常是在昆虫的表面；但是，虽然有诸如视觉和嗅觉的感觉输入可能受影响，昆虫的表面结构受影响而不必影响神经系统。虽然以上描述具有很多的特殊性，但是这些不应被理解是限制本发明的范围，而只是提供对一些本发明的现有优选实施方案的说明。因而本发明的范围应由附上的权利要求书和其法定的同意物所决定。表1</tables>表21.蝽(卵和成虫)Bletforia(蠊)nimphe波长248nm能量690mJ/脉冲面积28cm2结果卵受精(未孵化)；成虫死亡2.瓢虫(鞘翅目)波长248nm强度100mJ/cm2脉冲1到2结果昆虫死亡，触角炭化。entegumen的明显有色素区消失3.YellowAphidTenebriodChrysonelidRoseAphid用或不用望远镜所做的暴光实验一些数目不一致能量8mJ/脉冲强度手帕覆盖后，计为0.5mJ/cm2脉冲YellowAphid100mJ/cm2-500mJ/cm2拟步甲1J/cm2-5J/cm2Chrysonelid(瓢虫)0.5J/cm2-1J/cm2蔷薇长管蚜100mJ/cm2-500mJ/cm2结果未观察4.棉叶螨(spidermite)波长248nm(a)实施例1能量24mJ/脉冲强度1.1mJ/cm2脉冲20到100结果未观察。这些数据可参考下一个“实验”。(b)实施例2不同的能量水平强度25mJ/cm268枚卵，40只成虫结果24小时后，～4-5个成虫是活的(几乎不动)强度50mJ/cm242只成虫，72枚卵结果24小时后，一些成虫仍然活着(可能曾被叶子保护)强度125mJ/cm266个成虫，72个卵结果24小时后，5-6个成虫活着，60个死亡强度75mJ/cm27个成虫，100个卵结果24小时后，7个成虫中1个活着。几乎不动强度125mJ/cm25个成虫，70个卵结果24小时后，有10-12个成虫活着强度1.4mJ/cm232个卵，14个成虫结果24小时后，有3个活动的成虫强度250mJ/cm216个卵，3个成虫结果24小时后，卵不受影响，1个成虫活着强度2.3mJ/cm248个卵结果24小时后，有6个活动的成虫5.木薯粉虱波长248mn能量325mJ/脉冲结果一个脉冲后，昆虫“卷缩”并在施加激光1分钟后死亡6同翅目粉虱科(甘薯粉虱)波长248nm能量325mJ/脉冲结果一个脉冲后，昆虫翅卷缩；眼可能变暗；昆虫死亡。7.灰粉虱波长248nm在一品红(EuphorbiaEulcherrima)上处理能量22mJ/脉冲强度1mJ/脉冲cm2脉冲5-300结果未记录观结果8.蚂蚁波长248nm一组实验，使蚂蚁在冷冻机中变迟钝。包括对照在内的都死亡。另一实验，蚂蚁“起爆”。扩展光束为大约20ms/脉冲，0.8mJ/cm2，大约10个脉冲。9.果蝇(认为是果蝇，但未鉴定)波长248nm能量18.5mJ/脉冲脉冲3-27结果未观察到效果10.根瘤蚜卵波长308nm能量/卵2.3×10-2mJto40.5×10-2mJ结果无效果波长308nm能量/卵13.6mJ-68％死亡率＞27.2mJ-100％死亡率与低压持续紫外(汞灯)比较能量/卵2.4×10-3mJto2.4×10-2mJ-无效果8.1×10-2mJ20％死亡率波长308nm能量/卵2.2mJ-2％死亡率29.8mJ-97％死亡率与低压持续紫外(汞灯)比较能量/卵3.1×10-2mJto23×10-2mJ-无效果波长308nm能量/卵1.7mJ-10.2mJ结果未报道结果与低压持续紫外(汞灯)比较能量/卵2.4×10-2mJto15×10-2mJ-未报道结果波长308mm能量/卵2.2mJ-29.8mJ-未报道结果与低压持续紫外(汞灯)比较能量/卵10×10-2mJ到240×10-2mJ-未报道结果波长308nm能量/卵8.2mJ(38.5死亡率)15.7mJ(70.4％死亡率)与低压持续紫外相比较(汞灯)能量/卵10×10-2mJ29％死亡率240×10-2mJ98.9％死亡率11.Brevipalpuschilensis波长248nm螨的数目-6强度5.7mJ/cm2死亡率-0％17.1mJ/cm2死亡率-50％57mJ/cm2死亡率-100％波长248nm螨的数目-6强度5.3mJ/cm2死亡率-0％15.9mJ/cm2死亡率-50％53mJ/cm2死亡率-83％79.5mJ/cm2死亡率-100％波长248nm螨的数目-35强度5.5mJ/cm2死亡率-86％16.5mJ/cm2死亡率-94％38.5mJ/cm2死亡率-100％权利要求1.一种对不需要的生物体造成不可修复的或不可逆的致死性损伤的方法，其包括用某一波长的紫外光的多个脉冲照射不需要的生物体的步骤，其中所述紫外光被所述生物体表的有色化学物质吸收，并且其中所述的紫外光吸收通过将所述紫外光转化成热能而对所述生物体造成致死性损伤。2.如权利要求1的方法，其还包括产生波长在约200nm和400nm之间的窄带紫外光的步骤。3.如权利要求1的方法，其中所述光脉冲的周期在约1ns-100ns的范围内。4.一种防治食物表面的不需要的生物体的方法，其包括用某一波长的紫外光的多个脉冲照射不需要的生物体的步骤，其中所述紫外光是由所述生物体表的有色化学物质吸收，并且其中所述的该紫外光的吸收通过将所述紫外光转化成热能对所述生物体造成致死性损伤，而不改变附近食物的表面特征。5.如权利要求4所述的方法，其还包括产生波长在约200nm和400nm之间的窄带紫外光的步骤。6.如权利要求5所述的方法，其中所述光脉冲的周期在约lns至100ns的范围内。7.一种防治不需要的生物体而不改变食物表面的外观的方法，其包括用某一波长的紫外光的多个脉冲照射食物表面的步骤，其中所述紫外光被所述生物体表的有色化学物质吸收，并且其中所述该紫外光的吸收通过将所述紫外光转化成热能而对所述生物体造成致死性损伤，而不改变所述食物的表面特征。8.如权利要求7所述的方法，其还包括产生波长在约200nm和400mn之间的窄带紫外光的步骤。9.如权利要求8中所述的方法，其中所述脉冲的周期在约1ns-100ns的范围内。全文摘要一种非化学物质、不残留的防治食品中的害虫、病原体和其它不需要的生物体的方法。该生物体被暴光给以某一波长发射的紫外光的超短脉冲,该脉冲被昆虫的诸如entegumen的表面有色化学物质吸收。有色化学物质起着紫外辐射量子的散热器的作用,并且该不需要的生物体被选择地加热而不损伤附近的食物。昆虫体中如此引起的热造成不可修复的或不可逆的致死性损伤。文档编号A01M21/00GK1201375SQ96198025公开日1998年12月9日申请日期1996年10月16日优先权日1995年11月1日发明者曼纽尔·C·拉冈纳斯-索拉尔申请人:加利福尼亚大学董事会