專利名稱：采用光敏性試劑凈化水的微生物污染的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用光敏性試劑高效凈化微生物污染的水的方法。更具體而言，本發(fā)涉及酞菁陽離子衍生物(Pcs)本身，以及它們與卟啉的可能的組合，用作將被微生物性質的病原體如革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌、酵母、微質體、寄生蟲和真菌污染的水的凈化和滅菌的光敏性試劑的用途。
除去微生物性質的污染物的水的凈化在世界多個地方，不僅在發(fā)展中國家，而且在環(huán)地中海地區(qū)引起極大關注。按照歐洲共同體科學委員會的結論，在未來三十年之內存在嚴重水資源匱乏的真正危機(見“Euro-Mediterranean S & T Cooperation”卷，1997，the DGXII-Section INCO-DC of the European Union出版)。
預期的水缺乏不止包括飲用或灌溉用水，還包括用于田地的水，例如漁業(yè)，一個由于發(fā)生野生魚群匱乏而導致的尤其在地中海地區(qū)越來越來廣泛擴張的實踐。為此，若干方法被采用。同時對被化學和生物類污染的水資源滅菌的可行性處理進行評估的調查和實驗研究已經開始或當前還在進行。迄今為止出現(xiàn)或可用的方法，特別是那些針對被微生物污染的水的處理和凈化方法，可以概括和分類如下a)利用強光暴曬加熱水此方法經濟方便并對環(huán)境基本無影響，但明顯受限制。它僅適用于能長時間充分暴露于太陽照射的水系并強烈依賴于固有不可預知的氣象條件。此外，通常在這種條件下可達到的溫度(60-70℃)不足以高到導致多數(shù)耐熱的微生物種類失活。(文獻引自“Science，Research and Development”，Wallingford Oxon OVERSEASdevelopment unit，EU publisher，第71頁，1997)b)通過滅菌過濾器或吸附物質(如沙)過濾水盡管當所用過濾器具有能阻礙微生物細胞通過的適宜尺寸孔徑時，此方法確實很有效。但它價格昂貴并局限于處理相當少量的水。然而，沙質、動物活性炭和其他吸收物質制成的過濾器具有更弱的滅菌能力并且只能部分地減少微生物數(shù)量級。(見Xanthoulis DGuillaume Ph.“La valorization des eaux r ésiduaires del’usine de surgelation”，AGROPHORA，Athens，1994)。
c)高溫和乏氧聯(lián)合應用這兩種不同技術的合用必然提高可達到的滅菌水平。然而，水的脫氧處理過程是長時間的并僅能有效地被用于有限量的液體。此外，這樣的方法對厭氧環(huán)境增殖的若干細菌菌株作用有限。(見Sanromanet al.″Immobilisation of Aspergillus niger and Paenerocheteand Chrysosporium on polyurethane foam″，inImmobilisedCellsBasics and Applications，Elsevier Science Publisher，pp.32-135，1995)。
d)二氧化鈦催化的光致凈化二氧化鈦是一種高效迅速起作用的光敏劑。然而，該化合物是經近紫外(大約350nm)區(qū)域的光波照射被活化。它首先具有有限的水穿透能力，尤其是如果水相對渾濁，就減少了它每單位時間的可滅菌體積；其次，它直接通過微生物細胞的遺傳物質吸收，必然伴有導致遺傳突變結果的誘導和耐光的微生物種類逐步分化(見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)紫外光直接照射因為該方法依賴一些無處不在的細胞和組織成分(比如核酸和蛋白質)的特性來有效吸收紫外光，它必然伴有幾個不必要的副作用，例如它的高成本，紫外線光源操作需要精密技術，那些照射能力有限的短波長必須深入穿透水中，以及照射產生的致突變作用導致細胞的基因突變和耐光物種的分化(見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處理方法氯氣所起的氧化作用對大多數(shù)微生物源的病原體必然是致命的。該方法大規(guī)模的應用可能受限于氯對更高級生物體所施加的二次反應，尤其是對皮膚和眼睛組織的刺激影響帶來的后果越來越受關注。
此外，對氯和二氧化氯例如用于環(huán)境的次氯酸鈉的高濃度帶來的后果越來越受關注。
g)基于廣譜抗生素的處理方法由于涉及高成本，該技術當前僅在特有的情況使用(例如在密集的魚類養(yǎng)殖)，這也使得它不適于處理龐大體積的水。此外，這種處理方法伴隨著導致誘發(fā)抗生素耐藥的微生物種類分化的高風險，除事先有效的水滅菌外，其都可能通過難以處理的流行病傳播對幾個生態(tài)系統(tǒng)(也對人)產生真正的威脅。
h)通過可見光和與惰性母核結核的卟啉導致的光敏化可見光本身對微生物細胞無毒性，但一旦與光敏劑聯(lián)合發(fā)生作用時就變?yōu)楦叨拘?，例如一經可見光照射活化，卟啉就能產生高反應性細胞毒素種類?；诠夂凸饷魟┑穆?lián)合作用(協(xié)同)的處理過程有下列優(yōu)點1)可見光能穿透至相當深的水中。該方法經濟實用，并且其生產只需要簡便易行的技術。
2)因為不涉及遺傳物質，由光活化的卟啉引起的細胞毒素反應集中在細胞質和細胞膜水平，所以它不能促使耐光敏作用的微生物菌株分化。卟啉也是天然產物，并且它們的應用不會造成任何重要的環(huán)境污染(見專利號No.′s DE-19 962 505和WO-97/29 636)。
最后，應可以理解提及的現(xiàn)有技術不如上面涉及卟啉和其衍生物例如氯和酞菁共價地結合到諸如樹脂、凝膠體和聚合體惰性基質的特點(h)。結合這些基質的卟啉的有限活動性急速地降低了它們作為光敏劑的效率，因為卟啉強有力地降低了影響它們的空間定向的靈活性和它們與細胞膜的相互作用，并且尤其是卟啉阻礙光致敏劑滲透到細胞膜最里面的部位，那里是代表細胞存活的最關鍵的位置。因此，光敏作用后的細胞導致的損害被限于相當表面的水平，并且不足以致死。
如上述，在有光敏劑存在的情況下，先前建議通過適當波長的可見光照射可以使微生物細胞不同程度的滅活。光敏劑的典型代表是在吸收攜帶適宜能量的光子時活化至電子激發(fā)態(tài)的多環(huán)化合物。一旦激發(fā)到電子激發(fā)態(tài)時，光致敏劑引發(fā)一系列光物理，光化學和光生物事件，這能導致大多數(shù)生物系統(tǒng)的不可逆損害。在光敏劑的多種分類中，包含四-吡咯環(huán)族的衍生物起了關鍵作用，例如卟啉，氯和酞菁，因為這些化合物在可見光譜的紅光區(qū)(600-800nm)有強吸收波段，因此可通過吸收對若干哺乳動物組織及其他體系例如水具有高度穿透力的波長的輻射而被電子激發(fā)。因此，使用這些輻射，能獲得穿過相當大體積的目標體系的均勻照射(和光損害)。
本發(fā)明主要目的是提供一種利用光敏劑的微生物滅菌方法，該光敏劑具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術的光敏化作用和光毒性。更為準確地說，本發(fā)明目標是(a)利用具有與微生物細胞表面相互作用，自身定位于微生物細胞表面并穿透進入微生物細胞的完全靈活性的光敏劑，從而提高該光化方法的整體功效；和(b)利用具有最佳光吸收特性的光敏劑，從而減少光敏劑的劑量和達到水滅菌標準所要求的光量。
本發(fā)明另一目的是使用這樣設計的光敏劑由于其合成路徑和工作方法比目前已知的光敏化系統(tǒng)的要求明顯簡單，所以可獲得極具競爭力的生產成本。
本發(fā)明的另一個目的是提供在結構上高度通用的(可變的)光敏劑用于制備″工程″光敏劑，即設計用來獲得特定和預定的物理化學性能的光敏劑，用于明顯優(yōu)于目前已知的典型的類似系統(tǒng)的目標應用。
在以下將更明顯地看出的這些和其它目的通過將微生物污染的水滅菌的方法來獲得，采用至少一種根據(jù)本發(fā)明的光敏劑，作為一種光致敏劑它包括至少一個具有以下通式的陽離子酞菁，其骨架包括 其中，M為選自Zn(II)、Mg(II)、Al(III)、Si(IV)、Ge(IV)、Sn(IV)、Pd(II)、Ca(II)、La(III)、Ga(III)的非-順磁性金屬離子，e、f、g和h可以是H或由具有可變長度的烷基鏈形成的取代基，所述烷基鏈包含一個或多個位于骨架內或特定加入的取代基上的官能團；這些官能團包括至少一個為陽離子的雜原子，并優(yōu)選具有一個或多個以下結構苯胺嗡型結構
哌啶嗡型結構 烷基-銨型結構 嗎啉嗡型結構 吡啶嗡型結構 不同的陽離子取代基被一價抗衡離子中和，例如氯化物、溴化物、碘化物、硝酸根和甲苯磺酸鹽。
該陽離子取代基可以位于二個或三個相鄰的異吲哚環(huán)上，而其它環(huán)上的取代基包含氫原子或選自苯酚、C0-C12烷基、苯基、吡啶和哌啶型的環(huán)的非陽離子疏水基，從而提供兩親分子。
血卟啉就是代表此種類型卟啉的一個明顯例子酞菁是具有類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優(yōu)點，即首先它們由明顯較簡單的化學合成路線和處理方法獲得，這導致降低至少五倍成本；其次同樣重要的是，提高結構通用性(可變性)，從而能夠制備“工程”酞菁，以賦予它們能進行非常特定和靶向應用的特定和預定的化學和物理性能(見F.H.Moser，A.L.Thomas，The phthalocyanines，CRCPress，Boca Ration，1983)。
然而，可以設想酞菁和卟啉，尤其是與具有如上述的適于賦予它們上述兩親特征的化學結構的卟啉同時聯(lián)用。在這方面，一個重要的例子是血卟啉，它的八-取代的四吡咯結構具有以下結構式
兩個仲醇基團和兩上羧酸基團的存在給四吡咯大環(huán)的固有疏水結構加入了一些疏水特征，血卟啉實際上被證明是一種引起兩個仲醇基和兩個羧基的存在增加了四吡咯大環(huán)固有的疏水結構的親水性。血卟啉實際上被證明是一種引起微生物類廣譜病原體失活的高效光敏劑(G.Jori，PDT for the treatment of microbialinfections，Photodynamic News 22-3，1999)。
陽離子酞菁和卟啉聯(lián)合的光毒性作用的優(yōu)點具體由以下證明a)在可見光譜的紅光區(qū)(其特征也在于在水中的強滲透力)，酞菁表現(xiàn)出一種明顯更高的可見光吸收效率(是卟啉的10倍)，從而允許即使用低10倍的光敏劑劑量也能獲得類似的光敏化作用，并節(jié)約大量能量；b)然而，酞菁并不明顯吸收可見光譜的藍光(400-450nm)和綠光(500-550nm)區(qū)域內波長；另一方面，卟啉在這些光譜區(qū)呈現(xiàn)強吸收譜帶。因此，陽離子酞菁和卟啉例如血卟啉的同時使用，尤其在使用的光是日光或光源是能發(fā)光覆蓋整個可見光譜的鹵素或鎢絲燈時，提供了一個最佳光活化效率。后者光源通常經濟，并且使用簡單。
還應認識到酞菁和卟啉通過同樣的機理作用于微生物細胞，尤其它們的光敏作用是基于細胞質膜水平的氧反應種類的光發(fā)生，結果由于不涉及遺傳物質而不發(fā)生誘變作用和產生耐光微生物種類。如果需要的話，此特點允許重復光敏化方法若干次。
因為酞菁和卟啉自由地進入水介質中，并且與細胞相互作用達到某一最佳程度，它們促進的光方法不受以上段落(f)所述的限制。
更詳細地，酞菁是四-異吲哚衍生物，并且通過在大環(huán)中心與1個金屬離子配位和/或在大環(huán)邊緣點引入1-8個適宜的取代基構成很大一類結構通用(可變)的化合物-見式1。酞菁是生物光敏劑一個優(yōu)秀種類，因此它們已發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學領域的幾個不同用途，例如用在光動力抗腫瘤治療和預防血管成形術后的動脈發(fā)生再狹窄。
酞菁還一個特征在于對于大范圍的微生物細胞，包括革蘭氏陰性細菌(由于包圍其細胞的壁的結構復雜，幾種方法通常對其無影響)和耐抗生素菌株(例如金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林和萬古霉素-抗性株)，也表現(xiàn)出高度光毒活性。后者是全世界日益關注的原因，因為它們正在以不斷增進的速度傳播。
在抗微生物領域，看上去表現(xiàn)出最佳光敏化效力的酞菁是與抗磁性金屬離子，例如Zn(II)、Mg(II)、Al(III)、Si(IV)互相配合的那些，和外圍帶正離子的官能團，例如N-烷基吡啶官能團，在此R是一條烷基鏈，例如包括一條C1-C22鏈，N，N，N-三烷基苯胺官能團，其中的N是季銨化的哌啶基團和季銨化烷氨基官能團。無論如何，如上所示，通過烷基取代完成季銨化。
血卟啉對野生型和耐抗菌素的菌株(例如鏈球菌和葡萄球菌菌株)以及對酵母(例如假絲酵母菌株)表現(xiàn)出光毒性。
實際使用的幾種類型的水滅菌方法可以采用兩個不同的步驟進行a)根據(jù)目標劑量將等份酞菁，任選與血卟啉的組合以粉末、片劑形式或作為具有已知滴定度的溶液直接加到待滅菌的液相中；b)將酞菁，任選與血卟啉的組合物加到位于待滅菌的系統(tǒng)之外的照射室內。
將酞菁和卟啉加到水中，隨后進行的照射可能發(fā)生部分降解并有副產物形成。利用申請人完成的實驗結果，此副產物不顯示任何顯著毒性。
為此，將接受照射并降解90％的酞菁水溶液于黑暗中加到人細胞懸浮液(成纖維細胞和角化細胞)中，即使進行長期培養(yǎng)之后仍沒有觀察到細胞生存力降低。
在所附的圖表中也例示了照射室技術，其中

圖1是開放的循環(huán)滅菌設備的簡圖；圖2表示閉合的循環(huán)滅菌設備的簡圖；圖3例示適用于圖1和2所示滅菌設備的雙照射室。
圖4是金黃色葡萄球菌菌株的光滅活圖。
圖5是表示在紫外線-可見光譜區(qū)域血卟啉的吸收光譜圖；圖6是表示在紫外線-可見光譜區(qū)域鋅-酞菁的吸收光譜圖；圖7是表示八取代的陽離子鋅-酞菁對金黃色葡萄球菌細胞生存力影響的曲線圖；圖8是表示在血卟啉存在的情況下金黃色葡萄球菌活性下降對曝露于可見光時間的曲線圖；和圖9是表示細菌細胞蓄積的血卟啉(HP)能力的圖表。
在附圖中，相同或類似的部分或成分以同樣的數(shù)字標識表示。
圖1所示的用于完成開放循環(huán)滅菌方法的設備，例如將供給加濕容器或游泳池或魚塘的水滅菌的設備包括配置有單獨的泵2的進料入口1；設計用于保存大體積物質，包括有機物質的機械過濾器或機械過濾器庫3；一個或多個提供多個光源的照射室4；容器或照射室4下游的過濾器4a；和優(yōu)選至少一個或多個壓力泵5；出口閥6和可編程控制單元7。
應該理解，除密閉容器之外，照射室4可以進一步包括池或塘，例如魚塘、井等等。
圖2和3顯示的在閉合循環(huán)滅菌設備實施方案中，照射室僅包括一個單室8或彼此相連(串聯(lián))的兩個室8和9。
在包括兩個室的實施方案中，室8可以位于室9之上，并可以與室9一樣配置有入口電閥10，下部電容傳感器11和上部電容傳感器12以檢查該室內待處理的液體的存在及其可能的水平，和控制光吸收從而分別發(fā)出主要在紅色可見光區(qū)域吸收的酞菁和/或血卟啉存在的信號的LED(發(fā)光二極管)13，和出口電閥14和15，和保留酞菁和可能的血卟啉或其它物質的砂濾器8(或者其它吸收物質)16、17，位于室內或在一個或多個適于可控地封閉并在室8和9的壁上提供的端口19處的照射燈18。
出口電閥14是一個三通閥，它既是一個從室8出來的排出閥，也是一個通往室9進口的連接單元。在光滅菌的液體(水)供回至儲罐或容器8以前，過濾器16和17是設計用來吸收和截留酞菁和可能的血卟啉的，它們可以包含陰離子樹脂，例如其上結合陽離子酞菁的羧酸型樹脂和硫酸型樹脂，和/或具有多環(huán)結構的吸附物質，例如沸石或動物活性炭。
利用光譜技術例如吸收分光光度法或熒光分光光度法，在處理開始時和多個照射期之后可以實時定量測定進行光處理的水中的酞菁和/或血卟啉的濃度。
照射室或容器8和9彼此連接并互通流體，且它們依賴通過可見光活化的酞菁施加的殺生物作用。在室8內將水與酞菁和/或血卟啉混合，提供均一的溶液，然后利用其中適宜放置的燈單元進行光照射。室9包含滅菌的水，這些水可以利用。
處理步驟按下列順序將待處理的水通過電子進口閥10流入容器8直到容器充滿。容器的水位通過分別定位在容器頂端和較低位置的電容傳感器11和12監(jiān)控。一旦液面達到上面電容傳感器12的水位，電子閥10停止入口處水的流動。
同時，在容器8內的測量設備(未顯示)適當?shù)匮b入固體粉末、片劑形狀或液體或半液體溶液的酞菁和/或血卟啉，釋放預定量的酞菁。酞菁的數(shù)量通過測量酞菁和/或血卟啉水溶液光吸收率的二極管13作進一步地監(jiān)控。在酞菁的情況下，通常吸收波長在紅光區(qū)內(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廣泛的可見的電磁輻射發(fā)射光譜源(鎢絲燈或日光燈)。二極管13通過檢查酞菁不足或過量顯示測量設備是否出故障；在酞菁和/或卟啉缺乏或過量的情況下，停止滅菌并關閉電閥。
利用位于容器8內部的燈單元在數(shù)秒至60分鐘內的適當照射時間后，打開電動出口閥14以使滅菌過的水可以移入儲罐9內。當較低的電容傳感器11檢測到容器8是空的時候，它發(fā)出信號并且發(fā)送給控制單元7以便打開入口電閥以再次充滿容器8。
如圖3所示，水從容器8流出，它同時流過截留其中所含的酞菁和/或血卟啉的砂濾器16。優(yōu)選地，提供一個二極管，例如與二極管13類型相同的二極管，它與濾器16相鄰，位于出口側，用于檢測濾器本身的磨損；實際上如果通過二極管檢測到在紅光區(qū)的吸光率超過多個特定的閾值(表明酞菁和/或卟啉的吸附不完全)，則應該更換過濾器。
一旦處理過因而無菌的水已經灌注到容器9，則其中配置的電容傳感器11和12檢查它的水位，它通過入口14和出口15電閥來控制充水和放水，正如在容器8中發(fā)生的情況一樣。
送入容器9的無菌水不含光敏劑，它在容器8中進行光降解作用，然后通過有機過濾器16截留。
理想地，主要是進一步安全的考慮，可以提供一堆和一組燈，以給容器9中所含的水進行進一步的照射。與裝在容器8中的二極管相同的二極管13監(jiān)控并測量酞菁和/或卟啉任何的殘余濃度。
在此階段水可以用于預期應用，因此它從出口電閥15流出，然后通過由沙或類似材料(例如沸石或動物活性炭)適當制成的過濾器17以吸附酞菁和/或卟啉，從而確保沒有任何光敏劑泄漏進入環(huán)境中。
未顯示的，安置在過濾器17下游并可以是例如與二極管13一樣的任何適當型號的二極管檢查過濾器17的堵塞和任何酞菁和/或血卟啉的泄漏。酞菁和/或血卟啉的滲漏一旦被檢測到，二極管將發(fā)出信號到控制單元7，然后系統(tǒng)將立即關閉。
這樣循環(huán)可以沒有任何中斷地進行。
當然，上述的系統(tǒng)可以在權利要求授予的保護范圍內作多種修改和改變。因此，例如，可以只用一個容器完成一整套不連續(xù)過程，通過這個過程可以間斷地補充所需水量。
實際上一個封閉的環(huán)形排列(圖2)的設備可以對通過閥8、9、10和11的動作而發(fā)生的在設備內的駐留時間提供更好的控制，從而改進病原體的滅活。有利的是，如果可能的話，在針對用來生產飲用水、養(yǎng)魚或農業(yè)目的的開放水庫或池塘情況下，可以方便地用太陽光代替人造光。
通常，如上所述，一旦它們被用可見光譜區(qū)尤其是在600-800nm波長處的光照射活化到電子激發(fā)態(tài)，酞菁和/或卟啉可以導致若干菌株活性突然下降。典型實例是金黃色葡萄球菌-(革蘭氏陽性細菌)的野生菌株和其耐甲氧西林的變體(MRSA)、大腸桿菌的野生型菌株(革蘭氏陰性細菌)、典型的微質體(萊氏無膽甾原體)和典型的酵母(白色念珠菌)。
可以從下表1說明的例子中得出結論，例如利用較溫和的照射方案，酞菁所起的光滅活作用可以導致微生物細胞數(shù)量以105因數(shù)減少(相當于原始細胞濃度的0.001％)。
a)在微摩爾范圍內的酞菁濃度；b)光敏劑-細胞培養(yǎng)時間等于幾分鐘(1到5分鐘)c)用不超過100mW/cm2光通量，和對應于最大15分鐘的照射時間的不高于80J/cm2的總光劑量進行照射。
通常，酞菁分子上的正電荷被抗衡離子，例如氯化物、溴化物、碘化物或對甲苯磺酸鹽中和。酞菁光活化作用可以通過在電磁光譜的可見光區(qū)域發(fā)射的光源，例如鎢絲燈、石英-鹵素日光燈或二極管陣列來完成?？梢允褂脕碜詿舻恼麄€光發(fā)射本身，或者可以在光束中引入適宜的濾光器，以分離對應于特定敏化劑的光吸收譜帶的波長范圍。
表1在酞菁，尤其是在結構1的“e”和“f”位被帶八個正電荷的正丁基-1-N，N-二乙基、N-甲基-氨基型基團取代的酞菁存在下，由可見光照射導致的所選擇的微生物種類的光滅活。
細胞存活率以對數(shù)標度表示，且它與存活率設為100的用作對照組的非照射微生物細胞作比較。
實驗條件-在水懸浮體中的微生物細胞濃度106-107細胞/ml-培養(yǎng)基的pH7.4(0.8％NaCl w/v磷酸鹽緩沖鹽水)-培養(yǎng)和照射溫度37±1℃；-光敏劑-細胞培養(yǎng)5分鐘；-在培養(yǎng)基中光敏劑濃度1μmol/l；-光源250W鋨鎢燈絲合金燈，用于在照射的細胞懸浮液水平獲得等于25mW/cm2的光通量；-發(fā)射波長范圍380-800nm；-照射時間10min；-適于細胞生存力測定的技術克隆基因試驗。
圖4表示在通過上述的裝置進行照射時，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和金黃色葡萄球菌野生菌株對結構如表1所示的酞菁濃度的典型的光滅活圖。在圖中，存活百分比標在Y軸而照射時間以分鐘計標在X軸，將0洗滌的照射系統(tǒng)與用磷酸鹽緩沖鹽洗滌3次后的系統(tǒng)作一比較。
圖5說明在電磁光譜紫外線可見區(qū)血卟啉(典型兩親卟啉)的吸收光譜。很容易注意到，光譜在藍色光區(qū)(380-410nm)表現(xiàn)出很強的吸收譜帶，并在綠色光區(qū)(480-550nm)和紅色光區(qū)(600-700nm)表現(xiàn)出增強譜帶。
圖6表示在電磁光譜紫外可見光區(qū)鋅-酞菁的吸收光譜。在紫外(320-380nm)和紅色光(600-700nm)區(qū)可以看出吸收譜帶，而在藍色光和綠色光區(qū)的吸收不顯著。
圖7的圖解表示八取代的陽離子酞菁對耐抗菌素的金黃色葡萄球菌細胞施加的作用。在不同摩爾濃度的酞菁于黑暗中預培養(yǎng)5分鐘之后進行照射。在37℃用600-700nm波長(50mW/cm2)照射5分鐘之后通過克隆基因試驗測量細胞存活。
圖8是在血卟啉濃度為0.1μg/ml(圓)和1μg/ml(正方形)的情況下暴露于可見光的金黃色葡萄球菌存活下降的實驗結果圖表。細菌細胞是處在靜止(封閉符號)或在對數(shù)(開口符號)增長期。很顯然，卟啉光敏劑如何高效地影響其特征在于抗生素的耐藥性快速發(fā)育的菌株失活。
圖9的圖形表示細菌細胞積累血卟啉(HP)的效率。特別是，此圖表示卟啉濃度對與高度感染性細菌菌株，例如金黃色葡萄球菌結合的光致敏化劑數(shù)量施加的作用。在此具體情況下，卟啉-細菌細胞培養(yǎng)在室溫下進行6分鐘。在用化學方法從細胞中萃取出光敏劑后，借助熒光分光光譜術確定與金黃色葡萄球菌細胞結合的卟啉數(shù)量。
可以方便地把陽離子酞菁(其分子帶有1到8個正電荷)增進大量微生物細胞廣泛滅活的功效開發(fā)應用于水的光凈化。使其適于此應用的酞菁光敏化方法的特點可以概括如下-短時間(I＜15分鐘)低濃度酞菁(微摩爾/升)存在下照射可導致微生物數(shù)量下降高達至少5個對數(shù)級；-在具有光活性的光敏劑劑量下沒有檢測到酞菁對動植物生物系統(tǒng)的毒性；-陽離子酞菁和卟啉在水中的高溶解度使得它在環(huán)境中進一步分散并導致可以忽略的局部濃度；-由于在用于酞菁光活化的波長處輻射的強穿透力，可以均勻地照射相對大量的水；-無論微生物病原體的耐抗菌素譜如何，酞菁具有致使它們光滅活的性能；-酞菁和卟啉損害細胞的性能幾乎只在膜水平，這使得觸發(fā)誘變過程和分化耐光微生物物種的危險最小化；-能將酞菁以粉末、片劑形式或作為溶液或凝膠等形式用作光敏劑；-能通過同時使用酞菁和適當?shù)倪策肿?，如血卟啉用作光可活化的抗微生物劑來提高整個光敏化方法的效能；-能利用要求簡單技術的光源獲得光敏化作用，那樣經濟劃算并且不需要對操作者和客戶采取安全措施，也不會固有地對不同生態(tài)系統(tǒng)要素施加任何影響。
可以將在陽離子酞菁，可能結合有血卟啉，存在下利用可見光進行的水滅菌被實際應用于下列領域-魚塘和人工湖，在前一種情況下利用內裝光源，在后者情況下將陽光用于酞菁光化學活化；-飲用水，優(yōu)選通過照射已處理過的水，例如用臭氧處理以降解化學污染物；在水過濾前通過一裝在主要供料入口上部的柱前可以立即進行照射；-用于農場的灌溉用水；-收集在大池塘中以便隨后用作飲用或灌溉用水的水，在這種情況下，首選陽光和人造光協(xié)同作用；-工業(yè)用循環(huán)廢水，用來降低微生物數(shù)量并使其他現(xiàn)象例如腐蝕、碎片沉淀堆積及類似、腐蝕等等的影響最小化；-外科滅菌，或者更一般地，在配備可見光源的容器內預先浸泡在酞菁/卟啉水溶液中的生物醫(yī)學器械；-限制或者不限制使用當前所使用的殺生物劑情況下的水產養(yǎng)殖，優(yōu)選密集養(yǎng)魚場和養(yǎng)貝場，以減少微生物數(shù)量和抑制海藻和霉菌生長；-減少海上、工業(yè)和建筑工地上的細菌增殖和藻類生長的處理；-用于感染的水，以控制潛在病原體如微生物、幼蟲和寄生蟲的傳播。
權利要求
1.陽離子酞菁鹽用作微生物污染的水的光敏劑的用途。
2.權利要求1所要求的光敏劑，其用于將革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌、酵母、微質體和寄生蟲的滅活作用光敏化。
3.權利要求1或2所要求的光敏劑，所述光敏劑為粉末、片劑或溶液。
4.前述任一權利要求所要求的光敏劑，其特征在于所述滅菌劑具有下列通式 其中M是金屬離子；e、f、g和h可以是H或包含具有可變長度的烷基鏈的取代基，所述烷基鏈包括具有一個或多個碳原子的骨架和結合在骨架內或作為附加取代基出現(xiàn)的官能團；所述官能團優(yōu)選包含一個或多個雜原子，其中至少一個雜原子是陽離子并優(yōu)選具有一個或多個以下結構苯胺嗡型結構 哌啶嗡型結構 烷基-銨型結構 嗎啉嗡型結構 吡啶嗡型結構
5.權利要求4所要求的光敏劑，其特征在于所述金屬離子為選自Zn(II)、Mg(II)、Al(III)、Si(IV)、Ge(IV)、Sn(IV)、Pd(II)、Ca(II)、La(III)、Ga(III)的抗磁性離子。
6.權利要求4或5所要求的光敏劑，其特征在于所述的每個陽離子取代基被一個或多個選自氯化物、溴化物、碘化物、硝酸根和對甲苯磺酸根離子的一價抗衡離子中和。
7.權利要求4至6之任一項所要求的光敏劑，其特征在于所述的烴取代基與二個或三個異吲哚環(huán)結合，而與其它環(huán)結合的取代基包含氫和選自苯酚、C0-C12烷基、吡啶和哌啶的非陽離子疏水基，從而提供兩親分子。
8.權利要求2至7之任一項所要求的光敏劑，其特征在于它包含至少一種卟啉分子。
9.權利要求8所要求的光敏劑，其特征在于所述至少一種卟啉有適于賦予分子兩親性質的結構。
10.權利要求8或9所要求的光敏劑，其特征在于至少一種卟啉包括血卟啉。
11.權利要求8或9所要求的光敏劑，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結構
12.一種微生物污染水的滅菌方法，其特征在于它包括以下步驟-在水中加入光化學有效量的至少一種陽離子酞菁以如權利要求2-11之任一項所要求地進行滅菌，和-用波長范圍為380-800nm內或其中包含的較窄范圍的電磁射線照射含有陽離子酞菁的水。
13.權利要求12所要求的方法，其特征在于在待滅菌的水的體積中陽離子酞菁和/血卟啉的數(shù)量高于0.1μmol/l。
14.權利要求12或13所要求的方法，其特征在于在開始照射前，讓水接觸陽離子酞菁幾秒到60分鐘時間。
15.權利要求12至14之任一項所要求的方法，其特征在于調節(jié)光源的工作強度以使功率流速范圍為10-150mW/cm2。
16.權利要求15所要求的方法，其特征在于待滅菌水的照射時間長于5分鐘。
17.權利要求12至16之任一項所要求的方法，其特征在于欲光滅菌的水包含在飲用或者農業(yè)或工業(yè)用水的水庫、或魚塘、人工湖、游泳池、生物醫(yī)學儀器容器或加濕器中。
18.權利要求12至17之任一項所要求的方法，其特征在于水的光滅菌是直接在裝有水的水庫或塘中完成的。
19.權利要求12至17之任一項所要求的方法，其特征在于水的光滅菌是在包括至少一個照射室的專用設備中進行。
20.權利要求19所要求的方法，其特征在于所述專用設備包括至少一個泵。
21.權利要求19或20所要求的方法，其特征在于所述專用設備包括至少一個過濾器。
22.權利要求19至21之任一項所要求的方法，其特征在于所述專用設備包括至少一個可編程電子控制單元。
23.權利要求19至22之任一項所要求的方法，其特征在于所述專用設備包括至少一個容器。
24.權利要求19至21之任一項所要求的方法，其特征在于在所述照射室的末端提供一個基于樹脂或吸收劑的過濾器以除去酞菁和它的化合物。
25.權利要求12至24之任一項所要求的方法，其特征在于水的光滅菌通過暴露在日光下來完成。
26.權利要求12至25之任一項所要求的方法，其特征在于水的光滅菌通過暴露在日光聯(lián)合至少一種人工光源之下來完成。
27.用于實施權利要求12至26之任一項所要求的方法的設備，其特征在于它包括一個供料環(huán)(1)，它包括按順序連接的至少一個壓力泵(2)，一個用于從各個供料泵(2)泵出的液體的過濾器或過濾器組(3)，至少一個還提供照射室的待滅菌液體容器(4、8、9)，至少一個在室8內提供的并適于可控制地照射室內所含液體的光源，和一個可編程控制單元(7)。
28.權利要求27所要求的設備，其特征在于所述或每個照射室(4、8、9)包括一個入口閥(10、14)、一個出口閥(6、14、15)、至少一個用于檢查待處理液體的存在和各室(4、8、9)內液體的上部閾水平的下部(11)和上部(12)電容傳感器(12)，一個檢查光吸收以驗證是否酞菁存在于各室(4、8、9)內裝載的液體之中的傳感器(13)，一個保留酞菁的過濾器(4a、16、17)，和多個位于室內或適合以可控的方式封閉的端口(18)處的照射燈單元、它在各室(4、8、9)壁上形成。
29.權利要求27或28所要求的設備，其特征在于給各過濾器提供傳感器以控制各過濾器的效率。
30.權利要求27至29之任一項所要求的設備，其特征在于包括至少一個位于照射室或照射室(4、8、9)下游的壓力泵(5)。
31.權利要求27至30之任一項所要求的設備，其特征在于它包括多個相互串聯(lián)的照射室(8、9)。
全文摘要
陽離子酞菁鹽用作微生物污染的水，尤其是用于滅活革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌、酵母、微質體和寄生蟲的光敏劑的新用途。通過同時使用陽離子酞菁鹽和卟啉分子發(fā)揮水的光滅菌協(xié)同作用，所述卟啉分子通過與典型的酞菁相同的機理完成其光滅菌作用，其可見光吸收光譜有效地補充酞菁的吸收。本發(fā)明的光滅菌鹽可以作為溶液、粉末或片劑或與基質結合加到水中。
文檔編號C02F1/30GK1589238SQ02823137
公開日2005年3月2日 申請日期2002年10月21日 優(yōu)先權日2001年10月23日
發(fā)明者G·約里 申請人:索爾伯特有限公司