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消毒灭菌的物理技术机理分析

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：赵静

[导读] 随着人类对食品安全和环保要求的提高，对食品的消毒灭菌、医疗和水处理的要求也越来越高。特别是新冠肺炎疫情，如何对日常用品、医疗用品和室内环境进行有效消毒成为大家关注的问题。随着研究的深入，消毒灭菌的方法也越来越多样化。

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摘要：随着人类对食品安全和环保要求的提高，对食品的消毒灭菌、医疗和水处理的要求也越来越高。特别是新冠肺炎疫情，如何对日常用品、医疗用品和室内环境进行有效消毒成为大家关注的问题。随着研究的深入，消毒灭菌的方法也越来越多样化。按物体是否受热，消毒灭菌技术可分为热效应和非热效应两种。各种物理消毒和灭菌的机理是不同的,主要的遗传物质,破坏热效果,打破债券破坏生物分子的结构,使生物分子氧化损伤,破坏微生物的细胞膜和细胞结构,强场产生阴离子影响正常的生化反应和其他方面。
关键词：消毒灭菌；电离辐射；电磁辐射；物理技术
        1消毒和灭菌的区别
        消毒和灭菌都是为了消灭有害微生物，防止病原体的传播，但两者的程度和范围不同。消毒一般是指使用物理或化学方法，消灭病原微生物和其他有害微生物，但不要求杀死包括芽孢在内的全体微生物。灭菌是指完全杀灭物体内所有活的微生物，包括抵抗力很强的细菌芽孢，一般采用物理方法。在实际应用中，按照对病原微生物杀灭作用的程度，由高到低可以分为灭菌、高效消毒、中效消毒和低效消毒四种。其中灭菌是要求最高、处理难度最大的方法，对微生物的杀灭是最彻底的。高效消毒应能杀灭一切细菌繁殖体、病毒、真菌及其孢子和大部分细菌芽孢。中效消毒可以杀灭除去细菌芽孢以外的各种微生物病原体，而低效消毒只需杀灭细菌繁殖体和亲脂病毒，一般用化学消毒方法即可完成。在具体应用方面，灭菌主要应用于医疗中进入人体无菌组织器官的医疗用品、需要重复使用的诊疗器械、需要达到无菌状态的食品或工业产品等，而消毒可以用于医院中一般场所处理以及不进入人体组织、不接触粘膜、仅直接或间接地与健康无损皮肤接触的物品和日常生活中的物品。在对物品进行消毒灭菌前，应综合考虑消灭病原体的种类、消毒对象的性质、消毒对象所处的环境条件、卫生防疫要求等因素，选取适当的方法和作用水平。
        2各类消毒灭菌的物理技术机理及特点
        2.1X射线和γ射线的消毒灭菌技术
        2.1.1X射线和γ射线的产生技术
        X射线一般由X光机产生，X光机主要由X光球管、电源以及控制电路等组成，X光球管为产生X光的主要部件，由阴极灯丝、阳极靶及真空玻璃管组成。阴极灯丝受热后，释放出自由电子。自由电子在X光管的高压电场作用下向阳极加速运动，与阳极靶发生激烈碰撞，电子受阻而减速停止，其部分动能转变为X射线的能量。X射线还可以通过在电子加速器上加装转换靶实现，使电子加速器具有产生电子和产生X射线两种功能。γ射线的产生主要通过放射性核素60Co或137Cs源，目前多以60Co辐射源为主。γ射线是核素原子核衰变时，从高能态跃迁至低能态或基态释放产生的，其能量大小几乎是原子核的能级之差。60Co在衰变时会放出1.17?MeV和1.33?MeV两种不同能量的γ射线。
        2.1.2?X射线和γ射线的消毒灭菌机理
        X射线和γ射线辐照消毒灭菌的本质是能量的传递。射线照射到物体时，能量以电磁波形式穿透物体，对物体的作用分为直接作用和间接作用，直接作用是微生物的脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic?Acid，DNA）、蛋白质等受到高能射线照射后发生电离、激发或化学键断裂，导致分子结构的破坏，从而丧失功能。间接作用是射线对组织中水分子的作用，产生强氧化还原物质，如羟基自由基、水合电子、过氧化氢等，这些物质能破坏细胞内的重要大分子，损伤微生物的活性。这两种效应共同作用可以阻碍微生物细胞内一切活动，导致细胞死亡。
        2.1.3 X射线和γ射线消毒灭菌的特点
        利用X射线和γ射线对食品和医疗用品消毒灭菌，相比于其他物理、化学方法，具有以下特点：
        1）穿透性强，处理彻底。

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X射线和γ射线都具有很强的穿透性，可用来处理已加工包装好的物品，适用于大批量处理和工业化生产，避免物品遭受二次污染问题。
        2）对热敏感的物体友好。射线辐照一般在常温状态下进行，辐照产生的热量很少，几乎不会引起物品内部温度的升高。在医疗用品的处理中，对于一些畏热材料，射线辐照消毒灭菌克服了传统热消毒产生温升对材料造成破坏的问题，可以保持材料的原有作用和效果。对于食品处理，辐照消毒灭菌能保持食品原有的成分和风味，对于冷冻食品，可以在不解冻的状态下进行消毒灭菌处理，保证其新鲜状态和品质。
        3）无残留，卫生安全。辐照消毒灭菌是利用射线能量实现的，只是能量的传递，不会出现残留。辐照源是在密封的装置中和严格的防护下运行的，物体不会接触到放射性核素，卫生性和安全性可以得到保障。
        2.2电子束消毒灭菌技术
        2.2.1高能电子束的产生方式
        电子束消毒灭菌技术相比于γ射线辐照技术有其独特的优势，近年来广泛应用于食品行业和医疗卫生用品中。在使用前，应针对作用物品进行具体评估，确定实现有效灭菌且不损伤物品的有效辐射剂量。目前，用于辐照消毒的电子束主要由直线加速器产生，直线加速器的输出最大功率达到15～25kW，输出/输入比约为10%～20%。电子直线加速器主要由调制器、电子枪、加速管、速调管、微波传输系统和真空系统等部件组成。其中，调制器为电子枪和速调管提供脉冲高压电源，电子枪为系统提供入射电子，周期性地向加速管中发射电子，形成电子团。加速管内具有初速度的电子团，在微波的作用下加速运动，形成电子束。此微波由微波激励源产生，经速调管调制后进行功率放大，经波导传输进入加速管。电子束在加速管中被加速到接近光速，能量达到10MeV。电子加速器上可以加装X射线转换靶，具有产生高能电子束和高能X射线两种功能，可以根据辐照产品的要求，选择使用电子束或X射线进行辐照。利用直线加速器产生的电子能量高、功率大，但设备体积大，需固定在特定地点使用。
        2.2.2高能电子束消毒灭菌在医疗中的应用
        电子束辐照消毒灭菌最早应用于1956年，美国的Ethico公司采用电子加速器产生的高能电子束对羊肠缝合线和一次性的注射器、针头等医疗卫生用品进行了辐照灭菌试验。近年来，电子束由于其启停可控、无放射性废料、束流可以定向集中、能量利用率高、辐照时间短、加工速度快等优点广泛应用于食品加工、医疗用品消毒、环境保护等领域。但电子束在处理高分子材料时容易损坏材料，在采用电子束消毒灭菌前，需要对物品的抗辐射性进行检验。相较γ射线和X射线而言，电子束穿透能力弱，一般用于对较薄的物体或物体表面的消毒灭菌。在医疗领域中，电子束可以用于对一次性医疗卫生用品、医用乳胶手套、药品包装、中药材等的消毒灭菌中。利用电子束辐照可以对大多一次性医疗卫生用品消毒灭菌，且可以在包装密封完好的情况下进行。虽然一次性医疗用品大多是医用高分子材料制成的，但随着技术的发展，很多医用高分子材料都克服了抗辐照老化问题。使用15～25?kGy剂量的高能电子束可以对医疗器械和一次性医疗用品进行消毒灭菌，包括防护服、输液器、注射器、缝合线、医用乳胶手套、手术刀、麻醉盒、透析器等。电子束辐照灭菌技术也在逐步应用于心脏支架、骨支架等植入人体内部、需要保持无菌状态生物材料中。药品包装对药品起着重要的保护作用，在使用前应经过消毒灭菌处理。药品包装材料通常是玻璃、塑料、金属和橡胶，利用电子束可以对这些材料消毒灭菌，对于不同的包装材料消毒所需的电子束剂量不同。
        结束语
        今春新型冠状病毒的肆虐让人们日常消毒意识和需求提高，消毒灭菌技术需要逐步从工业领域走入日常家庭中。目前，消毒灭菌技术主要应用在食品、医疗、水处理等领域中，消毒成本高且设备不具有便携性。因此，降低消毒灭菌设备的成本、提高便携性、确保对人体无损伤，实现在有人的条件下对室内空气及物品完成消毒灭菌，将现有的消毒灭菌技术逐步推广到家用层面，是今后研究中需要解决的问题。
参考文献
[1]陈倩,陈昭斌.高能电子束辐照技术在消毒领域的应用[J].中国消毒学杂志,2017,34（10）：966-969.
[2]宋卫东,张宏娜,陈海军,等.辐照在食品加工中的作用及应用[J].食品工业科技,2011,32（9）：454-457.