低温等离子体消毒课件.ppt

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1、低温等离子体消毒,低温等离子体消毒,1.消毒灭菌的定义2.低温等离子体灭菌技术3.低温等离子体的消毒机理4.低温等离子灭菌的优缺点5.低温等离子体杀菌消毒技术的应用,1.消毒灭菌的定义,消毒：消毒是指用化学的或物理的方法杀灭或消除传播媒介上的病原微生物，使之达到无传播感染水平的处理即不再有传播感染的危险。灭菌：灭菌是指杀灭或去除外界环境中一切微生物的过程。包括致病性微生物和不致病的微生物，如细菌（含芽胞）、病毒、真菌（含孢子）等，一般认为不包括原虫和寄生虫卵，以及藻类。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。,灭菌是个绝对的概念，意为完全杀灭所处理微生物，经过灭菌处理的

2、物品可以直接进入人体无菌组织内而不会引起感染，因此，灭菌是最彻底的消毒。然而事实上要达到这样的程度是困难的，因此国际上通用方法规定，灭菌过程必须使物品污染的微生物的存活概率减少到E-6 (灭菌保证水平)，换句话说，要将目标微生物杀灭率达到99.9999%。在当前面对如此严苛的灭菌要求，理想的灭菌器应该具有如下的特点和性能： ( 1 )灭菌速度应尽量快，时间要短； ( 2 )灭菌温度应该低于 5 5左右，对器械、物品损伤尽量小； ( 3 )灭菌时对整个环境无影响，灭菌残留物是无害的； ( 4 )能够满足多种物品的灭菌要求； ( 5 )使用耗材价格不能过高。,现如今所使用的灭菌方法多为热力灭菌、辐

3、射灭菌、环氧乙烷灭菌、低温甲醛蒸汽灭菌以及使用各种灭菌剂如戊二醛、二氧化氯、过氧乙酸和过氧化氢等长时间浸泡的方法。这些灭菌方法存在着许多限制条件，如会对环境造成危害、灭菌时间过长、灭菌温度过高致使器械损伤较大、食品营养流失等随着对消毒、灭菌的处理要求越来越高。传统灭菌方法的局限性正在促使新的灭菌技术的产生和发展。,2.低温等离子体灭菌技术,等离子体灭菌技术是新一代的高科技灭菌技术，它能克服现有灭菌方法的一些局限性和不足之处，提高消毒灭菌效果。例如对于不适宜用高温蒸汽法和红外法消毒处理的塑胶、光纤、人工晶体及光学玻璃材料、不适合用微波法处理的金属物品，以及不易达到消毒效果的缝隙角落等地方，采用本

4、技术，能在低温下很好地达到消菌灭菌处理而不会对被处理物品造成损坏。本技术采用的等离子体工作物质无毒无害。本技术还可应用到生产流水线上对产品进行消毒灭菌处理。,在环境问题越来越受到人们关注的今天，常压低温等离子体消毒作为一种清洁的消毒方法将会有一个广阔的应用前景。等离子体灭菌是医疗卫生、制药、生物工程 食品行业灭菌技术的未来发展方向。低温等离子体灭菌技术是消毒学领域继甲醛、环氧乙烷、戊二醛等低温灭菌技术之后又一新的灭菌技术，其特点是低温、快速、毒性残留低，而且对于耐湿热和不耐湿热的物品、器械均适用。采用过氧化氢做为辅助剂，将过氧化氢气体灭菌与低温等离子结合起来 ，快速杀灭各种微生物的技术方法是目

5、前较为最好的选择。,3.低温等离子体的消毒机理,低温等离子体的消毒机理 目前还没有统一定论，根据试验出现了各种有关机理的假说,无论是从物理还是化学方面可归根为以下三种： 活性基团的作用：等离子体中含有的大量活性氧离子、高能自由基团等成分，极易与细菌、霉菌及芽孢、病毒中蛋白和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能，使各类微生物死亡。高速粒子击穿作用：在灭菌实验后，通过电镜观察经等离子体作用后的细菌菌体与病毒颗粒图像，均呈现千疮百孔状，这是由具有高动能的电,子和离子产生的击穿蚀刻效应所致，即等离子体中高速粒子打破微生物分子的化学键，最后生成挥发性的化合物如COx、CHx等。紫外线的

6、作用：在激发物质形成等离子体的过程中，伴随有部分紫外线产生，这种高能紫外光子被微生物或病毒中蛋白质所吸收，直接破坏微生物的基因物质致使其分子变性失活。研究表明， 在单一气体中， 气体对细菌孢子的杀灭作用不尽相同，杀菌效果强弱为 、 、 、Ar 和 ；而利用混合气体激发等离子体，其杀菌消毒效果往往比单一中性气体好。,3.1低温等离子体的形成,等离子体是指不断从外部对物质施加能量而使其离解成阴、 阳电荷粒子的物质状态。通常把电离度小于 0.1的气体称弱电离气体，也称低温等离子体；电离度大于 0.1的称为强电离等离子体，也称高温等离子体。人工方式获得低温等离子体通常是在几帕到几百帕的真空环境下，利用

7、特定电磁电场作用，使某些中性气体的分子产生连续不断的电离，形成带负电荷和等量带正电荷的离子相互共存的物质状态，当电离率与复合率达到平衡时，这种稳定存在的物质形态就称之为等离子体。在中低压状态下， 作为等离子体质量主体的较重粒子 （中性基团和离子）其温,度要比电子低至少一个数量级，因此这种等离子体称之为低温等离子体或冷等离子体。通电后，在电场作用下电离出冷等离子体。冷等离子体内的电子温度可达20000-30000度,电子的半径约为E-13米，而细菌或病毒大小约为E-6米或更小，这样几十个或几千个电子将细菌包围，其几万度的高温足以将细菌或病毒完全杀死。但因电子本身的热容量很小，所以在宏观上没有热容

8、量产生，不会损伤任何被消毒的物品，再者，因等离子体内含有单原子氧，单原子氧是一种强氧化剂，也能杀死微生物. 等离子体能够在常温条件下实现快速、干燥灭菌的目的，是多种灭菌条件综合作用的结果，下面以双氧水为例讲解其产生过程、消毒过程以及灭菌器的组成。,过氧化氢俗称双氧水，是一种较强的氧化剂。过氧化氢杀菌机制有氧化作用和分解产物的作用两种。过氧化氢的强氧化性及氧化产物可直接氧化细菌外层结构，使细胞通透性屏障遭到破坏，细菌体内物质平衡受到破坏致细菌死亡。过氧化氢分子形成等离子体，反应式为： （ 为氢氧自由基） （ 为过羟自由基） （ 为激发态的过氧化氢分子） 可见光紫外线 （ 为活化氧原子） （ 为活

9、化氢原子）,真空阶段：通过真空泵将灭菌舱内空气抽出，直到达到等离子体放电的真空条件，同时可去除灭菌物上的湿气。值得的注意的是，如同其他灭菌设备一样，灭菌舱内装载量约占整个舱的80%，可避免真空循环时间过久或因超载所导致的循环取消。注液扩散阶段：真空期结束后，自动注入2ml60%浓度的过氧化氢，瞬间气化分成分子，均匀扩散到整个灭菌腔室。等离子阶段：气化的 在RF的作用下产生等离子体，通过低温离子化的活性Free-radical作用，使微生物灭绝。而RF波一停止，离子化状态便瞬间终了。转变成稳定地氧分子及水分子，随后重复注液扩散阶段和等离子阶段，已保证器械的灭菌效果。,3.2 消毒过程,充气阶段：

10、灭菌循环的最后阶段。通风阀门开启，使经过过滤后的洁净空气进入灭菌舱，舱内负压恢复到一个大气压时，灭菌过程即告完成。 目前产品有快速灭菌程序、标准灭菌程序、加强灭菌程序。以保证各证灭菌器械的灭菌效果。在灭菌表面物品时，可使用快速灭菌23分钟达到灭菌效果；在灭菌管腔器械时，使用标准灭菌35分钟达到灭菌效果,灭菌较长管腔时可使用加强灭菌程序43分钟即可达到灭菌效果.,3.3 等离子体低温灭菌器的组成部分,(1)真空系统：使灭菌舱内的压力在几帕到几十帕之间达到等离子体放电条件(2)排气过滤系统：真空系统在向外抽气时，保证外围环境不受真空泵油烟的污染。(3)注入系统：当程序进入到注液程序后，自动将过氧化

11、氢灭菌剂注入到灭菌舱内。(4)等离子体发生系统：灭菌舱内在注入过氧化氢后，真空度达到预定值，开始产生等离子体进行灭菌。(5)进气过滤系统：在灭菌程序结束后，向灭菌舱内注入洁净的空气，使灭菌舱内的压力达到一个大气压。,(6)自控控制：由PLC和触摸屏组成，控制机器每一个部件的协调作业。(7)打印系统：打印机器运行的每一项参数及故障提示，更加直观的了解机器的运行状态。,4.低温等离子灭菌的优缺点,4.1传统消毒灭菌法一些常规灭菌法低温灭菌主要有五种：辐射灭菌法、过滤除菌法、气体灭菌法、湿热灭菌法、 干热灭菌法 。 A. 辐射灭菌法：指将灭菌产物品置于适宜放射源辐射的射线或适宜的电子加速器发生的电子

12、束中进行电离辐射而达到杀灭微生物的方法。 B. 过滤除菌法：利用细菌不能通过致密具孔滤材的原理以除去气体或液体中微生物的方法。 C. 气体灭菌:指用化学消毒剂形成的气体杀灭微生物的方法。,D.湿热灭菌法：指将物品置于灭菌柜内利用高压饱和蒸汽、过热水喷淋等手段使微生物菌体中的蛋白质、核酸发生变性而杀灭微生物的方法。E.干热灭菌法:指将物品置于干热灭菌柜、隧道灭菌器等设备中、利用干热空气达到杀灭微生物或消除热原物质的方法。 不难看出这些传统方法存在许多弊病，诸如对环境有污染（核辐射污染、化学污染）、灭菌时间长、药物残留、安全性差等缺点。,各种灭菌方法对比,4.2优点环保：以临床常用的双氧水为介质，

13、经射频电磁场激发形成低温等离子体并完成灭菌，其最终产物是少量水蒸汽和氧气，无毒物残留与排出，对医务人员无损害，对环境无污染。安全：采用自动控制触板，易操作，无需高温、高压，且安装和调试简单，使用安全。常温：灭菌温度为3545，干性灭菌，对器械和物品无损害，可延长贵重器械使用寿命。,省时：灭菌周期短，可在3050分钟的时间内完成简单器械灭菌，在5070分钟内完成复杂器械的灭菌，操作完成后可直接使用，无需象高温灭菌后要自然冷却放置，也不象环氧乙烷低温灭菌后需要放置648小时通风扩散，以降低环氧乙烷的残留浓度。适用范围广：低温灭菌适用于多种材料器械，尤其对非耐热电子器械如内窥镜、电子仪器、电池、导线

14、、摄影照相机等物品的灭菌处理，独具优势。,因此从这些方面来说低温等离子体杀菌消毒具有很大的优势。随着其理论的发展以及制造技术的成熟迅速得到了广泛的应用。 例如：在医疗领域应用的等离子体灭菌技术于20世纪80年代始于美国，Menashi等首先提出卤素类气体等离子体具有很强的杀菌作用，可用于非耐热医疗器械的快速灭菌，低温等离子体灭菌技术1987年获得专利。美国强生公司研制的Starrad 100S过氧化氢等离子体灭菌器，于1997年经FDA批准上市。现已在欧美、日本等发达国家医疗机构微创手术中广泛使用。2004年开始在我国推广宣传，已有几十家大型医疗单位开始使用。由此也使得等离子体低温灭菌技术在我

15、国医疗领域的使用得到广泛的认同。,4.3技术瓶颈等离子体灭菌的关键技术是：灭菌腔体中等离子体必须均匀，不存在死角；有一定的能量要求。 大容积均匀等离子体发生技术的难度高！与其它方法相比等离子体灭菌器的容量小很多、成本高很多，无法满足大规模的应用需求。等离子体灭菌器的真空系统、温控系统和加注系统受容量的影响都比较明显，而这些也都是产品中非常核心的部分。 以主要零部件以及产品整体配置和性能指标等因素综合考虑，单一内室的总容量不宜超过400L；如果空间利用率高的话，实用容量可以略高于300L。这样的空间可以满足一般医疗和科研用途的需求，但对于工业用途以及大规模的医疗和科研用途而言就显得比较有限，而且

16、其成本、容量比并不理想。,上述问题无法增容增配等常规方法彻底解决，仅能稍稍缓解，而付出的代价却是成本的大幅增加和效率的大幅降低。 美国某知名企业是等离子体灭菌行业的元老，其产品在全球的医疗、科研领域得以广泛推广，但极少在工业领域应用。 因为其最高端机型的容量仅为150L左右，空间很有限；但是为了达到预期的设计目的，此款机型的制造成本很高，约为其100L机型的2.5倍。为了增加50%的实用容量，却多付出150%的成本。,欧洲某厂商正在研制大容量工业用机型，仍然采用单一内室的设计方案。为了达到匹配的目的，其执行元件大幅升级，成本及其高昂，但其参数控制的精度却很不理想，实际使用效果不尽人意，更无法用

17、于要求苛刻的医疗和科研用途。这是一个全球性的技术空白。 目前在全球范围内还没有一个理想的大容量等离子体灭菌器的设计方案，无法满足较大规模的灭菌用途，更无法达到医疗、科研和工业普遍适用的预期。,5.低温等离子体消毒技术的应用,5.1 在食品业上的应用随着食品加工业的大规模发展 ，人们在期望食品安全性的同时，对食品的营养性需求也在不断扩大。特别是常规的高温高压蒸汽灭菌造成的各种营养元素的损失已经引起人们的普遍关注。应用低温等离子体技术来杀灭食品本身以及加工过程中产生的细菌 ，实践证明，很少会影响到产品的鲜度风味和滋味。,5.1.1 用于食品表面的杀菌消毒蔬菜、水果在种植 、加工、运输过程中，因与外

18、界接触表面经常附着具有传染性的病原微生物，其中包括国际标准中严格限制的一项微生物指标大肠埃希氏菌。此外 ，喷洒的杀虫剂使得蔬果表面不可避免地残留有农药。牲畜在屠宰场加工过程中，会因周围环境而沾染上各类微生物 ，致使肉类表面细菌指数超标 。粮食作物在散料储藏堆放期间，特别容易受到霉菌的侵害，一些脱水干燥调味料如茴香 、八角、花椒等也易受到微生物的污染。,美国自20世纪 90年代起，利用等离子体对食品表面进行杀菌消毒就获得了美国食品和药物管理局的批准，并且很快应用于商业。实践证 明，各类食品表面的大肠杆菌经空气等离子体 20s90min的处理，细菌总数可下降 27个对数值。诺克司维尔的田纳西州大学

19、(UTK)的等离子体科学实验室开发的一个大气压下均匀辉光放电系统，能够在常压(1atm)、室温条件下 ，利用射频激发空气产生等离子体 ，并根据该技术研制了各类等离子体反应器。,其中他们开发的 MOD反应器以及随后由日本学者开发的组合大气压下冷等离子体发生器，可将待杀菌消毒产品置于反应器腔体内，使其表面直接受到活性粒子的轰击以达到杀菌消毒目的。如使用 RER反应器 ，则可以使这些物料在远程等离子体 (至少距等离子体发生中心 20cm)的范围内被空气强制对流 ，被迫沿着迂回的通道流经 3个或更多折板 ，这使得杀菌消毒产品可以不与等离子体直接接触，在一定意义上克服了某些领域不能应用该技术的限制，为该

20、技术的应用开辟 了更为广阔的前景。,5.1.2 用于液体食品的杀菌消毒液体食品属于一类特殊的食品。由于更多的液体食品属于混合物，其复杂的物质条件为不同种类微生物提供了生长和繁殖的液态环境。将低温等离子体杀菌消毒技术应用于液相，是一项颇为引人关注的课题。这是因为，一般来说，低温等离子体是通过气体放电产生的，所以能否用该技术杀灭液体中的病原微生物就存在两个问题：即在液体中如何有效地产生活性粒子以及这些粒子能否杀灭其中的微生物。,HongbinMa等通过向液体中鼓泡 (通入空气和纯氧)，同时将电场直接作用于液体与气体的混合态而成功地杀灭 了大肠埃希 氏菌和沙门氏菌。基于这一原理设计出的低温等离子体反

21、应器在实际生产操作中可以根据微生物指标要求采用串联方式用多个反应单元对产品进行杀菌消毒 。 实验表明，杀菌效果随着反应器数量的增加而提高。利用该技术对牛奶与橙汁进行杀菌消毒 ，细菌总数下降了5个对数值。并且值得关注的是：处理后的橙汁维生素 C含量仅有轻微的下降(约 1015)，如用氧等离子体来处理，维生素 C的损失甚至更少 ；牛奶经处理后过 氧化值改变甚微。,可见 ，用低温等离子体对液体食品杀菌消毒 ，对食品中的活性养分不会构成大的损伤，为产品的新鲜度和营养性提供了一定的保证。同时，也为更多的液体食品如苹果酒 、啤酒 、去离子水、液态全蛋 、番茄汁等的杀菌消毒提供了新的思路。,5.1.3 用于

22、小包装食品的杀菌消毒小包装食品在食品保质期内一般不会发生霉变 ，但有时也不排除因包装材料的阻氧性能和透气性能改变而引起的微生物污染 ，为确保产品的货架寿命 ，提高产品的安全性 ，仍需要对 已包装食品进行杀菌消毒。尽管过去对于等离子体活性粒子，能否透过包装材料的问题尚存在异议，但Bithell的研究表明利用射频激发的氧等离子体能够对包装袋内的产品进行杀菌和消毒。而且相关工作者已经利用过氧化氢等离子体实现了对纸包装、塑料以及锡箔包装食品的杀菌消毒。,5.2 在医疗卫生中的应用现代医疗卫生在为人类健康做 出贡献的同时，也因致病微生物在公众场所的集中性 、易传播性为人类带来了一定的隐患。在对抗病菌的战

23、斗中，传统的杀菌消毒法已经不能满足新型材质的各类医用产品的消毒需要，因高温灼烧而致使的器械变钝变形使人们开始将目光转向其他新的杀菌消毒技术。低温等离子体杀菌消毒技术能够满足新的要求 ，正广泛应用于该领域,5.2.1用于金属器械的杀菌消毒在外科手术中，需要对大量器械进行杀菌消毒 ，如钢剪、环形锯、冲洗机等。在牙科诊所，由于各种金属器械需直接接触病患的口腔 ，需要经常清洗和消毒。为解决灼烧器械对器械造成的破坏 ，采用等离子体技术对这类金属器械杀菌消毒是非常理想的。同时 ，因该类器械多数形状不规则，有些不能置于等离子体反应器的平行板电极之间，采用远程等离子体技术有效地弥补了这一技术的不足，它可以在对

24、金属器械表面杀菌的同时，避免因等离子体蚀刻作用而造成的器械表面损伤，保证了金属器械的机械强度和韧性。,利用低温等离子体牙齿杀菌,5.2.2用于电子探头传感器的杀菌消毒在医用、生化监测和细胞培养中经常使用带有电子探头的各类传感器，如妇科诊断中使用 pHISPET传感器、呼吸科室用的微型氧气传感器。一 方面，这类传感器必须经过严格杀菌消毒 ，另一 方面，由于电子探头这种灵敏元件在杀菌过程中可能会因其感应膜损坏而影响到传感器的功能。 因此，低温等离子消毒技术是一个很好的选择,医用电子探头传感器,5.2.3用于小型反复使用制品的快速灭菌在小型医疗机构 中，一些医疗用品不可避免地需要反复使用 ，这些用品

25、包括易碎容器 、绷带、用后易处置的塑料制品等。通常这些用品需要及时且快速地消毒，才能满足诊疗要求。 常压下辉光放电等离子体技术为此提供了可能性。该技术能够广泛地杀灭病原菌，包括对抗菌素和化学消毒具有抵抗力的细菌、真菌和孢子。另外 ，更为方便的是 ，这些医疗制品可以密封在标准的医用杀菌袋内经等离子体轰击而达到杀菌消毒目的。,5.2.4用于医用生物材料的杀菌消毒医用生物材料是指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。只有当它在植入生物体后不会引起凝血、毒性、过敏 、致癌 、免疫反应等，并且与生物体协调且能够执行预期的功能，这样的材料才具有生物相容性。 低温等离子体技术通过对材料表面进行镀膜、聚合、修

26、饰、改性，可以改善生物材料的亲水性、透气性、血溶性 ，以使人造血管、血液透析薄膜等医用生物材料得到广泛应用。通过等离子体照射医用生物材料 ，往往可以将材料的前期处理和 杀菌消毒一步实现，为人工脏器移植组织材料培养提供了新的方案。,5.2.5 用于热敏性器械的杀菌消毒利用射频电源激发空气或过氧化氢气体 ，形成的低温等离子体能够对不耐高温高压的各类热敏性器械进行杀菌消毒。这类器械包括一些玻璃器皿如输液瓶，一些由塑料 、硅橡胶等高分子材料制成的器械等。将上述器械置于等离子体反应器的平行板电极之间，使气体放电，可以实现器械内外表面的杀菌消毒，如果同时加入消毒剂利用微波使之气化，则杀菌效果会更好 。利用不同形状大小的反应腔还可以对大批量的器械进行杀菌消毒。由于整个过程温度不超过 50 ，使得该技术能够应用于大部分的热敏性器械。,低温等离子体热敏性器械消毒装置,