（电力系统及其自动化专业论文）等离子过氧化氢灭菌技术研究与实现.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g s t u d ya n da c h i e v eo nt h et e c h n i q u e o fs y s t e m 。 o fp l a s m as t e r i z e ri nal o w - t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t c a n d i d a t e ：f a n f ut o n g s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 013 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f e l e c t r o n i c sa n d l n l o r m a t i o ne n g l n e e n n g 一一 _ - 一 d l s c l p l m e ：e n g l n e e n n g m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f q i y ig u o f e b ，2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名噎簧苫 。必年嘭月如e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者繇童景害 劢7 d 年略月 l ， 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 随着医学和生物技术的发展，多聚物医疗器材的广泛使用，迫切需要寻找新 的灭菌方法来对一些热敏感物质进行低温灭菌。最初使用的环氧乙烷灭菌法含 有对环境有害的氯氟甲烷，尽管现在也发明了不含氯氟甲烷的环氧乙烷灭菌器， 但这种灭菌方法仍然存在着许多问题，另一种有效的低温灭菌技术是y 射线法， 但这种方法的花费很高，并且对多聚物的结构也有一定的影响。上述灭菌方法的 各种限制促使新的灭菌技术的产生和发展，等离子体过氧化氢灭菌即是一个非常 好的选择。 由于等离子技术的高门槛性，等离子灭菌设备的构造极其复杂，价格也相对 昂贵，国内数百家大中型医院目前所使用的等离子灭菌设备都是强生等国外公司 的产品。迅速实现等离子技术和设备的国产化成为当务之急。本文以同济大学电 气工程系和浙江某医疗器械有限公司合作所独立研制的等离子灭菌样机为模本， 对等离子过氧化氢技术与实现进行了深入研究。 本文首先研究了等离子过氧化氢灭菌所涉及的一些关键技术。本文将这些关 键技术分为两类：等离子过氧化氢测控技术、等离子电源设计。等离子过氧化氢 测控技术对设备的整个结构和功能设计进行分析，实现了安全可靠、高性能的微 机测控。等离子电源根据系统的要求选定灭菌效果最佳的气体放电形式，提出了 一下设计方案该电源由两个独立封装的部分组成：1 5 0 v 直流电源和全桥变 换器。该电源保证了容器中气体等离子化得进行。 本文在研究和分析了这些关键技术的基础上提出过氧化氢雾化技术与在线 检测技术。前者解决了高浓度过氧化氢运输及使用时遇到的问题，大大提高了设 备的灭菌效果。后者以光电检测技术为基础，通过对过氧化氢的光谱分析，实现 了在线检测过氧化氢，使设备在运行中能够获得过氧化氢注入量，提高设备的灭 菌可靠性。 关键词：等离子灭菌，过氧化氢浓缩，微机测控 t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ro fp h i l o s o p h ya b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em e d i c a la n db i o - t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，p o l y m e rw i d e l y u s e d i nm e d i c a le q u i p m e n t , a nu r g e n tn e e dt of i n dn e ww a y st os t 盯i l i z a t i o no fs o m e h e a t - s e n s i t i v em a t e r i a la n dl o w - t e m p e r a t u r es t e r i l i z a t i o n t h ei n i t i a lu s eo fe t h y l e n e o x i d es t e r i l i z a t i o nh a r m f u lt ot h ee n v i r o n m e n tt h a tc o n t a i n sc h l o r o f l u o r o c a r b o n s ， a l t h o u g hn o w a l s oi n v e n t e dc h l o r o f l u o r o r b o n sc o n t a i ne t h y l e n eo x i d es t e r i l i z e r , b u tt h i ss t e r i l i z a t i o nm e t h o d st h e r ea l es t i l lm a n yp r o b l e m s , a n o t h e re f f e c t i v e l o w - t e m p e r a t u r es t e r i l i z a t i o nt e c h n o l o g yi st h er a ym e t h o d , b u tt h i sm e t h o d i sv e r y e x p e n s i v e ，a n dt h es t r u c t u r eo ft h ep o l y m e ra l s oh a sa c e r t a i ni m p a c t t h e s t e r i l i z a t i o nm e t h o d so f t h ev a r i o u sr e s t r i c t i o n st op r o m o t et h ee m e r g e n c eo f n e w s t e r i l i z a t i o nt e c h n o l o g y , a n dd e v e l o p m e n to f h y d r o g e np e r o x i d ep l a s m as t e r i l i z a t i o n , t h a ti sav e r yg o o do p t i o n b e c a n s es u c hah i 【g ht h r e s h o l do f p l a s m at e c h n o l o g y , p l a s m as t e r i l i z a t i o n e q u i p m e n t , t h ec o n s t r u c t i o no fe x t r e m e l yc o m p l e x ，t h ep r i c e i sa l s or e l a t i v e l y e x p e n s i v e , h u n d r e d so fd o m e s t i ca n dm e d i u m - s i z e dh o s p i t a l s 吼u r e n t l yi n u s ep l a s m a s t e r i l i z a t i o ne q u i p m e n ta l ef o r e i g nc o m p a n i e ss u c h 雒j o h n s o n & j o h n s o np r o d u c t s r a p i dp l a s m at e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t t oa c h i e v et h el o c a l i z a t i o no fa nu r g e n t m a t t e r i nt h i sp a p e r , e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g , t o n g j iu n i v e r s i t ya n dz h e j i a n gm e d i c a l i n s t r u m e n tc o ，ac o - d e v e l o p e db ya ni n d e p e n d e n tp l a s m as t e r i l i z a t i o nw o t o t y p e m o d e l e do nt h ep l a s m ao f h y d r o g e np e r o x i d ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n - d e p t h r e s e a r c h t h i sp a p e rs t u d i e dt h eh y d r o g e np e r o x i d ep l a s m as t e r i l i z a t i o ni n v o l v e di na n u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e s t h i sa r t i c l ew i l lt h e s ek e yt e c h n o l o g i e sa r ed i v i d e di n t o t w oc a t e g o r i e s ：p l a s m ah y d r o g e np e r o x i d em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , p l a s m ap o w e rs u p p l yd e s i g n p l a s m ah y d r o g e np e r o x i d em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g yo ft h ec q m p m e n t ，t h ee n t i r es t r u c t u r ea n df u n c t i o na n a l y s i so f t h ed e s i g n t oa c h i e v eas a f ea n ds e c u r e , h i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 p l a s m ap o w e rs u p p l ya c c o r d i n g t ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t so ft h es e l e c t e db e s t h t o n g j i u n i v e r s i t y m a s t e r o f p h i l o s o p h ya b s t r a c t 。 一_ 一一一 s t i e r i i i z i n ge f f c c to fg a s - d i s c h a r g ef o r m ，p u tf o r w a r d a b o u td e s i g n - t h ep o w e rs u p p l y b yt w oi n d e p e n d e n tp a c k a g ec o m p o n e n t s ：1 5 0 vd cp o w e rs u p p l ya n df u l l b r i d g e c o n v 酣既t h ep o w e rs u p p l y 锄懿l r 陷t h a tt h ec o n t a i n e rg a s - p l a s m at e c h n o l o g yw 褐 c a r r i e do u t h in d sp a p e r , r e s e a r c ha n da n a l y s i so f t h e s ek e yt e c h n o l o g i e sb a s e do nt h e a t 0 蕊z a t i o no f h y d g 髓p 唧i x i d e t h et e c h n o l o g yt os o l v eat i i 曲c o n c e n t r a t i o no f h y d r o g e np e r o x i d et r a n s p o r ta n d u s ew h e nt h e ye n c o u n t e rp r o b l e m s ，g r e a t l y e n h a n c e dt h es t e r i l i z i n ge f f e c to ft h ed e v i c e k e yw o r d s ：p l a s m as t e r i l i z a t i o n , h y d r o g e np e r o x i d ec o n c e n t r a t i o n , 删盯 m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l 1 1 i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第l 章引言l 1 1 消毒灭菌概述l 1 2 现有灭菌技术比较1 1 3 等离子过氧化氢灭菌技术3 1 3 1 灭菌机制3 1 3 2 灭菌技术的基本原理与特点4 1 4 课题来源5 1 4 1 课题背景5 1 4 2 课题主要研究内容6 第2 章等离子体技术及其在医疗方面的应用7 2 1 等离子的概念7 2 2 等离子体的性质7 2 3 等离子体技术简介9 2 4 影响等离子消毒灭菌的各因素分析1 0 2 5 等离子体在医学上的应用1 l 2 6 等离子体的危害及存在问题1 3 第3 章等离子体电源部分的控制1 5 3 1 等离子电源系统1 5 3 1 1 电源性能要求与方案选定1 5 3 1 2 方案选定l6 3 21 5 0 v 开关电源设计1 7 3 2 1 开关稳压电源18 3 2 2d c d c 主变换的结构“。2 2 3 2 3 有源功率因素校正电路分析与设计2 3 3 2 4 半桥变换器3 8 3 3 全桥式变换电路设计：3 9 3 3 1 概述3 9 3 3 2 控制电路的核心p w m 控制器s g 3 5 2 6 4 0 3 4 等离子场强分析4 4 3 5 本章小结4 8 第4 章过氧化氢浓缩与在线检测技术4 9 4 1 过氧化氢的性质4 9 i v 同济大学硕士学位论文目录 4 2 过氧化氢的浓缩技术4 9 4 3 过氧化氢浓度的检测技术。5 2 4 3 1 总体设计方案5 2 4 3 2 光电检测技术5 3 4 4 本章小结5 8 第5 章等离子低温灭菌设备微机测控技术的研究5 9 5 1 引言5 9 5 2 工作流程和参数设置5 9 5 3 测控系统的选型和分析6 2 5 4 测控系统硬件总体设计6 3 5 4 1 系统硬件设计原则6 3 5 4 2 系统硬件设计方案“ 5 5 测控系统硬件具体设计与分析6 5 5 5 1a d 转换电路设计6 5 5 5 2 并行数据接口扩展电路设计6 6 5 5 3 时钟接口电路设计6 7 5 5 4 串口接口电路设计6 8 5 6 系统软件设计方案6 9 5 7 测控系统的软件具体设计和分析7 3 5 7 1a d 转换测量子程序：。7 3 5 7 2 数字滤波子程序7 3 5 7 3 真空度显示数据的处理。7 4 5 8 菜单设置和键盘处理7 7 5 8 1 菜单设置7 7 5 8 2 键盘处理7 7 5 9 串口子程序7 8 5 1 0 本章小结：8 0 第6 章总结与展望。8 l 6 1 总结8 1 6 2 展望8 1 致谢8 2 参考文献8 3 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 5 v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 消毒灭菌概述 随着医疗卫生的迅速发展和医疗技术的不断提高，新的医用材料和新的精 密医用仪器设备也层出不穷。为了使医疗器械能快速地重复使用而不受感染因 素的影响，各种消毒灭菌设备已经是医疗单位的必备产品。如何兼顾成本效益 和灭菌效果，也成为各医疗单位关注的焦点。 消毒( d i s i n f e c t i o n ) 从医院除污染的意义上是指用化学的或物理的方法杀灭 或清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。这里处理的重点是病原微生物，以达到保护暴露人群不受感染 的目的。杀灭或清除医院内环境中和传播媒介上的病原微生物称之为“医院消 毒【1 1 。 灭菌则是指用化学的或物理的方法杀灭或清除传播媒介上所有微生物，使 之达到无菌水平，灭菌是一个绝对的概念。 消毒灭菌方法按照灭菌环境温度的高低可分为高温灭菌和低温灭菌。高温 灭菌一般温度都大于1 0 0 ，主要有燃烧法、湿热法和干热法这3 种。由于医院 中相当多的医疗器械是非金属材料，不耐高温，因此，高温灭菌在医疗临床使 用受到了很多的限制。为了解决这一问题，各种低温灭菌方法逐渐产生，成为 医院中实际应用的主流。理想的低温灭菌技术应该具备以下的一些性质： ( 1 ) 灭菌时间应该尽量短，至少要少于传统的热力灭菌法。 ( 2 ) 灭菌时的温度应该要低于6 0 。 ( 3 ) 能够满足多种不同物体的灭菌需要。 ( 4 ) 整个灭菌过程对于操作人员、病人和被灭菌物体都应该是无害的。 实用常见的低温灭菌方法主要有环氧乙烷( e t h y l e n eo x i d e ，e o ) 、低温蒸汽 甲醛灭菌( l o wt e m p e r a t u r es t r e a mf o r m a l d e h y d e ，l t s f ) 和过氧化氢等离子体 ( h y d r o g e np e r o x i d ep l a s m a ) 这3 种。f 2 1 1 2 现有灭菌技术比较 同济大学硕士学位论文等离子过氧化氢灭菌技术研究与实现 1 蒸汽式灭菌设备 高压蒸汽灭菌设备是沿用历史最长、应用面最广的一种灭菌方式，如今仍 在广泛应用。但是人们已经在传统的方式上进行了改进，推出了脉动真空方式 的蒸汽式灭菌设备，提高了灭菌质量，缩短了灭菌周期。 2 干热灭菌器 干热灭菌以其快速在灭菌领域占有一席之地，干热灭菌器灭菌范围较窄， 因此在装备上有一定局限性。但是，干热灭菌器能够对粉末状物体进行灭菌是 其它灭菌设备所难以实现的。南海市辉越有限公司开发了一种利用卤钨灯为热 源的快速干热灭菌器，构思巧妙，完善了灭菌设备的产品系列。 3 环氧乙烷灭菌设备 环氧乙烷灭菌随着一次性制品的普及而一跃成为占第二位主要灭菌设备， 其特点是低温、低湿、穿透力强，这一特点正适合一次性制品生产企业产品最 终集中灭菌，因此在国内广泛应用于一次性医疗器械生产企业。而国外的医院 由于对灭菌要求不同，所以医院中应用面也很大。但是近年来国外文献已开始 报道环氧乙烷灭菌设备被限制使用的提法，主要原因是：环氧乙烷有毒，对操 作人员、环境均有影响，还有一种提法是环氧乙烷可导至癌症。因此对环氧乙 烷灭菌还需进一步考证，对其功过是非给予明确的评价或更好的解决办法。 4 臭氧灭菌器 臭氧灭菌也是近年兴起的热门灭菌技术，主要应用于手术室等环境的空气 灭菌，用以替代原有的化学熏蒸法、紫外线照射法等方法。 臭氧灭菌具有高效、广谱、无毒、灭菌时间短、使用方便等优点，所以受 到国内外医疗单位和生产企业的重视，国内也有多家企业生产这类产品。从国 内外的文献报道看，臭氧灭菌已得到充分的肯定和认可。臭氧灭菌不足之处也 是氧化作用，主要是对橡胶制品比较敏感，这些将有赖于使用者注意【3 】。 5 过氧化氢等离子体灭菌器 过氧化氢( 双氧水) 自身就是一种消毒剂，但作为灭菌设备的灭菌媒体是 近年才开始的。从过氧化氢的分子式中就可以完全免除有毒或有害的嫌疑，并 且灭菌过程是低温、低湿、快速，完全符合今后灭菌设备的开发方向，很有可 能成为环氧乙烷灭菌设备的替代品。但是目前等离子体的发生还局限于较小的 容积空间，所以工业用环氧乙烷灭菌设备尚可保留一段时间。 过氧化氢等离子体灭菌是在低温( 约5 5 ) 、低湿( 约1 0 r h ) 的条件下， 2 第1 章引言 短时间( 少于6 0 分钟) 即可完成全部灭菌过程，并且灭菌对象范围广，如：金 属制品、非耐热制品、非耐湿制品。但不适于液体、粉末类物体的灭菌【2 】。但 是，对于单端封闭的细管类制品灭菌需采取附加工序。由于过氧化氢是一种高 氧化剂，所以对某些被灭菌物体表面有一定氧化作用，但不会造成功能性影响。 表1 1 中为医用灭菌技术的比较分析。 表1 1 现有医用灭菌技术的比较分析 等离子体高温蒸 e t o c f c 消毒液紫外线臭 灭菌技术 灭菌汽灭菌 灭菌 浸泡氧消毒 等离子蒸汽环氧乙烷消毒紫外、臭 设备名称 灭菌器灭菌柜 灭菌柜清洗机氧消毒柜 排风、防 配套设备 2 2 0v 电源 蒸汽锅炉2 2 0 v 电源2 2 0 v 电源 爆设施 畏热物品 不锈钢、物品表面 适用物品非液体类非液体类 无法用塑料消毒 耗能少高较少少少 时间效率较短较长很长较长较长 有废蒸有e t o c f c有化学有臭氧 废气排放无 汽排放废气废水产生 物品损耗无高温损耗较少化学锈蚀无 高( 1 1 5 温度 室温低( 6 5 左右)室温室温 1 3 5 1 2 ) 化学残留无 无 有有 无 1 3 等离子过氧化氢灭菌技术 1 3 1 灭菌机制 过氧化氢是一种使用较早的化学消毒剂，主要通过氧化作用杀菌，且分解 后无残留毒性。过氧化氢等离子体灭菌技术的研究还在进一步完善阶段，目前 比较一致认可的解释是：过氧化氢等离子体的杀菌作用是综合因素所致，主要 3 同济大学硕士学位论文等离子过氧化氢灭菌技术研究与实现 包括温度、紫外线、高能粒子和活性自由基等。其中最主要的可能是活性自由 基的作用。即等离子团中过氧化氢基、羟基等活性物质，容易与细菌体内的蛋 白质和核酸结合，破坏其新陈代谢，从而起到消毒杀菌的作用【3 1 。 等离子体是由电子、离子等带电粒子构成的物质第四态，在等离子体高频 电磁场中受带电粒子轰击以及紫外线辐照等作用，细菌病毒细胞上的电荷分布 被彻底破坏并形成电击穿而迅速死亡。低温等离子体的杀菌消毒机理可以概括 为以下几点【4 】： ( 1 ) 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、霉菌及芽苞、病毒中蛋白质和核酸物质发生氧化反应而变 性，使各类微生物死亡。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 紫外线的作用：在激发h ，o ：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( 3 3 q 6e v ) 被微生物或病毒中蛋白质所吸收，致使 微生物或病毒分子变性失活。 等离子体具有优良的杀菌能力，自从1 9 6 8 年m e n a s h i 首次使用氩等离子体 杀灭玻璃瓶表面细菌以来，利用等离子体的杀菌消毒技术正不断替代常规技术， 广泛应用于各个行业，并展现出巨大的优势。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。 1 3 2 灭菌技术的基本原理与特点 过氧化氢等离子体灭菌系统被逐渐推广使用，有取代目前主流的环氧乙烷 低温灭菌的趋势，主要是因为它具备以下特点： ( 1 ) 灭菌速度快，只需5 5 m i n 左右，也不需要额外的解毒时间，从而可大 大地提高消毒灭菌效率，同时提高医疗器械的周转率； 4 第1 章引言 ( 2 ) 可通过气体循环系统将杀死的微生物以及残留物带走； ( 3 ) 最终分解为水和氧气，对环境和医务人员安全，而且环保； ( 4 ) 安装使用都很方便，不需要专门的房间，也不需要通风、排水等附加 设备。 本设备以强生公司的a s p ( a d v a n c e d ds t e r i l i z ep r o d u c t s ，高级灭菌产品部) 开发研制出的过氧化氢低温等离子体灭菌器s t e r r a d - - 1 0 0 s 为模本，在消化吸 收原技术的基础上进行创新。该设备采用高频电磁场作为等离子激发源，先将 灭菌腔体内抽真空，通入过氧化氢气体，使得腔体内压力保持在一定范围内， 然后施加射频电场，发生辉光放电，产生等离子体。在过氧化氢和低温气体等 离子体的协同作用下，可快速破坏微生物。整个循环过程约l 小时，可有效杀灭 各类微生物，从而对医疗器械达到消毒灭菌目的。 1 4 课题来源 1 4 1 课题背景 随着科学技术的不断发展，消毒灭菌设备的技术在国内外均有新的进展， 尤其是在发达国家这方面发展得更快。我国医疗器械市场容量连续几年高速增 长，“八五 、“九五 年平均增长速度为1 8 - 2 0 。根据权威机构预测，“十 五 期间，我国医疗仪器设备的销售将继续呈上升趋势。按照国家经贸委指定 的医疗器械“十五 发展规划，到2 0 1 0 年我国医疗器械总产值将达到1 0 0 0 亿 元。 等离子灭菌技术的应用，开创了一个低温消毒的新领域，在很多发达地区 和国家，已经得到广泛的应用。国内也陆续有些医院开始使用这种技术，它的 快速、无毒、对环境无污染，并且安装使用方便等优点越来越受到重视和欢迎。 过氧化氢等离子体灭菌设备作为高档的灭菌设备，科技门槛较高，价格也比较 昂贵，国外仅美国强生公司等数家公司能够生产，目前国内所使用的等离子灭 菌设备也基本都是从国外进口的设备。我国中科院于0 6 年已成功开发研制出过 氧化氢等离子体灭菌器样机。预计不久后将实现过氧化氢等离子体灭菌器国产 化，在很大程度上取代低温化学灭菌。通过本课题工作，对等离子体灭菌技术 进行深入研究和改进，研制出更先进更人性化的等离子体灭菌设备，不仅具有 5 同济大学硕士学位论文等离子过氧化氢灭菌技术研究与实现 重大的经济效益，同时也具有重大的科研效益和社会效益。 1 4 2 课题主要研究内容 本文首先研究了等离子过氧化氢灭菌技术中一些共性的关键技术，并在此 基础上提出了过氧化氢浓缩与在线过氧化氢检测的解决方案。最后通过试制、 调试验证了本设备具有良好的灭菌效果与稳定的运行机制，这是其他灭菌设备 无可比拟的。全文内容安排如下： 第一章先简单介绍了消毒灭菌的一些基本概念及其国内外发展、研究现状， 并对几种市场上主流的灭菌设备进行比较，论述了等离子体灭菌技术特点，同 时也描述了过氧化氢灭菌的技术特征和一些关键技术。 第二章对等离子灭菌技术中的测控技术进行分析。包括设备的流程控制， 等离子灭菌系统的硬件设计与软件设计。 第三章和第四章深入研究了等离子灭菌技术中的等离子电源技术，这是影 响设备灭菌效果的关键技术。第二章侧重于分析等离子体的性质，影响等离子 体的相关因素及其在医疗领域的应用。第三章侧重于等离子电源的控制技术， 根据第三章的影响设备灭菌效果的因素选定控制电源的设计方案，等离子电源 是一个串联电源、由一个直流开关电源与一个h 桥变换器组成；对两者进行深 入研究与分析。 第五章解决过氧化氢的浓缩技术与在线检测技术。过氧化氢作为设备的消 毒剂，浓度的高低将直接影响灭菌的效果，本设备使用的浓度为5 9 的过氧化 氢将根据与水的沸点不同进行浓缩，达到较好的灭菌效果。同时本章提出了紫 外线电流法在线检测过氧化氢浓度，很好的解决了卫生部要求检测药水浓度的 问题。 第六章对全文进行了总结，并指出了研究工作中的不足。最后对下一步研 究方向进行了展望。 6 第2 章等离子体技术研究 第2 章等离子体技术研究 2 1 等离子的概念 所谓等离子体( p l a m a ) 是指高度电离的气体云，是气体在加热或强电磁场作 用下电离而产生的，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基及射线等组 成。其中活性自由基及射线，如紫外线、y 射线等对微生物具有识强的杀灭作用。 等离子体被称为继“固、液、气三态以外的新的物质聚集态，即物质第四态， 因其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，故称其为等离子体。 等离子体一词详自p l a s m a ，源于希腊语，意为能够成形的东西，1 9 2 7 年朗 谬尔在研究水银蒸汽的离子化状态时，发现在电离气体中存在着荷电粒子特有 的周期性振荡，喻之为生命的脉动而称其为p l a s m a t 卯。在相当长的一段时期内， 等离子体主要还是作为发光现象、导电流体或高能量密度的热源来加以研究和 应用。直到本世纪6 0 年代，由于高技术的蓬勃发展和对新材料、新工艺的迫切 需求，才引起人们对等离子体的应用的广泛关注，包括在消毒、灭菌方面的应 用。6 0 年代美国最先就等离子体杀灭微生物的效果进行了研究。m e n a s l 经卤素 气体等离子体杀菌作用研究证实了等离子体的强力杀菌作用，并首先研制出了 等离子体灭菌设备。而今有关等离子体消毒和灭菌的研究和产品很多，并已引 起消毒研究工作者的极大关注。 2 2 等离子体的性质 等离子体可分为热平衡等离子体( 或热等离子体) 与非热平衡等离子体( 或冷 等离子体) 两大类，冷等离子体包括辉光放电、低压射频放电、电晕放电等，日 常用的荧光灯，半导体工业中所用到的刻蚀技术等都属于此类【6 l 。热等离子体 的产生方法包括大气压下电极间的交流与直流放电、常压电感耦合等离子体、 常压微波放电等。 作为物质存在的又一种基本形式，等离子体必然有其特有的物质属性。 1 存在形式 7 罐 同济大学硕士学位论文等离子过氧化氢灭菌技术研究与实现 等离子体是指电离气体。但并非任何电离气体都是等离子体，只有当带电 粒孑密度达到其建立的空问电荷足以限制其自身运动时。带电粒子才会对体系 性质产生显著影响，选样密度的电离气体才转变成等离子体。当气体经电场作 用后，在电子动能的作用下，使其发生碰撞，碰撞中发生能量转移。处于基态 的原子中的电子获得能量跃迁到高能级，从而使原于处于激发态。如果基态原 子获得的能量足够大，致使原子中至少一个电子完全脱离原子核的柬缚成为自 由电子，同时原子变成正离子，这一过程称为电离。这样不断地碰撞、激发、 电离，形成了电子、光子、基态原子( 或分子) 、激发态的原子( 或分子) 、正离子、 负离子等，即形成了一种新的物质状态一等离子体。 2 时间特性 在电场的作用下，自由电子加速而与气体分子发生碰撞并产生能量转移， 使电子能量超过1ev 时，就可使价电子由低能级越迁到高能级。原子成为激发 态，激发态的原子都是不稳定的，一般只能存在约l o s 即跃迁回能量较低的状 态而把多余的能量以发光的形式释放出来。这种过程称为消激发。但并非所有 能级上的电子均能自发跃迁到基态的。那些受“选择定则”限制不能通过光辐 射直接向基态跃迁的能级称为亚稳能级。受激原子在亚稳态上停留的时间要长 得多。寿命可选1 0 - 4 1 0 2s 。直到发生另一次弹性碰撞使它消激发。亚稳跃迁 在低温等离子体的电离过程中起重要作用。如要使等离子体保持一定的浓度。 则要不断施加能量。 3 空间特性 由于正离子和电子的空间电荷互相抵消，使等离子体在宏观上呈电中性。 但只有在特定的空间尺度上电中性才成立。德拜长度是描述等离子体空间特性 c 1 ；f 的一个重要参量，德拜长度的计算公式为：乃= ，f c o - a y l - 。以为德拜长度，为 真空介电常数( = 8 8 5 x1 0 1 2 f m _ 1 ) ，k 为玻尔兹曼常数，为电子温度，n 为 带电粒子数【7 】。 德拜长度是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度，也可以说德拜长 度是等离子体中固热运动或其他抗动导致电荷分离的最大允许尺寸限度。德拜 长度还可作为等离子体宏观空间尺度的下限，即一个电离气体若称其为物质第 四态的等离子体，其存在的空阃条件应为空间尺度远大于如。 4 粒子密度和电离度 8 第2 章等离子体技术研究 下，观察对l o 毫升玻璃瓶内污染的枯草杆菌芽胞杀灭效果，耦合等离子体杀芽 咆效果明显改善，速度加快，功率2 0 0 w 时，d 值为2 2 秒。5 0 0 w 时。d 值为 0 3 秒。故不同的激发源产生的等离子体的杀菌效果不同。 3 与加入的消毒剂气体种类有关 在等离子体杀菌作用研究中发现，把某些消毒剂气化加人载气流中，以混 合气体进入反应腔，这种混合气体等离子体可以增强杀菌效果b o u c h e r 用多种醛 类化台物分别混人氧气、氩气或氮气电离产生混合气体等离子体，观察其对污 染在a o a c 专用瓷杯上的枯草杆菌芽胞的杀灭效果，研究结果表明，混合气体 等离子体的杀灭细菌芽胞的效果比单一中性气体等离子体效果更好在上述三种 气体中，分别混人甲醛、丁二醛、戊二醛效果最为明显，而丙二醛、羟基已醛 和苯甲醛则无增效怍用，但甲醛与氢气混合亦无明显增效说明对所混合的气体 是有选择性的。另外，在空气中加入氧气、过氧化氧、甲醛等产生的等离子体 也可大大增加其杀菌效果，但加入过氧化氢后增加的幅度最高。另外，不同气 体作为底气发生的等离子体的灭菌效果也不同，g e g o l e w s k i 等( 1 9 9 6 ) 研究用氧 气、二氧化碳、氮气、氢气等离子体处理过的污染多聚体，结果发现，用氧气 和二氧化碳等离子体处理1 5 分钟后多聚体为无菌，用氩气和氯气等离子体处理 后在同样条件下，仅7 0 的样品为无菌，延长到3 0 分钟，功率提高后灭菌效果 并未提高。 二 4 有机物的影响 a l f a 等研究了等离子体灭菌器对放入其腔件内的物体载体的灭菌效果受有 机物影响的情况，发现l o 的血清和0 6 5 的盐使效果减弱。b r y c e 等也报道盐 和蛋白均会影响等离子体灭菌器的效果。h o l l e r 等研究表明，5 的血对低温等 离子体灭菌器的效果无明显影响。但l o 的血会使效果降低。因此，研究者均 建议等离子体不能用于被血和盐污染的器械的灭菌，尤其是狭窄腔体如内窥镜 的灭菌，如要使用，应先将器械清洗干净。 2 5 等离子体在医学上的应用 等离子体是物质的第四态，具有能量密度高、化学活性成分丰富的特点。 利用等离子这样的特点进行灭菌，效果非常明显，而且速度快。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 同济大学硕士学位论文等离子过氧化氢灭菌技术研究与实现 发光也越来越亮，称为辉光放电。 ( 4 ) 弧光放电：若进一步增加异常辉光放电的电流，当其达到一定值时 管压降陡降，也就从辉光放电过渡到弧光放电。 2 射线辐照法：即利用放射性同位素发出的口，y 射线、x 射线和带电粒 子束使气体电离发生等离子体。 3 光电离法：当人射光子的能量大于某种原子或分子的电离能时，便能发 生光电离，发生等离子体。 4 激光等离子体：利用激光辐射产生等离子体。 5 热电离法：借加热来使物质发生状态变化，主要通过相互碰撞产生电离。 6 激渡等离子体：当流体的冲击波在试样气体中通过时，试样气体因受绝 热压缩而产生高温，从而在冲击波背后行成热致电离等离子体，这种等离子体 释为激波等离子体。 2 4 影响等离子消毒灭菌的各因素分析 等离子体气体消毒剂对微生物的杀灭鼓果受较多因素的影响，主要有： 1 激发源功率 不同功率的电磁场产生的等离子体的数量可能不同，因此对微生物的杀灭 效果也有所不同。n e l s o n 等对此做过研究，结果证明不同功率的高频电磁场所 产生的氧气等离子体对两种细菌芽胞的杀灭效果有明显区别，完全杀灭枯草杆 菌黑色变种芽胞在5 0 w 下需6 0 分钟，在2 0 0 w 功率下则只需5 分钟。所以等离 子体的杀菌效果与激发源功率有直接关系，功率增加3 倍，作用时间缩短l o 倍 以上f l o 】。 2 激发源种类 如用激光作激发源，激光功率可以很高。输送激光能量在2 * 1 0 5 2 1 0 8 w ， 但所产生的等离子体在腔底部直径仅l m m ，高度1 0 m m ，维持时间不到5 微秒。 若要维持等离子体只有加快激光脉冲次数，因为杀菌效果与单位时间内激光脉 冲数有直接关系。研究证明这种单激光装置对于实际应用速度太慢，效果不佳。 t e n s e m e y e r 把激光与微波耦合，以激光激发等离子体。用微波能维持，获得良 好的效果。作用将2 4 5 0 m h z 的微波源与激光设备耦合，在2 0 0 w 和5 0 0 w 条件 1 0 下，观察对l o 毫升玻璃瓶内污染的枯草杆菌芽胞杀灭效果，耦合等离子体杀芽 咆效果明显改善，速度加快，功率2 0 0 w 时，d 值为2 2 秒。5 0 0 w 时。d 值为 0 3 秒。故不同的激发源产生的等离子体的杀菌效果不同。 3 与加入的消毒剂气体种类有关 在等离子体杀菌作用研究中发现，把某些消毒剂气化加人载气流中，以混 合气体进入反应腔，这种混合气体等离子体可以增强杀菌效果b o u c h e r 用多种醛 类化台物分别混入氧气、氩气或氮气电离产生混合气体等离子体，观察其对污 染在a o a c 专用瓷杯上的枯草杆菌芽胞的杀灭效果，研究结果表明，混合气体 等离子体的杀灭细菌芽胞的效果比单