盡管關(guān)于滅菌方法和設(shè)備的文獻(xiàn)相當(dāng)多，但關(guān)于滅菌對(duì)電子產(chǎn)品的影響的文章很少。本文比較了流行的滅菌方法，并討論了它們對(duì)包含電子設(shè)備的物體的適用性。

由于半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的進(jìn)步，如今集成電路（IC）出現(xiàn)在包括醫(yī)療設(shè)備在內(nèi)的各種設(shè)備中。醫(yī)療應(yīng)用面臨的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是需要保持產(chǎn)品無菌，不受真菌、細(xì)菌、病毒和孢子形式等有害污染物的影響。盡管關(guān)于滅菌方法和設(shè)備的文獻(xiàn)相當(dāng)多，但關(guān)于滅菌對(duì)電子產(chǎn)品的影響的文章很少。本應(yīng)用筆記比較了常用的滅菌方法，并討論了它們對(duì)含有電子元件的物體的適用性。

物理方法

有幾種物理滅菌方法，其中最有效的一種在稱為高壓滅菌器的裝置中將熱量與濕度和壓力相結(jié)合。

高壓釜蒸汽滅菌

眾所周知，醫(yī)療器械的熱滅菌在古羅馬就已經(jīng)使用過。水分的存在顯著加快了熱量滲透（蒸汽滅菌）。高壓滅菌器發(fā)明于1879年，將熱量和水分與高壓相結(jié)合。

工作原理1

高壓釜是一個(gè)類似于壓力鍋的容器。它裝滿了要滅菌的物體，然后密封。接下來，高溫蒸汽在高壓下被迫進(jìn)入，從而置換空氣。濕熱通過酶和結(jié)構(gòu)蛋白的不可逆凝固和變性來破壞微生物。完成此操作的時(shí)間和溫度取決于壓力和要滅活的微生物類型。經(jīng)過必要的時(shí)間后，釋放蒸汽并去除滅菌的物體。整個(gè)周期可能需要 15 到 60 分鐘（批處理）。

問題

高壓滅菌適用于可以承受濕度、高壓（高于環(huán)境溫度 1 至 3.5 個(gè)大氣壓）和高溫（+121°C 至 +148°C）的物體。典型的例子是手術(shù)器械。半導(dǎo)體器件通常可以處理高達(dá)+125°C的溫度。 然而，將嵌入式電池暴露在高溫下會(huì)顯著縮短其使用壽命。使用浮柵技術(shù)的存儲(chǔ)設(shè)備（如EEPROM）可能對(duì)高溫敏感。但是，如果在+10°C下將數(shù)據(jù)保留指定為125年，則不應(yīng)預(yù)期數(shù)據(jù)完整性損失。 否則，應(yīng)偶爾刷新（重寫）內(nèi)存數(shù)據(jù)以恢復(fù)浮動(dòng)門上的完全充電。這適用于激光調(diào)整的EEPROM。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中通常未指定裝飾類型，因此可能需要聯(lián)系供應(yīng)商了解詳細(xì)信息。

化學(xué)方法

在醫(yī)療領(lǐng)域有大量的化學(xué)方法用于滅菌。本節(jié)討論一些流行的方法。化學(xué)方法可以與物理方法相結(jié)合。

環(huán)氧乙烷 （ETO） 滅菌

環(huán)氧乙烷 （ETO） 于 1859 年首次報(bào)道，并在 1900 年代初獲得工業(yè)重要性。 用于保存香料的 ETO 滅菌于 1938 年獲得專利。當(dāng)幾乎沒有替代品可以對(duì)熱敏和濕敏的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行滅菌時(shí)，ETO的使用就得到了發(fā)展。

工作原理2

ETO滅菌器是一個(gè)容器，首先裝滿要滅菌的物體。基本的ETO滅菌周期包括五個(gè)階段（加濕抽真空，氣體引入，暴露，抽真空和空氣沖洗），大約需要2 1/2小時(shí)，不包括曝氣時(shí)間（去除ETO）。機(jī)械曝氣在 +8 至 +12°C 下需要 50 至 60 小時(shí);被動(dòng)曝氣也是可能的，但可能需要7天。曝氣完成后，將滅菌的物體取出（批處理）。ETO與氨基酸，蛋白質(zhì)和DNA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以防止微生物繁殖。3

問題

ETO滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。由于其+30°至+60°C的低溫條件，ETO滅菌工藝非常適合具有嵌入式電子設(shè)備的醫(yī)療設(shè)備。但是，對(duì)于嵌入式電池來說，真空可能不被接受。此外，該方法還有一個(gè)缺點(diǎn)：ETO是一種高度易燃的石油基氣體和致癌物質(zhì)。

二氧化氯 （CD） 氣體滅菌

二氧化氯（CD）于1811年或1814年被發(fā)現(xiàn)（這兩年都列出），并在造紙工業(yè)中作為漂白劑獲得了廣泛的商業(yè)用途。1988年，EPA將二氧化氯注冊(cè)為滅菌劑。這為醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。

工作原理4, 5

CD滅菌器是一個(gè)容器，首先裝滿要滅菌的物體。基本的 CD 滅菌周期包括五個(gè)階段（加濕預(yù)處理、調(diào)節(jié)、二氧化氯氣體的生成和輸送、暴露和曝氣），大約需要 2 1/2 小時(shí)，包括曝氣時(shí)間（去除 CD）。曝氣完成后，將滅菌的物體取出（批處理）。二氧化氯（ClO2）作為氧化劑并與幾種細(xì)胞成分反應(yīng)，包括微生物的細(xì)胞膜。通過從它們那里“竊取”電子（氧化），CD破壞了它們的分子鍵，導(dǎo)致生物體因細(xì)胞破裂而死亡。由于CD改變了參與微生物結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，酶功能被破壞，導(dǎo)致非常迅速的細(xì)菌殺滅。CD的效力歸因于對(duì)許多蛋白質(zhì)的同時(shí)氧化攻擊，從而防止細(xì)胞突變?yōu)榭剐孕问健４送猓捎诙趸鹊姆磻?yīng)性較低，因此在有機(jī)物存在下其抗菌作用保留時(shí)間更長(zhǎng)。

問題

CD滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。由于 +15° 至 +40°C 的低溫，CD 滅菌過程非常適合帶有嵌入式電子設(shè)備的醫(yī)療設(shè)備。CD氣體在該方法使用的濃度下不易燃，并且不致癌。它不需要高濃度即可達(dá)到殺孢子效果。

過氧化氫滅菌

過氧化氫于1818年首次分離。它在制藥行業(yè)有著悠久的使用歷史，是環(huán)氧乙烷（ETO）的流行替代品。過氧化氫可以以兩種方式使用：a）汽化過氧化氫滅菌，和b）過氧化氫等離子體滅菌。

汽化過氧化氫 （VHP?） 滅菌

工作原理6, 7

VHP滅菌器首先填充要滅菌的物體。基本的VHP滅菌周期包括三個(gè)階段（調(diào)節(jié)，包括真空發(fā)生，H2O2注入和曝氣），大約需要 1 1/2 小時(shí)，包括曝氣時(shí)間（去除 H2O2).曝氣完成后，將滅菌的物體取出（批處理）。HPV的確切作用機(jī)制仍有待完全了解，并且可能因微生物而異。盡管如此，H2O2通過產(chǎn)生活性氧（如羥基自由基）來產(chǎn)生氧化應(yīng)激，這些活性氧攻擊多個(gè)分子靶標(biāo)，包括核酸、酶、細(xì)胞壁蛋白和脂質(zhì)。

問題

VHP滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。由于其+25°至+50°C的低溫操作，VHP滅菌過程非常適合帶有嵌入式電子設(shè)備的醫(yī)療設(shè)備。但是，對(duì)于嵌入式電池來說，真空可能不被接受。VHP滲透能力低于ETO的能力。

過氧化氫等離子滅菌

工作原理1

這種方法將化學(xué)與物理相結(jié)合。過氧化氫等離子體滅菌器首先填充待滅菌的物體。基本的過氧化氫等離子滅菌周期包括四個(gè)階段（真空發(fā)生，H2O2注射、擴(kuò)散和血漿放電），大約需要 1 至 3 小時(shí)。不需要曝氣。循環(huán)完成后，將滅菌對(duì)象移除（批處理）。過氧化氫等離子體滅菌主要通過在循環(huán)的等離子體階段結(jié)合使用過氧化氫氣體和產(chǎn)生自由基（羥基和氫丙基自由基）來滅活微生物。過氧化氫等離子體滅菌不得與使用超聲波產(chǎn)生霧氣的系統(tǒng)混淆，因此不涉及等離子體放電。

問題

過氧化氫等離子體滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和潮濕的物體。所需的真空度不如VHP滅菌那么深。雖然+40°至+ 65°C的低工藝溫度很有吸引力，但等離子體放電階段13W至56W范圍內(nèi)的200.400MHz射頻能量對(duì)于嵌入式電子設(shè)備來說是個(gè)問題。過氧化氫等離子體滅菌不應(yīng)用于含有半導(dǎo)體的物體。

輻射方法

伽馬射線滅菌8, 13

伽馬輻射是在1900年研究鐳發(fā)射的輻射時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來，發(fā)現(xiàn)了其他來源，如锝-99m和鈷-60。伽馬輻射的工業(yè)使用始于1950年代，以鈷-60作為輻射源。鈷-60在自然界中不存在;它是在反應(yīng)器中人工生產(chǎn)的。鈷-60的半衰期為5.2714年。

工作原理9

待滅菌的物體被放在傳送帶上，傳送帶將它們運(yùn)送到強(qiáng)伽馬輻射源（如鈷-60）附近。在輻射場(chǎng)中停止以使物體接收到所需劑量后，輸送機(jī)繼續(xù)前進(jìn)并暴露下一個(gè)物體。輸送機(jī)可以以確保適當(dāng)劑量的速度連續(xù)移動(dòng)（連續(xù)加工），而不是走走停停的動(dòng)作。電離輻射引起激發(fā)、電離，在存在水的地方，還會(huì)導(dǎo)致自由基的形成。自由基具有強(qiáng)大的氧化作用（OH，HO2）和還原（H）劑，能夠破壞活細(xì)胞中的必需分子。因此，所有這三個(gè)過程都會(huì)導(dǎo)致必需細(xì)胞成分（如酶和DNA）的分解。這會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。最具生物破壞性的伽馬輻射形式發(fā)生在伽馬射線窗口，在3MeV和10MeV之間。鈷-60發(fā)射的伽馬輻射為1.17MeV和1.33MeV，略低于最有效的范圍。

問題10

伽馬輻射深入照射物體。它比物理和化學(xué)方法更快;它在升高的室溫和正常大氣壓下發(fā)生。輻照器是一個(gè)大型物體，有2米厚的混凝土墻，以保護(hù)環(huán)境免受輻射。由于放射性衰變，需要定期調(diào)整暴露時(shí)間以保持恒定的輻射劑量。除了影響活細(xì)胞外，伽馬輻射還影響聚合物和半導(dǎo)體。對(duì)電子產(chǎn)品的影響取決于劑量和劑量率。在極端情況下，在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)傳遞的硅中總電離大于5000 rads會(huì)使半導(dǎo)體材料長(zhǎng)時(shí)間降解。例如，在實(shí)踐中，醫(yī)療行業(yè)對(duì)電離水平在250至500rads范圍內(nèi)的儀器和產(chǎn)品進(jìn)行滅菌，專門設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體設(shè)備可以可靠地運(yùn)行。因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下，伽馬射線滅菌可用于包含兼容設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體器件的物體。

電子束滅菌11

因?yàn)樗鼈兪菑?a href="http://m.xsypw.cn/article/ic/" target="_blank">電子管（也稱為真空管）的陰極發(fā)射的，所以電子束最初被稱為陰極射線。陰極射線管（CRT）于1897年發(fā)明，可產(chǎn)生并偏轉(zhuǎn)電子束以掃描熒光屏。隨著電視的引入，它成為一種家居用品。在用于電視的CRT中，光束的電子以10kV（黑白）或25kV（彩色）的陽(yáng)極電壓加速，并在撞擊屏幕時(shí)返回金屬導(dǎo)體中。電子束發(fā)生器類似于 CRT。然而，加速電壓可以高達(dá)1000倍，屏幕被鈦箔制成的窗口所取代，該窗口允許電子離開真空，但將氣體分子從大氣中排除在外。電子束用于滅菌始于1956年，當(dāng)時(shí)醫(yī)療器械行業(yè)開發(fā)了第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用。

工作原理9, 12

待滅菌的物體被放在傳送帶上，傳送帶將它們緩慢地輸送到電子束離開發(fā)生器的窗口。選擇輸送機(jī)速度以確保適當(dāng)?shù)膭┝浚ㄟB續(xù)加工）。達(dá)到滅菌所需的穿透力需要5MeV至10MeV的能級(jí)。電子束輻射形成自由基，與大分子反應(yīng)，從而破壞細(xì)胞DNA，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這種方法可以破壞所有類型的病原體，包括病毒、真菌、細(xì)菌、寄生蟲、孢子和霉菌。

問題

電子束輻射的穿透深度不如伽馬輻射。然而，它比伽馬射線滅菌更快，不會(huì)產(chǎn)生核廢料，并且在正常大氣壓下的室溫升高下進(jìn)行。電子束輻射比伽馬輻射對(duì)材料具有更好的相容性。當(dāng)電子束指向電子元件時(shí)，電子束會(huì)導(dǎo)致電荷積聚（ESD），進(jìn)而造成損壞。因此，電子束滅菌應(yīng)僅用于含有半導(dǎo)體的物體，這些半導(dǎo)體旨在專門耐受電子束輻射水平和ESD積聚。

結(jié)論

有物理、化學(xué)和輻射方法對(duì)醫(yī)療應(yīng)用中的物體進(jìn)行消毒。每種滅菌方法都有其特殊特性，這些特性可能與半導(dǎo)體器件兼容，也可能不兼容。在選擇特定方法時(shí)，應(yīng)考慮潛在的副作用，尤其是在涉及電子設(shè)備時(shí)。

表1總結(jié)了本文討論的方法及其與嵌入式電子器件的兼容性。二氧化氯對(duì)電子元件沒有已知的不利影響，因此是與電子元件兼容的最佳整體選擇。環(huán)氧乙烷和汽化過氧化氫也是不含電池的電子醫(yī)療設(shè)備的極好滅菌方法。IC的環(huán)氧樹脂封裝材料不接觸化學(xué)殺菌劑，因此不會(huì)受到影響。如果需要抗輻射性，則必須使用專門設(shè)計(jì)和兼容的IC。

免責(zé)聲明

本應(yīng)用紀(jì)要的研究于2010年進(jìn)行，完全依賴于公眾可獲得的材料。從那以后，方法和設(shè)備可能已經(jīng)有了技術(shù)改進(jìn)，立法也發(fā)生了變化。所有這些都可能影響上述描述和結(jié)論的正確性。因此，在將包含電子設(shè)備的醫(yī)療設(shè)備暴露于任何滅菌方法（包括此處未提及的方法）之前，請(qǐng)與醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)商聯(lián)系，以驗(yàn)證您打算使用的滅菌設(shè)備是否會(huì)損害醫(yī)療設(shè)備。

審核編輯：郭婷