盡管有大量關(guān)于滅菌方法和設(shè)備的文獻(xiàn)，但關(guān)于滅菌對電子設(shè)備的影響的文章卻很少。本文比較了流行的消毒方法，并討論了它們對包含電子設(shè)備的物體的適用性。

引言
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)在越來越多的設(shè)備中，包括醫(yī)療設(shè)備。醫(yī)療應(yīng)用面臨的一個特殊挑戰(zhàn)是需要保持產(chǎn)品無菌——免受真菌、細(xì)菌、病毒和孢子等有害污染物的影響。盡管有大量關(guān)于滅菌方法和設(shè)備的文獻(xiàn)，但關(guān)于滅菌對電子設(shè)備的影響的文章卻很少。本應(yīng)用說明比較了流行的滅菌方法，并討論了它們對包含電子設(shè)備的物體的適用性。

物理方法
有幾種物理滅菌方法，其中最有效的方法是在稱為高壓滅菌器的設(shè)備中結(jié)合熱量、濕度和壓力。

高壓蒸汽滅菌

器 眾所周知，醫(yī)療器械的熱滅菌已在古羅馬使用。水分的存在顯著加速了熱滲透（蒸汽滅菌）。高壓釜于 1879 年發(fā)明，將熱量和水分與高壓相結(jié)合。

工作原理
高壓釜是一種類似于壓力鍋的容器。里面裝滿待滅菌的物品，然后密封。接下來，高溫蒸汽在高壓下被強(qiáng)制進(jìn)入，從而置換空氣。濕熱通過酶和結(jié)構(gòu)蛋白的不可逆凝結(jié)和變性來破壞微生物。完成此操作的時間和溫度取決于壓力和要滅活的微生物類型。經(jīng)過必要的時間后，釋放蒸汽并取出已消毒的物體。整個周期可能需要 15 到 60 分鐘（批處理）。

問題
高壓滅菌器適用于能夠耐受濕度、高壓（高于環(huán)境 1 至 3.5 個大氣壓）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?？梢蕴幚砀哌_(dá) +125°C 的溫度。然而，將嵌入式電池暴露在高溫下會顯著縮短其使用壽命。使用浮柵技術(shù)的存儲設(shè)備（例如 EEPROM）可能對高溫敏感。但是，如果在 +125°C 下將數(shù)據(jù)保留時間指定為 10 年，則不應(yīng)預(yù)期會丟失數(shù)據(jù)完整性。否則，應(yīng)偶爾刷新（重寫）存儲器數(shù)據(jù)以恢復(fù)浮柵上的全部電荷。這適用于激光修整的 EEPROM。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中通常不指定裝飾類型，

化學(xué)方法
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有大量用于滅菌的化學(xué)方法。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 年代初期獲得工業(yè)重要性。用于保存香料的 ETO 滅菌在 1938 年獲得了專利。當(dāng)對熱和濕氣敏感的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行滅菌的替代品很少存在時，ETO 的使用得到了發(fā)展。

工作原理
ETO 滅菌器是一個先裝滿待滅菌物品的容器?；镜?ETO 滅菌周期包括五個階段（加濕抽空、氣體引入、暴露、抽空和空氣清洗），大約需要 2 1/2 小時，不包括曝氣時間（去除 ETO）。在 +50 至 +60°C 下，機(jī)械曝氣需要 8 至 12 小時；被動曝氣也是可能的，但可能需要 7 天。曝氣完成后，將滅菌對象取出（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。

問題
ETO 滅菌適用于不能承受蒸汽（高壓滅菌器）滅菌所需的高溫和濕氣的物體。由于其 +30° 至 +60°C 的低溫條件，ETO 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，嵌入式電池可能無法接受真空。此外，該方法還有一個缺點(diǎn)：ETO 是一種高度易燃的石油基氣體和致癌物。

二氧化氯 (CD) 氣體消毒

二氧化氯 (CD) 于 1811 年或 1814 年（均已列出）被發(fā)現(xiàn)，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，美國環(huán)保署將二氧化氯注冊為殺菌劑。這為醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。

它是如何工作的
CD滅菌器是一個容器，首先裝滿要滅菌的物體。基本的 CD 滅菌周期包括五個階段（加濕預(yù)處理、調(diào)節(jié)、二氧化氯氣體的產(chǎn)生和輸送、暴露和曝氣），大約需要 2 1/2 小時，包括曝氣時間（去除 CD）。曝氣完成后，將滅菌對象取出（批處理）。二氧化氯 (ClO2) 充當(dāng)氧化劑并與多種細(xì)胞成分發(fā)生反應(yīng)，包括微生物的細(xì)胞膜。通過從它們“竊取”電子（氧化），CD 會破壞它們的分子鍵，從而導(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)，因此酶功能被破壞，導(dǎo)致非?？焖俚募?xì)菌殺滅。CD 的效力歸因于對許多蛋白質(zhì)的同時氧化攻擊，從而防止細(xì)胞突變?yōu)榭剐孕问?。此外，由于二氧化氯的反?yīng)性較低，其抗菌作用在有機(jī)物存在下保持更長時間。

問題
CD 滅菌適用于無法承受蒸汽（高壓滅菌器）滅菌所需的高溫和濕氣的物體。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 氣體在用于該方法的濃度下是不可燃的，并且不會致癌。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 年首次被分離出來。它在制藥行業(yè)的使用歷史悠久，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
VHP 滅菌器首先裝滿要滅菌的物體。基本的 VHP 滅菌周期包括三個階段（調(diào)節(jié)包括真空產(chǎn)生、H2O2 注入和曝氣），大約需要 1 1/2 小時，包括曝氣時間（去除 H2O2）。曝氣完成后，將滅菌對象取出（批處理）。HPV 的確切作用機(jī)制仍有待充分了解，并且可能因微生物而異。盡管如此，H2O2 通過產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（例如羥基自由基）來產(chǎn)生氧化應(yīng)激，這些物質(zhì)會攻擊多個分子靶標(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（高壓滅菌器）滅菌所需的高溫和濕氣的物體。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。然而，嵌入式電池可能無法接受真空。VHP 滲透能力低于 ETO。

過氧化氫等離子滅菌

它是如何工作的
這種方法結(jié)合了化學(xué)和物理。過氧化氫等離子消毒器首先裝滿待消毒的物體?；镜倪^氧化氫等離子體滅菌循環(huán)包括四個階段（真空產(chǎn)生、H2O2 注入、擴(kuò)散和等離子體放電），大約需要 1 到 3 小時。不需要曝氣。循環(huán)完成后，將滅菌對象取出（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自由基（羥基和羥基自由基）的產(chǎn)生來滅活微生物。過氧化氫等離子滅菌絕不能與使用超聲波產(chǎn)生霧氣的系統(tǒng)相混淆，因此不涉及電等離子放電。

問題
過氧化氫等離子滅菌適用于不能承受蒸汽（高壓釜）滅菌所需的高溫和濕氣的物體。所需的真空沒有 VHP 滅菌那么深。雖然 +40° 至 + 65°C 的低工藝溫度很有吸引力，但在等離子放電階段，200W 至 400W 范圍內(nèi)的 13.56 MHz 射頻能量對于嵌入式電子設(shè)備來說是個問題。過氧化氫等離子滅菌不應(yīng)用于含有半導(dǎo)體的物體。

輻射方法

伽馬射線滅菌

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

它是如何工作的
待消毒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。在停止在輻射場中以便物體接收到所需的劑量后，傳送帶繼續(xù)移動并曝光下一個物體。代替走走停停的動作，傳送帶可以以確保適當(dāng)劑量（連續(xù)處理）的速度連續(xù)移動。電離輻射會引起激發(fā)、電離，并且在存在水的情況下會形成自由基。自由基是強(qiáng)大的氧化劑（OH、HO2）和還原劑（H），能夠破壞活細(xì)胞中的基本分子。因此，所有三個過程都會導(dǎo)致基本細(xì)胞成分（例如酶和 DNA）的分解。這導(dǎo)致細(xì)胞死亡。伽馬輻射最具生物破壞性的形式發(fā)生在伽馬射線窗口中，介于 3MeV 和 10MeV 之間。Cobalt-60 發(fā)射 1.17MeV 和 1.33MeV 水平的伽馬輻射，略低于最有效范圍。

問題
伽馬輻射深入被照射的物體。它比物理和化學(xué)方法更快；它發(fā)生在升高的室溫和正常大氣壓下。輻照器是一個大型物體，具有 2m 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)整照射時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。對電子設(shè)備的影響取決于劑量和劑量率。在極端情況下，硅中超過 5000 rads 的總電離在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)傳遞，會使半導(dǎo)體材料長時間退化。例如，在實(shí)踐中，醫(yī)療行業(yè)以 250 至 500 拉德范圍內(nèi)的電離水平對儀器和產(chǎn)品進(jìn)行消毒，專門設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體器件可以可靠運(yùn)行的地方。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

因?yàn)樗鼈兪菑碾娮庸埽ㄒ卜Q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，它產(chǎn)生并偏轉(zhuǎn)電子束以掃描熒光屏。隨著電視的推出，它成為了一種家庭用品。在用于電視的 CRT 中，電子束的電子在 10kV（黑白）或 25kV（彩色）的陽極電壓下被加速，當(dāng)它們撞擊屏幕時又回到金屬導(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，并且屏幕被鈦箔制成的窗口取代，它可以讓電子離開真空，但阻止氣體分子進(jìn)入大氣。

工作原理
待消毒的物體被放置在傳送帶上，傳送帶將它們緩慢地傳送通過電子束離開發(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)處理）。達(dá)到滅菌所需的穿透力需要 5MeV 到 10MeV 的能量水平。電子束輻射形成與大分子反應(yīng)的自由基，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，不會產(chǎn)生核廢料，并且在正常大氣壓下的升高室溫下進(jìn)行。與伽馬輻射相比，電子束輻射對材料具有更好的相容性。當(dāng)指向電子元件時，電子束會導(dǎo)致電荷積聚 (ESD)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p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)體旨在特別耐受電子束輻射水平和 ESD 積聚。

結(jié)論
有物理、化學(xué)和輻射方法對用于醫(yī)療應(yīng)用的物體進(jìn)行消毒。每種滅菌方法都有其特殊特性，可能與半導(dǎo)體設(shè)備兼容，也可能不兼容。在選擇特定方法時，應(yīng)考慮潛在的副作用，尤其是在涉及電子設(shè)備時。
表 1 總結(jié)了本文中討論的方法及其與嵌入式電子設(shè)備的兼容性。二氧化氯對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包括電池的電子醫(yī)療設(shè)備的出色滅菌方法。IC 的環(huán)氧樹脂封裝材料不會接觸化學(xué)消毒劑，因此不會受到影響。如果需要抗輻射，則必須使用專門設(shè)計(jì)和兼容的 IC。

表 1：滅菌方法及其兼容性