γ伽馬射線,又稱γ粒子流 ,是原子核能級躍遷退激時釋放出的射線,是波長短于10-12米的電磁波。 γ伽馬射線的殺菌原理有兩方面:一是直接作用,即γ伽馬射線直接破壞微生物的DNA、蛋白質和酶而致死;二是間接作用,γ伽馬射線被微生物中的水吸收而激發或電離,產生激發的水分子(H2O)、電子(e-)、水離子(H20+)、或裂解為氫自由基(H+)、羥自由基(OH-),由此產生一系列與DNA、蛋白質、酶的氧化還原反應,致微生物死亡[1]。 圖2  γ伽馬射線 γ伽馬射線的輻射源通常為放射線同位素鈷60(60Co)或同位素銫137(137Cs),通常用于對中成藥進行滅菌處理,也有食品滅菌等應用,具有穿透力強,操作簡便,速度快,可在常溫下滅菌,輻射劑量適當,不會破壞藥品的有效成分,亦不會對人產生傷害,且有滅菌后較長時間控制細菌的再增殖等優點。 在中成藥滅菌應用中,采用不同的輻射劑量,通??色@得超過80%甚至達到100%的滅菌效果[2]。在食品滅菌應用上,可以在不破壞商品包裝和保護食品原有性狀的條件下,殺滅產品中的致病菌和寄生蟲,消除在產品生產和制備過程中可能出現的交叉污染問題,且輻照處理是“冷加工”,在常溫下進行,對產品不造成影響。 紫外線
紫外線是電磁波中波長介于100-400nm之間的輻射總稱,其中包含200-280nm的深紫外線(UVC)、280-315nm的中紫外線(UVB)和315-400nm的近紫外線(UVA),另外,100-200nm的波段稱作真空紫外線。 圖3 紫外線光譜 紫外線的殺菌原理有兩方面,一是直接作用,即破壞細菌、病毒的DNA等遺傳物質,改變細胞的遺傳轉錄特性,使生物體喪失蛋白質的合成和復制繁殖能力,如圖4所示。 圖4 紫外線殺菌原理 微生物細胞核中的DNA的紫外線吸收和光化學敏感性范圍重合,為240-280nm,吸收峰在265nm左右[3]。通常認為,DNA的紫外線吸收峰在265nm左右,所以265nm左右的紫外線具有最高的殺菌效率,如圖5所示。 圖5 DNA紫外線吸收曲線 二是間接作用,即一定波長的紫外線(通常采用UVA波段)照射納米TiO2等光催化劑(光觸媒),發生類似光合作用的光催化反應,產生出氧化能力極強的自由氫氧基和活性氧,具有很強的光氧化還原功能,可氧化分解各種有機化合物和部分無機物,能破壞細菌的細胞膜和固化病毒的蛋白質,可殺滅細菌和分解有機污染物,把有機污染物分解成無污染的水(H2O)和二氧化碳(CO2),因而具有極強的殺菌、除臭、防霉、防污自潔、凈化空氣功能。 紫外線殺菌最先由丹麥科學家Finsen提出,并在1903年因此獲得了諾貝爾生理和醫學獎?,F今使用最廣泛的紫外燈有傳統的低壓/中壓汞燈、微波無極汞燈、氙燈等,以及新型基于寬禁帶半導體材料的紫外LED/LD。 汞燈起殺菌作用的特征波長是253.7nm,其輻射功率達到瓦(W)量級,通常15m2的房間,采用30W的汞燈照射30min以上即可完成全屋消毒。目前汞燈在醫院環境中有大范圍應用,有良好的殺菌效果[4][5]。 紫外LED的主流產品特征波長為275-280nm,其輻射功率為毫瓦(mW)量級,主要應用在小空間、低能耗、環境友好的環境中。253.7nm和275nm分別在DNA吸收峰值波長265nm兩側,具有幾乎相同的DNA吸收值,因此具有幾乎相同的殺菌效率。 汞燈與紫外LED燈相比,尺寸大、能耗高、預熱時間長、含汞等弱點,在國際性《水俁公約》影響下,將在較短的時間內退出歷史舞臺,未來紫外LED將有巨大的應用空間。 以上介紹的UVC和UVA紫外光在殺菌的同時,其射線可透過人體皮膚角質層,產生紅斑、黑化及老化,長時間暴露會引起白內障、黃斑變性、角膜炎等眼部疾病甚至致盲,尤其UVC波段對人體傷害更大,所以在使用汞燈紫外燈殺菌時需清空人員和動物,以避免造成傷害。這里紫外LED因具備小尺寸、低功耗、即點即亮等優點,可將紫外線封閉在小空間中,紫外線泄漏易于防控,可做到人機共存,在實際應用中具備明顯優勢。 還有哪些波段的紫外線具有殺菌效果呢?哥倫比亞大學的研究人員發現,波長222nm的紫外線無法穿透人體皮膚角質層,對人體無害,且具有與傳統紫外線燈同等的殺菌效果[6]。此工作尚處于實驗室研究階段,距離產業化應用還有很長的路要走。405nm的紫光(也可劃入UVA范圍)具備一定的殺菌能力,研究人員采用18150mW的405nm光源在50cm距離照射大腸桿菌9小時,獲得99.9%的殺菌效率[7]。其原理為細菌細胞中的核黃素和卟啉等光敏性分子可吸收UVA中特定的光能量,形成OH-、O2-、O2等活性分子,使得細菌等細胞壁損傷,從而被殺滅。該種方式殺菌效率較低,所需的光源功率高,散熱難,大大限制了其廣泛應用。 紅外線
紅外線是波長在760nm-1mm之間的輻射統稱,高于絕對零度(-273.15℃)的物質都可以產生紅外線,現代物理學稱之為熱射線。 紅外線因其出色的加熱能力而獲得良好的滅菌效果。紅外線滅菌器[8]采用紅外線熱能滅菌,因其使用方便、操作簡單、對環境無污染,無明火、不怕風、使用安全,可廣泛應用于生物安全柜、凈化工作臺、抽風機旁、流動車上等環境中進行微生物實驗。腔內溫度達到900度,只需3-4秒即可殺滅所有的微生物。 微波
微波是波長介于1mm-1m之間的電磁波的統稱。微波殺菌是微波熱效應與非熱效應協同作用的結果[9]。 微波熱效應是由極性分子和非極性分子組成的介質材料在微波電磁場的作用下,其中的極性分子從原來的熱運動狀態轉為跟隨微波電磁場的交變而排列取向,引起分子間激烈的摩擦。在這一微觀過程中,微波能量轉化為介質內的熱量,使介質溫度呈現為宏觀上的升高。 微波非熱效應表現為微波電場使細胞膜斷面的電子分布發生改變,影響了細胞膜周圍的電子和離子濃度,使細胞膜的通透性發生改變,細胞無法正常代謝,從而引起細胞功能紊亂。非熱效應的另一種解釋是蛋白質、核酸、水等極性分子在高頻率、強電場的微波場中隨著微波極性的改變而引起蛋白質分子團的旋轉或振動,導致蛋白質分子變性。 微波殺菌具有時間短、速度快、低溫、均勻徹底、低能耗、便于控制、設備簡單等優點,廣泛應用于食品工業、臨床、組織培養、制藥、中藥生產等環節。 綜合以上各種電磁波段的殺菌原理和應用分析,筆者認為最適合日常生活使用的殺菌方式是紫外線殺菌,紫外線殺菌具有廣譜、高效、環保等優良特點,尤其基于寬禁帶半導體材料的紫外LED光源將在未來的生活、生產中扮演重要角色。
 
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