脉冲强光生物实验室杀菌

浏览：发布日期：2023-07-26

脉冲氙灯杀菌作为一种新型的冷杀菌技术,已被证实对微生物具有良好的杀灭效果。

脉冲氙灯所产生的光具有如下几个特点：
（1）高穿透性
脉冲氙灯装置可以在短时间内（10~100μs）将储存在储能电容中的电能转化为光能释放，可以产生很高的峰值功率。脉冲强光对细菌如细胞壁及 DNA 等均有破坏作用，可以从多方面杀灭细菌。与常用的紫外灯相比，紫外灯是通过连续的光谱对细菌进行杀灭，在相同的功率下，脉冲氙灯具有更强的峰值功率，这是紫外灯无法企及的。由于紫外光的穿透性很弱，不能穿透产品包装，因此在食品包装、水处理等过程中均使用脉冲氙灯装置的高穿透性这一特点进行杀菌。

（2）低温
脉冲强光在其杀菌作用过程中有一定的光热作用，但不是主要作用方式，根据以下几个方面分析可知：
a 脉冲强光以脉冲形式进行释放能量，释放能量的过程较短，在微秒级别内完成这一过程，因此产生的热量无法进行堆积造成温度升高；
b 脉冲氙灯在一个工作周期内，相对于其能量释放时间，有足够的时间来进行冷却；
c 脉冲氙灯采用高压触发脉冲进行电离灯管中的气体，在开始工作前不需要预热；
d 脉冲氙灯依靠瞬间峰值能量杀菌，因此其输出能量的均值较小。
（3）即时控制
脉冲氙灯装置具有控制模块，可以使脉冲氙灯随时启停，且反应迅速，而紫外灯在启动前需进行预热，达不到随用随开的要求，在一些特殊场合，如蛋白质类药物包装的过程中，由于紫外线会使蛋白质变性，因此对这些产品进行消毒时需要精准控制，在需要消毒的部位进入时马上进行消毒，不能接受紫外线照射的部分进入后须立即停止。因此在这些场合中更适合应用脉冲强光装置。
（4）能效高
脉冲氙灯释放能量的形式为光脉冲，在相同的输入功率下与连续性输出能量的紫外灯相比，脉冲氙灯在短时内的峰值能量是普通紫外灯无法相比的。
（5）高适配性
脉冲氙灯装置在实际应用中针对不同的要求具有很好的适配性：
a 可根据实际使用的场合根据实际空间来选择不同的外形尺寸，现有的生产技术可以将脉冲氙灯加工成管状、螺旋形、 “U” 形等各种形状；
b 脉冲氙灯的体积很小，可以根据实际使用空间灵活布置，相对于紫外灯的
体积，脉冲氙灯布置更加灵活；
c 可根据实际使用的场合，在合理范围内设置不同的参数以改变氙灯的输入能量从而改变输出能量来适应使用要求的变化。对于同一套装置来说其适用性更强。
（6）安全
目前常用的紫外杀菌灯为低压汞灯，脉冲氙灯装置所使用的为氙灯，灯管中的填充气体为惰性气体氙气，不存在汞泄露的问题，安全系数更高。同时由于氙灯的即时启停的特性，不会有紫外线泄露的风险。脉冲氙灯灯管材料可以滤过真空紫外线，不会产生臭氧 [55] ，而紫外杀菌灯可能产生臭氧，有臭氧超标的危险。

脉冲氙灯的杀菌机理
脉冲强光本身的特点为光辐射强度较高，由图 2-2 可以看出脉冲氙灯发出的光谱范围广，可以覆盖 200~1100nm 的光谱；同时在 200~275nm（UV-C）和275~320nm（UV-B）的紫外波段有很高的峰值，此外，在可见光部分（400~760nm）和红外线部分（760~1000nm）均出现了仅次于紫外部分的峰值。因此脉冲强光在杀菌机理上与紫外线杀菌机理不同。脉冲强光在杀菌过程中不仅有光化作用起主导作用，还有光热作用。
脉冲强光对微生物的杀灭主要有四种途径：
（1）对微生物细胞膜进行破坏；
（2）对微生物内酶的分解；
（3）对微生物细胞内遗传物质核酸进行破坏；
（4）光热作用导致微生物细胞内水分蒸发膨胀，导致细胞破裂。
有研究表明 [56] ，在脉冲强光处理酵母细胞后，细胞内出现液泡膨胀，细胞膜变形，同时出现了大量的游离态蛋白。而通过连续性的紫外光处理后，酵母菌细胞的外形与处理之前没有太大的差异。这说明在脉冲强光处理过程中，除了与紫外线类似的对遗传物质的破坏外，由于其穿透性强，通过 UV-B 和 UV-C 的光化作用导致微生物细胞内酶的分解，产生了大量游离态蛋白，同时也对微生物细胞膜蛋白分解，导致细胞膜破坏、变形。而细胞内液泡出现膨胀，则说明脉冲强光在对微生物处理过程中存在光热作用，由于短时高能的脉冲光辐射，使细胞内液泡水分蒸发膨胀，直至细胞破裂。

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