第三节 物理因子消毒机制
利用物理原理作用于目标微生物的因子即物理消毒因子。使用物理消毒因子进行的物理消毒方法具有效果可靠，无有害物质残留，往往是消毒工作中的首选方法。
物理因子消毒法作用于目标微生物的机制如下。
一、热力消毒法
热（heat）分为湿热（moist heat）和干热（dry heat）两大作用因子，是应用最早、使用最广泛的物理消毒因子。热力消毒法是通过加热使介质上的微生物升温，最终达到杀灭微生物的目的。
（一）干热消毒法
干热法（dry heat）利用热空气或直接加热的方式作用于消毒对象。常见干热消毒方法有烘烤、红外线照射、焚烧和烧灼等。
1.作用机制
使微生物的蛋白质发生氧化、变性、炭化，或使其电解质脱水浓缩，引起细胞中毒，以及破坏核酸，最终导致微生物死亡。
2.应用
干热对物品的穿透力与杀菌作用不及湿热，所需温度高，耗时长，但对忌湿耐热物品的处理有重要意义。适用于耐高温不耐湿、蒸汽或气体不能穿透物品的灭菌，如玻璃、油脂、粉剂等物品的灭菌。
干热灭菌，所需温度高（＞160℃），时间长（1～3h）。 灭菌参数一般为：150℃，150min；160℃，120min；170℃，60min；180℃，30min。
（二）湿热消毒法
湿热法（moist heat）是指由液态水或加压蒸汽所产生的热对物品进行消毒的方法。湿热对物品的热穿透力强，蒸汽中的潜热可以迅速提高被灭菌物品的温度。常见的利用湿热消毒的方法有煮沸消毒、流通蒸汽消毒、巴氏消毒、压力蒸汽灭菌和间歇灭菌等。
1.作用机制
使微生物的蛋白发生变性和凝固；使微生物的核酸发生降解；使微生物的细胞壁和细胞膜发生损伤，致使微生物死亡。
2.应用
与干热相比，湿热对物品的穿透力强，湿热蒸汽存在潜热（每克水在100℃时由气态变为液态可放出529cal的热量），潜热能迅速提高被灭菌物品的温度；湿热灭菌效果好，干热灭菌150℃需150min，湿热121℃仅需15min。不耐高温的物品可选用巴氏消毒法或低温蒸汽灭菌法，一般物品可采取煮沸或流通蒸汽法，耐高温高压的物品选用压力蒸汽法。
二、紫外光线照射消毒法
用紫外线具有杀灭作用波段的光照射物体进行消毒的方法，称为紫外线照射消毒法。紫外光线（ultraviolet light，UV）是指位于可见光和X线之间的非电离辐射光波，波长为10～400nm，主要来源于太阳、热物体和激发气体。紫外线可分为紫外线A段（315～400nm）、紫外线B段（280～315nm）和紫外线C段（100～280nm）。240～280nm的紫外线具有杀菌作用，其中又以253.7nm的紫外线杀菌能力最强。
1.作用机制
紫外线可作用于微生物的核酸，破坏DNA、RNA的碱基，形成嘧啶二聚体、嘧啶水化物等，从而核酸断裂，失去复制、转录等功能，由此杀灭微生物；紫外线还可以作用于微生物的蛋白质，破坏其结构，导致酶失活、膜损伤等。微生物对紫外线的抵抗力从强到弱依次为真菌孢子、细菌芽孢、抗酸杆菌、病毒、细菌繁殖体。
2.应用
紫外线消毒法适用于空气、平坦光滑物品表面和流动水的消毒处理，一般不用于灭菌处理。紫外线还适用于医疗机构、有卫生要求的生产车间、需要消毒的公共场所及家庭居室等场所的空气消毒。
三、电离辐射消毒法
电离辐射（ionizing radiation）是一切能引起物质电离的辐射的总称，具有很高的能量和很强的穿透力。电离辐射包括X射线、γ射线、高速电子（β射线）、质子、α射线等。用X射线、γ射线和高能电子辐射灭菌物品的冷灭菌方法，被称为电离辐射灭菌法。如利用放射性核素60钴（60Co）和137铯（137Cs）产生的γ射线和高能电子加速器产生的电子束或X射线杀灭微生物。γ射线的波长为10fm～1pm，X射线的波长为1pm～10nm。
1.作用机制
微生物受电离辐射后，吸收能量引起分子或原子电力激发，产生一系列物理、化学和生物学变化，最终导致死亡。其一是射线直接破坏微生物的核酸、蛋白质和酶等物质；其二是射线作用于微生物的水分子等产生自由基，自由基间接作用于生命物质而使微生物死亡。辐照杀菌主要是间接作用。
2.应用
电离辐射的波长很短、穿透力很强，特别适用于忌热物品如食品、生物制品、生物组织及药品等的消毒灭菌处理。
四、过滤消毒法
用过滤介质滤除去微生物的方法，称为过滤消毒法。过滤介质（filtration media）指过滤除去微生物的器材和设备。常用的过滤介质有素陶瓷滤器（孔径：≤1.3～12μm）、硅藻土滤器（孔径：2～12μm）、薄膜滤器（孔径：0.05～14μm）、烧结玻璃滤器（孔径：≤1.5～30μm）、烧结金属滤器、石棉板滤器（孔径：0.1～7μm）、滤材滤器、滤料过滤池、空气过滤器和电气积尘过滤除菌装置等。过滤除菌是指用特殊的过滤除菌设备将液体或空气中的细菌除去，以达到除菌目的。
1.作用机制
过滤消毒法的主要机制有直接截留、惯性撞击、静电吸附、扩散沉积和重力沉降。
2.应用
过滤除菌只能过滤去除微生物，不能杀灭微生物。滤菌器的微细小孔只允许液体或气体通过，大于孔径的细菌等颗粒不能通过，但是它一般不能阻留病毒等体积微小的微生物，因此，主要用于不耐高温的血清、毒素、抗生素、药液以及空气的除菌处理。
五、超声波消毒法
利用超声波进行消毒处理的方法，称为超声波消毒法。超声波（ultrasonic wave）是振动频率高于20kHz的声波，具有声波的一切特性，可在气体、液体和固体中传播。同时，其也具有光波的特性，可以产生反射、折射、散射和衍射等现象，此外，还有聚焦和定向发射的特性。超声波发生器主要有机械式、磁致收缩式和压电式三种类型。
1.作用机制
超声波对微生物的作用机制主要是超声效应。超声波在介质中传播时，超声波与介质相互作用，使介质发生物理和化学变化，产生力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应。
（1）机械效应：
超声波的机械作用可使液体乳化、凝胶液化和固体分散。当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，可引起感生电极化和感生磁化。
（2）空化作用（action of cavitation）：
超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。二是强大的拉应力把液体“撕”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
（3）热效应：
由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。
（4）化学效应：
超声波的作用可促使或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；存在染料的水溶液经超声处理后会变色或褪色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。
2.应用
较少单独用超声波进行消毒，多用于清洗和预消毒。超声波与紫外线、热力等物理因子以及戊二醛、过氧化氢、环氧乙烷和臭氧等化学因子有协同作用，消毒效果优于单独采用超声波或其他消毒因子。超声波与化学消毒剂合用，可以明显增强对芽孢的杀灭效果。超声波对杆菌的杀灭作用比球菌强，对细菌繁殖体和病毒的作用较酵母和细菌芽孢强。
六、微波消毒法
利用微波进行消毒处理的方法，称为微波消毒法。微波（microwave）是一种波长短、频率高、穿透性强的电磁波，波长范围1mm～1.33m。一般消毒使用的微波频率为915MHz和2 450MHz，属于分米波波段，可杀灭包括芽孢在内的所有微生物。该电磁波是高频振荡电路以交替电场和磁场的形式向空间辐射能量。微波可使物质中偶极子产生高频运动，从而杀灭微生物。微波具有作用温度低、所需时间短、加热均匀等优点。
1.作用机制
微波消毒主要依赖热效应与非热效应共同组成的综合效应，杀灭微生物。
（1）热效应：
当微波通过介质时，使极性分子旋转摆动，同时离子及带电胶体粒子也做来回运动，从而产生热。微生物的生理活性物质，如蛋白质、酶等，在介质升高到一定温度后，因受热而变性、失活，其原有的生物学活性丧失或改变，从而达到杀灭微生物的目的。
（2）非热效应：
除热效应外，还有微波的其他效应对微生物共同作用。这些不能以热效应解释的部分，称为非热效应，如微波引起的场力效应、光化学效应、超导电性等。在微观上，这些非热效应可能对微生物的物理或生物化学过程产生强烈的影响。
2.应用
微波可用于医疗机构低度危险性物品和中度危险性物品的消毒。微波热效应的消毒作用必须在有一定含水量的条件下才能显示出来。微波消毒的物品应浸入水中或用湿布包裹。如牙钻和手术器械包的消毒，食品的消毒与灭菌，餐具、饮具的消毒。
七、等离子体消毒法
利用物质电离产生的等离子体来消毒处理的方法，称为等离子体消毒法。等离子体（plasma）是游离于固态、液态和气态以外的一种新的物质体系，为物质的第四种形态。气体分子发生电离反应，部分或全部被电离成正离子和电子，这些正离子、电子和中性的分子、原子混合在一起构成了等离子体，其显著特征是具有高流动性和高导电性，本质是低密度的电离气体云。
一般认为，等离子体是由带电粒子（离子、电子）和不带电粒子（分子、激发态原子、亚稳态原子、自由基）以及紫外线、γ射线、β粒子等组成，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统。其中正负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。人工产生等离子体的方法有多种，只要外界供给气体足够的能量，即可以成为等离子体。人工产生等离子体的方法主要有：气体放电法、射线辐射法、光电离法、激光辐射法、热电离法和激波法。用于消毒和灭菌的是低温等离子体。
1.作用机制
等离子体的消毒作用主要有三种。
（1）电击穿的作用：
微生物处于等离子体高频电磁场中，因为受到带电粒子的轰击作用，其电荷分布被彻底破坏并形成电击穿，从而导致微生物死亡。
（2）电子云成分的作用：
氧化性气体等离子体成分中含有大量活性物质，如活性氧、自由基等，它们极易与微生物体内的生物活性成分作用，从而杀灭微生物。
（3）紫外线的作用：
在等离子体激发形成的过程中，由于辉光放电，可释放出大量紫外线。而紫外线可以被微生物的核酸所吸收，从而破坏核酸，导致微生物死亡。
2.应用
适用于忌热忌湿医疗器械、医用生物材料的消毒灭菌。过氧化氢气体等离子体是过氧化氢气体在外界给予一定能量后发生电离反应，形成的包括正电氢离子（H+）和自由基如氢氧自由基（OH·）、过羟基自由基（HOO·）、激发态过氧化氢（H2O2*）、活化氧原子（O·）、活化氢原子（H·）等的电离气体。过氧化氢气体等离子体低温灭菌装置适用于不耐湿、不耐高温的医疗器械。