了解消毒 disinfection 和滅菌 sterilization 基本知識?漂白水 (bleach),消毒藥水 (disinfectants)

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消毒 disinfection 和滅菌 sterilization 的區別? 

消毒 disinfection 和滅菌 sterilization 都是可以去除病原體,區分這兩種技術的關鍵是以完全破壞內生孢子 endospores 來分別。  

消毒 disinfection 病原體留有內生孢子 endospores  

滅菌 sterilization 完全破壞內生孢子 endospores 和病原體

內生孢子 Endospore ,不是孢子 spore 

孢子不是一個精確的術語。相反,內生孢子比較合適的詞。 
 
內生孢子是區分消毒與滅菌的決定性因素,因為滅菌必須殺死內生孢子。 
 
內生孢子 Endospore 和孢子 spore 之間的差異如下: 
 
孢子是可以產生的後代,就像是細菌穿著大量的厚外套,細菌處於合適的環境中時等待重新激活的那天。 

內生孢子是由細菌DNA,一些蛋白質和核醣體(用於以後再活化),以及二十二碳四烯酸 dipicolonic acid (DPA)組成,它們具有帶內膜的厚保護壁,非常堅固的肽聚醣形成孢子壁和皮層。厚膜包裹著外膜。因此,內生孢子可以忍受任何環境,即使受到外部壓力,也可以存活數百年。內生孢子也具有耐熱性,但是高於100°C的溫度會殺死它們。是一旦暴露於水重新激活過程 ,內生孢子就會膨脹,所有保護壁都會破裂,結果是釋放出了形成內生孢子之前存在的相同細菌。 

基礎消毒和滅菌化學知識?

消毒和滅菌發生在分子水平上,消毒和滅菌需要電子進行氧化 oxidation ,酸化 acidification, 和凝結 coagulation 。 因此,需要原子序數和電子的基礎知識。 

氧化是指吸收電子的作用, 從元素中獲取電子的物質是氧化劑。 相反的作用。 氧化和還原是消毒劑和滅菌劑中的兩個重要機理,每種製劑的詳細信息將是消毒劑和滅菌劑的分類和機理。 

鹵素 Halogen 

大量消毒劑含有鹵素,尤其是氯(Cl), 由於鹵素佔消毒劑的大部分,因此有必要了解這些元素的性質,了解通過氧化進行消毒和滅菌的機理。 

鹵在術語素中,hal表示海水或鹽,gen表示生產。 即,鹵素表示產生鹽的物質。  
 
氟(F),氯(Cl)和 碘(I)是消毒類別中的主要鹵素。  
 
氟在拉丁語中是指煙道,在英語中是指煙氣。

氯在希臘語中指的是黃綠色,由於氯氣的顏色是黃色,所以使用此名稱。  
 
碘在希臘語中是紫色,因為鹵素屬於元素週期表第17組,所以鹵素中的八個外殼電子位置中的七個被佔據,僅剩下一個。 因此,僅從另一個元素中獲取一個電子,並填充剩餘空間將,導致遵循八位位組規則。 為此,鹵素選擇兩種方法之一: 

鹵素與其他鹵素配對形成一個八位位組。因此,出現Cl2,I 2,Br 2和F 2。 

鹵素以非常強的電子力,從其他元素吸收電子,氧化其他元素的力非常強。 
 
鹵素能夠吸收電子的最簡單元素是屬於第1組的金屬,例如Na和K,它們在外殼中只有一個電子。因此,當鹵素遇到這些金屬時,它們立即帶走電子以生成鹽。
 
鹵素是非常強的氧化性物質,會不加選擇地破壞微生物的細胞蛋白,核酸以及細胞壁或膜。 
 
鹵素通過破壞氧化磷酸化 disruption of oxidative phosphorylation 來進行消毒,這是細胞存活中最重要的過程。 

消毒殺菌的分類及機理 

消毒 disinfection 的機理

消毒劑可大致分為氧化劑和非氧化劑,前者主要被視為殺菌劑,而後者則被視為凝結劑 coagulators. 。 

(1)氧化劑 Antioxidants

氧化劑包括鹵素試劑,例如次氯酸鈉 sodium hypochlorite (漂白水) 和碘 iodine ,以及過氧化物 peroxide,這些物質在微生物中的作用機理如下: 

1)對DNA和RNA的作用 

當過氧化氫帶一個電子時,會形成羥基自由基,對體內鐵參與所謂的Fenton反應。 

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO + OH 

Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO + H+ 

自由基直接破壞DNA或RNA鏈,或攻擊嘌呤 purines 或嘧啶 pyrimidines 和核糖 ribose  或脫氧核糖 deoxyribose 的磷酸骨架。例如,當胸腺嘧啶被羥基自由基攻擊時,就成為胸腺嘧啶二醇 thymine glycol 。 

胸腺嘧啶二醇 thymine glycol 可以簡單地破壞的胸腺嘧啶 thymine 。破壞的胸腺嘧啶不能完成其功能,例如複制,轉錄和翻譯成核酸,它還會攻擊DNA的糖(脫氧核糖),從而形成脫氧核糖內酯 deoxyribonolactone 並破壞鹼基。 

2)對蛋白質或氨基酸的作用 

當氧化劑作用於肽鍵 peptide bond ,並帶走電子時,令鍵斷裂。 結果,結構變形,因此不能正常功能, 特別是當酶被破壞時, 蛋白質或氨基酸也被破壞。 

3. 對脂質的作用 

氧化劑將脂質分解成較小的脂肪酸, 特別是,要吸收更多的電子,它們會攻擊雙鍵。 換句話說,不飽和脂肪酸是其靶標。 結果,細胞受到損害,脂質的過氧化作用會產生其他自由基,使情況變得更糟。 當細胞壁和膜的柔韌性喪失並變硬時,細胞最終會崩潰,並會破裂。 

氧化劑的結構。 (A)次氯酸鈉 sodium hypochlorite (B)聚維酮碘 povidone-iodine (C)過氧化氫 hydrogen peroxide (D)過乙酸 peracetic acid. 。 

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(1)次氯酸鈉 Sodium hypochlorite(NaClO)漂白水 

次氯酸鈉 Sodium hypochlorite 是一種氧化劑,具有NaClO結構,主要用作漂白劑。  
濃度超過40%(> 500 ppm)時,它會腐蝕金屬。  
 
次氯酸鈉對粘膜有刺激性,應小心處理,使用後應徹底沖洗,必須與水混合使用。

將次氯酸鈉與水以外的消毒劑混合可能會很危險。 在密閉空間中與過氧化氫與酸性劑混合會導致生成氯氣,從而導致窒息。  

NaClO + H2O → HOCl + NaOH 

次氯酸 Hypochlorous acid (HOCl)分解為酸(H +)和次氯酸鹽 Hypochlorous acid (OCl-),從而達到平衡。  

HOCl ⥨ H+ + OCl 

因此,次氯酸 hypochlorous acid 和次氯酸鹽 hypochlorite 攻擊細菌細胞壁和病毒衣殼,引起蛋白質變性。 

次氯酸鈉 Sodium hypochlorite 在常規濃度5,000 ppm 或更高濃度下具有殺孢子作用。 購買漂白水時,一定要注意其濃度,如次氯酸鈉5%以上產品,濃度為50,000 ppm ,要達到5,000 ppm,5000/50000 = 1/10。 

用一份水加上十分次氯酸鈉 Sodium hypochlorite  (5000ppm)

1比99 漂白水 (漂白水 5% 稀釋) 
 

當將1 mL次氯酸鈉 sodium hypochlorite 與10 mL水混合時,可獲得5,000 ppm。 
大約一個蓋子的體積為10 mL,因此將亞氯酸鈉液倒入蓋子中,然後添加到1000mL的水中 

作為參考,將水果和蔬菜以100 ppm (以上溶液稀釋50 陪)消毒5分鐘 (以上溶液稀釋25陪) ,將餐具以200 ppm (以上溶液稀釋25陪) 消毒,一般地面清潔劑以400 ppm (以上溶液稀釋12.5陪) 消毒。 記住要過水消除留下的清潔劑。

次氯酸鈉 Sodium hypochlorite 在常規濃度下不會殺死孢子,但在5,000 ppm或更高濃度下具有殺孢子作用。 對於5%次氯酸鈉產品,濃度為50,000 ppm。 要達到5,000 ppm (以上溶液稀釋10陪) ,5000/50000 = 1/10。 

(2)聚維酮碘 Povidone-iodine 

聚維酮 povidone 的正式名稱是聚維酮碘 povidone-iodine  (聚乙烯吡咯烷酮碘) (polyvinylpyrrolidone Iodine) 。 使用此術語的原因是將碘放入稱為聚乙烯吡咯烷酮 polyvinylpyrrolidone (聚維酮)的化學容器中,然後碘緩慢釋放。  

當碘到達細胞時,碘化了細胞膜主要成分的脂質,並氧化了各種細胞成分。 因此,一次性使用諸如碘((碘與酒精和水混合的碘)之類的產品對殺菌有效,但對人體有害。 另一方面,聚維酮碘可以通過緩慢釋放碘來最大程度地降低毒性。 施用後讓聚維酮碘留有足夠的時間乾燥(30秒至2分鐘)的原因是,碘需要釋放足夠的時間,滲透細菌細胞壁,氧化成分並控制細胞。 

(3)過氧化氫 Hydrogen peroxide 

過氧化氫(H2O 2)在低濃度(<2%)(低濃度消毒劑)時不能有效殺死孢子,但是如果在高濃度(7.5–30)下有足夠的時間,它可以作為高濃度消毒劑或化學消毒劑 %)。 

過氧化氫(H2O 2)具有非常不穩定的結構,可以隨時化學鍵容易斷裂。 如上所述,一旦通過芬頓反應使鍵斷裂,則形成羥基 hydroxyl radical (·OH),並進行滅菌。 通過與表面活性劑混合可產生改進的過氧化氫,並且如果在2%的溶液中使用5分鐘,它可以用作高級消毒劑,可以去除內生孢子和非包膜病毒。 

(4)過氧乙酸 Peracetic acid 

過氧乙酸 Peracetic acid 具有CH3CO 3 H的結構 , 它到達細菌的表面,並被氧化破壞。 同時,它還會產生羥基自由基 hydroxyl radicals ,並增強殺菌作用,尤其是在破壞巰基(-SH)和硫(S-S)鍵的過程中。  

過氧乙酸還可以通過分解蛋白質來有效去除有機物,它可以破壞生物膜。 即使在低溫下,它也可以殺死內生孢子(化學殺菌),但它會腐蝕金屬,因此過氧乙酸消毒劑包含氫,異丙醇和抗腐蝕劑的混合物,它用於內窺鏡 endoscopes 和矽樹脂 silicones 的消毒。

(2)非氧化劑或凝結劑 ( 酒精 alcohol)

非氧化劑或凝結劑包括酒精 alcohol,雙胍 biguanides (氯己定 chlorhexidine ),季銨化合物 quaternary ammonium compounds ,苯酚 phenol, ,醛 aldehyde ( 戊二醛 (glutaraldehyde )和環氧乙烷 ethylene oxide 。 

非氧化劑機理與微生物反應

1)對DNA 和RNA的作用 

該作用在烷基化劑 alkylating agents ,如環氧乙烷 ethylene oxide 中特別顯著。 烷基化劑作用於DNA或RNA分子並交聯基本結構。 此外,這些試劑使結構交聯至相鄰的核苷酸鹼基,導致無序狀態。 因此,DNA鏈沒有經過適當的分離,這是DNA複製的第一步,複製和轉錄最終都被阻止。 另外,如果DNA結構錯誤,則DNA鏈會被自動修復機制破壞。 

2)對蛋白質或氨基酸的作用 

醛 Aldehydes 是這種機制的主要參與者,當醛 Aldehydes 到達細胞表面時,它會交聯所有氨基酸或蛋白質。  
 
醛特別對賴氨酸 lysine ,天冬酰胺 asparagine ,谷氨酰胺 glutamine 和精氨酸 arginine,它們全部具有一個胺基(-NH 2)。 結果,蛋白質結構被破壞,而核酸和脂質結構被結在一起。 

非氧化劑(凝結劑) (coagulants) 

(1)酒精(乙醇) 

乙醇的化學式為C2H5OH,用作60-80%濃度可作為防腐劑。 

不能以80%或更高的濃度,使用它的原因是因為細菌細胞壁的凝結過多,並且消毒劑無法進入細胞。由於它具有蒸發水分的能力,所以100%的酒精溶液對皮膚有害。因此,乙醇主要以凝膠形式提供,用於手部保濕和保護。其凝膠形式的原因是通過減慢蒸發來延長微生物與酒精的接觸時間,以進一步提高殺菌效果。乙醇濃度為70%時具有抗分枝桿菌活性。 

乙醇的基本機理是蛋白質的變性和凝結。羥基(-OH)是醇的基本結構,它通過氫鍵與微生物蛋白結合,破壞蛋白的結構和功能,導致酶抑制和蛋白沉積,它不是殺孢子的,但具有孢子抑制活性。 

(2)洗必太 Chlorhexidine 

洗必泰(CHX)是由雙胍(兩種胍)生產的化學物質。 如果將氯添加到雙雙胍(兩個鍵合的雙胍)中,則會形成洗必太。 

氯己定(CHX)在pH值下(即在人體內部)變為CHX鹽,即帶有正電荷的CHX陽離子。 由於洗必太具有正電荷,因此它可以與帶負電荷的細菌細胞壁和細胞膜很好地結合。 這種結合導致細菌細胞破裂,導致細菌細胞內容物洩漏,並最終導致細菌破裂。 由於帶負電荷和帶正電荷,它與細胞牢固結合,因此可以長時間保留。 因此,與具有快速作用的酒精不同,洗必太具有持久的作

(3)季銨化合物 Quaternary ammonium compound (QAC)  

季銨化合物 Quaternary ammonium compound (QAC) 具有帶正電的化學穩定結構,其中四個酰基連接到銨上, 它們與細菌的細胞壁或細胞膜結合併引起滲漏,從而破壞細胞的膜電位和pH梯度。 QAC還充當陽離子洗滌劑,代表性的例子是苯扎氯銨 benzalkonium chloride。  

季銨化合物 Quaternary ammonium compound (QAC) 無法殺死內生孢子,分枝桿菌和非包膜病毒(例如諾如病毒)。 它們用於消毒非關鍵物品。 作為例外,諾如病毒可以用QAC 200 ppm或更高濃度或2,470 ppm +酒精滅活。 不過,對於諾如病毒,最好使用加速的過氧化氫或氯消毒劑。

1.高壓滅菌器 Autoclave  

高壓釜 Autoclave ,首先應理解汽化壓力和沸點的概念:如果將液體放在密閉空間的容器中,則會蒸發然後回流,從而反復冷凝成水。然後,蒸發和冷凝達到動態平衡。此時,在其內部形成蒸氣的壓力是蒸氣壓力。當對水加熱時,溫度上升,蒸氣壓上升,然後蒸氣壓變得等於大氣壓。在那一刻,水錶面蒸發,並且在水內部發生蒸發。此時的溫度稱為沸點,在該沸點下,大氣壓和液體的蒸氣壓相同。

在正常大氣壓(760 mmHg)下,沸騰溫度為100°C。 但是,溫度必須超過100°C才能殺死內生孢子。 為了克服這個問題,應通過人為增加壓力來提高沸點。 這就是高壓滅菌器的原理。 通過增加壓力,高壓釜的沸點達到100°C或更高(121°C)並殺死內生孢子。  

高壓釜主要用於玻璃,手術器械和廢物的預處理。 當然,它不能用於對熱不穩定的儀器(例如,塑料,橡膠等),並且可以執行其他方法進行低溫滅菌(例如,環氧乙烷,過氧化氫蒸氣或等離子體) 

2.環氧乙烷 Ethylene oxide 

環氧乙烷是具有三元環的環狀醚,就像雪人一樣, 當它圍繞氧氣以等邊三角形的形式時,三角形的兩個相對側會彼此產生強烈的拉力。 因此,當提供反應的機會時,它的反應比其他醚更強烈。 環氧乙烷用於重要物品(如塑料)的滅菌,這些物品不能承受高溫。 

由於其作為氣體的性質,環氧乙烷 ethylene oxide 很好地滲透到細胞中,到達微生物的DNA ,並通過烷基化作用將其殺死。 應小心處理,因為它很容易爆炸,通常應保持冷凍。 在不利方面,環氧乙烷可能對人體有害,應留出足夠的時間發揮其功能(6至12小時),它也是生態系統的污染物。 

3.過氧化氫蒸氣 Hydrogen peroxide vapo 或等離子體 plasma 

等離子體是物質的第四階段,包括不是處於水,固態或氣態的物質, 它是通過將微波能量應用於過氧化氫氣體分子而產生的。 過氧化氫等離子體 Hydrogen peroxide plasma 包含許多陰離子,陽離子以及羥基 hydroxyl  和氫過氧自由基 hydroperoxyl radicals, 它可以很好地穿透器械並對其消毒。 與環氧乙烷不同,它可以在短時間內(約50分鐘)完成滅菌,並且不會留下任何有毒殘留物 但是,它很昂貴。 

趙家聲 
自然健康顧問 
化學學士 
生物醫學工程碩士 
生物化學科技碩士 
材料科技碩士 
美國草本治療師 
美國自然療法博士 

參考資料 

  Yoo JH. Principle and perspective of healthcare-associated infection control. J Korean Med Assoc. 2018;61:5–12.

Rutala WA, Weber DJ. Disinfection, sterilization, and antisepsis: An overview. Am J Infect Control. 2016;44(Suppl):e1–e6.

McDonnell G. General mechanism of action. In: McDonnel GE, editor. Antisepsis, Disinfection, and Sterilization. 2nd ed. Washington DC: ASM Press; 2017. pp. 255–269.

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