第一章 伽马射线的灭菌原理
第一章 伽马射线的灭菌原理
1．γ射线的产生及特点
γ射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线[2]。
图1-1γ衰变-内部结构模型图
γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线短，一般波长＜0.001nm，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力，可以透过几厘米厚的铅板。γ射线不具有电荷及静质量，故与α粒子及β粒子相比较，电离能力较弱。
2．γ射线与物质的作用
γ射线与X射线都是中性光子流，与物质的相互作用方式主要有三种：[3]
1.光电效应 光电效应（photoelectric effect）是指光子把能量完全转移给一个轨道电子，使之发射出成为光电子。γ光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子（多发生于内层电子）。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，即为光电子。光电子的能量等于入射γ光子的能量减去电子的结合能。光电子与普通电子一样，能继续与介质产生激发、电离等作用。由于电子壳层出现空位，外层电子补空位并发射特征X射线。
2.康普顿散射 康普顿散射（Compton scattering）是γ光子与原子外层电子（可视为
自由电子）发生弹性碰撞，γ光子只将部分能量传递给原子中外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出，γ光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介
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质发生相互作用。散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为θ。反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角，一般记为φ。当散射角θ=0°，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角θ=180°时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小。
3. 电子对生成 电子对生成（pair production）是能量大于1.02MeV的γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转变成一个电子和一个正电子。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量(1.02MeV)，其余就作为它们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；正电子在损失能量之后，将于物质中的负电子相结合而变成γ射线，即湮没(annihilation)，探测这种湮没辐射是判明正电子产生的可靠实验依据。
图1-2 γ射线与物质作用的三种主要过程
3.γ射线的生物学作用
γ射线引起的电离辐射可以对生物体产生多种影响，其中最重要的是对细胞分裂阶段的遗传物质的影响，主要分为三类：[4]
1.影响细胞周期 电离辐射可引起多种细胞如酵母和动物细胞的周期紊乱，包括G1期阻滞，S期延迟和G2期延迟，其中以G2期的延迟为主。此过程中的遗传物质的损伤主要是DNA单、双链的断裂，而导致细胞分裂的周期延长或中止。
2.诱导基因突变 电离辐射诱导生物体细胞发生基因突变主要分为三种：碱基置换，移码突变和回复突变。由于射线的穿透性强，能量高，可以使DNA双链间的碱基对的氢键发生断裂，从而导致双链分开，也可以破坏碱基分子的内部结构，使碱基的类型发生改变，进而引起基因突变，或者使碱基分子失去活性，无法携带相应的遗传信息。
3.诱发染色体畸变 γ射线诱发染色体畸变主要包括染色体数目的变化及染色体结构
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的变化。关于染色体畸变形成的机理至今尚无肯定学说，概括起来有以下两种假说：
(1)断裂重接假说 该假说认为，畸变的形成是当一个电离粒子通过间期核染色体的结构内部或经过染色体附近时,引起的染色体直接或间接的断裂。
(2)互换假说 当间期染色体处在螺旋状态并形成一个圈时,由于电离辐射使接近电荷粒子处的染色单体丝出现不稳定状态,使染色体的相应部分发生互换。
4.γ射线的灭菌机理与特点
γ射线的杀菌机理，分为直接作用和间接作用。直接作用指γ射线直接破坏微生物的核糖核酸、蛋白质和酶等与生命有关的物质，使微生物因遗传物质改变或正常代谢活动无法完成而死亡。间接作用指射线在微生物体内先作用于生命重要分子周围的物质（主要是水分子）而产生自由基，自由基再作用于核酸、蛋白质和酶等使微生物死亡，达到灭菌消毒的目的。
γ射线灭菌的优点是：
①灭菌的处理是在常温下进行的，适用于对热敏感的塑料制品、生物制品和药物。 ②辐射穿透能力强，杀菌均匀彻底，能够辐照密封包装物，杀死内部的微生物，延长产品寿命和储存期。
③能耗低、无残留、无污染；辐射灭菌速度快，可连续作业，适合于大规模加工。 ④加工易于控制，一旦加工参数（即吸收剂量，物质单位重量所得到放射线能量的量）确定 ，时间便是唯一可调因素，不像其他方法需同时控制很多因素，因为辐射剂量在灭菌过程中对微生物的杀灭是以叠加的方式进行的。
γ射线灭菌的不足是：
①设备成本较高，建立灭菌空间和操作环境的花费较大。
②对操作人员存在潜在的危险性，需要对操作环境进行辐射监测与防护。
③对某些药物（特别是溶液型）可能产生药效降低或产生毒性物质和发热物质，因此，在灭菌前需要对产品能否采用射线灭菌进行确认。
5． 常用的灭菌参数
灭菌设备的验证是通过有关参数对灭菌方法进行可靠性验证的。 1、D值
D值是指在一定条件下，杀灭90%微生物（或残存率为10%）所需的灭菌时间。在一定
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灭菌条件下，不同微生物具有不同的D值；同一微生物在不同灭菌条件下，D值亦不相同。因此D值随微生物的种类、环境和灭菌温度变化而异。
2、Z值
Z值是指灭菌时间减少到原来的1/10所需升高的温度或在相同灭菌时间内，杀灭99%的微生物所需提高的温度。
3、F值
F值为在一定温度（T）下，给定Z值所产生的灭菌效果与在参比温度（T0）下给定Z值所产生的灭菌效果相同时，所相当的灭菌时间，以min为单位。F值常用于干热灭菌。
4、F0值
F0值为一定灭菌温度（T）下，Z为10℃时所产生的灭菌效果与121℃，Z值为10℃所产生的灭菌效果相同时所用的时间（min）。也就是说，不管温度如何变化，t分钟内的灭菌效果相当于在121℃下灭菌F0 分钟的效果。F0仅应用于湿热灭菌。
5、灭菌率L值
灭菌率是标志设备灭菌效率的参数，是指灭菌开始后的单位时间内（1min）杀灭细菌
的数量与细菌总量的百分比。
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第二章 γ射线灭菌系统的组成
第二章 γ射线灭菌系统的组成
1． 概述
与传统的灭菌系统相比,γ射线灭菌系统的结构组成较为复杂,由于射线灭菌的核心是利用高能量、高穿透力的辐射射线来杀灭微生物,因此,辐射剂量的控制和操作人员的安全防护必然成为灭菌流程的重点。γ射线灭菌的一大优点是灭菌速度快、可大批量加工，因此货物的传送装置也是射线灭菌的特别之处。
整体来讲，γ射线灭菌系统是由灭菌装置系统与安全防护系统两大部分组成。灭菌系统用来完成对产品的辐射灭菌工作，安全防护系统用来保护工作人员以及辐照场所附近的人员，防止相关人员遭受不必要的辐照。
2． γ射线灭菌系统的装置构成
图2-1 γ射线灭菌系统装置图
γ射线辐照灭菌装置主要是由γ射线发生装置、计量装置、传送系统、控制装置和外围机械装置构成，其基本结构如图2-1所示。
1.γ射线发生装置
γ射线发生装置即辐照源，是由高压装置、钴60放射源与射线控制装置构成，基本组
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