环氧乙烷灭菌换气率检测：原理、方法与实践

一、引言

环氧乙烷（Ethylene Oxide, EO）是一种广谱灭菌剂，凭借其穿透性强、对热敏性材料友好等特点，广泛应用于医疗设备（如手术器械、植入物、一次性医用耗材）、生物制品及食品包装等领域的灭菌处理。然而，EO本身具有致癌、致畸及神经毒性，灭菌后残留的EO会对使用者（如患者、医护人员）构成潜在健康风险。因此，换气（又称“解析”）过程成为EO灭菌的关键环节——通过强制通风去除产品及灭菌环境中的残留EO，而换气率则是评估这一过程有效性的核心指标。

本文旨在系统阐述EO灭菌换气率的检测原理、标准方法及操作要点，为企业合规生产及监管机构监督提供参考。

二、换气率的定义与重要性

（一）换气率的定义

换气率（Air Change Rate, ACR）是指单位时间内进入灭菌柜（或解析室）的新鲜空气量与柜内有效容积的比值，单位为“次/小时（次/h）”。其计算公式为：
$\text{ACR}=\genfrac{}{}{0ex}{}{Q}{V}\times 60$
其中，$Q$为通风系统的送风量（m³/min），$V$为灭菌柜的有效容积（m³）。

（二）换气率的重要性

1. 安全性保障：EO残留量需符合国家及国际标准（如GB 18279-2015《医疗保健产品灭菌 环氧乙烷 第1部分：医疗器械灭菌过程的开发、确认和常规控制的要求》规定，医疗器械EO残留量应≤10μg/g）。换气率不足会导致EO无法充分扩散与稀释，残留超标可能引发过敏、器官损伤甚至癌症。
2. 合规性要求：ISO 11135-1:2014《医疗保健产品灭菌 环氧乙烷 第1部分：开发、确认和常规控制的要求》及GB 18279-2015均明确要求，企业需通过检测确认换气过程的有效性，确保产品符合残留限量。
3. 过程稳定性：换气率是EO灭菌工艺的关键参数（Critical Process Parameter, CPP），其波动会影响残留量的一致性。定期检测可及时发现通风系统故障（如风机老化、风管堵塞），保障工艺稳定性。

三、换气率检测的原理

换气率检测的核心原理是浓度衰减法：通过监测灭菌后EO浓度随时间的变化，计算其稀释速率，进而推导换气率。

当通风系统运行时，新鲜空气持续进入，柜内EO被稀释并排出。假设柜内空气充分混合（理想状态），EO浓度的衰减遵循一级动力学模型：
$C(t)=C^0\cdot e^{-\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{ACR}}{60}\cdot t}$
其中，$C(t)$为时间$t$时的EO浓度（mg/m³），$C^0$为换气开始时的初始浓度（mg/m³），$t$为换气时间（min）。

通过对公式取对数，可得到线性关系：
$\ln (C(t))=\ln (C^0)-\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{ACR}}{60}\cdot t$
通过线性回归计算斜率，即可求出换气率（ACR）。

四、换气率检测的方法

（一）检测设备

1. 采样装置：气体采样泵（流量范围0.1-1L/min）、采样管（聚四氟乙烯或不锈钢材质，避免吸附EO）、气袋（铝箔复合膜，无EO吸附）。
2. 检测仪器：
   • 气相色谱法（GC）：配备火焰离子化检测器（FID）或电子捕获检测器（ECD），是EO浓度检测的“金标准”，精度高（检出限≤0.1mg/m³），但设备昂贵、操作复杂。
   • 电化学传感器：实时监测EO浓度，响应速度快（≤10s），适合现场检测，但易受湿度、其他气体（如CO₂）干扰，需定期校准。
   • 比色法：利用EO与盐酸萘乙二胺反应生成有色化合物，通过分光光度计测定吸光度，计算浓度。操作简单、成本低，但精度低（检出限≥1mg/m³），仅适用于粗略筛查。
3. 辅助设备：温湿度计（监测换气过程中的环境参数）、风速仪（测量送风量）。

（二）检测步骤

1. 预处理

• 灭菌柜确认：确保灭菌柜已完成EO灭菌 cycle，且处于“换气模式”（风机开启、排气口畅通）。
• 设备校准：检测前需用标准气体（如100mg/m³ EO）校准气相色谱或电化学传感器，确保精度。
• 采样点设置：根据灭菌柜的结构（如矩形、圆柱形），选取3-5个代表性采样点（如中心、四角、靠近排气口），确保覆盖柜内所有区域。

2. 采样与检测

• 初始浓度采样：换气开始前（t=0），用采样泵从各采样点抽取气体（体积≥1L），存入气袋，立即送实验室检测（GC法）或用电化学传感器实时读取浓度。
• 定时采样：换气过程中，每隔15-30min（根据预期换气时间调整）重复采样，记录每个时间点的浓度值（$C(t)$）及对应的时间（$t$）。
• 终止条件：当EO浓度降至≤1mg/m³（或法规要求的残留限量对应的气体浓度）时，停止采样。

3. 数据处理

• 线性回归：对$\ln (C(t))$与$t$进行线性拟合，计算斜率（$k$）。
• 换气率计算：根据公式$\text{ACR}=-60k$，求出每个采样点的换气率，取平均值作为最终结果。

4. 结果判定

• 若平均换气率符合企业设定的工艺参数（如≥10次/h），且所有采样点的换气率变异系数（CV）≤10%（表示柜内通风均匀），则判定合格。
• 若结果不符合要求，需检查通风系统（如风机转速、风管是否堵塞），调整后重新检测。

五、影响检测结果的关键因素

（一）通风均匀性

灭菌柜内的气流分布直接影响EO的稀释效果。若通风不均匀（如角落出现“死区”），会导致部分区域换气率偏低，残留量超标。因此，采样点需覆盖柜内所有区域，避免遗漏。

（二）环境参数

• 温度：温度升高会加速EO的挥发，提高换气效率。检测时需控制温度在20-30℃（符合GB 18279-2015的要求）。
• 湿度：高湿度会导致EO与水结合形成乙二醇（EO的代谢产物），降低气体浓度检测值。因此，换气过程中需保持相对湿度≤60%。

（三）设备性能

• 采样管吸附：普通橡胶或塑料采样管会吸附EO，导致浓度检测值偏低。需使用聚四氟乙烯或不锈钢材质的采样管。
• 传感器漂移：电化学传感器易受环境因素影响，需定期用标准气体校准（每周1次）。

六、注意事项

1. 检测频率：根据ISO 11135-1:2014的要求，换气率检测需在工艺确认（如新建灭菌线、设备改造）及常规控制（如每6个月1次）中进行。
2. 数据保存：检测记录（包括采样时间、浓度值、换气率、温湿度）需保存至少3年，以备监管机构检查。
3. 人员防护：采样时需佩戴防毒面具（EO浓度≥1mg/m³时），避免吸入过量EO。

七、结论

环氧乙烷灭菌换气率检测是保障产品安全的关键环节，其结果直接反映残留EO的去除效果。企业需严格按照国家及国际标准，采用科学的检测方法（如气相色谱法），控制影响因素（如通风均匀性、环境参数），确保换气率符合要求。同时，定期的检测与维护可保证通风系统的稳定性，降低产品质量风险。

未来，随着实时监测技术（如物联网传感器）的发展，换气率检测将更加高效、精准，为EO灭菌工艺的优化提供更有力的支持。