压力蒸气灭菌是利用水吸收一定热量后蒸发形成的饱和蒸气作为介质，对被灭菌物品上的病毒和细菌传递热量，使其蛋白质失去活性，从而达到灭菌效果。灭菌过程验证是通过测量影响灭菌效果的关键参数，确定灭菌过程是否对特定物品具有灭菌效果的测试过程。压力蒸气灭菌过程验证中针对饱和蒸气的温度与时间验证需要在模拟负载内布置温度传感器测量负载内的温度，并分析灭菌温度均匀性、灭菌过程最高温度、平衡时间和 F₀ 值等关键参数 ^[1]。其中，灭菌温度均匀性、灭菌过程最高温度与平衡时间为压力蒸气灭菌器温度与时间验证的重要参数，决定了灭菌器性能是否符合国家标准和法规要求 ^[1]；F₀ 值则是灭菌过程控制的关键参数，可直接量化被灭菌物品所接受的灭菌水平。

传统温度与时间验证方法采用高精度铂电阻温度传感器进行测试，即将传感器通过灭菌器的温度测试口置入灭菌室内，然后布置到模拟负载内，而与传感器连接的数据采集器因无法承受高温高压而被置于灭菌室外。传统方法验证时每次均需拆开灭菌器布置温度传感器，布置完毕后需严格做好密封，操作烦琐。因此，近年来压力蒸气灭菌器生产商和检验机构开始采用无线温度数据采集器进行温度与时间验证。

无线温度数据采集器由控制芯片、数据存储器、电池、温度传感器和密封外壳组成，其将温度传感器和数据采集器集成为一个细小探头，验证前仅需设定程序，探头可自动记录灭菌室内的温度。无线温度数据采集器使用十分方便，但由于探头集成了温度传感器和数据采集器，且携带耐高温电池，因此其整体体积较传统温度传感器探头更大。这种探头布置在负载内，可能改变负载的空间结构，从而影响验证结果。为避免温度传感器对灭菌过程产生重大影响，YY/T 0646-2022《小型压力蒸汽灭菌器》^[1] 规定温度传感器及其连接线任何部分的横截面积均不应超过 3.2 mm² 。目前，仅传统的有线温度传感器符合以上尺寸要求，大部分无线温度数据采集器不符合以上要求。本研究通过不同横截面积温度传感器探头对同一灭菌器相同灭菌过程进行验证，分析探头横截面积对温度与时间验证关键参数的影响，以期为实际工作中选择温度传感器类型提供参考。

1  实验原理

压力蒸气灭菌是利用饱和蒸气使在一定温度和压力下水蒸气与液态水处于动态平衡的状态达到灭菌效果。如果改变温度和压力其中 1 个参数，另 1 个参数随之发生变化。但这种状态建立在空间中的蒸气为纯饱和蒸气的前提下，若空间中存在与空气混合的蒸气，则同等压力条件下，混合的空气越多，相应位置的温度越低。因此，负载中的空气越难被排出和置换，其蒸气渗透的挑战性越高，负载内外温度难以平衡。

本实验使用的负载与 YY/T 0646-2022《小型压力蒸汽灭菌器》^[1] 标准中所用多孔渗透性测试包基本一致，即利用特定的棉布打包成标准规格，棉布间和织线间存在大量细微空间，这些空间容纳的空气形成对灭菌过程蒸气渗透的挑战。而测试蒸气是否渗透到负载中心需要使用的温度传感器使负载内部形成一个空腔，这个空腔使相应位置的密度降低，从而使蒸气渗透的挑战性降低。负载的渗透性越好，蒸气渗透的效率越高，饱和蒸气温度与时间关键参数受负载渗透性的干扰越小，测得的数据越接近灭菌器设定的理论值；但若负载渗透缺少挑战性，则测试结果难以体现灭菌器的性能优劣。

2  验证实验

2.1  仪器与负载

2.1.1  灭菌仪器

美莱格 Vacuklav 43B+ 小型压力蒸气灭菌器

2.1.2  温度传感器

对照组传感器为 Pt100 铂电阻温度传感器（广州豪尔生医疗设备有限公司，型号：3 m×￠ 5G1A），其探头横截面积为 2 mm² ，符合 YY/T 0646-2022[1]规定的横截面积不超过 3.2 mm² 的要求。经校准调试后，对照组传感器与数据采集器（横河电机株式会社，型号：MX100）组成的温度检测系统在100~140 ℃范围内测量精度为 ±0.2 ℃，符合 YY/T 0646-2022[1] 中附录 D.2 的规定。

图 1 Pt100 铂电阻温度传感器（横截面积 2 mm² ）

实验组传感器为探头横截面积 13 mm² 的Pt100 铂电阻温度传感器（广州豪尔生医疗设备有限公司，型号：1.8 m×￠ 2G1/4A，见图 2）和探头横截面积 176 mm² 无线温度数据采集器（TMI-Orion，SA and TMI-USA,Inc， 型 号：TMI Logger，见图 3）及探头横截面积 961 mm² 的无线温度数据采集器（美国通用电气公司，型号：ValProbe，见图 3）。3 种实验组传感器分别代表市面上常见的横截面积较大的软式有线连接温度传感器、小型无线温度数据采集器和较大的无线温度数据采集器。

图 2 Pt100 铂电阻温度传感器（横截面积 13 mm² ）

图 3 无线温度数据采集器（横截面积分别为 176、961 mm² ）

2.1.3  模拟负载

模拟负载为漂白过的无添加剂、无染料的棉布组成的多孔渗透性负载。单块棉布尺寸约 450 mm×300 mm，经线为（30±6）支纱 /cm，纬线为（27±5）支纱 /cm，每块单位面积质量约 180 g/m2 。使用前采用 60 ℃的电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司，型号：DHG-9240A）将棉布烘干，然后置于（25±2）℃、（50%±10%）相对湿度环境存放 1 h。

实验前将棉布折叠至 110 mm×150 mm×120 mm（长 × 宽 × 厚），通过手工压实后再用类似材质包布包好，使用宽度为 18 mm 的包装带密封。整个负载约重（900±30）g。包装时，棉布交替堆叠，以确保堆叠均匀。

2.2  实验方法

（1）设置小型压力蒸气灭菌器的灭菌程序为通用 B 型，灭菌温度为 134 ℃，灭菌时间为 4 min。（2）用钢卷尺测量并分别标记负载中距离底部 60、90、120 mm 高度位置，将设置好测试程序的 3 个对照组传感器分别置于标记好的高度位置正中心。其中，60 mm 处为负载的正中心位置，是理论上蒸气最难渗透的部位，预计受影响最大；120 mm 处的传感器处于负载最表面，是蒸气最易渗透的位置，预计受影响最小。然后将 1 个对照组传感器置于灭菌器自带温度传感器所在位置作为参考点。（3）完成负载和对照组传感器布置后，对灭菌器进行真空泄漏测试。真空泄漏测试方法如下：连接压力传感器至灭菌室，启动灭菌器的真空泵，使腔内压力降至 15 kPa，待压力稳定后记录 10 min 内压力的变化速率。10 min 内压力变化速率 < 0.13 kPa/min，表明灭菌器密封正常，可用于验证实验。（4）确定灭菌器密封状态正常后，关闭灭菌器门，启动灭菌程序。待灭菌器完成灭菌周期后取出负载与对照组传感器，使用配套的工作站读取测试数据（包含测试时间点及对应的每个测试点的温度数据）并导出。以上测试重复进行 5 次。

重复以上过程进行 3 种实验组传感器的测试。为避免数据采集误差，实验组传感器测试时被固定于对照组传感器上，所有数据采用对照组传感器采集。每种传感器的 5 次测试结果中仅选取与其他传感器参考点温度相差最小的 1 批数据进行数据分析（将 4 种传感器共 20 次测试的参考点温度绘制曲线进行并列对比，选取 4 组不同探头曲线最相近的曲线作为测试结果，此处省略该曲线），以排除干扰（灭菌器每次运行状态可能不一致，参考点温度曲线代表灭菌器的运行状态，选择状态相近的曲线进行对比，可排除灭菌器灭菌批次差异的干扰）。

2.3  观察指标

2.3.1  灭菌温度均匀性

灭菌温度均匀性是指在灭菌周期任意两温度测量点之间同一时间点的温度差值的最大值，包括升温阶段（升温阶段最后 10 ℃范围内）温度均匀性和灭菌阶段（灭菌阶段）温度均匀性。YY/T 0646-2022 中规定灭菌温度均匀性应≤ 2 ℃ ^[1]。此参数显示在灭菌周期中负载及灭菌室内各点的蒸气渗透情况，两点间温度差值越大代表灭菌过程蒸气渗透越不均匀，从而导致温度不均匀。

2.3.2  灭菌过程最高温度

灭菌过程最高温度指平衡时间结束后，灭菌阶段所有被灭菌物品内探头测得的最高温度，通常认为比设定的灭菌温度超出 3 ℃为不合格。此要求目的是防止灭菌温度过高对被灭菌物品造成损坏。

2.3.3  平衡时间

平衡时间指当参考点温度到达灭菌温度后到所有探头测得进入灭菌温度之间的时间，通常要求< 15 s（特定条件下允许放宽至≤ 30 s）。这项要求是确保灭菌过程所有温度点在短时间内同时进入灭菌阶段，暴露在相同灭菌因子下。

2.3.4  F₀ 值

F₀ 值指在参考微生物 Z 值为 10.0 ℃时、121.1 ℃下灭菌过程中杀灭微生物的时间 ^[2]。计算公式如下：

式中，Δt 为有效灭菌时间（min）；T 为实测温度（℃）；T0 为等效灭菌温度，取 121.1 ℃；Z 为使 D 值（特定灭菌条件下，杀灭 90% 微生物或使微生物的数量减少1个对数单位所需的时间）成10 倍变化所需的温度变动值，取 10 ℃。

2.4  统计学处理

采用 EXCEl 软件统计数据。

3  实验结果

3.1  灭菌温度均匀性

如图 4 所示，升温阶段和灭菌阶段测试结果均为横截面积越大探头测得的灭菌温度均匀性越好。

图 4 灭菌温度均匀性

3.2  灭菌过程最高温度

如表 1 所示，负载中心（负载中距离底部 60 mm高度位置）探头最高温度、参考点探头最高温度和其他位置（负载中距离底部 90、120 mm 高度位置）探头最高温度的测试结果相近。

表 1 灭菌过程中各位置测得的最高温度（℃）

3.3  平衡时间

横截面积为 2、13、176、961 mm² 探头测的平衡时间分别为 20、19、14、12 s。对照组的 2 mm² 探头和同为有线连接传感器的实验组 13 mm² 探头的结果相近，相差仅5%，而实验组横截面积为176 mm² 和961 mm² 的无线探头测得的平衡时间分别与对照组相差 30% 和 40%。

3.4  F₀ 值

如表 2 所示，4 种传感器在相同情况下测的参考点 F₀ 值基本一致，其中横截面积为 961 mm² 探头测的 F₀ 值最高。而其他 3 种探头测得的负载中心 F₀ 值与横截面积为 961 mm² 探头测的负载中心F₀ 值相差较大，相差约 7%；其他 3 种探头测的负载中心 F₀ 值与其参考点测的 F₀ 值相差也约为 7%。

表 2 负载中心 F₀ 值与其参考点测的 F₀ 值比较

为进一步分析造成负载中心F₀值差异的原因，本研究将 F₀ 值分 3 个阶段计算，分别是升温阶段、灭菌阶段和排气阶段。如表 3 所示，升温阶段和排气阶段 4 种横截面积探头测的 F₀ 值基本一致，但灭菌阶段横截面积为 961 mm² 探头测的 F₀ 值高于其他 3 种探头。

表 3 不同横截面积探头升温阶段、灭菌阶段、排气阶段的 F₀ 值比较（min）

4  小结

灭菌温度均匀性、平衡时间和 F₀值与蒸气渗透挑战性息息相关。本研究结果显示，升温阶段和灭菌阶段测试结果均为横截面积越大的探头测的灭菌温度均匀性越好、平衡时间越短，表明探头横截面积对灭菌过程中蒸气渗透的均匀性有明显影响。分析原因如下：负载被实心探头撑开，局部形成空腔、密度下降，使空气更易被排出，蒸气渗透难度下降；而横截面积越大的探头形成的空腔越大，蒸气越容易渗透进负载内，因此温度均匀性也越好。而灭菌阶段横截面积为 961 mm² 探头测的 F₀值高于其他 3 种探头，原因与灭菌温度均匀性有关。灭菌阶段各测试点温度逐渐趋于一致，虽然不同横截面积探头测的最高温度相近，但到达最高温度的过程并不一致。其中，横截面积为 961 mm² 探头在灭菌阶段较早期测得负载中心温度与负载外温度即达到平衡，且其中心点灭菌阶段平均温度较其他 3 种探头高约 0.2 ℃，而温度与 F₀ 值呈对数关系，因此0.2 ℃的温差可能导致了 F₀ 值的明显差别。

本研究结果显示，4 种探头测的负载中心、参考点和其他位置最高温度相近。表明温度传感器探头横截面积对灭菌过程最高温度的影响不显著。分析原因如下：实验使用的灭菌器、灭菌程序均相同，而参考点是灭菌室内的空间环境，不存在渗透挑战性，因此不同横截面积探头测试的参考点最高温度一致（本研究选择测试数据的选用也是基于此条件）；而其他测试点最高温度相近是因为灭菌参数相同，各点温度差值在灭菌阶段逐渐缩小，进入灭菌阶段时温度较低的测试点在灭菌阶段结束前的温度逐渐升高到与参考点一致。一般认为，灭菌周期中，平衡时间结束、灭菌阶段开始后，灭菌室内环境将停止变化，但实际上灭菌阶段灭菌室内环境依然处于动态平衡状态。

因此，温度传感器探头横截面积对温度与时间验证关键参数中的灭菌温度均匀性、平衡时间和F₀值有显著影响，对灭菌过程最高温度的影响不显著。即探头横截面积越大，负载的蒸气渗透挑战性越低，测得的相关数据可能优于实际情况，即所测数据无法反映灭菌器和灭菌过程的真实情况。其中，平衡时间所受影响最大。因此，若在压力蒸气灭菌器的过程验证中使用横截面积过大的传感器（如本研究中的探头横截面积 961 mm² 的传感器），测试结果可能造成判断错误，使不符合要求的灭菌程序通过测试。压力蒸气灭菌器生产商、检验机构和使用机构进行产品研发、设备运行确认、安装确认或灭菌过程验证等工作时，必须将探头横截面积对测试结果的影响纳入考虑。形式检验（如注册检验、设计验证等）需严格执行国家标准规定 ^[1]，使用探头横截面积≤ 3.2 mm² 的温度传感器；日常设备运行确认、安装确认或灭菌过程验证工作中，使用操作便捷的无线温度数据采集器时，建议使用横截面积≤ 176 mm² 的温度传感器；而产品研发的验证过程一般在实验室进行，且对测试精度要求较高，建议使用横截面积≤ 13 mm² 的温度传感器，因为此类温度传感器与横截面积 2 mm²温度传感器的测试结果十分接近，其误差在研发验证可接受的范围。

需要注意的是，本研究仅分析了探头横截面积对测试结果的影响，但温度传感器形状不一，横截面积无法代表体积，下一步将针对温度传感器体积对灭菌过程测试的影响展开研究。此外，本研究仅对小型压力蒸气灭菌器的灭菌过程验证进行研究，而大型压力蒸气灭菌器的灭菌过程验证使用的模拟负载与小型压力蒸气灭菌器不同，其多孔渗透性负载尺寸是小型压力蒸气灭菌器所用负载的数倍，且探头布置方法存在较大差异，因此本研究结果不可直接用于大型压力蒸气灭菌器。关于温度传感器探头横截面积对大型压力蒸气灭菌器灭菌过程验证关键参数的影响仍有待研究。

【参考文献】

［1］国家药品监督管理局 . 小型压力蒸汽灭菌器：YY/T 0646-2022[S]. 北京：中国标准出版社，2022.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 医疗保健产品灭菌 湿热 第1部分：医疗器械灭菌过程的开发、确认和常规控制要求：GB 18278.1-2015[S]. 北京：中国标准出版社，2017.

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