CN107847620A - 使用多色光的微生物灭菌系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于对液体基质或固体基质上的微生物进行灭菌的设备。该设备包括用于产生光的光源以及被定位在光源附近的光学设备。该光学设备被配置为聚焦由光源生成的光以提供高强度光输出。光学设备还包括二向色反射器。该二向色反射器被配置为传递由光源生成的热能并且反射由光源产生的光。该设备还包括电源，其中电源耦合到光源和光学设备。该设备从而杀死在高强度光输出范围内存在的微生物。

Description

使用多色光的微生物灭菌系统和方法

本申请要求于2016年7月29日提交的美国非临时申请第15/223,909号的优先权，该申请是于2015年7月31日提交的美国非临时专利申请第14/815,519号的部分继续申请，其通过引用整体并入本文。

版权声明

本专利公开的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人复制专利和商标局专利文件或记录中出现的专利文献或专利公开，但是在其他方面保留所有版权。

背景技术

技术领域

本发明涉及一种用于对微生物进行灭菌的设备。特别地，它涉及一种出于杀死微生物的目的而治疗患者的设备。

相关技术的描述

微生物灭菌在储存时间延长的生物制品的生产中已经是关键的。已经开发了各种技术来实现这种灭菌，其包括紫外线照射、伽马射线照射(或γ照射)、化学灭菌、热灭菌、高压灭菌和超滤。因为这些技术破坏微生物，所以它们固有地损害可能在待灭菌产品中的其他生物成分。鉴于这一事实，对于对给定生物制品进行灭菌，特定技术可能并不总是可以接受的。最近，生物技术产品的数目和种类的增加已经产生了对足够灭菌的需求，而对产品的理想成分没有破坏性的副作用。这些生物技术产品往往非常不稳定，需要特殊处理和储存条件以保持其活性。在先前引用的灭菌技术中，对于这些生物技术应用，几个灭菌技术不可接受。化学灭菌、热灭菌和高压灭菌都会损坏或更改生物分子，从而使其灭活。生物分子的灭活有效地杀死了利用这些分子进行生命过程的微生物。然而，现有技术中发生的生物分子的这种灭活本质上是有问题的，在于它也可能使包含在生物技术产品中的所需分子或多个分子灭活，从而使灭菌目的失效。

超滤(相对于这里提及的其他技术的最新技术)需要使用孔尺寸非常小(至少<0.45微米)的过滤器。这些过滤器是一种固有地缓慢的灭菌手段，可能不适用于高粘度的溶液或含有所需颗粒(诸如细胞)的溶液，这些颗粒比孔径大，因此太大而不能通过过滤器。γ-照射是一种微生物灭菌不常用的技术，尽管它可以被用来确保大多数(如果不是全部)生物技术产品的无菌性。其缺乏广泛用于微生物灭菌的一个主要原因是它利用了非常具有放射性因此非常危险的辐射源，诸如放射性钴。这项技术需要大量屏蔽和控制系统来防止意外暴露于操作人员和其他人员。这些保护要求在经济上昂贵，通常非常昂贵。因此，γ-照射通常不是经济上可接受的技术或用于对生物技术产品进行灭菌的安全技术。附加地，γ-照射通过溶解微生物中包含的生物分子来灭菌产品。这种灭菌的光化学机理还可能降解所需产品，使其灭活，从而使灭菌目的失效。

UV-照射已被广泛用于微生物灭菌。UV光破坏包括细胞或病毒的基因组的DNA聚合物中腺嘌呤-胸腺嘧啶部分之间的氢键，并且催化相邻胸腺嘧啶部分之间形成环丁烷二聚体。基因组的这种破坏阻断了细胞或病毒的复制周期，有效地抑制了生物体的生长。

通常，使用UV光来对产品灭菌的设备由电源(镇流器)、UV光源、聚光和/或导光设备、滤光器和控制系统组成，以确保适当操作。镇流器被设计为以可靠方式为灯提供电力，以确保灯的持续最优功能。现有技术中存在各种UV光源，并且在现有技术中得知，其包括脉冲充气式闪光灯、火花放电装置或低压汞蒸气灯。传统上，低压汞蒸气灯已经被用于微生物灭菌设备，因为这些灯的操作相对便宜，并且比其他来源发射相对更高量的UV照射。还使用其他类型的蒸气灯，其包括汞-氙(HgXe)灯。具体地，根据本发明的优选实施例采用铅笔型Hg(Ar)光谱校准灯。这些灯结构紧凑，并且提供窄而强烈的辐射。他们的平均强度恒定并且可复制。相对于其他高瓦数灯，它们的使用寿命更长。这种类型的汞(Ar)灯通常对温度不敏感，并且只需要两分钟升温汞蒸气以使放电占主导地位，然后需要30分钟完全稳定。

通过背景，光常规地被分成红外光(780nm至2600nm)、可见光(380nm至780nm)、近紫外光(300nm至380nm)和远紫外光(170nm至300nm)。大多数UV灯源以离散波长发射光，并且包括滤光片，其滤除或阻挡特定紫外波长以外的波长，特别是254nm。在UV区域中，最显着的UV发射在254nm处发生。已知汞蒸气灯在254nm处发射辐射。这个波长可以破坏细胞和病毒的基因组，从而抑制它们的复制，从而杀死细胞和病毒。因此，通常，在现有技术中，调谐到254nm的单个波长检测器已经被用于确定到达目标的UV辐射的量。为了优化灯源的UV光输出效率，在光路中插入至少一个滤光片以阻挡非UV光到达目标，从而仅允许UV和近UV光到达目标。因此，随着时间的推移，该行业已经随着时间的推移而发展出254nm是用于UV灭菌的唯一和独有的重要波长的稳固建立的范例。如此，现有技术教导不包含用于微生物灭菌装置的非UV波长的光。更进一步地，这种范例不仅教导多色或广谱光不相关或不重要，而且是不利的。

与利用光热和/或光化学机理的UV照射形成鲜明对比，Dunn(1989年10月3日授予Dunn等人的美国专利号4,871,559，标题为METHODS FOR PRESERVATION OF FOODSTUFFS)教导了通过可见和红外辐射灭活酶利用光热机理。当以高强度和组合应用时，作为包括在完整光谱中的组分的UV、IR和可见光通过杀死微生物和通过降解酶的灭活而导致食品的显着保存期限和稳定性增强。值得注意的是，生物技术应用中的紫外线灭菌的现有技术没有教导Dunn的多组分光应用的途径；由于现有技术教导需要经过滤的UV光，而未经过滤的UV光对于微生物的灭菌是不理想的，所以现有技术没有教导使用未经过滤的UV光来对微生物进行灭菌。不利的是，生物技术产品的活性通常基于酶活性或需要蛋白质的三级或四级结构来进行活性。因此，在灭菌过程中不加区别地降解蛋白质和酶的灭菌技术(如Dunn)对于与生物技术产品一起使用是不可接受的。因此，仍然需要一种灭菌技术，其可以有效地对生物产品进行灭菌，而不会使活性生物产品变性。

因此，还需要现有技术尚未解决的在没有使活性生物分子过度变性的情况下更有效地对微生物的生物产品进行灭菌。

发明内容

因而，已经发现，与UV光源一起使用的二向色反射器可以克服现有技术的限制。因此，本发明的实施例包括以下内容。

在第一实施例中，提供了一种用于对液体基质或固体基质上的微生物进行灭菌的设备，该设备包括：

a.光源，其用于产生光；

b.光学设备，其被定位在光源附近，其中光学设备被配置为聚焦光源产生的光以提供高强度光输出；并且其中光学设备包括：

i.二向色反射器，其中二向色反射器被配置为使由光源产生的热能通过二向色反射器；以及反射光源产生的光；

c.电源，其中电源耦合到光源和光学设备；以及

d.其中高强度光输出范围内的微生物被杀死。

在另一实施例中，提供了一种用于具有高强度光输出的基质的微生物灭菌设备，其包括柔性流体芯光导，该柔性流体芯光导包括：

a)第一端；

b)第二端；

c)管状体；以及

d)其中光导被配置为定位在光学设备附近并且与光学设备附近的第一端连接，使得高强度光输出被配置为聚焦到流体芯光导的第一端并且引导通过管状体朝向第二端并且通过第二端向外引导到要灭菌的基质上。

在又一实施例中，提供了一种用于提供微生物灭菌的方法，其包括以下步骤：

a)提供用于对液体基质或固体基质上的微生物进行灭菌的设备，其中该设备包括：

i.多色光源，其用于产生多色光；

ii.光学设备，其被定位在多色光源附近，其中光学设备被配置为聚焦由多色光源产生的多色光以提供约0.1J/cm2至约50.0J/cm2的高强度光输出；该设备包括：

A.二向色反射器，其中二向色反射器被配置为传递由多色光源产生的热能；以及反射由多色光源产生的多色光；

B.电源，其中电源被配置为耦合到多色光源和光学设备；

b)激活多色光源一预先确定的时间以提供大于大约0.01秒的曝光时间；

c)将设备的输出定位在距待处理基质一预先确定的距离处；

d)将待处理基质暴露于高强度光输出；以及

e)使多色光源灭活，从而让基质上存在的任何微生物剂均已灭菌。

一些示例实施例的简要概述

提供本发明内容是为了以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用来帮助确定所要求保护的主题的范围。

一个示例实施例包括一种用于灭菌微生物的设备。该设备包括用于产生光的光源以及被定位在光源附近的光学设备。该光学设备被配置为聚焦由光源产生的光以提供高强度光输出。该光学设备还包括二向色反射器。二向色反射器被配置为传递由光源产生的热能并且反射由光源产生的光。该设备还包括电源，其中电源耦合到光源和光学设备。该设备从而杀死在高强度光输出范围内存在的微生物。

在一个实施例中，微生物灭菌设备包括柔性流体芯光导。柔性流体芯光导包括第一端和第二端。柔性流体芯光导还包括管状体。光导被配置为定位在光学设备附近并且与光学设备附近的第一端连接，使得高强度光输出被配置为聚焦到流体芯光导的第一端中并且引导通过管状体朝向第二端并且通过第二端向外引导到要灭菌的基质上。

另一示例实施例包括一种用于提供微生物灭菌的方法。该方法包括：提供用于灭菌微生物的设备。该设备包括用于产生多色光的多色光源以及被定位在多色光源附近的光学设备。该光学设备被配置为聚焦由多色光源产生的多色光以提供大约0.5J/cm2的高强度光输出。该光学设备还包括二向色反射器。二向色反射器被配置为传递由光源产生的热能并且反射由光源产生的光。该设备还包括电源，其中电源耦合到多色光源和光学设备。该方法还包括：激活多色光源一预先确定的周期以提供大于约0.01秒的曝光周期。该方法还包括：将该设备定位在距待处理基质一预先确定的距离处。附加地，该方法包括：将待处理基质暴露于高强度光输出。此外，该方法还包括：使多色光源灭活，从而让基质上存在的任何微生物剂均已灭菌。

从以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他目的和特征将变得更加显而易见，或者可以通过如下所述的本发明的实践来了解。

附图说明

为了进一步阐明本发明的一些示例性实施例的各个方面，将通过参考在附图中图示的具体实施例来再现本发明的更具体描述。应当领会，这些附图仅描绘了本发明的说明实施例，因此不被认为是对其范围的限制。将通过使用附图以更多的特征和细节来描述和解释本发明，其中

图1图示了用于微生物灭菌的设备的侧视图。

图2是图示了用于提供微生物灭菌的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图，其中相同的结构将被提供有相同的参考标记。应当理解，附图是本发明的一些实施例的图解和示意性表示，并且不是对本发明的限制，也不一定按比例绘制。

虽然本发明易于受到许多不同形式的实施例的限制，但是在附图中示出并且这里将在详细的具体实施例中得以描述，应当理解，这样的实施例的本公开将被视为原理的示例，而不旨在将本发明限制于所示出和所描述的具体实施例。在下文的描述中，相同的附图标记用于描述附图的几个视图中的相同、相似或对应的部分。该具体实施方式定义了本文中所使用的术语的含义并且具体描述了实施例，以便本领域技术人员实践本发明。

定义

术语“大约”、“基本上”和“约”意指±10％。

本文中所使用的术语“一(a)”或“一个(an)”被定义为一个或多于一个。本文中所使用的术语“多个”被定义为两个或者多于两个。本文中所使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多个。本文中所使用的术语“包括(including)”和/或“具有(having)”被定义为包括(即，开放式语言)。本文中所使用的术语“耦合”被定义为连接，尽管不一定直接连接，并且不一定是机械连接。

术语“包括(comprising)”不旨在将本发明限制为仅以这样的包括语言要求保护本发明。使用术语“包括(comprising)”的任何发明可以使用“由...组成(consisting)”或“由...组成(consisting of)”权利要求语言分离成一个或多个权利要求，并且意图如此。

贯穿本文件对“一个实施例”、“某些实施例”和“实施例”或类似术语的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的这样的短语不一定都指相同的实施例。更进一步地，特定特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合，而没有限制。

如本文中所使用的术语“或”要被解释为包含性的或意指任何一个或任何组合。因此，“A、B或C”是指以下各项中的任一项：“A；B；C；A和B；A和C；B和C；A，B和C”。只有当元素、功能、步骤或动作的组合在某种程度上是相互排斥的时候，才会出现这个定义的例外。

附图中所示的附图是为了说明本发明的某些便利的实施例，而不应被认为是对其的限制。在操作的现在分词之前的术语“手段”指示具有一个或多个实施例的期望功能，即，用于实现期望功能的一个或多个方法、设备或装置，并且本领域技术人员可以鉴于本文中的公开内容来从这些或它们的等同物中进行选择，并且术语“手段”的使用不旨在是限制性的。

如在说明书和权利要求书中所使用的，短语“被配置为”表示将所述元件从根本上与所述结构的物理特点联系起来的实际配置状态。也就是说，短语“被配置为”表示该元素在结构上能够执行所述元素，但是在任何给定时间不需要这样做。结果，短语“被配置为”远远超出了仅仅描述功能语言或预期用途，因为该短语主动地陈述实际配置状态。

如本文中所使用的，术语“用于对固体基质或液体基质上的微生物进行灭菌的设备”是指具有光源的设备，该光源产生能够杀死微生物(诸如固体基质或液体基质上的细菌或病毒)的广谱光。特别地，它产生宽紫外光谱(即，不仅仅是隔离波长)，即使它可以产生其他光谱，并且在一个实施例中，光产生高UV输出。固体基质和液体基质是指非气体基质，诸如液体、血液、皮肤、骨骼、器官或无生命的液体/固体。

如本文中所使用的，术语“光源”是指产生灭菌UV光的任何类型的灯泡。普通灯泡还有高强度放电(HID)灯泡也是本发明的实施例。因此，例如，可以利用高强度汞氙(HgXe)灯泡。这些类型的灯泡是高UV输出灯泡。一般而言，本发明的一些灯泡的光输出为约0.1J/cm2至约50.0J/cm2。

如本文中所使用的，术语“光学设备”是指收集从二向色反射器反射的光并且将光聚焦到高输出流中的设备。聚焦产生高强度光输出。该设备可以是电动的或具有手动聚光方式。

如本文中所使用的，术语“高强度光输出”是指约每瓦输出至少80流明的光输出，以实现这种高强度光输出，不能使用产生UV光的低压或中压灯，因为它们不会产生足够的光输出。电弧放电灯确实不会产生所需的光输出强度水平。为了实现所需的高强度输出，可以在电弧放电灯的光输出上增加椭圆形反射器，该反射器将多色光准直成每瓦约100流明(即，产生所需的高强度光输出)的更高强度(强度被理解为单位面积的能量)。

如本文中所使用的，术语“二向色反射器”是指从光源获取光并且允许热能穿过反射器同时将光，特别是UV光反射到光学设备用于聚焦的反射器。反射器可以是工作的任何形状，但是在一个实施例中是椭圆形的。这与二向色滤光片不同，后者仅过滤或反射光，但是不反射热量。

如本文中所使用的，术语“电源”是指为光源供电并且在需要时为光学设备或该设备的任何其他部分供电的AC或DC源。

如本文中所使用的，术语“多色的”是指包括多个波长的光的光。

如本文中所使用的，术语“预先确定的曝光周期”是指由设备产生的光在微生物上示出以杀死该微生物的时间段。在一个实施例中，该时间段从大约0.01秒至大约5秒。在一个实施例中，利用快门来打开、关闭和调制光从光源到微生物的通道。

如本文中所使用的，术语“流体芯光导”是指用于让光聚焦设备发射并且根据需要帮助将其递送到产品基质或患者的光导。虽然该光导对于使用本发明来说不是必需的，但是其是帮助聚焦或使得更容易将聚焦的光递送到期望位置/基质、患者等的实施例。该光导通常是一管，其具有第一端和第二端，其中第一端用于当被定位在设备附近时收集从设备输出的光，使得光引导通过管并且被递送到第二端及其外，以当需要时递送光，例如，基质。光导可以包括准直器。光导可以是以下各项中的至少一项：柔性的；紫外线透射的；具有或者是液体；具有盐水溶液；具有金属盐溶液，其中在一个实施例中，金属盐是Na、K、Mg或其组合；非水溶液；或气体。

本发明一般涉及微生物灭菌(或DNA破坏、DNA灭活)，并且更具体地涉及使用可选地通过柔性的红外吸收光导指向的高强度多色光的短脉冲的微生物灭菌。本发明的目的中的一个目的是通过对生物基质、产品或微生物的任何基质进行更有效灭菌，而不会使活性生物分子中的任一活性生物分子过度变性(例如，对患者身体表面的微生物进行灭菌)来改进现有技术。本发明的另一目的是使用快门机构来调制对多色全光谱光的曝光周期。本发明的另一个目的是使用二向色反射器去除热能和聚焦(集中)多色全光谱光。本发明的另一目的是使用电子电路板来调制灯功率、多色全光谱光的热量和快门计时器。

因此，本发明的一个方面是提供一种装置，其将通过高强度多色或宽谱光照射(包括UV照射)来对生物产品、非生物产品或其他产品进行灭菌。本发明的另一方面是提供一种装置，其使用已经通过流体过滤的光来吸收光谱的红外区域，以便使被照射的物体的期望元素的光热变性最小化。我们认为，那些结构(诸如肌肉、脂肪、骨骼、头发、流体、植物和真菌结构)都受到这种光线的影响。附加地，非生物材料(诸如塑料)也受到目的在于破坏DNA的杀菌光的影响，而我们的设计提供的破坏效果更小。随着去除与这种处理相关联的热量，生物表面和其他表面和基质也无一幸免。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种用于微生物灭菌的设备，通常被标记为100。图1示出了用于微生物灭菌的设备100可以包括电源102；UV光源104；至少一个光学设备106(在该实施例中，其包括二向色反射器108)；光闸机构110；冷却风扇112；定时器114；具有第一端117a和第二端117b的光导或光导导通设备116(也用作红外光过滤器)；以及曝光控制系统118，以确保适当操作。特征还在于光屏蔽盒122、检测器电路124以及中性密度滤光片和UV选择性滤光片123中的UV敏感二极管。图1还示出了不可见红外光(辐射热量)130、入射光束129、微生物121和基质120。本实施例的部件被配置、定位和连接，使得在该实施例中由电子电路板组成的电源102向系统提供能量。特别地，电源向UV光源104提供能量，该UV光源104发射从至少一个光学设备106反射的光，否则聚焦或引导到光导116中。二向色反射器108提供了用于从系统中去除热量的器件。冷却风扇112提供了用于从系统去除多余热量的另一器件。快门机构110、定时器114和控制系统118相互连接以提供到达具有微生物121的基质120的受控开/关光输出。

在一个实施例中，本发明包括电源102，其由电子电路板组成；作为UV光源104的汞氙(HgXe)灯；光学设备106中的椭圆二向色反射器108；光闸机构110；也用作红外光过滤器的光导116；以及控制系统118。在一个实施例中，电源102由镇流器组成，该镇流器以适当电压和电流提供电力以向紫外(UV)光源104供电。在另一实施例中，电源102由变压器组成，该变压器以适当电压和电流提供电力以UV光源104供电。在另一实施例中，电源102是电子电路板(PCB)，其以适当电压和电流提供电力以向紫外线(UV)光源/灯104供电。电子电路板将其他电子设备连接到典型地与电源相关联的灯点火器。该灯点火器提供8安培至12安培以启动灯。对于100W Hg或Hg/Xe灯，电源保持约3安培至5安培的灯输出。

在一个实施例中，UV光源104是HgXe蒸气灯，尽管还可以设想其他UV光源。HgXe的强度依据待灭菌微生物121足以提供介于约170纳米(nm)至约2600nm之间的波长的约0.01焦耳/平方厘米(J/cm2)至约50J/cm2之间的能量密度。在另一实施例中，撞击在待灭菌微生物121上的能量密度约为0.5J/cm2。有利的是，通过以足以防止灯过热的速率将空气或流体(优选为水)的连续流动引导到灯上来冷却灯。

附加地，二向色反射器108有助于从灯104消散。二向色反射器倾向于特征在于它们被配置为反射的光的一种或多种颜色，而非它们通过的一种或多种颜色，其与二向色滤光片、薄膜滤光片或者干涉滤光片相反，它们是非常精确的滤光片，其特征在于它们选择性通过的光的颜色。二向色反射器108可以在光源/灯104后面使用，以向前反射可见光(或其他所需光)129，同时允许不可见的红外光(辐射热量)130从设备100的后部出去，产生实际上较冷(热温度较低)的光束129，即，热量减少80％。这样的布置允许给定光129显着增加其前向强度，同时允许由设备100的向后部分生成的热量逃逸。在一个实施例中，二向色反射器108是椭圆形的。反射器108的二向色表面由表面涂层构成，该表面涂层足以允许大部分入射光129反射，同时允许热光130通过。椭圆形形状被设计为使得由光源104发射的冲击反射器108的大部分光被反射并且聚焦朝向导光设备116的第一端117a。

传统上，曝光周期调制通过将电流调制到灯来完成。这种使用电流的曝光控制系统相对比较经济，因此被广泛接受。然而，由于电流的通断而导致光源/灯的持续闪烁对于光源/灯是不利的，并且导致灯寿命缩短。因此，光源/灯104在使用期间维持连续激励，并且通过快门机构110发生曝光调制。快门机构110可以递送介于大约0.01秒和大约5秒之间，优选地介于大约0.1秒和大约3秒之间，更优选地约3秒的曝光周期。另外，快门机构110可以以重复方式递送这些曝光周期，以便实现足以对微生物121进行灭菌的总曝光时间。低曝光时间可以是关键的以确保发生灭菌而不损坏下面的基质120。优选地，该曝光间隔通常在大约0.01至大约3秒的范围内，优选地，0.1秒。

导光设备116是由具有流体芯的管组成的流体芯光导，该管具有第一端117a和第二端117b。光导116中的管是柔性中空管，其壁由至少与所容纳的流体本身一样高或更高的反射率的高反射材料构成，从而增加光导116内的透射率，或者至少维持流体本身的透射率。附加地，管壁中使用的高反射材料具有衍射系数，其足以使得如果其接触管壁，则透过管的流体芯的200nm至1200nm范围内的大部分光被反射回到流体芯中。

在光导设备116中，流体芯由气体、金属盐水溶液(或其他水溶液)或非水溶液构成。流体芯光导116中的流体被配制成使得其吸收可以由HgXe灯/光源104发射并且传送到流体芯光导116中的红外光。在一个实施例中，流体是由有机流体组成的非水溶液。有机流体由于具有高红外(IR)吸收能力而对于这种用途是理想的，并且红外光可以破坏微生物121的蛋白质、酶和细胞成分，从而排除了用作疫苗的无菌生物体的存活力。在另一实施例中，流体是金属盐水溶液，诸如氯化钠(NaCl)水溶液，尽管盐也可以选自KCl、MgCl、MgSO4、其他有机物等组成的组。NaCl的浓度介于大约5％至大约50％之间。优选地，浓度可以在大约5％至大约10％的范围内。

光导116的端117a和117b可以由半透明石英、熔凝硅石或合成金刚石或天然金刚石制成，所有这些都不吸收UV光。光导116将退出的光从第二端117b引导到基质120上的微生物121。附加地，具有适当形状的二向色反射器108用于将反射的光聚焦在基质上的微生物121上，同时使热能130远离基板120以防止在灭菌微生物121的同时损坏基质120。

灭菌设备100的正常运转由控制系统118保证。控制系统118由放置在与基板120上的微生物121并置的光屏蔽箱122中的UV敏感二极管构成。UV敏感二极管122耦合到检测器电路124，该检测器电路124提供指示在曝光周期期间撞击在UV敏感二极管122上的光量的输出。中性密度滤光片和UV选择性滤光片123被插入在光导116和UV敏感二极管122之间，以分别衰减光并且阻止UV范围外的波长通过。在检测器电路124检测到撞击在UV敏感二极管122上的光低于足够的电平的情况下，可以增加递送到光源/灯104(其可以是闪光灯、煤气灯等)的功率，可以延长曝光周期，或者可以暂停灭菌操作，直到设备100可以被保养为止。

在另一实施例中，控制着落在基板120上的微生物121上的UV光量的备选手段是使用如上所述的控制系统118，而不是测量撞击在UV敏感二极管122上的UV光，检测器电路124与测量由微生物121发射的荧光的器件配对。应当理解，荧光是该设备用于使用多色光进行微生物灭菌用于灭活微生物的有效性的关键因素。荧光是激活状态的指示，并且是吸收以低能量波长发射的高能量辐射的结果。活化状态被认为是与更大的化学反应性相关联，因此被认为是有利于在细胞或微生物的基因组中形成环丁烷二聚体。

根据本发明的用于微生物灭菌的设备100实际上具有无限应用。通过示例，但不限于，该设备可以用于通过从一种或多种灭菌的微生物中产生疫苗来灭活和/或灭菌所有已知病原体，这些病原体包括病毒(诸如单纯疱疹病毒和HIV)、细菌(诸如大肠杆菌和葡萄球菌属)以及真菌(诸如念珠菌病)。

还有利的是，根据本发明的用于微生物灭菌的设备100可以用于对远处或大的固定基质进行灭菌。通过构造关于制造人员所携带的设备的这样的材料和技术的设备100，设备100可以用于快速灭菌远处或大的基质区域。在这样的实施例中，通过简单地维持光导116朝向基质的方向并且在灭菌管理人员可能会移动或四处走动的同时使光129在基质区域上移动，人员(在这种情况下，为灭菌管理员)可以容易对大基质区域进行灭菌。

图2是图示了用于提供微生物灭菌的方法200的流程图。该方法允许对任何期望基质进行灭菌，而不会损坏结构，诸如肌肉、脂肪、骨骼、毛发、流体、植物和真菌结构。特别地，高强度光的有害部分已被消除，使得所得输出仅损害微生物，而不损害下面的结构。

图2示出了该方法可以包括：提供202用于对微生物进行灭菌的设备。例如，上文参照图1，用于对微生物进行灭菌的设备可以包括设备100。因此，将参照图1的设备100来示例性地描述方法200。然而，本领域技术人员可以领会，方法200可以与除了图1的设备100之外的设备一起使用。

图2还示出了方法200可以包括：激活(204)多色光源一预先确定的周期以提供大于大约0.01秒的曝光周期。例如，曝光周期可以从0.01秒到大约5秒，优选地，介于大约0.1秒到大约3秒之间，更优选地，大约3秒。另外，快门机构可以以重复方式递送这些曝光周期，以便实现足以杀灭微生物的总曝光时间。

图2进一步示出了方法200可以包括：将设备定位206距离待处理基质一预先确定的距离处。例如，该设备可以定位206在离基质约2.25英寸的位置。距离可以基于被处理的基质、输出的强度、被灭菌的微生物以及其他事实来调整。

图2附加地示出了方法200可以包括：将待处理基质暴露208于高强度光输出。也就是说，高强度光输出被引导到基质上，从而对其上的微生物进行灭菌。曝光可以包括恒定曝光或“扫掠”，其沿着基质移动高强度光输出。

此外，图2示出了方法200可以包括：使多色光源灭活210，从而让存在于基质上的任何微生物试剂得以灭菌。也就是说，一旦微生物已经被灭菌，光源就被关闭并且基质现在被灭菌以用于期望用途。

本领域技术人员应当领会，对于本文中所公开的这个和其他过程和方法，在过程和方法中执行的功能可以以不同次序来实现。更进一步地，所概述的步骤和操作仅作为示例提供，并且步骤和操作中的一些步骤和操作可以是可选的，组合成较少的步骤和操作，或者扩展到附加步骤和操作，而不偏离所公开的实施例的本质。

已经对本发明进行了描述，现在将通过以下具体示例对具有更具体的优选实施例和示例的本发明的各个方面进行更详细地描述。这些示例在数量上证明了本发明通过减少或消除微生物来保存生物技术产品的有效性。在这些示例中，微生物被有意引入到待处理产品中。高数量的微生物的有意引入到产品会导致微生物高度的自我屏蔽，从而与常规数量的微生物相比，需要增加对灭菌光的暴露时间。因此，这些示例表示高强度光处理的有效性的戏剧性证明。

示例1

该示例基于利用可从Edmund Scientific商购的流体填充的光导进行的实验，该光导夹紧在光导的光发射端基本上垂直于待曝光和灭菌基质的位置，其距离基质大约2.25英寸。流体填充的光导被连接到位于光源前方并且与光源耦合的光阑外壳和快门机构，在该实验中，光源是高功率的1千瓦汞-氙(HgXe)灯，其可从American 的LESCOUV部门商购。疱疹病毒(HSV)培养物通过将培养物上清液以足以提供106噬菌斑形成单位(PFU)/mL的稀释度稀释到细胞培养基中来从疱疹病毒感染的细胞制备。根据一个实施例，大约10mL的等分试样被暴露于距设备2.25"的距离处的UV光持续3秒的周期。在暴露周期之后，从经处理的样品中取出2mL的三份样品并且用于新鲜制备的HSV细胞以及在37℃温育72小时。经过3天的检查，在经处理的样品中没有观察到噬菌斑，而观察到阳性对照样品具有10⁶PFUS/mL的滴度；因此，在实验开始时，在一个实施例中，根据本发明，10⁶PFU/mL被处理3秒，从而在使用高强度光源曝光之后产生零(0)PFU/mL。

附加地，用UV光对细菌和其他病毒(包括但不限于大肠杆菌、葡萄球菌属和克雷伯菌属)的半定量灭活进行灭菌。这些仅通过示例而非限制进行阐述。当暴露于根据本发明的设备时，以类似方式和与示例2中所阐述的条件类似的条件对与家庭、通风、粪便、人类口腔等中常见的那些细菌类似的其他细菌进行类似地灭活和灭菌。

本发明所属领域的技术人员可以做出修改，从而特别是在考虑到前述教导的情况下，导致采用本发明原理的其他实施例，而不背离其精神或特点。因而，所描述的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，因此本发明的范围由所附权利要求而非由前述说明或附图来指示。从而，虽然已经参考具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员显而易见的对结构、序列、材料等的修改仍然落入如本申请人要求保护的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于对液体基质或固体基质上的微生物进行灭菌的设备，所述设备包括：

a.光源，其用于产生光；

b.光学设备，其被定位在所述光源附近，其中所述光学设备被配置为聚焦所述光源产生的光以提供高强度光输出；并且其中所述光学设备包括：

i.二向色反射器，其中所述二向色反射器被配置为使由所述光源产生的热能通过所述二向色反射器；以及反射由所述光源产生的光；

c.电源，其中所述电源耦合到所述光源和所述光学设备；以及

其中所述高强度光输出范围内的所述微生物被杀死。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源是多色的。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源包括高强度灯。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述光源包括高强度HgXe灯。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源是高UV输出光源。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源被激活刚好足以杀死所述微生物的一预先确定的曝光周期。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述曝光周期大于约0.01秒。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述曝光周期在约0.01秒和约5秒之间。

9.根据权利要求6所述的设备，还包括：

快门机构，其中所述快门机构在所述光学设备附近被定位和连接，用于通过调制所述光源来控制所述曝光周期。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括流体芯光导，所述流体芯光导包括：

a.第一端；

b.第二端；

c.管状体；以及

d.其中所述光导被定位在光学设备附近并且与所述光学设备附近的所述第一端连接，使得所述高强度光输出被聚焦到所述流体芯光导的所述第一端中，并且引导通过所述管状本体朝向所述第二端并且通过所述第二端向外引导到待灭菌基质上。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述光导包括准直器。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述高强度准直光被递送到所述光学设备附近的所述光导第一端。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述二向色反射器是椭圆形的。

14.根据权利要求1所述的设备，其中所述电源包括电子镇流器，其被配置为调节热量排除。

15.一种柔性流体芯光导，用于对液体基质或固体基质进行微生物灭菌的设备中，该设备具有高强度光输出和包括该柔性流体芯光导，所述柔性流体芯光导包括：

a)第一端；

b)第二端；

c)管状体；以及

d)其中所述光导被配置为定位在光学设备附近并且与所述光学设备附近的所述第一端连接，使得所述高强度光输出被配置为聚焦到所述流体芯光导的所述第一端中并且引导通过所述管状体朝向所述第二端并且通过所述第二端向外引导到所述待灭菌基质上。

16.根据权利要求15所述的柔性流体芯光导，其中所述流体芯光导是IR吸收性的。

17.根据权利要求15所述的柔性流体芯光导，其中所述流体芯光导是以下各项中的至少一项：

a)柔性的；

b)紫外线透射的；

c)液体；

d)盐水溶液；

e)金属盐水溶液；

f)金属盐水溶液，其中所述盐选自由Na、K、Mg及其组合组成的所述组；

g)非水溶液；或者

h)气体。

18.一种用于在液体基质或固体基质上提供微生物灭菌的方法，包括以下步骤：

a)提供用于灭菌微生物的设备，其中所述设备包括：

i.多色光源，其用于产生多色光；

ii.光学设备，其被定位在所述多色光源附近，其中所述光学设备被配置为聚焦由所述多色光源产生的多色光以提供约0.01J/cm²至约50.0J/cm²的高强度光输出；所述设备包括：

A.二向色反射器，其中所述二向色反射器被配置为传递由所述多色光源生成的热能；以及反射由所述多色光源产生的所述多色光；

B.电源，其中所述电源被配置为耦合到所述多色光源和所述光学设备；

b)激活所述多色光源一预先确定的时间以提供大于约0.01秒的曝光周期；

d)将设备的所述输出定位在距所述待处理基质一预先确定的距离处；

f)将所述待处理表面暴露于所述高强度光输出；以及

g)使所述多色光源灭活，从而让所述基质上存在的任何微生物剂均已灭菌。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

a)定位具有第一端、第二端和管状体的流体芯光导；以及

b)其中所述光导被定位在光学设备附近并且与所述光学设备附近的所述第一端连接，使得所述高强度光输出被聚焦到所述流体芯光导的所述第一端中并且引导通过所述管状体朝向所述第二端并且通过所述第二端向外引导到所述待灭菌基质上。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述曝光周期在约0.01秒至约5.0秒之间。