回归到本次课内容——过氧化氢浓度检测技术。

过氧化氢的测量实际是湿度水分子另一种形态的测量，其测量基础是利用相对湿度。首先有几点需要注意，第一个就是空气中存在液态水，液态水可以分为肉眼所见的液态和感官所感受到的气态两种，比如说冬天北方的朋友可能说屋里很干，也就是说湿度相对会比较低。实际上，过氧化氢分子和水分子一样，存在气态和液态两个状态，这两个分子的状态变化都会影响相对湿度的变化。特别是，过氧化氢分子不太稳定，所以其分解或者形成都会对湿度产生非常明显的影响。

在介绍湿度测量的方法前，需要先了解测量基本原理——道尔顿法则，即一定体积的气体总气压值等于该气体中含有各种气体气压值之和。Pt = P1 + P2 + ...

例如: 灭菌过程中一定体积的气体压力等于氧气，氮气，二氧化碳，水气，过氧化氢气体等气体压值和混合。通过这一原理进行推论，我们可以把一定体积气体的压值等同于干气和湿气压值Pt= Pw + Pdry。Pw 就是影响湿度变化的气体，即为H20和H202，Pdry 为其他所有不影响湿度变化气体综合。

这时，我们引进新概念RH（相对湿度）和RS（相对混合湿度）。需要特别强调一下，实际上现在日常生活灭菌过程中测试所用现有的传感器，不管是维萨拉或是其他厂家的，测出来实际上是RS值（相对混合湿度），即水和过氧化氢的水气分压值。单独的水气分压，现在市面上常用的传感器其实测不出来的。

相对湿度的定义是水的分压值(PwH2O)和饱和水气压[Pws(t)]比值，乘以100%。相对混合湿度的定义是混合水气（H20+H2O2)分压和(PwH2O+H2O2)和饱和水气压[Pws(t)]比值，乘以100%。相对湿度目前除了维萨拉这个新产品可以测量之外，其他产品是测量不出来的。但相对湿度和相对混合湿度是有紧密的物理联系的，也就是说相对混合湿度能达到多高，相对湿度是起决定性作用的。

那么到底是如何测量水和过氧化氢的浓度呢？

气体中每种分子结构都是独一无二的，我们将N2、CO2、H2O和H2O2等气体的分子结构列在这里，可以看到H2O和H2O2的分子结构是比较特殊的，其分子的两侧会有一个附加电荷。H2O和H2O2的分子电极组成了连接两个负电子，这个结构是可以储存电子能量的，这个电子能量是可以被电容传感器感知跟测量的。维萨拉发明的电容式湿度测量技术，就是测量这两个负电子来检测湿度。而同样的在常规的空气环境中，其它气体比如氧气，氮气，二氧化碳都不具备类似结构，电容传感器无法感知和测量此类分子，只能感知水和过氧化氢，这就是过氧化氢测量的基本原理。

在这种开放空间环境，如上图左侧所示，气体分子在开放空间距离较远，不利于测量。薄膜电容的原理是什么呢？如右图所示，传感器中有一个非常小的芯片，在这个小体积的薄膜电容中，气体分子含量高出许多， 对电容容值影响显著，就可以测量出来。需要注意的是，这个薄膜电容的厚度是极其薄的，在这个厚度极其薄的空间内，带负电荷的气体分子能够被电容准确地捕捉到。这个测量原理还有一个重要的基础就是气体分子是一个不停地扩散的过程，扩散最后会达到一个动态平衡。例如，两个房间的温度有差别，但是如果把门打开，可能经过一段时间，其内外的温度就会一样了，分子扩散就是类似于温度这种平衡。

在这个薄膜电容内外，如图所示，静置一段时间以后，内外分子数量基本是一样的，由于分子运动无规则自由扩散特性，会导致薄膜电容内外分子达到动态平衡（进=出），也就是说电容外的水分子和过氧化氢分子和电容内的水分子和过氧化氢分子会达到一个动态平衡，进出会一样。刚才我提到过，薄膜电容是非常薄的，只有大概1 µm厚度，H20和H2O2分子活动空间有限，可以快速进出并达到平衡，会影响到一个测量参数，即测量速度会非常快，测量过程会非常短。但是其他分子因为分子结构的问题，即使有进出，但是电容传感器是识别不了的。这种特性决定了维萨拉传感器可以检测水和过氧化氢。在此电容式的传感器技术基础之上，我们研发了过氧化氢浓度传感器。研发此产品也是我们国外的客户发现了这个问题，然后委托我们做了深入的研究。

这个传感器我们运用了PEROXCAP®技术，已经申请了专利。

它有如下特点：

第一个是采用薄膜电容传感器；

第二个很重要，它可以为过氧化氢浓度检测和控制提供可靠、可重复的检测结果；

第三个这个传感器跟市面上所用电化学的传感器要通过化学反应测电势变化不一样，可以直接测量，能够提供温度、相对饱和湿度、过氧化氢浓度三种检测参数，等于是三合一的传感器，实际上还可以测水的湿度，水的湿度用处，一会我会通过图示说明；

第四点恰好印证了第二点可靠和重复的原因，计量院和一般用户无法校准常规的电化学传感器读数是否准确，而维萨拉每一个传感器出厂时都提供可溯源的校准证书。通常过氧化氢浓度在国内是校准不了的，但我们的校准证书是通过ISO17025的标准溯源到美国的NIST（美国国家标准与技术研究院），可以提供两点校准，校准标准气体就是用过氧化氢，这个校准技术是我们的专利，而电化学传感器通常使用二氧化硫进行校准，实际上是间接校准。这个证书具有法律效力，会明确告诉你测量过程浓度准确度，因此可以确保准确的测量结果。

传感器技术如上图右侧所示，左右各有两个电容式传感器A和B，我将逐一介绍其构造。A传感器上边是催化基层，中间是薄膜电容，底层是铝基座。催化基层的作用是不允许过氧化氢滤过此基层，这样可以测出水的相对湿度值，或者说测出了水分子的相对数量。B传感器构造其实很简单，包括底层铝基座和中间层薄膜电容，允许水和过氧化氢全部滤过，这时测出来的是水加过氧化氢浓度值，得到的差值其实就是过氧化氢浓度值。

此外，B层后方有一个像小方块一样的加热铂电阻，这是什么呢？因为这个传感器技术测量基础是要非常准确地测量出水或者过氧化氢分子，所以这两个传感器后都有加热的芯片。灭菌过程中传感器表面很容易出现冷凝状态，对测试结果会有影响。为了杜绝这种状况的发生，可以看到此芯片会具备两个加热的传感器，传感器在工作的时候，这个芯片表面温度是高于腔内的实际温度。因为传感器表面温度会高，传感器表面的露点温度会比环境温度要高，这样传感器表面就不会结露了。

在这种情况下，我们能够准确地测出其他分子的状况。此时，因为通过加热可以准确测出水分子浓度，以及水和过氧化氢通过里边浓度的差值，就可以获得过氧化氢浓度。测得的这个浓度由于传感器表面加热实际上是不准确的，所以此产品还具有辅助温度探头，这个温度探头会准确地监测实际的环境温度，通过此环境温度，可以知道实际的相对湿度值，所以可以输出最少3个参数。

PEROXCAP®技术特点和优势，因为测量原理的不同，如下：

第一个是可重复的测量结果，因为电化学是通过跟反应物质反应产生的电势变化来进行测量，需要泵吸进去，而过氧化氢是易溶于水的一种气体，会有损耗。在同一个环境标准如500ppm下，用同一个传感器进行多次测量，每次结果的误差会比较大。维萨拉的技术重复测量的结果非常好，不会有很大的偏差，出具的测试报告可以看到这一点；

第二个是由于电化学测量的体积以及样式不是为应用过程而设计，而我们这个产品是专门为过程应用而设计。不锈钢传感器体积小巧，并可提供三种参数测量；

第三个是传感器本身具备加热技术，在100%湿度饱和环境下也可以杜绝传感器表面冷凝，提供准确的测量结果。这个是非常重要的，我在现场和很多客户做一些测试，玻璃面板或者仓壁出现了冷凝，表明实际环境中气体没有达到饱和，而使用的常规湿度传感器测不出来，例如经常发现浓度可能是80%，而传感器已经显示100%了，这样对灭菌工艺有很大影响。维萨拉会通过例子表明我们可以非常明确地解决这个问题；

第四个是 产品寿命长，没有耗材。因为是直接检测，不涉及频繁更换电化学传感器，我们在设计之初就考虑到了这点，也是为了这个过程而设计；

第五个是传感器本身可以提供2路模拟信号及数字信号输出，无需外加变送器；

第六个是每个传感器出厂均提供可溯源的校准报告，确保测量结果准确性；

第七个是 采用薄膜电容测量原理，没有耗材损耗，测量速度快，远远高于电化学速度，不易受环境因素影响；

最后是校准周期时间长，我们建议一年做一次校准，包括实验室和在现场用湿度传感器进行比对校准。

对客户价值：可以帮助用户准确，快速检测过灭菌过程中的过氧化氢浓度变化；可溯源的校准报告确保数据准确可靠，帮助客户成功审计；无需更换耗材，维护和使用成本低廉；加热技术确保准确的检测灭菌过程中的相对湿度（冷凝对于湿度检测不会造成影响）；安装简易，方便；反应速度快，缩短因为传感器反应迟滞造成的时间损耗。

有一点值得强调的是，为什么我们能够帮助客户成功审计？

大家在用湿法灭菌的隔离设备时，会发现在灭菌结束的通风过程中，过氧化氢浓度会有一个瞬间的提升。比如正常湿法灭菌时，浓度是300ppm左右，通风的时候有可能会达到1000ppm。那么在通风过程中，湿法的灭菌时候会不会有浓度的提升？这个是会有的，因为通风的时候会有气压变化下，液态水可能会分解出一些过氧化氢气体，但是它是不可能提升到1000 ppm的。那么，我们实际测试的时候也会发现，比如说300 ppm最后会提升到400 ppm，但是绝对不可能有1000ppm。1000ppm是怎么出现的？因为传统的电化学需要吸到这个小的反应腔里，实际测量过程中其反应腔里头已经产生冷凝，压力的变化会有气体分解出来，因为反应腔非常小，所以这个瞬间的分解会造成浓度飙升，这样对于验证是很不利的。使用这种电容式测量技术，可以发现真实情况是不存在这种大幅度的飙升。

下面我会用具体的例子来讲一下为什么会有飙升和影响，即之前的这种电容式为什么测的可能不太准？

首先，我重新强调一下相对湿度（RH）和相对饱和湿度（RS）的区别。大家现在测量的相对湿度其实是RS值，即水加过氧化氢的值。如图所示，是典型的灭菌过程图。中间的那根黑线即Relative Saturation(RS)，是相对湿度的水加过氧化氢的RS值。可以看到，初始阶段呈下降趋势，然后降到第一个谷底的时候，灭菌过程中RS值一直上升，通风的时候又缓缓降下来。这个比较重要的是什么呢？在过氧化氢没有注入的情况下，RS和RH实际上是一条线，因为这时候没有过氧化氢分子。但是从注入过程中可以看到RS和RH就分开了，RH值一直比RS值低。在此平台期的时候，这两个参数不是平行线的关系。RH值表明混合气体里水分子含量直接影响到过氧化氢浓度，也就是说这个差值是过氧化氢浓度。如果水分子含量控制不好，过氧化氢浓度是达不到灭菌要求的。这个之前可能由于技术问题，没有办法进行准确测量，现在维萨拉把它细化了，解决了。

相对湿度和过氧化氢浓度如图所示。X轴是温度，从20℃开始一直到50℃。Y轴是过氧化氢浓度，从0 ppm一直到2000 ppm。中间的圆弧形线是湿度值。例如，20℃的时候，要达到300 ppm的灭菌浓度，所对应的湿度值是60%。

也就是说，在20℃时，如果想达到300ppm，实际开始除湿过程中，相对湿度要降到60%以下，或者说此过程中的相对水含量不能够超过60%，如果超过以后，浓度不可能达到300 ppm。如果湿度控制不好，会出现什么情况？比如还是20℃，100ppm所对应的湿度值是85%。灭菌过程中虽然看到已经出现冷凝了，此时水的湿度已达到85%，过氧化氢浓度就不可能达到100ppm以上了，会一直在这个线以下，所以这个是可以量化的。

如图所示，20℃时，Y轴是相对湿度（RH），X轴是相对饱和湿度（RS），右边的纵轴是过氧化氢浓度值。如两个标记线所示，当温度为20℃，灭菌浓度为800ppm时，水加过氧化氢相对湿度实测值是85%，此时水湿度值不能超过25%，否则达不到800ppm。如果过氧化氢浓度要达到800ppm，理论上在20℃的时候，初始湿度值要在25%以内，同时在灭菌过程中水的湿度也是不可以超过25%的，一旦超过25%，过氧化氢浓度就会降低。同样在85%的水加过氧化氢浓度时，如果相对湿度变成30%，过氧化氢浓度会降到大概700ppm，达不到800ppm。所以过氧化氢浓度跟相对湿度有着非常紧密的联系。

那么，影响湿度的因素是什么呢？

在灭菌过程中，温度变化会影响到水或者过氧化氢浓度变化。如图所示，在500ppm过氧化氢浓度下，当水是8850ppm时，相对饱和湿度即水加过氧化氢的饱和值在21℃的时候，已经达到100%，已经出现冷凝。如果将温度提高0.5℃，可以看到相对饱和湿度才到95%，也就是说在这个情况下，只要提高0.5℃就没有出现冷凝。当温度为22℃时，相对饱和湿度已经变成92%，如果温度升到22.5，即只提高了1.5℃，那么相对饱和湿度已经降到了85%了。所以在不同温度下，混合气体否能析出水是完全不一样的，可见温度影响是非常大的。

回到对实际工艺的测量影响，如图所示为一个隔离器的内部，一位腔体内部，二为金属背板，三为操作面板玻璃，均已标记温度。

当实际操作的时候，腔体内部温度可能会高一点为22℃，金属背板跟外界有接触温度会低一点可能为21.5℃，跟腔体内部温度只差了0.5℃，玻璃面板温度为21℃，跟腔体内部温度只差了1℃，会出现什么结果？首先，玻璃面板温度为21℃时， 过氧化氢浓度为500PPM，水浓度为8850PPM，已经出现冷凝了。实际上，背板上是没有析出水的，因为只有21.5℃，此时水加过氧化氢的浓度只有94.5℃，还没有到100%。

同样，在灭菌过程中，腔体内部温度为22℃，相对湿度只有89.5%，远远没有达到冷凝的标准。所以当现场实验室的温度相对来说比较低，腔体内部温度又比较高，如果看到玻璃面板全部出现冷凝，但是戴上手套擦一擦，腔体内部很多情况下没有出现水，也有可能控制不好的情况下都出现了，这个是非常影响灭菌效果的。所以这就是水非常重要的原因。回到影响测量结果因素，其实过氧化氢是水分子一种，灭菌过程中，过氧化氢浓度是跟水息息相关的。

那么维萨拉HPP272产品是如何实现测量的呢？

可以看到，图中右上角是272一个带有辅助温度的纯金属探头，现场可以接显示器，直接读出参数。传感器本身是316不锈钢ip65防护的，前头是PEROXCAP®技术过氧化氢传感器，旁边是PT1000的高精度温度传感器，上头PTFE过滤器，降低紊流影响，因为流速会对湿度测量产生一些影响，所以我们是为了为了藏稳流而设计。但是这个不是催化过滤器，不会存在分解过氧化氢等问题。后边是一个两组mA输出或者一个485的输出。

维萨拉HPP272产品有什么特点？

第一个是HPP272 PEROXCAP® 传感器本身自带加热功能，这一功能避免了传感器本身出现冷凝现象。在接近饱和的高湿环境下也可以保证准确测量。这个对工艺非常重要。例如和维萨拉的同类传感器比较，我们在实际测量时，这个传感器已经显示90%多，而传统的传感器接近100%的时候，因为HPP272本身带加热功能，这时不会出现冷凝，不会受外界因素影响。实际看到出现大规模结露的情况时，箱体内部湿度实际上大概也就是90%左右，有的时候会更低，所以就可以保证准确测量，同时它还可以测量水的浓度。

第二个是HPP272 PEROXCAP®传感器具备自动校准功能，保证校准周期间测量准确性。

第三个是HPP272 PEROXCAP®传感器具备化学物清除功能，高温瞬间加热会到200℃。每次通电会自动启动化学物清除功能，这过程大概是5min。

正常使用过程中化学物清除功能

可在以下设置中2选1：

 清除频率：根据设置自动启动

– 默认为12小时（客户可自定义）

– 如果传感器检测到有环境中H2O2，化学物清除功能会自动延迟30分钟，此过程循环直至环境中没有H2O2.

 手动激发：客户自定义

– 数字模式: 通过Modbus通讯激发

– 模拟方式: 通过模拟信号激发

最后是测量结果可溯源，准确可靠，重复性好

与传统电化学传感器比较，HPP272所具有优势如下：

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Ask & Question

1、问：隔离器不同位置因为温度的差异，过氧化氢浓度可能不一样，怎么去统计？或者怎么实现准确地监测？

熊骁然：不同位置因为温度的区别，冷凝的情况不一样，过氧化氢浓度可能会产生不一样的情况。如果要是准确监测，只能在不同的位置放置传感器进行检测。但实际上我们只提供传感器的这个工具，还是要根据你们的需求进行自定义。但是可能灭菌位置或者是产品所放置的位置附近有传感器会更好一点，就是在腔内会好一些。我们在进行测试的时候，也发现传感器安装位置是不一样的，比如说放在腔内或者放在这个回风管道里头，测量出来的浓度是有明显差异的。

2、问：之前做过隔离器的无菌验证，拿芽孢杆菌去验证，本来200ppm,300ppm差不多就可以灭掉的，但是验证老不过，后来直接注入1瓶过氧化氢，测的有1000ppm，挺浪费的，但是好歹验证能过，是什么原因？

熊骁然：这个可能影响因素确实就比较多了，也不太好判断。实际上，我们在做比对测试的时候，发现安装位置不同的话，浓度测出来的结果也不太一样，包括腔内的分布均匀性也是不一样的。

上图为我们大概一年前做的湿法灭菌时，电容式传感器与电化学传感器对比研发图。红线是电容式传感器，蓝线是电化学传感器。在计算过程中，这两个传感器的读值存在差值。电化学传感器读值相对来说会偏低一点，在通风过程中会出现一个突起，电容式传感器的读值在分解的时候也会有突起，但是整个趋势基本上是一致的，只是各个情况下的浓度值读值可能会有一些差异。所以，您之前的检测也有可能不一定真的达到了您预期的灭菌浓度值，或者是这个检测结果存在一些偏差，或者是刚才说的这种均匀性等问题。

3、问：电容式的湿度传感器除了您家的，在灭菌过程中测的都是RS。另外，测H2O2浓度，是不是有其它方法，除了电化学和电容式，比如说红外线透过率？高浓度和低浓度用一台设备就可以检测吗？

熊骁然：维萨拉电容式传感器除了HPP272可以分别测出RH和RS之外，现有的传感器和其他家一样只能测出RS。

测试过氧化氢浓度的电容式传感器我们应该是第一家研发出来的，之前也介绍过是受欧洲客户委托的。另外，除了电化学方法，还有一种是利用光学原理进行测量。光学原理作为一种实验室标准，FDA官网上可以看到利用这种台式光学设备测量的过氧化氢浓度检测测试报告，成本是非常高的。除了实验室使用，工业现场几乎没有使用的可能性。此外，就目前来看，对于灭菌过程来说，对于量程在0-2000ppm的低浓度和高浓度可以用一台设备进行检测。 需要要强调的是，这个设备是为过程设置的，所以如果只是把它作为一个独立的安全检测，我们是不推荐的。因为按照美国职业安全协会的要求，之前是8小时1ppm，现在已经更新为,8小时0.5ppm。我们以1ppm为例，按照测量学原理，若要检测出1ppm，传感器实际的准确度最差要求要到0.33ppm以内，实际上推荐的是0.25ppm。现在它更新为0.5ppm，也就是说其传感器的准确度要求在0.12ppm左右。无论是对电容式还是电化学的传感器，从技术角度来说这种检测都是不可能实现的，只能是通过光学原理得的。所以我们不推荐使用它作为安全检测。

4、问：在灭菌后期我们用什么方法来检测灭菌终点？

熊骁然：就我个人理解，目前不管是电容式技术或是电化学技术，进行灭菌终点检测实际上只是一个趋势。我们也进行过对比，电容式和电化学在低浓度情况下的读值以及基本上是一致的。如果说这两个读值是否具有准确性，我个人理解都没有准确性，只是反应一个趋势。就目前现有的能够在隔离器上使用的传感器都是显示趋势，如果要是真正地检测到低浓度，肯定是用光学技术，准确度最起码要在0.33以内，我们现在也在开发安全检测。所以现在只能通过一个趋势来判断，比如说基本上到？以下可以进行下一步。这个光学设备基本上售价大概在40万左右，所以目前用在工业测量的可能性还是比较小的。

5、问：干法灭菌中，其实电容式H2O2的浓度检测仪器，也会存在有微冷凝，在通风过程中，因为RS的原因，造成瞬间数值上升？

熊骁然：我不太清楚您说的这个电容式过氧化氢浓度检测仪器是哪家的，因为在干法灭菌通风过程中H2O2浓度也确实会有轻微的数值上升。就实际的测试情况来看，这不是因为电容式传感器表面有微冷凝造成的。以我们的温度设置来看，维萨拉传感器是不可能在表面出现微冷凝的。这种情况可能是因为干法灭菌时，环境温度比较低，可能在玻璃上或者其它地方会有一些微冷凝，在通风过程中由于气压的变化，会将一些在水中冷凝后的过氧化氢气体释放出来，这样在某些情况下确实会导致H2O2浓度数值上升。从我个人的角度，我不认为出现这种情况是因为维萨拉HPP272出现冷凝造成的，也有可能是？过滤器上面可能会有残留的水增加了这个读值。

6、问：为什么光学检测的仪器的时候，进行多次测试，每次同样的注入量，相似的温度，相似的相对湿度起点，但是每次测量数据的差值。光学测量的原理是不是要寻找一个基准点？

熊骁然：您使用的这个光学设备的原理我不是特别清楚。但是常规的光学测量是使用露点的光学方法，在整个设备中有一个冷镜，气体抽进来以后，会持续的将气体吹在冷镜上，这个冷镜可以通过电子制冷一直降温。这个光学设备一般会有一个激光发射传感器和一个接收传感器，在没有出现冷凝的情况下，其光路是一个反射的情况，这时接收传感器能接收到全部的光。如果这个冷镜的温度降到一定温度的时候，冷镜表面就会有水析出，此时光就会出现漫射，接收传感器不能接收到百分之百能量。此时会有一个高精度的铂电阻测量冷镜表面的温度，然后通过这个温度会计算出一个露点。有了露点值和环境温度值就可以回算出过氧化氢或者水的浓度。另外，也有可能是通过波长就不一样，可能确实会有一些差别。如果是使用镜面露点的方式，设备里头可能会受一些影响，比如说在抽取的过程中，记录中间会不会有损耗等问题都会影响到测试结果。

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