中國建筑科學(xué)研究院有限公司 曹冠朋 曹國慶

0 引言

作為生物安全的一級屏障，生物安全柜是保護(hù)操作者的第一道防線，它可以防止實(shí)驗操作過程中含有危害性或未知性的生物氣溶膠散逸。目前，生物安全柜廣泛應(yīng)用于各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)、各級疾控中心及疫控中心實(shí)驗室、科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗室等。由于生物安全柜的廣泛應(yīng)用，其種類繁多，設(shè)備質(zhì)量也參差不齊。另一方面，雖然生物安全柜在出廠前已經(jīng)過型式檢測和出廠檢驗，但安裝后現(xiàn)場檢測時仍存在很多問題，如：高效過濾器由于運(yùn)輸或安裝受損出現(xiàn)泄漏；生物安全柜風(fēng)機(jī)風(fēng)量未經(jīng)過調(diào)試，導(dǎo)致送風(fēng)風(fēng)速或窗口風(fēng)速不符合要求。基于此，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都要求生物安全柜在安裝、移動、檢修及更換高效過濾器后須進(jìn)行現(xiàn)場檢測，以及每年定期檢測，以保證生物安全柜在投入使用后能安全運(yùn)行。通過對生物安全柜使用情況及性能指標(biāo)的實(shí)際現(xiàn)場檢測，可以比較全面地反映生物安全柜的綜合運(yùn)行情況，以進(jìn)一步提出相應(yīng)的解決措施。

本文結(jié)合實(shí)際情況分析生物安全柜現(xiàn)場檢測驗收及實(shí)際使用時的具體要求，同時對現(xiàn)有生物安全柜使用及現(xiàn)場驗收狀況進(jìn)行調(diào)研，綜合了解生物安全柜現(xiàn)場檢測驗收或?qū)嶋H使用過程中存在的具體問題。

1 分類

生物安全柜是一種負(fù)壓空氣凈化排風(fēng)柜，可以防止操作過程中含有危險性生物氣溶膠的氣體散逸，以達(dá)到保護(hù)操作者、實(shí)驗室環(huán)境或避免實(shí)驗材料交叉污染的作用。其工作原理主要是將柜內(nèi)空氣向外抽吸，使柜內(nèi)保持負(fù)壓狀態(tài)，通過垂直氣流來保護(hù)工作人員。外界空氣經(jīng)高效空氣過濾器(high-efficiency particulate air filter，HEPA)過濾后進(jìn)入生物安全柜內(nèi)，以避免處理樣品被污染，柜內(nèi)的空氣也需經(jīng)過HEPA過濾后再排放到大氣中，以保護(hù)環(huán)境。生物安全柜一般均由箱體和支架兩部分組成，箱體內(nèi)部含有外排風(fēng)箱系統(tǒng)、空氣過濾系統(tǒng)、前玻璃門驅(qū)動系統(tǒng)、控制和報警系統(tǒng)、照明光源和紫外光源等部件。根據(jù)歐盟、美國及我國的生物安全柜標(biāo)準(zhǔn)[1-4]，按生物安全柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、排風(fēng)比例和對人員、環(huán)境、受試樣品的保護(hù)程度進(jìn)行分級，生物安全柜分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級，如表1所示。

表1 生物安全柜分類

2 運(yùn)行要求及現(xiàn)場檢測

生物安全柜是重要的一級屏障隔離設(shè)備。其生物安全防護(hù)性能主要體現(xiàn)在安全柜通過柜體和氣流形成的物理隔離來保護(hù)操作者、實(shí)驗材料、實(shí)驗室環(huán)境及室外環(huán)境的能力。確保其生物安全防護(hù)性能是安全柜運(yùn)行的基本要求。首先，不同類型的安全柜生物防護(hù)性能不同，根據(jù)實(shí)驗室操作微生物危險度級別、類別確定合理的安全柜類型是保證其安全運(yùn)行的前提；其次，安全柜本身的運(yùn)行也受到實(shí)驗室環(huán)境的影響，正確的安裝同樣是保證安全柜安全運(yùn)行的必要條件；最后，安全柜現(xiàn)場安裝后進(jìn)行現(xiàn)場原位性能檢測可以直接確認(rèn)安全柜使用性能是否達(dá)到運(yùn)行及使用要求，所以現(xiàn)場性能驗證是保證其安全運(yùn)行的重要手段。

2.1 選型及安裝

在選用生物安全柜之前首先要明確實(shí)驗類型、操作微生物的危險度級別及實(shí)驗室本身的條件：

1) Ⅰ級生物安全柜適用于操作樣品不需要進(jìn)行特殊保護(hù)的微生物操作。

2) Ⅱ級生物安全柜使用最廣泛，其可提供對操作者、實(shí)驗樣品和環(huán)境的綜合性防護(hù)，主要用于臨床、診斷、教學(xué)和對群體中出現(xiàn)的與人類嚴(yán)重疾病有關(guān)的廣譜內(nèi)源性中度風(fēng)險生物因子進(jìn)行操作的實(shí)驗。

需要特別指出的是，Ⅰ、Ⅱ級生物安全柜主要是靠操作窗口吸入的負(fù)壓氣流或垂直下降氣流形成的氣流屏障起到保護(hù)人員或操作樣品的作用，但這種由氣流作用形成的局部隔離環(huán)境并不是絕對安全的。

3) Ⅲ級生物安全柜可以較高程度地保護(hù)操作人員和外部環(huán)境，同時兼顧保護(hù)安全柜內(nèi)實(shí)驗物品。Ⅲ級安全柜適用于操作危險度4級的病原微生物或感染動物。

綜上，在進(jìn)行生物安全柜選型時，必須綜合考慮實(shí)驗操作對象的性質(zhì)類別、安全防護(hù)需求、實(shí)驗室本身狀況及經(jīng)濟(jì)節(jié)能的需求，使其既能滿足實(shí)際實(shí)驗工作的需求，又能達(dá)到安全的目的。

生物安全柜是否正確安裝也同樣影響安全柜的防護(hù)性能，應(yīng)按照實(shí)驗室操作工藝流程來確定生物安全柜的安裝位置。生物安全柜的安裝位置的確定要結(jié)合實(shí)驗室內(nèi)氣流組織情況：

1) 生物安全柜一般設(shè)于實(shí)驗室內(nèi)排風(fēng)口附近，使安全柜周圍的氣流不致回流到室內(nèi)清潔區(qū)。

2) 為了不影響安全柜前窗操作口的流入氣流，安全柜不要設(shè)置在氣流劇烈變化和人走動多的地方，在進(jìn)行安全柜實(shí)際現(xiàn)場檢測時，發(fā)現(xiàn)個別安全柜由于實(shí)驗室空間的限制安裝在實(shí)驗室送風(fēng)口下面，送風(fēng)氣流影響安全柜前窗操作口的流入氣流，甚至破壞前窗操作口氣流屏障作用，導(dǎo)致安全柜操作臺面潔凈度不合格的情況發(fā)生，另外，即使工作窗口進(jìn)風(fēng)平均風(fēng)速符合要求，仍存在如操作人員手臂動作幅度大等可能導(dǎo)致柜內(nèi)污染空氣從工作窗口意外泄漏的情況，此時安全柜上方的實(shí)驗室送風(fēng)口會擴(kuò)大污染空氣在室內(nèi)的擴(kuò)散范圍。

3) 如果實(shí)驗室有窗戶，應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

4) 考慮到生物安全柜的日常清潔、維修或進(jìn)行電氣安全測試的方便，在空間允許條件下安全柜周圍應(yīng)至少預(yù)留300 mm的距離。

此外，安全柜安裝時需考慮是否采用外排風(fēng)方式。Ⅰ級及ⅡA型安全柜的外排氣流通常返回實(shí)驗室，不必向外部排風(fēng)，但是在操作化學(xué)物質(zhì)時應(yīng)外接排風(fēng)管道向室外排風(fēng)。ⅡB2型安全柜排風(fēng)必須全部排到實(shí)驗室外。生物安全柜的排風(fēng)管道設(shè)置方式根據(jù)使用要求可分為密閉式和開放式2種，ⅡB2型安全柜的排風(fēng)須采用密閉式連接方式，不允許向?qū)嶒炇覂?nèi)排風(fēng)。當(dāng)實(shí)驗室內(nèi)安全柜向排風(fēng)管道或?qū)嶒炇彝馀棚L(fēng)時，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和自控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮安全柜排風(fēng)引起風(fēng)量變化的影響。

2.2 現(xiàn)場性能驗證

現(xiàn)場性能參數(shù)檢測項目主要包括：垂直下降氣流風(fēng)速、窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速、潔凈度、噪聲、照度、送風(fēng)高效過濾器檢漏、排風(fēng)高效過濾器檢漏、安裝距離、氣流模式、Ⅲ級生物安全柜運(yùn)行時與實(shí)驗室間的負(fù)壓、手套口風(fēng)速、Ⅲ級生物安全柜箱體嚴(yán)密性等。根據(jù)美國的經(jīng)驗，沒有進(jìn)行以上現(xiàn)場檢測項目的生物安全柜，有60%出現(xiàn)問題[5]。從現(xiàn)場實(shí)測情況來看，以上現(xiàn)場檢測項目均有不合格情況存在。

1) 噪聲。生物安全柜噪聲超標(biāo)情況比較普遍，國產(chǎn)或進(jìn)口生物安全柜都普遍存在這一狀況，其中一部分是由于安全柜風(fēng)速設(shè)置過大導(dǎo)致，一部分是安全柜風(fēng)機(jī)本身噪聲過大導(dǎo)致，且ⅡB2型安全柜噪聲超標(biāo)情況要高于ⅡA2型安全柜。雖然噪聲對生物安全沒有直接影響，但對實(shí)驗操作人員有一定干擾。

2) 照度。生物安全柜照度不足的情況并不多，工作臺面照度不足會影響操作人員的舒適性，同時也影響操作人員操作準(zhǔn)確性。

3) 潔凈度。即安全柜操作面的含塵濃度。潔凈度不合格會導(dǎo)致操作材料受污染，進(jìn)而影響實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。潔凈度不合格一般是由幾個方面導(dǎo)致：送風(fēng)高效過濾器老化破損，高效過濾器運(yùn)輸或安裝過程中損壞，高效過濾器邊框安裝不嚴(yán)存在泄漏，生物安全柜垂直氣流流速過小不能充分凈化工作區(qū)，生物安全柜窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速過大或?qū)嶒炇宜惋L(fēng)口設(shè)置在生物安全柜上方，導(dǎo)致實(shí)驗室內(nèi)未凈化氣流穿越生物安全柜工作區(qū)。

4) 送風(fēng)高效過濾器原位檢漏。送風(fēng)高效過濾器是維持生物安全柜潔凈度的關(guān)鍵部件，若過濾器出現(xiàn)損壞或過濾器安裝不嚴(yán)均可能導(dǎo)致操作工作面潔凈度不合格，進(jìn)而導(dǎo)致操作材料的污染，影響實(shí)驗結(jié)果準(zhǔn)確性。實(shí)際檢測中送風(fēng)高效過濾器均有損壞或邊框安裝不嚴(yán)的情況出現(xiàn)。

5) 垂直下降氣流流速。實(shí)驗樣品的安全性主要通過垂直下降氣流來保證，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求流速為0.2～0.5 m/s，如果過低則起不到帶走操作過程中產(chǎn)生的生物氣溶膠的作用，同時在進(jìn)行實(shí)驗操作時對污染的抗干擾性較差，甚至發(fā)生實(shí)驗材料間的交叉污染，過大可能會引起安全柜內(nèi)氣流外逸。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中在規(guī)定垂直下降氣流流速的同時，也規(guī)定了垂直下降氣流的不均勻度，要求各測點(diǎn)氣流流速與平均風(fēng)速間偏差不超過±20%或0.08 m/s，氣流的不均勻度過大會減弱安全柜防止實(shí)驗樣品間交叉污染的能力，也可能導(dǎo)致安全柜內(nèi)局部產(chǎn)生氣流渦流。

6) 氣流模式。通過發(fā)煙法可以直觀地看到生物安全柜的氣流流向，即使安全柜氣流流速滿足要求，仍可能出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或流速不均衡導(dǎo)致氣流模式不符合要求的情況，如操作窗口氣流外逸或有氣流穿越工作區(qū)等。

7) 窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速。生物安全柜對操作人員的保護(hù)主要通過從前窗吸入氣流形成負(fù)壓防止安全柜內(nèi)氣流外逸來實(shí)現(xiàn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求不低于0.4 m/s或0.5 m/s。如果過低可能導(dǎo)致使用安全柜時產(chǎn)生的危險性氣溶膠外逸，進(jìn)而對操作人員和實(shí)驗室環(huán)境產(chǎn)生危害；過高則會導(dǎo)致實(shí)驗室內(nèi)未凈化氣流穿越安全柜工作區(qū)，造成操作材料被污染。

8) 排風(fēng)高效過濾器原位檢漏。排風(fēng)高效過濾器是生物安全的重要保障，也是生物安全柜形成一級隔離屏障的重要組成部分，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定生物安全柜的排風(fēng)必須經(jīng)過排風(fēng)高效過濾器過濾后才能排放到環(huán)境中[6]。如果排風(fēng)高效過濾器出現(xiàn)泄漏，可導(dǎo)致生物危險因子外逸到實(shí)驗室或室外環(huán)境中，進(jìn)而對操作人員和環(huán)境產(chǎn)生危害。和送風(fēng)高效過濾器的情況相同，在實(shí)際檢測過程中也有過濾器破損或邊框安裝不嚴(yán)的情況出現(xiàn)。

9) Ⅲ級生物安全柜箱體嚴(yán)密性。箱體嚴(yán)密性是Ⅲ級生物安全柜重要性能之一，也是現(xiàn)場檢測的重要性能指標(biāo)之一。Ⅲ級生物安全柜在正常運(yùn)行時處于負(fù)壓狀態(tài)，一般不會出現(xiàn)危險性生物氣溶膠外逸的情況，但是安全柜或排風(fēng)系統(tǒng)如果突然故障導(dǎo)致停機(jī)，這種負(fù)壓作用形成的屏障將會消失，而良好的柜體氣密性可以保證突發(fā)狀況下的物理隔離，最大程度地防止危險性生物氣溶膠外逸。目前，柜體氣密性的現(xiàn)場檢測通常采用壓力衰減法。

10) Ⅲ級生物安全柜運(yùn)行時柜體內(nèi)負(fù)壓。Ⅲ級生物安全柜用于操作危險度4級的微生物或?qū)嶒瀯游颷6]，所以其安全防護(hù)的要求是最嚴(yán)格的，正常工作時內(nèi)部負(fù)壓值要求不低于-120 Pa。負(fù)壓運(yùn)行實(shí)質(zhì)是對柜體形成物理防護(hù)的雙重保障，負(fù)壓運(yùn)行可進(jìn)一步保證出現(xiàn)意外狀況(如手套破損或柜體有微小泄漏)時，生物氣溶膠不發(fā)生外逸。

11) Ⅲ級生物安全柜手套口氣流流速。避免生物安全風(fēng)險是Ⅲ級生物安全柜關(guān)注的關(guān)鍵因素，Ⅲ級生物安全柜是一個負(fù)壓密閉箱體，主要通過橡膠手套口進(jìn)行操作，在操作過程中可能出現(xiàn)手套意外破損或手套脫落的突發(fā)狀況，在發(fā)生意外狀況時操作口仍須保證一定的流入氣流流速，防止危險性生物氣溶膠外逸。

3 現(xiàn)場檢測調(diào)研

生物安全柜作為實(shí)驗室重要的一級防護(hù)屏障，其生物安全防護(hù)性能的驗證是保障實(shí)驗室生物安全措施的重中之重。筆者調(diào)研了所在單位現(xiàn)場檢測驗收的32個實(shí)驗室、共計138臺生物安全柜的檢測數(shù)據(jù)，涉及的機(jī)構(gòu)有醫(yī)療機(jī)構(gòu)、疾控中心、疫控中心和科研機(jī)構(gòu)等。本次調(diào)研內(nèi)容包含生物安全柜的型號、安裝位置、年度檢驗等基本情況及生物安全柜現(xiàn)場檢測性能參數(shù)合格情況。

3.1 使用及維護(hù)狀況

生物安全柜的型號、安裝位置、使用記錄及年度檢驗的合格情況調(diào)研結(jié)果見表2。

從表2可以看出：使用安全柜的型號基本集中于ⅡA2型和ⅡB2型，其余型號安全柜實(shí)際使用的很少，現(xiàn)場檢測未見到。目前實(shí)驗室中使用的安全柜型號大部分為Ⅱ級生物安全柜，并且大部分生物安全柜均能按規(guī)范要求進(jìn)行安裝、及時填寫使用記錄及年度檢驗，但仍有個別實(shí)驗室安全柜不符合規(guī)范要求，這是安全柜使用中的風(fēng)險來源之一。尤其個別實(shí)驗室安全柜不進(jìn)行現(xiàn)場檢測驗收即投入使用，或多年不進(jìn)行現(xiàn)場檢測驗收，安全柜的使用存在極大的風(fēng)險。

表2 生物安全柜合格情況調(diào)研結(jié)果

在實(shí)際檢測過程中涉及的安全柜安裝不當(dāng)?shù)膯栴}如下：

1) 大部分實(shí)驗室都存在生物安全柜安裝貼墻或貼近其他設(shè)備的情況，圖1所示為某生物安全二級(BSL-2)實(shí)驗室某安全柜安裝情況，其左右緊挨其他設(shè)備，安全柜后側(cè)直接貼墻。一方面，尤其ⅡB2型生物安全柜有外排風(fēng)機(jī)和管道，安全柜不易移動，這樣預(yù)留檢修空間過小影響安全柜的檢修和日常維護(hù)，也不便于排風(fēng)高效過濾器的更換；另一方面，生物安全柜屬于重要污染源，應(yīng)該遠(yuǎn)離其他設(shè)備，避免交叉污染。

圖1 某BSL-2實(shí)驗室安全柜安裝情況

2) 部分生物安全柜未放置在回風(fēng)口或排風(fēng)口一側(cè)，違背了生物安全實(shí)驗室氣流從清潔空間向污染空間流動的原則，不易把實(shí)驗室內(nèi)形成的污染空氣從排風(fēng)口及生物安全柜內(nèi)帶走，極易造成室內(nèi)氣流的回流與渦流。

3) 有的生物安全柜放置于通道處或者主實(shí)驗室間的入口處，工作人員的頻繁走動及開關(guān)門極易破壞安全柜的氣流。此外，還有個別安全柜安裝在送風(fēng)口下，送風(fēng)極易破壞安全柜的氣流，影響安全柜的生物防護(hù)性能。

3.2 生物安全柜性能指標(biāo)

生物安全柜性能指標(biāo)包括：生物安全柜的垂直下降氣流平均風(fēng)速、工作窗口氣流平均風(fēng)速、氣流流向(垂直氣流、觀察窗隔離效果氣流、工作窗口及其邊緣氣流)、操作面空氣潔凈度、人員安全性、受試樣本安全性、交叉感染、箱體檢漏、送排風(fēng)高效過濾器完整性等[1-2]。這些性能指標(biāo)是影響安全柜生物防護(hù)性能的重要因素。表2中調(diào)研的138臺安全柜中，有87臺ⅡA2型和19臺ⅡB2型共計106臺安全柜進(jìn)行了年度現(xiàn)場檢測，現(xiàn)場檢測得到的各性能指標(biāo)的驗收情況見表3。

表3 生物安全柜各性能指標(biāo)年度現(xiàn)場檢測結(jié)果

從表3可以看出：

1) 所檢測的106臺生物安全柜氣流流向指標(biāo)總體合格率較高，大部分安全柜氣流流向能滿足規(guī)范中明顯向內(nèi)無外逸及無穿越工作區(qū)氣流的要求。

2) 工作窗口氣流平均風(fēng)速、垂直下降氣流平均風(fēng)速合格率較低。工作窗口氣流平均風(fēng)速、垂直下降氣流平均風(fēng)速是安全柜保護(hù)樣品、環(huán)境及操作者不受污染的重要性能指標(biāo)，實(shí)測發(fā)現(xiàn)仍有相當(dāng)部分安全柜氣流流速不滿足規(guī)范要求，這樣的安全柜在實(shí)驗室中往往不能保證樣品不受污染，也不能充分地保護(hù)環(huán)境和操作者，有一定風(fēng)險。

3) 仍有一部分安全柜潔凈度達(dá)不到靜態(tài)百級要求，這部分安全柜存在樣品被污染的風(fēng)險。

4) ⅡA2型和ⅡB2型生物安全柜噪聲合格率很低，可見目前實(shí)驗室中大部分安全柜存在噪聲超標(biāo)的情況，噪聲超標(biāo)會影響操作人員的舒適性，但其并不是生物安全指標(biāo)，故不會影響安全柜的生物防護(hù)性能。

5) 高效過濾器由于其本身的特殊性，在運(yùn)輸或安裝過程中都可能損壞，故即使出廠已經(jīng)進(jìn)行檢驗，在現(xiàn)場檢測時仍有部分高效過濾器存在泄漏的情況。送風(fēng)高效過濾器泄漏會直接影響安全柜的潔凈度，而排風(fēng)高效過濾器泄漏則可能導(dǎo)致操作過程中產(chǎn)生的危險性生物氣溶膠外逸污染環(huán)境甚至操作者。實(shí)測中發(fā)現(xiàn)部分安全柜高效過濾器存在泄漏狀況，嚴(yán)重影響實(shí)驗室生物安全。

6) ⅡA2型和ⅡB2型安全柜照度指標(biāo)合格率較高，可見絕大部分安全柜照度均能滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求。

4 結(jié)論及建議

1) 根據(jù)操作微生物的類別及實(shí)驗室條件進(jìn)行正確選型及現(xiàn)場安裝是安全柜安全運(yùn)行、保證其綜合使用性能和生物安全防護(hù)性能的關(guān)鍵前提之一。

2) 現(xiàn)場安裝后應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場原位性能檢測和過濾器原位檢漏，以確保安全柜使用前的主要性能符合生物安全要求。

3) 通過實(shí)際調(diào)研和現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)仍有部分在用安全柜未進(jìn)行年度維護(hù)或現(xiàn)場檢測，以及進(jìn)行年度檢測的安全柜部分性能參數(shù)無法達(dá)到相關(guān)規(guī)范的要求，存在一定生物安全風(fēng)險。