獨立通風籠具環境指標監測系統關鍵技術與產品研制*

中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所 中國電子科技集團公司 張 寧

中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所 王 偉

中國電子科技集團公司 喬 路

中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所 李昌文 劉懷然

中國電子科技集團公司 唐勝武

中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所 王 梓 司昌德 陳洪巖△

0 引言

在20世紀50年代末期，病毒學家Lisbeth Kraft進行輪狀病毒研究時，為防止病毒擴散及污染環境，應用玻璃纖維包裹帶網孔的金屬圓筒，形成一個隔離的小鼠飼養籠，是獨立通風籠具(individually ventilated cage， IVC)的雛形[1]。70年代，意大利某公司根據微生物實驗的原理和類似隔離器的方式研制出獨立通風籠具。IVC是由籠盒、通風凈化系統(送/排風機、空氣過濾器、靜壓箱、密閉通道、籠架)和各種控制電器組成的小型嚙齒類實驗動物飼育設備。隨著材料學、微電子技術等綜合學科的不斷發展，IVC等整體性能日臻完善，目前已廣泛用于嚙齒類實驗動物的生產和實驗，負壓IVC是實驗室生物安全的重要裝備之一。

對于IVC，通常的環境監測及檢測指標包括：溫度、相對濕度、微壓差、氣流速度、換氣次數、塵埃粒子濃度、噪聲、照度、NH3(或CO2)濃度、氣密性等。在環境指標在線監測方面，有的設備通過設置監測籠盒進行壓差、換氣次數等單一指標的監測，尚未見綜合環境指標監測系統服務于IVC。在設備的檢測評價方面，均是采用GB 14925—2010《實驗動物 環境及設施》[2]、CNAS-CL05-A002—2018《實驗室生物安全認可準則對關鍵防護設備評價的應用說明》[3]、DB32/T 972—2006《實驗動物籠器具 獨立通氣籠盒(IVC)系統》[4]、DB23/T 2057.1—2017《實驗動物 生物安全型小鼠、大鼠獨立通風籠具通用技術要求》[5]、RB/T 199—2015《實驗室設備生物安全性能評價技術規范》[6]、RB/T 010—2019《實驗動物屏障和隔離裝置評價通用要求》[7]規定的檢測評價方法，對于小鼠IVC，因籠盒空間較小，檢測難度較大。

因此，開發能夠集成并整合溫度、相對濕度、微壓差、氣流、換氣次數、塵埃粒子濃度、NH3(或CO2)濃度等參數的IVC環境指標監測系統，通過設置監測籠盒實現綜合指標的在線監測，進一步通過對監測籠盒的優化實現環境指標檢測的便捷化，具有重要意義。本文提到的IVC環境指標監測系統的開發旨在實現籠盒環境指標多參數遠程監測。

1 系統整體功能設計

IVC環境指標監測系統是滿足IVC使用、監測的必要條件之一，主要監測的參數包括溫度、相對濕度、微壓差、氣流、換氣次數、塵埃粒子濃度、CO2濃度等參數。基于對以上IVC環境指標監測需求，IVC環境指標監測系統由傳感探頭模塊、信號采集與處理模塊、電源管理模塊及無線通信模塊等幾部分組成。其中傳感探頭模塊包括溫濕度探頭、微壓差探頭、氣體流速探頭、塵埃粒子濃度探頭和CO2濃度探頭，負責檢測籠盒中的各環境參數；信號采集與處理模塊對傳感探頭的輸出信號進行采集與數字信號處理；電源管理模塊負責給各傳感器探頭提供激勵電源；無線通信模塊將處理后的信號統一通過無線傳輸的方式發送給終端系統；終端系統將各環境參數進行歸類處理與分析并顯示。系統整體外形圖、設計框圖見圖1、2。

圖1 系統整體外形圖

圖2 系統整體設計框圖

2 系統總體構成及各部分功能模塊原理指標說明

IVC環境參數感知單元采用模塊化組件形式設計，各參數監測模塊各自獨立工作互不干擾，可實現功能靈活配置，便于安裝、維修、升級。系統實物照片及內部結構圖見圖3、4。

圖3 系統實物圖

圖4 參數采集模塊內部結構圖

2.1 溫度、相對濕度監測技術

小鼠的環境溫度臨界值為低溫10 ℃、高溫37 ℃，適宜溫度范圍為20～27 ℃。飼養環境溫度應控制在18～29 ℃，相對濕度40%～70%(最好控制在50%～60%)。一般小鼠飼養籠盒內溫度比環境溫度高1～2 ℃，相對濕度比環境相對濕度高5%～10%。本IVC環境指標監測系統的溫度、相對濕度檢測采用小型集成化溫度、相對濕度SHT35型傳感芯片，其建立在全新優化的CMOS芯片之上，以提高產品可靠性和精度。在10～60 ℃區間內，溫度檢測精度高達0.1 ℃，相對濕度檢測精度可達±1.5%，符合GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002的規定。

2.2 微壓差監測技術

根據GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002規定，IVC籠盒的氣密性測試至少需要達到-100 Pa，因此壓差設定應≥100 Pa，該IVC環境指標監測系統選用微壓差探頭，其量程范圍為-125～125 Pa，壓差測量精度≤1 Pa，符合標準規定。該探頭采用流通原理的熱式傳感器元件來測量壓差，其具有2只標準級的熱敏電阻，一只用來作熱源，一只用來測量流體溫度，當流體流過時，兩者之間的溫差與壓力的大小呈非線性關系，且由于其測量的是溫度差，因此外界環境溫度變化不會對傳感器的監測精度產生影響，通過信號處理電路就可以把這種關系轉換為壓差信號輸出。得益于此，在低壓差靈敏度、零點漂移和滯后、位置敏感、抗沖擊和溫度變化等方面，優于傳統壓阻式壓力傳感器。而且其在較寬的動態測量范圍提供線性輸出，具有更快速的響應時間，因此微壓差傳感器經常被應用在呼吸設備和時序要求嚴格的自動化應用領域。其主要技術指標包括：壓差測量范圍±125 Pa；壓差測量精度≤1 Pa；工作溫度范圍-40～85 ℃；零點年漂移量≤0.01 Pa/a。

2.3 氣體流速監測技術

根據GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002規定，實驗動物生活空間氣流速度應不大于0.2 m/s，因此氣體流速探頭采用MEMS熱式質量流量傳感器(CAFS4000系列產品)，其流速測量范圍0～0.4 m/s，流速精度≤0.02 m/s，符合標準規定。該系列產品適用于各種用途的清潔、相對干燥性氣體的測量，具有高靈敏度、高可靠性、高穩定性和低成本的性能特點。其原理是利用流動氣體傳熱傳質的依存關系，在其上、下游產生溫度變化而得到氣體的質量流量。當芯片處于工作狀態時，在傳感器的周邊形成穩定的溫度場分布。在使用時可將氣體流速探頭放置在籠盒進氣孔或出氣孔位置，一旦一定質量的氣體流過傳感器時，氣體的流動將破壞該溫度場的分布，形成特定的、取決于該氣體的質量和速度的溫度場分布，且由于該傳感器內部是一個閉環的溫度監測體系，故外界環境溫度的變化不會對傳感器的監測結果產生影響。流量計芯片上的傳感器將測量這一變化并把這一變化轉換為電信號，由一個專門的電路對此信號進行放大、調理并作線性化處理。其主要技術指標：流速測量范圍0～0.4 m/s，流速測量精度≤0.02 m/s；工作溫度范圍-25～85 ℃；信號輸出1～5 V；供電電源10V(DC)。

2.4 塵埃粒子監測技術

根據GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002規定，空氣潔凈度要求達到5級或7級，故本IVC環境指標監測系統選用SPS30型塵埃粒子傳感器，采用激光散射原理主動采樣檢測技術，該技術的基本原理是光學傳感器的探測激光經塵埃粒子散射后被光敏元件接收并產生脈沖信號，該脈沖信號被輸出并放大，然后進行數字信號處理，通過與標準粒子信號進行比較，將對比結果用不同的參數表示出來。檢測范圍為：0.3～10 μm，其最小采樣粒子尺寸可達0.3 μm，符合空氣潔凈度5級或7級(最小粒子尺寸0.5 μm)的規定。該傳感器采用精確高分辨率的粒度分級，基于監測到的粒子成分組成，不僅可以監測塵埃粒子質量濃度，還可以監測不同粒徑大小塵埃粒子，可以檢測的塵埃粒子粒徑擋位也較多。主要技術指標：塵埃粒子計數分辨率1個/cm3；質量濃度范圍1～1 000 μg/m3；質量濃度分辨率1 μg/m3；塵埃粒子監測1.0、2.5、4.0、10.0 μm粒子質量濃度，0.5、1.0、2.5、4.0、10.0 μm粒子計數濃度；監測下限0.3 μm；計數范圍0～3 000個/cm3(注：計數范圍大小不影響系統監測下限)；尺寸40.6 mm×40.6 mm×12.2 mm(長×寬×高)。主要技術指標均符合標準規定。此外，SPS30型塵埃粒子傳感器還具有自清潔功能，當其內部敏感元件性能下降時，可自動執行清潔操作或由人工指令進行清潔，從而保證了該系統的長期穩定性。

2.5 CO2濃度監測技術

CO2濃度監測傳感器模塊采用非分散紅外(non-dispersive infrared，NDIR)傳感器技術的SCD30模塊，并配有集成式溫度和相對濕度傳感器，環境相對濕度和溫度可通過監測和補償外部熱源來測量而無需額外的元件。目前，市售的CO2濃度監測傳感器基本上使用單通道原理，相對而言SCD30模塊設計采用了高穩定性的雙通道監測，使其具有較高的精度，主要技術指標：外形尺寸35 mm×23 mm×7 mm(長×寬×高)；測量范圍0～40 000×10-6；精度±(30×10-6)；電流消耗19 mA(每2 s測量1次)；數字接口UART或I2C。

2.6 信號采集與處理技術

采用傳感模塊與信號處理電路一體式設計，處理電路選用ARM系列高性能32位微處理器，支持多個I/O口并行傳輸數據，可同時采集溫度、相對濕度、微壓差、氣體流速、塵埃粒子濃度及CO2濃度等多個傳感模塊所上傳的數據，具有高速傳輸、低延時及低功耗等優點，其具有統一和固定長度的指令域，使指令集和指令譯碼都大大簡化，同時具有一個大而統一的寄存器文件，大多數數據操作都在寄存器中完成，使指令執行速度更快，采用加載/存儲結構，使數據處理時只對寄存器操作，而不直接對存儲器操作，以最大限度提高算術邏輯單元和移存器的利用率，引入多寄存器加載/存儲指令，有利于實現數據吞吐量的最大化。

傳感器指標對比見表1。

表1 IVC環境指標監測系統傳感器各項指標對比

3 軟件

3.1 系統軟件平臺

系統軟件采用LabVIEW圖形化開發環境，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，采用可視化的圖形編程語言平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的虛擬面板來替代常規的傳統儀器面板。在虛擬儀器界面可集中實時顯示箱內各環境監測參數的變化，同時通過嵌入式分析軟件包，可根據需要實時、直接地對測試數據進行各種分析、處理及存儲。

3.2 軟件功能

系統軟件主要實現信息通信、數據采集、實時顯示、生成報表、數據存儲等功能，具體功能框圖見圖5。系統終端的核心部分是管理層，管理層分為資源管理和實時操作2個主要模塊。其中資源管理是試驗運行的必要條件。在項目配置管理模塊中可以對系統進行配置，主要包括通道標定和通道配置。只有這些信息完備后系統方可運行。運行過程中的實時操作包含2個重要模塊：數據處理和數據保存。數據處理模塊按照用戶需求進行數據處理。數據保存模塊負責將處理后的數據進行保存以便今后查詢。通信層提供系統終端和實時采集系統之間的數據通信接口，包含通信數據引擎和串口通信模塊。驅動層包括數據采集、數據處理2個基本模塊。

圖5 軟件功能框圖

4 實測數據

系統研制過程中編制了相應的產品監測詳細規范，對各功能模塊的監測方法及合格判據進行了嚴格規定，選取同一批次的3只產品進行了各項性能指標的監測，監測場景為人工模擬的上下限值條件，比對監測儀器采用農業農村部實驗動物質量監督檢驗測試中心(哈爾濱)的檢測儀器(邀請共同監測)。

比對監測儀器：風速儀，量程0.15～30 m/s，精度0.01 m/s；微壓差手持計，量程0.249～1 034 kPa，精度1 Pa；溫濕度檢測儀，量程-20～80 ℃、0～100%，精度0.1 ℃、0.10%；粒子計數器，流量100 L/min，流量誤差<5%，最小通道0.5 μm，示值誤差≤30%。均經過計量校準，在有效期內。

實測數據見表2、3。監測結果表明，溫度、相對濕度、氣流速度、微壓差、塵埃粒子、CO2濃度等指標的最小、最大測量值和測量精度均達到了設計要求，整機使用性能穩定，系統各傳感器間信號干擾小。表明該系統功能基本達到了設計初衷，各功能模塊工作基本正常，能夠滿足設計指標要求。

表2 IVC環境指標監測系統各項指標額定輸出實測數據

表3 IVC環境指標監測系統各項指標精度實測數據

5 討論

IVC籠盒是實驗動物生活的小環境，是實現IVC功能的重要載體，其性能的優劣對動物實驗的安全和實驗結果的準確性、可靠性起著決定性的作用。而籠盒密封性能是其實現防護性能的重要保障，曹冠朋等人對國內使用的IVC籠盒進行了密封性測試，結果顯示，從籠架取下籠盒5 min后壓差從-55～-40 Pa回歸0 Pa的占4%，表明IVC籠盒的密閉性存在生物安全隱患[8]。閔凡貴等人對20臺正壓IVC進行測試，分別使用風速儀法和流量計法對IVC籠盒內的換氣次數進行測定，結果差異巨大，這給科學的判定帶來了困擾[9]。不同位置的IVC籠盒，個別參數相差顯著，IVC籠盒內小環境的均一性也有待提高。目前國內有關IVC籠盒檢測的標準，包括：GB 14925、GB 50447、GB 19489、RB/T 199、RB/T 010、DB32/T 972、DB23/T 2057.1等，均是使用單一設備、對單一指標進行檢測。SARS疫情后，生物安全型小鼠IVC(負壓小鼠IVC)在高級別動物生物安全實驗室得到了應用。然而，對于籠盒環境指標的檢測、監測一直是沒有很好地解決的技術難題。目前，對于小鼠IVC籠盒的檢測，國內外均采用單臺檢測儀器檢測單一指標，煩瑣、檢測結果波動大，對于氣流速度、微壓差、潔凈度、溫度、相對濕度等指標的檢測受儀器或傳感器本身影響致使檢測難度大。

針對上述問題，筆者開展了IVC環境指標監測系統關鍵技術與產品研究，開發出能夠監測小鼠IVC籠盒多項環境指標的小鼠IVC環境指標監測系統。

在飼養動物過程中，IVC籠盒內有動物活動，籠盒內的塵埃粒子濃度會比較高，一般不對塵埃粒子濃度進行實時監測，而只在監測籠盒內對塵埃粒子濃度進行靜態監測。CO2和NH3濃度的監測也是一樣的。

IVC籠盒內的氣流監測有兩方面：一是籠盒送、排氣口的氣流速度，根據氣流、風口截面積，以及IVC籠盒的形狀、規格，可以計算出IVC籠盒的換氣次數，還可以根據流場模型，計算分析IVC籠盒內氣流流場狀態，以評價小鼠生活的小環境的優劣；二是IVC籠盒內小鼠主要生活截面的氣流速度，用以評價小鼠生活空間的舒適性。該IVC環境指標監測系統暫時設置一個氣體流速探頭，有關送、排氣口的氣流速度，以及流場分析等另撰文探討。

在GB 14925、RB/T 199、RB/T 010、CNAS-CL05-A002等有關實驗動物環境及設施、設備的標準中，主要通過監測NH3濃度來評價動物生活小環境的空氣質量。但是，有研究證明通過監測CO2濃度來評價動物生活小環境的空氣質量也是可行的[10]，該IVC環境指標監測系統只配置了CO2監測探頭，研究組將繼續進行有關NH3和CO2監測與動物小環境關系的研究，以完善這方面的監測技術。

在各參數設定上，溫度傳感器測量范圍-40～125 ℃(偏寬)，精度≤0.1 ℃；相對濕度測量范圍0～100%，精度≤1.5%；微壓差傳感器測量范圍-125～125 Pa，精度≤1 Pa；塵埃粒子濃度傳感器測量粒徑范圍0.3～10 μm。在進一步的研究中應根據有關標準規定及實際情況進行調整，以使之更合理。

本研究旨在實現IVC籠盒環境指標多參數遠程監測系統的開發。通過設置監測籠盒實現綜合指標的在線監測，進一步的研究包括：IVC環境指標監測系統的比對測試及第三方計量機構進行的校準測試；負壓IVC環境指標監測系統；通過對監測籠盒的優化實現環境指標檢測的便捷化，開發出便攜式環境指標檢測儀器；其他動物IVC環境指標監測系統；屏障環境動物房環境指標監測系統等。

該IVC環境指標監測系統在應用于負壓環境下，即飼養病原感染動物時，儀器部件的選型必須考慮生物安全風險，例如：使用基于流通原理的熱式差壓傳感器元件來測量差壓，傳感器兩端是連通的且有氣流通過，此類壓差傳感器并不能對傳感器所測的2個相鄰環境起到嚴格的隔離作用；塵埃粒子濃度傳感器會抽吸籠盒內空氣，病原微生物會進入傳感器內部，如何消毒處理需要認真考慮。同時，還需考慮日常及終末消毒的徹底性、耐消毒腐蝕性，以及使用消毒劑的種類等。