生物安全柜運行要求及現場檢測調研*

中國建筑科學研究院有限公司 曹冠朋 曹國慶

0 引言

作為生物安全的一級屏障，生物安全柜是保護操作者的第一道防線，它可以防止實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，生物安全柜廣泛應用于各級醫療機構、各級疾控中心及疫控中心實驗室、科研機構實驗室等。由于生物安全柜的廣泛應用，其種類繁多，設備質量也參差不齊。另一方面，雖然生物安全柜在出廠前已經過型式檢測和出廠檢驗，但安裝后現場檢測時仍存在很多問題，如：高效過濾器由于運輸或安裝受損出現泄漏；生物安全柜風機風量未經過調試，導致送風風速或窗口風速不符合要求。基于此，國內外相關標準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行現場檢測，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行。通過對生物安全柜使用情況及性能指標的實際現場檢測，可以比較全面地反映生物安全柜的綜合運行情況，以進一步提出相應的解決措施。

本文結合實際情況分析生物安全柜現場檢測驗收及實際使用時的具體要求，同時對現有生物安全柜使用及現場驗收狀況進行調研，綜合了解生物安全柜現場檢測驗收或實際使用過程中存在的具體問題。

1 分類

生物安全柜是一種負壓空氣凈化排風柜，可以防止操作過程中含有危險性生物氣溶膠的氣體散逸，以達到保護操作者、實驗室環境或避免實驗材料交叉污染的作用。其工作原理主要是將柜內空氣向外抽吸，使柜內保持負壓狀態，通過垂直氣流來保護工作人員。外界空氣經高效空氣過濾器(high-efficiency particulate air filter，HEPA)過濾后進入生物安全柜內，以避免處理樣品被污染，柜內的空氣也需經過HEPA過濾后再排放到大氣中，以保護環境。生物安全柜一般均由箱體和支架兩部分組成，箱體內部含有外排風箱系統、空氣過濾系統、前玻璃門驅動系統、控制和報警系統、照明光源和紫外光源等部件。根據歐盟、美國及我國的生物安全柜標準[1-4]，按生物安全柜的結構設計、排風比例和對人員、環境、受試樣品的保護程度進行分級，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 運行要求及現場檢測

生物安全柜是重要的一級屏障隔離設備。其生物安全防護性能主要體現在安全柜通過柜體和氣流形成的物理隔離來保護操作者、實驗材料、實驗室環境及室外環境的能力。確保其生物安全防護性能是安全柜運行的基本要求。首先，不同類型的安全柜生物防護性能不同，根據實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行的前提；其次，安全柜本身的運行也受到實驗室環境的影響，正確的安裝同樣是保證安全柜安全運行的必要條件；最后，安全柜現場安裝后進行現場原位性能檢測可以直接確認安全柜使用性能是否達到運行及使用要求，所以現場性能驗證是保證其安全運行的重要手段。

2.1 選型及安裝

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

1) Ⅰ級生物安全柜適用于操作樣品不需要進行特殊保護的微生物操作。

2) Ⅱ級生物安全柜使用最廣泛，其可提供對操作者、實驗樣品和環境的綜合性防護，主要用于臨床、診斷、教學和對群體中出現的與人類嚴重疾病有關的廣譜內源性中度風險生物因子進行操作的實驗。

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壓氣流或垂直下降氣流形成的氣流屏障起到保護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操作人員和外部環境，同時兼顧保護安全柜內實驗物品。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，在進行生物安全柜選型時，必須綜合考慮實驗操作對象的性質類別、安全防護需求、實驗室本身狀況及經濟節能的需求，使其既能滿足實際實驗工作的需求，又能達到安全的目的。

生物安全柜是否正確安裝也同樣影響安全柜的防護性能，應按照實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合實驗室內氣流組織情況：

1) 生物安全柜一般設于實驗室內排風口附近，使安全柜周圍的氣流不致回流到室內清潔區。

2) 為了不影響安全柜前窗操作口的流入氣流，安全柜不要設置在氣流劇烈變化和人走動多的地方，在進行安全柜實際現場檢測時，發現個別安全柜由于實驗室空間的限制安裝在實驗室送風口下面，送風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，導致安全柜操作臺面潔凈度不合格的情況發生，另外，即使工作窗口進風平均風速符合要求，仍存在如操作人員手臂動作幅度大等可能導致柜內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驗室送風口會擴大污染空氣在室內的擴散范圍。

3) 如果實驗室有窗戶，應處于關閉狀態。

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

此外，安全柜安裝時需考慮是否采用外排風方式。Ⅰ級及ⅡA型安全柜的外排氣流通常返回實驗室，不必向外部排風，但是在操作化學物質時應外接排風管道向室外排風。ⅡB2型安全柜排風必須全部排到實驗室外。生物安全柜的排風管道設置方式根據使用要求可分為密閉式和開放式2種，ⅡB2型安全柜的排風須采用密閉式連接方式，不允許向實驗室內排風。當實驗室內安全柜向排風管道或實驗室外排風時，通風空調系統和自控系統的設計應考慮安全柜排風引起風量變化的影響。

2.2 現場性能驗證

現場性能參數檢測項目主要包括：垂直下降氣流風速、窗口進風氣流流速、潔凈度、噪聲、照度、送風高效過濾器檢漏、排風高效過濾器檢漏、安裝距離、氣流模式、Ⅲ級生物安全柜運行時與實驗室間的負壓、手套口風速、Ⅲ級生物安全柜箱體嚴密性等。根據美國的經驗，沒有進行以上現場檢測項目的生物安全柜，有60%出現問題[5]。從現場實測情況來看，以上現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情況比較普遍，國產或進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速設置過大導致，一部分是安全柜風機本身噪聲過大導致，且ⅡB2型安全柜噪聲超標情況要高于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。潔凈度不合格會導致操作材料受污染，進而影響實驗結果的準確性。潔凈度不合格一般是由幾個方面導致：送風高效過濾器老化破損，高效過濾器運輸或安裝過程中損壞，高效過濾器邊框安裝不嚴存在泄漏，生物安全柜垂直氣流流速過小不能充分凈化工作區，生物安全柜窗口進風氣流流速過大或實驗室送風口設置在生物安全柜上方，導致實驗室內未凈化氣流穿越生物安全柜工作區。

4) 送風高效過濾器原位檢漏。送風高效過濾器是維持生物安全柜潔凈度的關鍵部件，若過濾器出現損壞或過濾器安裝不嚴均可能導致操作工作面潔凈度不合格，進而導致操作材料的污染，影響實驗結果準確性。實際檢測中送風高效過濾器均有損壞或邊框安裝不嚴的情況出現。

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

6) 氣流模式。通過發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，仍可能出現由于結構設計不合理或流速不均衡導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等。

7) 窗口進風氣流流速。生物安全柜對操作人員的保護主要通過從前窗吸入氣流形成負壓防止安全柜內氣流外逸來實現，相關標準中要求不低于0.4 m/s或0.5 m/s。如果過低可能導致使用安全柜時產生的危險性氣溶膠外逸，進而對操作人員和實驗室環境產生危害；過高則會導致實驗室內未凈化氣流穿越安全柜工作區，造成操作材料被污染。

8) 排風高效過濾器原位檢漏。排風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，在相關標準中都明確規定生物安全柜的排風必須經過排風高效過濾器過濾后才能排放到環境中[6]。如果排風高效過濾器出現泄漏，可導致生物危險因子外逸到實驗室或室外環境中，進而對操作人員和環境產生危害。和送風高效過濾器的情況相同，在實際檢測過程中也有過濾器破損或邊框安裝不嚴的情況出現。

9) Ⅲ級生物安全柜箱體嚴密性。箱體嚴密性是Ⅲ級生物安全柜重要性能之一，也是現場檢測的重要性能指標之一。Ⅲ級生物安全柜在正常運行時處于負壓狀態，一般不會出現危險性生物氣溶膠外逸的情況，但是安全柜或排風系統如果突然故障導致停機，這種負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，柜體氣密性的現場檢測通常采用壓力衰減法。

10) Ⅲ級生物安全柜運行時柜體內負壓。Ⅲ級生物安全柜用于操作危險度4級的微生物或實驗動物[6]，所以其安全防護的要求是最嚴格的，正常工作時內部負壓值要求不低于-120 Pa。負壓運行實質是對柜體形成物理防護的雙重保障，負壓運行可進一步保證出現意外狀況(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。避免生物安全風險是Ⅲ級生物安全柜關注的關鍵因素，Ⅲ級生物安全柜是一個負壓密閉箱體，主要通過橡膠手套口進行操作，在操作過程中可能出現手套意外破損或手套脫落的突發狀況，在發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 現場檢測調研

生物安全柜作為實驗室重要的一級防護屏障，其生物安全防護性能的驗證是保障實驗室生物安全措施的重中之重。筆者調研了所在單位現場檢測驗收的32個實驗室、共計138臺生物安全柜的檢測數據，涉及的機構有醫療機構、疾控中心、疫控中心和科研機構等。本次調研內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場檢測性能參數合格情況。

3.1 使用及維護狀況

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研結果見表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，其余型號安全柜實際使用的很少，現場檢測未見到。目前實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范要求進行安裝、及時填寫使用記錄及年度檢驗，但仍有個別實驗室安全柜不符合規范要求，這是安全柜使用中的風險來源之一。尤其個別實驗室安全柜不進行現場檢測驗收即投入使用，或多年不進行現場檢測驗收，安全柜的使用存在極大的風險。

表2 生物安全柜合格情況調研結果

在實際檢測過程中涉及的安全柜安裝不當的問題如下：

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

圖1 某BSL-2實驗室安全柜安裝情況

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

3) 有的生物安全柜放置于通道處或者主實驗室間的入口處，工作人員的頻繁走動及開關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口下，送風極易破壞安全柜的氣流，影響安全柜的生物防護性能。

3.2 生物安全柜性能指標

生物安全柜性能指標包括：生物安全柜的垂直下降氣流平均風速、工作窗口氣流平均風速、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、送排風高效過濾器完整性等[1-2]。這些性能指標是影響安全柜生物防護性能的重要因素。表2中調研的138臺安全柜中，有87臺ⅡA2型和19臺ⅡB2型共計106臺安全柜進行了年度現場檢測，現場檢測得到的各性能指標的驗收情況見表3。

表3 生物安全柜各性能指標年度現場檢測結果

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總體合格率較高，大部分安全柜氣流流向能滿足規范中明顯向內無外逸及無穿越工作區氣流的要求。

2) 工作窗口氣流平均風速、垂直下降氣流平均風速合格率較低。工作窗口氣流平均風速、垂直下降氣流平均風速是安全柜保護樣品、環境及操作者不受污染的重要性能指標，實測發現仍有相當部分安全柜氣流流速不滿足規范要求，這樣的安全柜在實驗室中往往不能保證樣品不受污染，也不能充分地保護環境和操作者，有一定風險。

3) 仍有一部分安全柜潔凈度達不到靜態百級要求，這部分安全柜存在樣品被污染的風險。

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

5) 高效過濾器由于其本身的特殊性，在運輸或安裝過程中都可能損壞，故即使出廠已經進行檢驗，在現場檢測時仍有部分高效過濾器存在泄漏的情況。送風高效過濾器泄漏會直接影響安全柜的潔凈度，而排風高效過濾器泄漏則可能導致操作過程中產生的危險性生物氣溶膠外逸污染環境甚至操作者。實測中發現部分安全柜高效過濾器存在泄漏狀況，嚴重影響實驗室生物安全。

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

4 結論及建議

1) 根據操作微生物的類別及實驗室條件進行正確選型及現場安裝是安全柜安全運行、保證其綜合使用性能和生物安全防護性能的關鍵前提之一。

2) 現場安裝后應進行現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) 通過實際調研和現場檢測，發現仍有部分在用安全柜未進行年度維護或現場檢測，以及進行年度檢測的安全柜部分性能參數無法達到相關規范的要求，存在一定生物安全風險。