部分獸醫相關單位Ⅱ級生物安全柜的性能測試與分析

馬文杰, 張 偉, 王 偉, 蘇世博, 郭慧娟, 張 賀, 王 梓, 劉懷然, 陳洪巖

(中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所,獸醫生物技術國家重點實驗室,國家禽類實驗動物資源庫,黑龍江省實驗動物與比較醫學重點實驗室,哈爾濱 150069)

生物安全柜是一種負壓過濾排風柜，可避免實驗操作人員和環境暴露于實驗過程中產生的生物氣溶膠，是防止實驗室獲得性感染的主要設備。在控制實驗室感染，保護實驗人員、實驗環境和實驗材料不被污染等方面起著至關重要的作用［1-2］。根據常用的歐盟標準EN 12469—2000，生物安全柜可按照氣流及隔離設計結構不同，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3 個等級。Ⅱ級生物安全柜是指用于確保實驗操作人員安全、處理樣品安全與環境安全的通風安全柜，它在I級生物安全柜的基礎上做了進一步的改造，可使到達工作區域前的未過濾空氣被內置風機引入風格柵，從而達到對實驗操作人員和實驗室環境的保護要求。

按照中華人民共和國醫藥行業標準YY 0569—2011《生物安全柜》規定，II 級生物安全柜可依照入口氣流流速、排氣方式和循環方式不同分為4個級別：A1型、A2型、B1型和B2型［3］。A1型生物安全柜前窗流入氣體的流速應≥0.38 m/s，70%氣體通過高效空氣過濾器（high efficiency particulate air filter，HEPA）循環利用，30%的氣體被外排出去。A2型生物安全柜前窗流入氣體的流度應≥0.5 m/s，70%氣體通過HEPA 過濾器循環利用，30%的氣體被外排出去。B1型生物安全柜的70%氣體通過HEPA 過濾器排氣口排出，30%的氣體通過HEPA 過濾器供氣口再循環至工作區。B2型為100%全排型安全柜，無內部循環氣流，可同時提供生物性和化學性安全控制。A1、A2型生物安全柜外排氣量相對較少，對實驗室氣流影響偏小，而B1、B2型生物安全柜外排氣量較多，對實驗室氣流影響較大。

Ⅱ級生物安全柜是生物醫學、獸醫學實驗室最為常用的一級保護屏障，也是保障實驗室生物安全最重要的設備之一，廣泛應用于醫院、研究所、高校等機構開展的生物醫藥研究與檢測工作中，其性能的好壞直接影響實驗人員與實驗室的安全。本研究參照YY 0569—2011 和RB/T 199—2015 標準，針對部分獸醫相關單位的126臺II級生物安全柜進行調查和日常維護性檢測，即對外觀完整性、工作區潔凈度、送排風高效過濾器檢漏、氣流模式、流入氣流流速、下降氣流流速、噪聲、照度以及報警和聯鎖系統共9 項指標進行現場檢測，并對數據進行分析處理，以期為生物安全柜使用單位及科研人員進一步了解實驗室生物安全柜的運行現狀，更好地使用生物安全柜，杜絕安全隱患提供第一手資料，并為后續開展以II 級生物安全柜為基礎的生物安全型換籠工作臺的研發及應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 檢測設備

主要檢測設備包括德國testo 540 照度計（精度±3%）、芬蘭vaisala HM41 手持式溫濕度計（±1.5%RH、±0.2℃）、中國數字聲級計TES-1350A、美國Lighthouse HANDHELD 3016手持式激光粒子/塵埃粒子計數器（精度10%）、法國KIMO VT110 便攜式風速儀（精確度：±0.05 m/s）、美國TSI 霧化氣溶膠發生器3079。這些設備均為黑龍江省實驗動物質量監督檢驗站（通過CMA資質認定）所有，經過檢定校準，有效期為2020 年8 月—2021 年8 月。檢測人員為黑龍江省實驗動物質量監督檢驗站檢測員和團隊科研人員，專業技術能力合格。檢測對象為哈爾濱某動物疫病研究單位、獸用生物制品生產單位、動物用生物制品研發孵化單位各一家，目前所用的國內外Ⅱ級生物安全柜共126臺；其中，A1型生物安全柜13臺，A2型生物安全柜113臺（B1、B2型應用較少，本次不予檢測）；國產生物安全柜52臺，進口生物安全柜74臺。

1.2 生物安全柜性能檢測方法

依據YY 0569—2011《Ⅱ級生物安全柜》［3］、JG 170—2005《生物安全柜》［4］、GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術規范》［5］以及RB/T 199—2015《實驗室設備生物安全性能評價技術規范》［6］規定的方法，對生物安全柜外觀完整性、工作區潔凈度、送排風高效過濾器檢漏、氣流模式、下降氣流流速、流入氣流流速、照度、噪聲、報警和聯鎖系統等指標進行現場檢測。

1.2.1 外觀完整性

依據YY 0569—2011 標準，通過肉眼觀察生物安全柜體表面有無明顯劃傷、壓痕及銹斑，表面是否光滑潔凈，設備外觀是否規矩平整；具有說明功能的文字、符號等標記是否表述清晰、正確，且安裝是否端正、牢固；通過觸摸的方式查看柜體焊接部位是否牢固，并感知其焊接表面是否光滑［4］。

1.2.2 工作區潔凈度

依據JG 170—2005 標準（比YY 0569—2011 更明確），首先開啟生物安全柜并單獨運行10 min以上，然后使用粒子計數器分別在高于工作臺面200 mm處，依照雙對角線布置的5 個采樣點測定其塵埃粒子數，采樣完畢后對計數器進行自凈并完成儀器的精度維護［3］。

1.2.3 送排風高效過濾器檢漏

送風高效過濾器檢漏、排風高效過濾器檢漏的檢測方式可分為掃描檢漏測試和效率法檢漏測試兩種［6］。本實驗采用掃描檢漏測試方式，即使用塵埃粒子計數器測試高效過濾器的過濾效率。依照YY 0569—2011及GB 50346—2011標準規定，首先用氣溶膠發生器在安全柜氣流上游產生質量濃度為20 μg/L的氣溶膠，然后在下游距離送排風高效過濾器出風面和邊框縫隙20 mm 處，用粒子計數器的采樣口對整個高效過濾器的工作面進行掃描，以檢測氣溶膠漏過率。掃描移動速度小于50 mm/s，掃描路線應略微重疊。最后，圍繞整個過濾器外圍，沿組合過濾片和框架的連接處以及圍繞過濾器和其他部件之間的密封處仔細掃描檢測。所有檢測點的漏過率不超過0.01%［3，5］。

1.2.4 氣流模式

氣流模式是甄別安全柜氣流流向是否均勻、柜體結構設計是否合理的重要檢測項目。為保護工作人員安全，應確保安全柜內為負壓狀態，且氣體無外逸情況。本研究依據YY 0569—2011標準，使用美國TSI霧化氣溶膠發生器3079，沿工作臺面的中心線，在前窗操作口頂端以上100 mm的高度，從安全柜的一端到另一端檢測下降氣流；在觀察窗后25 mm、前窗操作口頂端以上150 mm的高度，從安全柜的一端到另一端檢測觀察窗氣流；在安全柜外約38 mm 處，沿著整個前窗操作口的周邊，檢測前窗操作口邊緣氣流；在操作者周邊檢測進入氣流；在滑動窗內，從距安全柜側壁和工作區頂部50 mm經過，檢測活動窗密閉性［3］。

1.2.5 下降氣流流速

依照YY 0569—2011 標準，在水平高度為高于前窗操作口上沿的100 mm 處，面向安全柜前窗由近至遠設置3 排測量點，每排布置7 個測量點，間隔保持150 mm，最外側測量點距離安全柜內壁和前窗操作口150 mm。使用法國KIMO VT110 便攜式風速儀檢測各測量點流速，計算平均值，作為下降氣流流速［3］。

1.2.6 流入氣流流速

依照YY 0569—2011 標準，將生物安全柜工作窗升至常規操作高度，橫向選取7 個位點；每個位點縱向測量兩個高度，分別位于距離操作口上下沿1/4 的位置；共14 個測量點，每個測量點的水平距離約100 mm，且與前窗側邊距離不少于100 mm。使用法國KIMO VT110便攜式風速儀在生物安全柜前窗操作口平面處檢測各測量點流速，將所有測量點數據的平均值作為流入氣流流速［3］。

1.2.7 照度

依照YY 0569—2011 標準方法，在工作臺面內側壁中心連線處選取7 個測量點，兩側測量點均距離側壁150 mm以上，各點之間距離＜300 mm。用照度計分別在安全柜照明設備關閉和開啟的狀態下測定工作臺面的背景照度和照度。評價合格的標準為平均背景照度為（110±50）lx，平均照度≥650 lx，且每個測量點的照度實測值≥430 lx［3］。

1.2.8 噪聲

依照YY 0569—2011 標準，首先在打開安全柜風機、開啟照明設備的情況下，在生物安全柜前方中心向外300 mm，高于工作臺面380 mm 處，使用中國數字聲級計TES-1350A 檢測工作噪聲，合格標準為≤67 dB。關閉風機和照明設備后，于同一檢測點收集背景噪聲，若背景值＞57 dB，需對環境及設備進行修正［3］。

1.2.9 報警和聯鎖系統

報警和聯鎖系統的檢測主要是為了在安全柜處于前窗開啟高度過高或過低、氣流波動、排氣損失、風機停止運行等非正常狀態時，聲光報警器報警，提示操作人員立刻停止實驗，通知維修人員進行檢修。該項目是安全柜防護的最后一道屏障［6］。本研究根據YY 0569—2011 標準，分別檢測了前窗操作口報警、內部供/排氣風機聯鎖報警、Ⅱ級生物安全柜排氣報警及氣流波動報警以及紫外燈聯鎖功能［7］。

1.3 測試結果的統計分析

采用SPSS 22軟件進行統計學處理，數據比較采用卡方檢驗分析，P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 Ⅱ級生物安全柜各檢測指標基本情況

2.1.1 外觀完整性

依次對126 臺生物安全柜表面進行檢查，結果顯示：所有柜體外觀規矩平整，且無明顯銹斑及損傷痕跡；具有說明功能的文字、圖形符號等標記指向清晰，描述正確，安裝端正且牢固；柜體焊接部位牢固，焊接表面手感光滑且無松散感。該檢測指標合格率為100%。

2.1.2 工作區潔凈度

通過工作臺面塵埃粒子檢測發現，所有柜體工作區均達到100 級（標準5 級）潔凈度要求，合格率為100%。其中，兩臺國產生物安全柜的工作臺面上，≥0.5 μm的懸浮粒子檢測結果分別為47粒/m3和392粒/m3，≥1 μm 的懸浮粒子檢測結果分別為3 粒/m3和49粒/m3，≥5 μm的懸浮粒子檢測結果分別為0粒/m3和7粒/m3。另有21臺國產生物安全柜的工作臺面上≥0.5 μm的懸浮粒子檢測到1至2粒/m3。其余生物安全柜在3種不同懸浮粒子的檢測結果中均為0粒/m3。

2.1.3 送排風高效過濾器檢漏

126臺生物安全柜的送風、排風高效過濾器在任何檢測點的漏過率均＜0.01%。該項目檢測合格率達100%。

2.1.4 氣流模式

使用煙霧發生器針對下降氣流、觀察窗流入氣流、操作人員周邊氣流、工作窗口邊緣氣流和移動窗密閉性進行檢測。觀察結果顯示，下降氣流及觀察窗氣流為垂直氣流線，且無死角和回流。工作窗開口邊緣隔離效果的氣流試驗結果顯示，煙霧進入安全柜內無外逸，且無穿越工作區氣流。工作窗口開口氣流密封效果試驗結果發現，沒有煙霧從生物柜內泄漏出來，也沒有煙霧侵入工作區。操作人員周邊氣流試驗結果表明，沒有工作區內氣流溢出，也沒有煙霧侵入工作區。檢測結果提示所有檢測樣本均合格。

2.1.5 下降氣流流速、流入氣流流速

依照標準要求，下降氣流流速應在0.25 m/s 和0.50 m/s 之間，流入氣流流速應A1 型≥0.40 m/s，A2型、B1型和B2型均≥0.50 m/s。對126臺Ⅱ級生物安全柜進行下降氣流流速和流入氣流流速的檢測，結果如表1所示。13臺Ⅱ級A1型生物安全柜的下降氣流流速范圍為0.28～0.49 m/s，合格率為100%；流入氣流流速范圍為0.25～0.56 m/s，合格率為69.2%，更換高效過濾器后合格率為84.6%。113 臺Ⅱ級A2 生物安全柜的下降氣流流速為0.28～0.65 m/s，合格率為92%，更換高效過濾器后合格率為96.5%；流入氣流流速范圍為0.19～1.00 m/s，合格率為46.9%，更換高效過濾器后合格率為72.6%。

2.1.6 照度

依照標準要求，平均照度≥650 lx 且各位點實測值≥430 lx，可判定合格。結果顯示，Ⅱ級A1型生物安全柜的照度合格率為69.2%，更換照明燈后合格率為92.3%；Ⅱ級A2 型生物安全柜的照度合格率為68.1%，更換照明燈后合格率為85.8%。116臺生物安全柜的照度總合格率為68.3%，更換照明燈后合格率為86.5%。具體數據見表1。

2.1.7 噪聲

依據標準要求，噪聲≤67 dB 視為合格。檢測結果顯示，Ⅱ級A1 型生物安全柜的噪聲測量值為66～75 dB，僅1臺機器符合標準要求，合格率僅7.7%，更換高效過濾器后合格率為23.1%；Ⅱ級A2 型生物安全柜的噪聲檢測合格率同樣較低，為23.9%，更換高效過濾器后合格率為29.2%；總合格率為22.2%，更換高效過濾器后合格率為28.6%，見表1。

表1 Ⅱ級A1及A2型生物安全柜各項指標檢測結果Table 1 Test results of various indicators of A1 and A2 class Ⅱbiosafety cabinetries

2.1.8 報警和聯鎖系統

依據標準要求，當生物安全柜前窗偏離工作高度時，聲音報警器報警，聯鎖系統啟動；開啟高度達到標稱高度時，自動解除報警及聯鎖系統。安全柜可實時顯示工作區的下降氣流流速及流入氣流流速，當下降氣流流速和流入氣流流速波動超過標稱值的±20%時，啟動聲光報警器。將玻璃前窗完全關閉，紫外線燈才能激活；如果紫外線滅菌過程中前窗被意外升起，紫外線燈將自動關閉。經檢驗，126臺生物安全柜均符合上述要求，合格率為100%。

2.2 不同產地Ⅱ級生物安全柜的各項指標比較

根據相關標準及規范，各項檢測指標只要有一項不合格就代表該生物安全柜不合格［3-4］。結合各項目檢測結果，最終判定126 臺Ⅱ級生物安全柜的合格數為22臺，合格率僅17.5%。合格的Ⅱ級生物安全柜中，A1型生物安全柜僅1臺，A2型生物安全柜有21臺，進口生物安全柜20 臺，國產生物安全柜2 臺（僅占比9.1%）。國產生物安全柜的合格率為3.8%（2/52），進口生物安全柜的合格率為27.0%（20/74），二者差異有明顯的統計學意義（經卡方檢驗，P=0.000 74）。

將進口與國產Ⅱ級生物安全柜的各檢測指標數據進行比較，結果如表2。其外觀完整性、工作區潔凈度和下降氣流流速等指標均表現出較高的合格率，均＞90%。流入氣流流速與噪聲的合格率差異較大，且合格率較低，分別為33.8%和5.8%。

表2 進口和國產Ⅱ級生物安全柜各項指標檢測結果對比Table 1 Test results of various indicators of imported and domestic class Ⅱbiosafety cabinetries(N=126)

3 討論

2019年某單位布魯氏菌感染事件與2020年新冠肺炎（COVID-19）疫情暴發受到了各級政府、科研實驗人員的廣泛關注，實驗室生物安全的重要性問題再次被提及［8］。Ⅱ級生物安全柜是實驗室最常用、最重要的生物安全一級保護屏障，也是動物生物安全實驗室的常用設備之一，不僅用于病原體相關的實驗操作，而且因其與生物安全型獨立通風籠具（individual ventilated cages，IVC）換籠工作臺有相似的結構與功能，也經常作為初級換籠臺使用。因此，了解Ⅱ級生物安全柜的性能與使用，對于規范動物生物安全實驗室設備操作，研發新的生物安全型IVC 換籠工作臺有一定的借鑒意義。II 級生物安全柜通過垂直氣流和流入氣流保護操作人員不被柜內樣品感染，其中外界空氣經高效濾器過濾后流入柜內，防止樣品被污染；柜內氣體也經過高效濾器過濾，再排放到環境中，以保證不污染室內外環境。II 級生物安全柜的性能是否可靠，與操作人員的安全、樣品與環境的污染息息相關，因此對其性能和質量進行檢測顯得尤為重要。

根據RB/T 199—2015 標準，現場檢測項目至少應包括垂直氣流平均速度、氣流模式、工作窗口氣流平均速度、送排風高效過濾器檢漏、工作區潔凈度。本研究對哈爾濱3家動物疫病相關單位實驗室的126臺II級生物安全柜進行維護檢測，檢測內容除包括RB/T 199—2015 標準中的檢測項目外，還按照YY 0569—2011 標準檢測了外觀完整性、噪聲、照度及警報和聯鎖系統，共9個項目。檢測結果顯示：126臺II級生物安全柜的外觀完整性、工作區潔凈度的總合格率均為100%，下降氣流流速總合格率為92.9%，流入氣流流速總合格率為49.2%，照度總合格率為68.3%，噪聲總合格率為22.2%。

相較于教霞等［8］和溫占波等［2］的檢測結果，本次檢測中生物安全柜流入氣流流速、噪聲、照度的合格率偏低。流入氣流流速合格率低的原因可能是：（1）長時間的使用且未按照規定進行常規檢查（通常應每年一次），生物安全柜的維護不及時，導致初效濾膜及高效過濾器堵塞；（2）風機老化或柜體安裝不合理導致氣格柵堵塞，這需要專業維修人員進一步對生物安全柜進行檢修確定。噪聲合格率低的原因可能是安全柜空間擺放位置不合理，比如安放不穩定，過于靠近門窗等位置，設備運行時未關閉門窗，導致外界環境噪聲、氣流對生物安全柜產生影響。照度合格率低的原因可能是長時間使用導致照明燈有損壞或者照度值略低于標準要求。本次檢測后向使用單位提出更換高效濾器或照明燈等配件的建議，并在使用單位更換高效濾器或照明燈后，再次對相關指標進行檢測時發行，相關指標的合格率有大幅度提高。據此提示，生物安全柜在使用中需要定期檢測、維保及更換配件，以保證操作人員、樣品與實驗室環境的安全。

儀器設備空間擺放位置的合理性是確保實驗人員和生物安全柜正常運行的關鍵。緊靠門、窗、墻面和實驗室進風口擺放可能導致外部氣流擾亂生物安全柜柜體中氣流模式，使外界未經高效過濾的空氣污染物進入實驗區域，污染實驗樣品［10］。因此，應將生物安全柜安裝在遠離門、窗的位置，也不應臨近空調送風口。安全柜應安放在遠離人員通道及有潛在的干擾氣流的位置，柜子的后面及兩側應各留出30 cm 的空隙，以便在保養時檢修人員容易通過；另外在柜子的頂部應有30～35 cm 的空隙，以利于準確測量通過高效過濾器的氣流速度，以及更換高效過濾器［11］。此外，安全柜支架下方不應擺放小型設備、實驗耗材等物品，以便于對安全柜下方進行維護和清潔，也不影響人員的操作。

生物安全柜的噪聲、照度合格率較低，雖不會對使用安全性造成直接影響，但會影響實驗人員工作舒適度和健康［10］。對國產和進口生物安全柜各項指標的合格率進行統計學分析比較發現，兩者之間存在顯著性差異；其中流入氣流流速與噪聲兩項指標的合格率差異較大，可能是造成整體差異的主要原因之一。這提示國產生物安全柜質量還有待提高。此外，本次調查還發現生物安全柜的使用、運維方面也存在一些問題，例如紫外線燈超期使用，清潔、消毒不規范，不定期檢測、監測，無定期培訓等。因此，加強培訓、養護、定期檢測是保障生物安全柜規范使用、相關實驗結果正確性及生物安全所必不可少的。

本次檢測主要依據YY 0569—2011 等標準進行。該標準以美國標準NSF 49：2019 為基礎［12］，并結合了歐盟標準EN 12469：2000 中的特色［13］。比如，YY 0569—2011 標準采用上述兩種國際標準中相同的工作原理對操作人員、實驗品和工作環境提供保護，并在此基礎上按照排放氣流在系統總流量中占比和內部結構分為A1、A2、B1、B2 四種類型；下降氣流流速指標在增加測試點的同時，依照EN 12469規定，添加風速范圍以便提升準確度等［13］。YY 0569 比NSF 49 和EN 12469 要求更高，體現在風速的精確度和紫外線燈的強度要求方面，進而明確了生物安全柜各項性能的檢測標準，規范了實驗室生物安全柜的使用。

綜上所述，生物安全柜作為生物安全實驗室內一級防護屏障，可以對操作人員、環境和樣品提供保護作用，其性能保障是實驗室生物安全防護的重要基礎。因此，生物安全柜的性能檢測可使安全柜的質量得到有效控制，使生物安全效果得到保證。此次檢測結果提示：生物安全柜安裝位置的選擇必須符合相關標準和要求，并且需要專業人員安裝，做好安裝后的現場驗收，從而確保安裝質量；在實驗室生物安全柜管理和維護中，應嚴格按照說明書規范使用，定期維護并進行相關項目檢測，保持其良好的性能狀態；如果發現異常，需要及時消除，確保安全柜的正常運行。