生物安全柜气密性检测与分析

魏贤莉，胡良勇，肖建勇

生物安全柜气密性检测与分析

魏贤莉，胡良勇，肖建勇

目的：提高生物安全柜气密性的准确度和精度。方法：使用生物安全柜气密性检测装置检测生物安全柜的气密性。结果：相比于肥皂泡法，生物安全柜气密性检测装置不仅操作简便、自动、快速，而且精度高、实时、结果准确，能有效观察生物安全柜的气密性变化。结论：生物安全柜气密性检测装置可以有效地保护实验操作人员，适用于所有等级的生物安全柜气密性检测，具有广阔的应用前景。

生物安全柜；生物安全柜气密性检测装置；肥皂泡法

0 引言

生物安全柜广泛应用于生物制药、环境检测、医疗卫生、食品卫生和疾病预防与控制等领域[1]。2003年至2004年，我国发生过3起实验室SARS-CoV感染事故，可见生物安全柜的应用向各级实验室广泛扩展[2]。随后，国家发布了国务院424号令《病原微生物实验室过滤条例》和国家标准GB 19489—2004《实验室-生物安全通用要求》，强调生物安全柜是一种保护生物实验室工作人员必不可少的重要设备。生物安全柜是一种负压过滤操作柜，它是利用空气净化技术，实现第一道物理隔离的技术产品，是为操作菌毒株、原代培养物以及诊断性标本等具有感染性的实验材料时，用来保护操作者本人、实验室环境以及实验材料，使其避免露于上述操作过程中可能产生的感染性气溶胶和溅出物而设计的[3-5]。自第一台生物安全柜问世以来，它的基本设计已历经了多次改进，在结构和功能上比原来的更优越。根据欧盟标准EN 12469—2000，按对操作者、环境和受试样本的保护程度将生物安全柜分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个等级[6]；美国国家标准NSF/ANSI49—2008又根据前窗操作口流入气流风速、排气方式和循环方式将Ⅱ级生物安全柜分为Ⅱ-A1、Ⅱ-A2、Ⅱ-B1、Ⅱ-B2 4种类型[7]。

生物安全柜内须始终保持一定的负压状态，以防止在操作区内实验过程中产生的气溶胶逃逸到安全柜外面，从而有效地保护实验操作人员。因此，柜体防泄漏（也叫气密性检测）是一项重要的检测指标。

1 气密性检测的相关研究

根据检测原理的不同，气密性检测常见的方法有气泡检测法、气压式泄漏检测法、流量检测法、氦质谱泄漏检测法、卤素泄漏检测法、化学示踪物检测法和声波检测法等[8]。其中，气泡检测法、氦质谱泄漏检测法、卤素泄漏检测法和气压式泄漏检测法也被用于生物安全柜柜体的防泄漏检测。

肥皂泡法属于气泡检测法的一种，是生物安全柜气体泄漏检测中比较传统的一种方法。它是在安全柜外表面各处涂上肥皂液，并将柜内气压充到规定值以观察气泡变化，当安全柜存在较大的泄漏时，可以通过气泡声音、大小或微弱的气流变化观察出泄漏情况。何欣、胡良勇等[9-10]曾用此法检测过生物安全柜气密性，能够发现比较大的泄漏点及泄漏的大致位置，但无法获知具体的泄漏量。因此，肥皂泡法适用于定性分析柜体泄漏情况，但是对于泄漏量较小的柜体，则观察不到起泡现象，其结果受检测人员的主观影响较大，测量精度不高。

气压式泄漏检测法是目前应用比较广泛的气密性检测方法。它的原理是直接检测泄漏所引起的压力变化，或通过一定时间内被测对象的压力变化量来实现，可分为直接压力测量法和差压测量法[11]。直接压力测量法是将气压传感器与被测工件直接相连，通过测试被测件内压力参数的变化来判断工件是否泄漏；缺点是没有参照物，多数情况下依赖生产过程获得的经验值，而且检测结果受温度影响较大，适用于恒温条件下的气压测量。差压测量法与直接压力测量法的不同之处在于差压测量法引入了一个标准参考工件，用差压传感器采集被测件与标准件之间的差值，得出泄漏气体的量。由于待测密封容器和参考密封容器处于同一环境下，所以温度变化和容器变形视为同步，误差远远小于直压传感器，差压测量法检测结构如图1所示。

本文介绍一种生物安全柜气密性检测装置对生物安全柜气密性的自动检测。

图1 差压测量法检测结构示意图

2 检测设备与方法

2.1 气密性检测单元机构组成

主机单元的工作过程大致分为自动充气、自动检测和数据传输3个环节。系统上电开启之前，操作人员连接好检测设备与生物安全柜的气路并确保其密封性良好。系统上电后初始化后，由继电器控制电磁阀的触发和断开，由此实现对充气泵充气启停的控制。

图2为气密性检测系统气路图，主要分为充气结构和气压控制机构。充气结构包括充气泵、充气管及辅助构件，气压控制机构包括电磁阀、继电器、压力传感器及快接插头等其他机构。图3为气密性检测系统气路接口示意图。

图2 气密性检测系统气路图

2.2 气密性检测单元硬件实现

气密性检测硬件包括主控制系统硬件电路、气压控制硬件电路、数据传输与显示硬件及电源电路。如图4所示，被测信号传到微处理器后，根据不同的要求进行相应的算法处理。在算法处理上建立快速、高精度的数学模型，把处理的结果通过液晶屏实时显示。测试完毕，用报警的方式提示实验人员检测过程已完成。

图3 气密性检测系统气路接口图

图4 气压检测硬件电路原理框图

2.3 气密性检测单元软件设计

柜体防泄漏检测作为生物安全柜参数检测系统的主要部分，如何有效地控制并完成各项气压值的精确检测是主机软件的设计关键所在。柜体防泄漏测试流程图如图5所示。

图5 柜体防泄漏测试流程图

气压传感器实时检测当前充入生物安全柜内部的气体情况。当柜内气压为500 Pa时，关闭电磁阀和充气设备。进入压力监测环节，系统每隔10 s记录1个压力值并持续监测30min。若在此过程中有气压值变化范围超过±50 Pa，则由报警器提示操作人员此柜体气密性不佳。若测试过程中无报警提示，则将保存在系统的气压数据通过串口通信的方式传至PC机软件，并进行这180个数据曲线的自动绘制与测试报表的自动生成。

3 结果与讨论

生物安全柜气密性检测装置对某院中心实验室的Ⅱ级生物安全柜气密性进行了检测，结果如图6所示。

图6 生物安全柜泄漏检测曲线

从图6可以看出，生物安全柜气密性检测装置对生物安全柜泄漏检测精度非常高。当柜内气压为500 Pa时，每隔10 s记录1个压力值并持续监测30min，在此过程中并没有发现气压值变化范围超过±50 Pa，说明此台生物安全柜气密性能良好。如果气压值变化范围超过±50 Pa，通过记录的压力值大小也能发现泄漏量较小的生物安全柜，报警器会提示操作人员此柜体气密性不佳。另一方面，还可以看出生物安全柜气密性检测装置的自动化程度高，它能将检测的气压数据传输到PC机软件，能自动绘制180个数据曲线，自动生成报表，这样既方便观察结果，又能很好地分析数据，能直接地判断生物安全柜的气密性性能水平。由于Ⅲ级生物安全柜柜体完全气密，100%全排放式，工作人员通过连接在柜体的手套进行操作，所以无法进行气密性的检测，但生物安全柜气密性检测装置自动化程度高，适用于所有等级的生物安全柜气密性检测，很好地解决了这个难题。

4 结语

柜体防泄漏检测作为生物安全柜参数检测系统的主要部分，如何有效地控制并完成各项气压值的精确检测是非常重要的。生物安全柜气密性检测装置除了具有可读性、易维护、可移植性的特点之外，还具有以下特点：

（1）稳定性。空气作为一种流动介质，其运动存在很多不确定性，在向生物安全柜柜体内充入大气时，若控制不当，则易使压力传感器读数跳动较大。在检测过程中，要求软件能够很好地控制充气过程，使气压波动较小。

（2）实时性。考虑到气压值和流速值需要实时显示在液晶屏上，因此要求系统及时更新液晶屏当前显示的数据，并及时给出处理结果。

生物安全柜内精确的防泄漏检测保证了柜体始终保持在一定的负压状态，防止在操作区内实验过程中产生的气溶胶逃逸到安全柜外面，能有效地达到防止微生物污染的物理指标，从而保证防止微生物污染的生化指标，保护实验室工作人员的生物安全。可以预见，随着生物安全意识的不断提高，生物安全柜气密性检测装置将具有广阔的产业化前景。

[1] 李劲松.生物安全柜应用指南——原理、使用和验证[M].北京：化学工业出版社，2005：3-10.

[2] 姜胜男.气流模拟及优化设计[D].上海：东华大学，2008.

[3] 王清勤，张彦国，许钟麟，等.生物安全实验室建筑技术规范的编制背景和主要内容介绍[J].建筑科学，2004，20（6）：1-7.

[4] 许钟麟，王清勤.生物安全实验室与生物安全柜[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：2-5.

[5] 马飞，武文军，熊陆平，等.生物安全柜的质量控制[J].医疗卫生装备，2012，33（5）：113-115.

[6] EN 12469—2000 Biotechnology-performance criteria formicrobiologicalsafety cabinets[S].

[7] NSF/ANSI 49—2008 Biosafety cabinetry：designed，construcyion，performance，and filed certification[S].

[8] 徐烨.泄漏检测技术的原理与应用[J].柴油机设计与制造，2004（2）：36-38.

[9] 何欣，唐敏然，胡良勇.生物安全柜性能检测的依据及关键技术[J].中国测试，2009，35（5）：91-94.

[10]胡良勇.生物安全柜的性能和质量控制[J].医疗保健器具，2008，15（8）：18-20.

[11]荣雪琴.密封容器的气密检测方法的研究[J].广西轻工业，2011（11）：122-123，125.

（收稿：2014-03-30 修回：2014-05-20）

Testing and analysis of air tightness in biological safety cabinet

WEIXian-li1,HU Liang-yong1,XIAO Jian-yong2
(1.Guangzhou Institute of Measurementand Test Technology,Guangzhou 510030,China; 2.Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou 510006,China)

Objective To improve the accuracy and precision of the air tightness of the biological safety cabinet.Methods Somemeasuring instrumentwas used to test the air tightness of the biological safety cabinet.Results Compared with soap bubble method,the measuring instrument behaved better in operation,automation,speed,precision,timeliness and accuracy,and the changes of the air tightness of the biological safety cabinet could be observed effectively.Conclusion The measuring instrument can protect the experimental personnel,and can be applied to all grades of biological safety cabinets.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：93-95]

biological safety cabinet;air tightnessmeasuring instrument of biological safety cabinet;soap bubblemethod

R318；G482

A

1003-8868（2014）08-0093-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.093

国家自然科学基金面上项目（81274145）；广东省自然科学基金（S2012040007005）；国家质量监督检验检疫总局质检公益性行业科研专项项目（201110045）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（2012442512 0012）

魏贤莉（1983—），女，工程师，主要从事医疗器械计量器具的检定、校准和研究工作。

510030广州，广州计量检测技术研究院（魏贤莉，胡良勇）；510006广州，广州中医药大学（肖建勇）

肖建勇，E-mail：jianyongxiao@163.com