生物安全柜关键计量参数校准

孟盈 马子嘉 石曙光/湖北省计量测试技术研究院

0 引言

2020年春节之际，新型冠状病毒肺炎的疫情日益严峻，感染人数不断攀升，为切断病毒的传染路径，急需进行分级诊疗，即对确诊人员、疑似人员、密切接触人员等有针对性地实施不同的收治、隔离方案，避免交叉感染，防止疫情扩大。实施分级诊疗的当务之急是加快诊断速度，给确诊发热病人、排查高危人群、甄别疑似病例、隔离阳性患者、保护阴性健康人群提供医学判断，并为一线员工和疫区人群重返工作岗位提供科学依据。各地政府指定了大量有能力和资质进行病原核酸检测的机构，如疾控中心、医院检验科、第三方医学检测实验室等进行核酸检测工作，处于疫情中心的武汉市还组建了符合标准且每日可检测万人份样本的应急检测“火眼”实验室，使得对新型冠状病毒的检测能力和速度得到大幅提升。

根据国家卫建委与国家中医药管理局公布的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案》（试行第五版），新型冠状病毒肺炎的诊断方法为使用呼吸道样本或血液样本为检测样本，提取样本中的病毒RNA，进行定量RT-PCR或进行病毒基因组测序。与此同时，对新型冠状病毒的致病机理、宿主研究、药物筛选等科研工作也在紧张地进行中。无论是病毒诊断还是研究，在整个对样本和病毒的操作过程中，难免会产生气溶胶或出现溢洒。由于检测样本具有感染性，必须防止对操作人员及环境的污染，因此需要在生物安全柜的负压工作区内进行操作。作为人员、环境和样本的重要保护屏障，生物安全柜的性能必须得到验证，才能有效地保证操作人员及环境的安全和样品的不被污染，因此，对生物安全柜的计量校准尤为重要。

1 生物安全柜的计量参数

生物安全柜是一种负压过滤排风柜，可防止操作者和环境暴露于实验过程中产生的生物气溶胶污染，广泛应用于医疗卫生、疾病预防与控制、食品卫生、生物制药等各类生物实验室，是保障生物安全和环境安全的重要基础。根据适用的生物安全等级规则，新型冠状病毒的操作应在II级生物安全柜中进行。

依据新发布的JJF 1815-2020《II级生物安全柜校准规范》，使用中的II级生物安全柜应定期进行计量校准。II级生物安全柜依赖洁净气流形成的屏障系统来提供对人员、环境和产品的保护，整个屏障系统由柜体、高效过滤器、气流循环系统、排风系统组成。安全柜计量校准的项目则覆盖了该屏障系统运行的各个环节，包括气流流速、气流模式、洁净度、高效过滤器检漏、人员保护、产品保护、交叉污染保护、照度、噪声项目。

2 气流流速的校准

气流流速的校准包括下降气流及流入气流两部分。下降气流是来自生物安全柜上方经高效过滤器过滤的垂直向下流向工作区的气流，提供产品和交叉污染保护；流入气流是通过安全柜前窗操作口进入前窗下侧泄流槽的气流，能在前窗操作口形成一道空气屏障，防止安全柜工作区内产生的气溶胶泄漏到柜外，提供人员保护。下降和流入气流的流速符合要求才能形成真正有效的保护屏障，因此对该项目的校准十分重要。

依据JJF 1815-2020提供的参考计量特性指标，下降气流流速应在0.25～0.40 m/s之间，流入气流流速应不小于0.38 m/s（A1型）或不小于0.51 m/s（A2/B1/B2/C1型）。对气流流速进行校准时，风速仪法因操作简单而较为常用，校准规范对校准用风速仪的最大允许误差要求为±0.015 m/s或示值的±3%，而目前国内对风速仪进行量值传递时给出的测量不确定度很难满足最大允许误差的1/3要求。因此选择了国内计量技术机构中风速的最佳测量能力、最强的计量机构进行量值溯源，并依据校准规范中对风速的具体要求选取了多个特定校准点，覆盖了风速范围要求的边缘值及中间值，用以辅助判断生物安全柜的气流流速状况。

日常校准中发现气流流速项目不符合规范或标准要求的情况并不少见，一般可通过对生物安全柜的风速控制参数进行调节，使其达到符合要求的范围。不同品牌和型号的生物安全柜有各自不同的进入设置界面的方式，可以由熟悉仪器设置的有经验的校准人员或由厂家协助来通过生物安全柜的控制面板对风速参数进行调节；部分型号的流入气流流速是通过改变排风口挡板的遮挡面积来进行调节，挡板对排风口的遮挡越少，流入气流流速越大；有时高效过滤器的使用时间过长会导致下降气流流速不足或不均匀；外排型生物安全柜的流入气流流速易受外排风机和外排管道的影响，外排风机功率不够、外排管道安装的长度和位置不规范或发生泄漏、外排型生物安全柜所在的密闭房间面积过小等原因，都会导致流入气流达不到使用要求。实际使用中，外排型生物安全柜由于影响因素多而常常导致不符合使用要求的情况较多发生，使用者应注意定期排查。

3 洁净度的校准

洁净度及高效过滤器检漏项目的校准用于测试生物安全柜的高效过滤器对颗粒物的过滤性能，进入生物安全柜工作区和排出生物安全柜进入外界环境的气流均应通过高效过滤器的过滤，对工作区洁净度的校准能直接反映高效过滤器和下降气流对样本产生的保护作用。洁净度的校准采用尘埃粒子计数器，测试方法比较简单直观、易于操作，日常校准工作中发现达不到使用要求的情况相对较少。

当洁净度不符合要求时，可结合高效过滤器检漏和气流模式项目的校准结果来判断颗粒物超标是来源于高效过滤器的失效还是来源于工作区气流方向的紊乱。高效过滤器使用过度时会造成对颗粒物的过滤效率降低或穿过气流的不均匀，应及时联系专业人员进行更换。尽管JJF 1815-2020中对洁净度的校准是要求将采样口置于工作台面以上20 cm处进行测试，但当出现20 cm处洁净度符合要求，而20 cm以下高度的洁净度有超标情况时，也应排查原因，关注工作台面上方的下降气流是否有覆盖盲区或有乱流现象。对于生物安全柜的使用者来说，工作区洁净度不符合要求容易造成生物样本的污染，操作人员在日常工作中较容易察觉，出现问题时应及时反应，并进行问题排查。

4 气流模式的校准

气流模式项目包括下降气流、观察窗气流、前窗操作口边缘气流和滑动窗密闭性测试。气流模式各项目组合在一起用于测试生物安全柜工作区内的气流循环路径。气流走向是否符合要求能用以判断生物安全柜工作区内是否形成了有效的气流屏障来提供各项安全保护，可以看作是对人员、产品和交叉污染保护的粗判。气流模式和气流流速息息相关，下降气流流速不足会导致下降气流无法在整个工作区保持垂直向下且无回流；流入气流不足会导致前窗操作口边缘气流无法完全进入流入格栅，其中前窗操作口上沿和角落的边缘气流流向尤其容易受到流入气流不足和周围气流扰动的影响，从而影响操作口空气屏障的形成，需着重排查。气流不均匀、柜体设计等因素也会引起工作区气流紊乱。此外，观察窗气流也是较为薄弱的环节，下降气流常常覆盖不到贴近观察窗的部位，尤其当观察窗设计为倾斜放置或上方装有照明或杀菌灯管时，容易在紧贴观察窗的部位形成下降气流的盲区。

5 人员保护的校准

人员、产品和交叉污染保护项目通过模拟微生物气溶胶扩散的方式直接验证生物安全柜对人员和样本的保护。此三个校准项目的操作方式相似，以其中最受关注的人员保护项目为例，人员保护项目是生物安全柜的校准中难度较大的项目，操作较为繁琐复杂。依据JJF 1815-2020，人员保护校准可采用微生物法或碘化钾（KI）法。微生物法通过在生物安全柜内发生一定浓度的枯草芽孢杆菌或粘质沙雷氏菌，在柜外采集后带回实验室在特定条件下培养至肉眼可见时进行微生物计数。KI法则通过在生物安全柜内发生KI溶液气溶胶，在柜外采集后即时通过显色反应对显色斑点进行计数，是一种模拟微生物气溶胶的方法。仲裁时要求采用微生物法，但由于该方法需要更高的操作和设备要求，且需耗时数天才能得到结果，无法当场验证，因此日常校准中常采用KI法。

人员保护项目直接反映生物安全柜对操作人员的保护作用，当生物安全柜用于有生物危害性物质的操作时，如用于病原微生物操作、肿瘤化疗药物配制等用途时，尤其需要重视。对该项目进行校准时，注意发生装置、采样装置的各个部件应严格按照校准规范的高度、距离等要求进行摆放；每次测试后应注意对采样装置仔细清洁，避免污染。在校准中发现该项目超标的情况相对较多，当本文前述各校准项目都符合要求的情况下，如果人员保护项目仍不符合要求，应注意排查安全柜的放置地点是否合适。如是否置于空调出风口下方附近，是否置于实验室回风口附近，是否置于人来人往的通道处，这类外界环境对气流的扰动常常会干扰前窗操作口的气流屏障形成从而影响人员保护效果。此外，即使下降气流流速和流入气流流速分别都符合规范要求，两者的数值能否搭配合适也会影响人员保护效果，可与厂家技术人员对最佳风速范围进行沟通，通过调节下降气流和流入气流的流速搭配来优化人员保护效果。另外，使用者往往长时间忽略生物安全柜高效过滤器的更换，也可能导致气流循环受到影响，从而达不到人员保护要求。

6 结语

生物安全柜作为医学、生物学实验中一类常用的设备，除了对样本起到保护作用，更值得注意的是对于使用者是一道非常重要的保护屏障，使人员和环境免受生物有害因子的伤害。然而由于使用者对其保护作用缺少直观的感受，使得用户常常忽略对在用生物安全柜的质量控制。此次疫情中，据报道武汉市收治新型冠状病毒肺炎患者较多的某医院出现了一例检验科的检验师被该病毒感染的案例，不排除有一种可能性是样本的暴露形成了气溶胶从而感染了检验师。这一环节如果能在生物安全柜内操作，将气溶胶颗粒物有效屏蔽在生物安全柜内避免流出，就能减少气溶胶污染的一个途径，因此，生物安全柜的计量校准对于操作人员和环境的保护尤为重要。结合平日对医疗机构医学检验实验室的生物安全柜的实际校准情况，生物安全柜的性能尤其是人员保护性能仍未得到足够的重视，更是少有科研机构对在用生物安全柜进行校准，用户重视程度亟待提高。在此次疫情中，计量机构更应加强对医学检验实验室和相关科研机构生物安全柜的计量校准工作，为新型冠状病毒肺炎的诊断与科研工作，为阻击疫情提供有力的计量支撑。