生物安全柜气溶胶模拟发生装置研究

2024-05-26王勇刚程琳何燕燕

中国标准化 2024年6期

王勇刚程琳何燕燕

摘要：在试验操作中，有害细菌可以经由空气流通道或者试剂用品进行传染，而生物安全柜则可以防止在工作中所形成的气溶胶对外环境传播以及减少对操作者健康的影响，也能够减少样品间因为气溶胶污染而形成的交叉污染。生物安全柜作为一个有人员保护，同时保存生物试验样本与测试环境场所的装置，一旦生物安全柜中存在气体泄漏等质量问题，会对人类健康造成不可逆的影响。因此，为保证工作人员的安全防护和实验室环境不被污染，同时确保实验作业安全，提高生物安全柜安全的健康消毒意识，对生物安全柜的泄露监测也很有必要。本文按照我国计量校准规范JJF 1815—2020《Ⅱ级生物安全柜校准规范》中对生物安全柜计量检测的规定，设计了一种专用气溶胶模拟的发生设备，满足应用于生物安全柜泄露测试实验，具备了强大的实用价值和普遍的环境适应性。

关键词：生物安全柜，气溶胶，模拟发生装置，检测，设计

DOI編码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.026

0 引言

生物安全柜是有效地减少实验室获得性污染的可能性，降低人与试剂或样品与试剂间交换污染物的可能性，用于防护作业人员，维护试验室环境，保存试验器材的至关重要的设施[1-3]。一般在操作或检验具有感染性的微生物时需要在生物安全柜中进行实验作业，例如：由《人间传染的病原微生物名录》中可知，微生物被划分为第一、二、三和四类微生物，其中针对原代培养物或者具有诊断性的标本等之类的含有潜在感染性的生物实验样品[4]。微生物附着在空气气溶胶表面便形成生物气溶胶。容易产生气溶胶的作业包括：操作员对液体、半流体实验样品进行是转移、摇晃等操作；操作员对具有感染性样品进行振荡，使用离心机设备对感染性样品进行离心操作；操作员把液滴加在固体表面上或另一个液体中时都产生有感染性的气体或危险性微粒气溶胶产生和泄漏，研究表明，试验人员无法通过肉眼直接观测到直径为5 μm左右的气溶胶会产生（5～100） μm直径的滴液。因此，试验技术人员在完成这些试验操作时为了确保试验安全性往往被规定必须在生物安全柜中完成试验作业[5-8]。

生物安全柜的其中一个功效就是可以有效抑制在试验作业中试验样本所产生的空气介质，防止其对外部环境和操作者自身造成影响，同时减少试验样品间因为空气介质造成的交叉危害。生物安全柜可以有效避免实验操作和样品处理过程中的样品中含有危险和未知的化学生物微粒成分所出现的气溶胶散逸的负压型箱体，且具有空气净化功能的安全装置[9-12]。

生物安全柜属于高风险设备，但如果生物安全柜质量不合格，发生气体泄露情况，导致微生物从生物安全柜中扩散至公共场所。为保证工作人员和实验室环境不被污染，对生物安全柜的泄露检测很有必要[13-16]。因此，应对生物安全柜定期进行计量检测，以减少微生物传播风险，预防传染病扩散。根据国家计量校准规范JJF 1815—2020《Ⅱ级生物安全柜校准规范》的规定，需采用气溶胶发生器对生物安全柜的泄漏性能进行检测[17]。为此，设计一款专用气溶胶模拟发生装置用于生物安全柜的泄漏检测，包括涡流盘、滴液喷嘴；滴液喷嘴悬置于涡流盘顶部，出液口正对涡流盘；涡流盘由电机驱动转动。本设备是为检测在生物安全柜内使用或检测带有传染性的细菌时，为了防护工作人员、试验室周围环境和外部自然环境、试验样品，防止暴露在操作过程中所出现的气溶胶污染和溅出物发生泄露而设计的装置。

该气溶胶模拟发生装置主要可应用于检测生物安全柜的是否发生泄露的试验，该装置的材质选用全金属制作而成，该材质外表坚硬、耐磨性能好、不易破损。气溶胶模拟发生装置整体结构简单，易组装、拆卸、使用操作简便、模拟效果好、具有一定的可调节性，符合标准规范要求，具有很强的实用性和广泛的适用性。

1 气溶胶模拟发生装置设计

1.1 整体结构设计

气溶胶模拟发生装置由五个模块部分组成，其中包括电机传动模块、喷嘴滴液模块、蠕动泵进液模块和支架模块以及控制电路模块。气溶胶模拟发生装置其结构框图如图1所示，整体结构示意图如图2所示。气溶胶模拟发生装置材料选用全金属材质，具有耐磨、不易损坏的特点。

如图1所示，电机传动模块、喷嘴滴液模块和支架模块进行机械连接；蠕动泵进液模块通过一个软管和喷嘴滴液模块的进口连接；控制电路模块和电机传动模块、蠕动泵进液模块有电路连接。如图2所示，生物安全柜气溶胶模拟发生装置包括电机、大带轮、底座、升降杆、基座、蠕动泵、轮带、小带轮、涡流盘、滴液喷嘴、滴液支架。

1.2 电机传动模块设计

气溶胶模拟发生装置中的电机传动模块由四个部分组成：双头出轴空心杯微型直流电机、同步带轮、滚动轴承以及涡流盘模块。电机传动模块结构示意图如图3所示。

由图3可知，电机传动模块结构中双头出轴空心杯微型直流电机采用maxon纯进口的DC motor，前出轴直径为3 mm，轴长13 mm；后出轴直径3 mm，轴长15 mm；机身直径25 mm，长54 mm。

其中同步带轮有三个组成部分：大带轮、传输带以及小带轮。双头出轴空心杯微型直流电机的后出轴直接插入同步带轮的大带轮的轮芯空隙处，并通过AB胶固定。

其中涡流盘模块为一个直径为38 mm，厚度0.1 mm的超薄金属薄片形成的涡流盘，直接通过AB胶固定在一个直径为6 mm的T型轴的轴帽上，T型轴的长轴直接插入滚动轴承和小带轮的轮芯空隙处通过AB胶固定。因此，双头出轴空心杯微型直流电机带动同步带轮高速传动，通过小带轮带动固定的涡流盘模块高速旋转。

1.3 喷嘴滴液模块设计

气溶胶模拟发生装置中的喷嘴滴液模块由两个部分组成：锥形喷嘴以及喷嘴滴液支架。喷嘴滴液模块结构示意图如图4所示。

锥形喷嘴包括一个内径为1.5 mm，外径为3.5 mm，长度为7 mm的进液处带宝塔头的空心圆柱形进液口；一个内径为1.5 mm，外径为12.8 mm，柱体长度为11.2 mm，椎体长度为5.8 mm，椎体滴液口直径为0.6 mm的滴液椎体。

喷嘴滴液支架一端有一个内径为13 mm的喷嘴安装孔，锥形喷嘴通过AB胶直接固定在喷嘴安装孔内。滴液支架另一端有两个喷嘴支架安装孔，直接通过螺丝和一个0.1 mm的薄垫片安装在支架模块相应处。

1.4 支架模块设计

气溶胶模拟发生装置中的支架模块主要由两个部分组成：调整高度支架以及主体支架。支架模块结构示意图如图5所示。

调整高度支架为一个“L”型支架，包括调整高度支架底座和一个外径为15 mm，高度为250 mm 调整高度支架升降杆，升降杆一端由一个外径为 10 mm，长度为13 mm螺柱直接拧进调整高度支架底座；主体支架通过开一个内径为15 mm安装孔直接安装在调整高度支架升降杆上，调整到合适的高度，通过一个“T”紧固螺柱固定。

由图5可知，结构件1通过三个螺丝直接固定双头出轴空心杯微型直流电机；结构件2用来将电机传动模块的滚动轴承固定到主体支架上，达到滚动轴承的外壳和主体支架固定，转动部分和涡流盘模块的T型轴的长轴固定。

1.5 控制电路模块设计

气溶胶模拟发生装置中的控制电路负责整个装置工作，给双头出轴空心杯微型直流电机供电并驱动蠕动泵工作。

控制电路模块给双头出轴空心杯微型直流电机供电，双头出轴空心杯微型直流电机输出固定的转速，通过专用的同步带轮的速比范围，使得涡流盘转速控制在28000 r/min±500 r/min。

控制电路模块通过控制步进电机步进数来驱动蠕动泵工作，对蠕动泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体，形成一段一段的“枕”形流体，根据规范要求，本装置控制电路模块驱动蠕动泵进液的指标为10分钟进液20 mL。

2 泄漏检测

使用气溶胶模拟发生装置对生物安全柜进行泄露检测步骤是将电机传动模块通过结构件1、2 （见图4）安装于支架模块的主体支架内。主体支架直接套进支架模块的调整高度支架升降杆上，并拧紧紧固螺柱固定。将喷嘴滴液模块安装在主体支架对应的地方，拧紧螺丝。蠕动泵进液模块出液端通过软管接到喷嘴滴液模块的喷嘴进液口，装置安装完毕。

开始生物安全柜泄露检测试验，将安装好的生物安全柜泄露检测试验气溶胶模拟发生装置置于生物安全柜中间，涡流盘盘心在干扰圆筒上方正对干扰圆筒的中心，涡流盘的前沿位于生物安全柜前部开口平面之后100 mm，调节装置高度至涡流盘与前部开口顶沿水平。

开启控制电路模块，涡流盘保持 2 8 0 0 0 r / min±500 r/min的转速旋转，蠕动泵进液模块出液软管对喷嘴进液模块进行供液；锥形喷嘴滴下的液体通过高速旋转的涡流盘瞬间完成气雾化过程，达到模拟气溶胶发生的效果，使得试验中碘化钾溶液得以气雾化，充分地分布在生物安全柜中。最后，依据JJF 1815—2020《Ⅱ级生物安全柜校准规范》规定的方法对生物安全柜的泄漏性能进行检测。

3 结语

近年来随着生物产业的高速发展，我国对实验室安全问题的重视逐年提高，生物安全柜在各科研院所和实验室都有广泛应用，其质量的保证、使用的安全性、可靠性目前已受到政府的关注和重视。因此，增强对生物安全柜的质量管理和安全使用把控对实验室操作安全和社会公共安全具有巨大的推动作用。但目前我国生物安全柜的生物污染情况仍存在一定问题，要引起当地管理部门的重视。需通过定期检测生物安全柜的质量，保障公众的生命健康安全。

所设计的生物安全柜气溶胶模拟发生装置，可应用于检测生物安全柜的是否发生泄露试验，确保生物安全柜的安全质量，避免在操作或检验具有感染性的微生物时发生泄露。可用于把控生物安全柜的治疗，从而保护人员、实验样品、实验室环境的安全，避免生物安全柜发生泄露而造成危害，经计量技术机构检定合格，符合生物安全柜泄漏检测测量标准器的要求，目前已应用于生物安全柜的校准，能够满足使用需求。

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