生物安全柜關(guān)鍵計量參數(shù)校準(zhǔn)

孟盈 馬子嘉 石曙光/湖北省計量測試技術(shù)研究院

0 引言

2020年春節(jié)之際，新型冠狀病毒肺炎的疫情日益嚴(yán)峻，感染人數(shù)不斷攀升，為切斷病毒的傳染路徑，急需進(jìn)行分級診療，即對確診人員、疑似人員、密切接觸人員等有針對性地實施不同的收治、隔離方案，避免交叉感染，防止疫情擴(kuò)大。實施分級診療的當(dāng)務(wù)之急是加快診斷速度，給確診發(fā)熱病人、排查高危人群、甄別疑似病例、隔離陽性患者、保護(hù)陰性健康人群提供醫(yī)學(xué)判斷，并為一線員工和疫區(qū)人群重返工作崗位提供科學(xué)依據(jù)。各地政府指定了大量有能力和資質(zhì)進(jìn)行病原核酸檢測的機(jī)構(gòu)，如疾控中心、醫(yī)院檢驗科、第三方醫(yī)學(xué)檢測實驗室等進(jìn)行核酸檢測工作，處于疫情中心的武漢市還組建了符合標(biāo)準(zhǔn)且每日可檢測萬人份樣本的應(yīng)急檢測“火眼”實驗室，使得對新型冠狀病毒的檢測能力和速度得到大幅提升。

根據(jù)國家衛(wèi)建委與國家中醫(yī)藥管理局公布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案》（試行第五版），新型冠狀病毒肺炎的診斷方法為使用呼吸道樣本或血液樣本為檢測樣本，提取樣本中的病毒RNA，進(jìn)行定量RT-PCR或進(jìn)行病毒基因組測序。與此同時，對新型冠狀病毒的致病機(jī)理、宿主研究、藥物篩選等科研工作也在緊張地進(jìn)行中。無論是病毒診斷還是研究，在整個對樣本和病毒的操作過程中，難免會產(chǎn)生氣溶膠或出現(xiàn)溢灑。由于檢測樣本具有感染性，必須防止對操作人員及環(huán)境的污染，因此需要在生物安全柜的負(fù)壓工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行操作。作為人員、環(huán)境和樣本的重要保護(hù)屏障，生物安全柜的性能必須得到驗證，才能有效地保證操作人員及環(huán)境的安全和樣品的不被污染，因此，對生物安全柜的計量校準(zhǔn)尤為重要。

1 生物安全柜的計量參數(shù)

生物安全柜是一種負(fù)壓過濾排風(fēng)柜，可防止操作者和環(huán)境暴露于實驗過程中產(chǎn)生的生物氣溶膠污染，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、疾病預(yù)防與控制、食品衛(wèi)生、生物制藥等各類生物實驗室，是保障生物安全和環(huán)境安全的重要基礎(chǔ)。根據(jù)適用的生物安全等級規(guī)則，新型冠狀病毒的操作應(yīng)在II級生物安全柜中進(jìn)行。

依據(jù)新發(fā)布的JJF 1815-2020《II級生物安全柜校準(zhǔn)規(guī)范》，使用中的II級生物安全柜應(yīng)定期進(jìn)行計量校準(zhǔn)。II級生物安全柜依賴潔凈氣流形成的屏障系統(tǒng)來提供對人員、環(huán)境和產(chǎn)品的保護(hù)，整個屏障系統(tǒng)由柜體、高效過濾器、氣流循環(huán)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)組成。安全柜計量校準(zhǔn)的項目則覆蓋了該屏障系統(tǒng)運行的各個環(huán)節(jié)，包括氣流流速、氣流模式、潔凈度、高效過濾器檢漏、人員保護(hù)、產(chǎn)品保護(hù)、交叉污染保護(hù)、照度、噪聲項目。

2 氣流流速的校準(zhǔn)

氣流流速的校準(zhǔn)包括下降氣流及流入氣流兩部分。下降氣流是來自生物安全柜上方經(jīng)高效過濾器過濾的垂直向下流向工作區(qū)的氣流，提供產(chǎn)品和交叉污染保護(hù)；流入氣流是通過安全柜前窗操作口進(jìn)入前窗下側(cè)泄流槽的氣流，能在前窗操作口形成一道空氣屏障，防止安全柜工作區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的氣溶膠泄漏到柜外，提供人員保護(hù)。下降和流入氣流的流速符合要求才能形成真正有效的保護(hù)屏障，因此對該項目的校準(zhǔn)十分重要。

依據(jù)JJF 1815-2020提供的參考計量特性指標(biāo)，下降氣流流速應(yīng)在0.25～0.40 m/s之間，流入氣流流速應(yīng)不小于0.38 m/s（A1型）或不小于0.51 m/s（A2/B1/B2/C1型）。對氣流流速進(jìn)行校準(zhǔn)時，風(fēng)速儀法因操作簡單而較為常用，校準(zhǔn)規(guī)范對校準(zhǔn)用風(fēng)速儀的最大允許誤差要求為±0.015 m/s或示值的±3%，而目前國內(nèi)對風(fēng)速儀進(jìn)行量值傳遞時給出的測量不確定度很難滿足最大允許誤差的1/3要求。因此選擇了國內(nèi)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)中風(fēng)速的最佳測量能力、最強(qiáng)的計量機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值溯源，并依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范中對風(fēng)速的具體要求選取了多個特定校準(zhǔn)點，覆蓋了風(fēng)速范圍要求的邊緣值及中間值，用以輔助判斷生物安全柜的氣流流速狀況。

日常校準(zhǔn)中發(fā)現(xiàn)氣流流速項目不符合規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)要求的情況并不少見，一般可通過對生物安全柜的風(fēng)速控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到符合要求的范圍。不同品牌和型號的生物安全柜有各自不同的進(jìn)入設(shè)置界面的方式，可以由熟悉儀器設(shè)置的有經(jīng)驗的校準(zhǔn)人員或由廠家協(xié)助來通過生物安全柜的控制面板對風(fēng)速參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；部分型號的流入氣流流速是通過改變排風(fēng)口擋板的遮擋面積來進(jìn)行調(diào)節(jié)，擋板對排風(fēng)口的遮擋越少，流入氣流流速越大；有時高效過濾器的使用時間過長會導(dǎo)致下降氣流流速不足或不均勻；外排型生物安全柜的流入氣流流速易受外排風(fēng)機(jī)和外排管道的影響，外排風(fēng)機(jī)功率不夠、外排管道安裝的長度和位置不規(guī)范或發(fā)生泄漏、外排型生物安全柜所在的密閉房間面積過小等原因，都會導(dǎo)致流入氣流達(dá)不到使用要求。實際使用中，外排型生物安全柜由于影響因素多而常常導(dǎo)致不符合使用要求的情況較多發(fā)生，使用者應(yīng)注意定期排查。

3 潔凈度的校準(zhǔn)

潔凈度及高效過濾器檢漏項目的校準(zhǔn)用于測試生物安全柜的高效過濾器對顆粒物的過濾性能，進(jìn)入生物安全柜工作區(qū)和排出生物安全柜進(jìn)入外界環(huán)境的氣流均應(yīng)通過高效過濾器的過濾，對工作區(qū)潔凈度的校準(zhǔn)能直接反映高效過濾器和下降氣流對樣本產(chǎn)生的保護(hù)作用。潔凈度的校準(zhǔn)采用塵埃粒子計數(shù)器，測試方法比較簡單直觀、易于操作，日常校準(zhǔn)工作中發(fā)現(xiàn)達(dá)不到使用要求的情況相對較少。

當(dāng)潔凈度不符合要求時，可結(jié)合高效過濾器檢漏和氣流模式項目的校準(zhǔn)結(jié)果來判斷顆粒物超標(biāo)是來源于高效過濾器的失效還是來源于工作區(qū)氣流方向的紊亂。高效過濾器使用過度時會造成對顆粒物的過濾效率降低或穿過氣流的不均勻，應(yīng)及時聯(lián)系專業(yè)人員進(jìn)行更換。盡管JJF 1815-2020中對潔凈度的校準(zhǔn)是要求將采樣口置于工作臺面以上20 cm處進(jìn)行測試，但當(dāng)出現(xiàn)20 cm處潔凈度符合要求，而20 cm以下高度的潔凈度有超標(biāo)情況時，也應(yīng)排查原因，關(guān)注工作臺面上方的下降氣流是否有覆蓋盲區(qū)或有亂流現(xiàn)象。對于生物安全柜的使用者來說，工作區(qū)潔凈度不符合要求容易造成生物樣本的污染，操作人員在日常工作中較容易察覺，出現(xiàn)問題時應(yīng)及時反應(yīng)，并進(jìn)行問題排查。

4 氣流模式的校準(zhǔn)

氣流模式項目包括下降氣流、觀察窗氣流、前窗操作口邊緣氣流和滑動窗密閉性測試。氣流模式各項目組合在一起用于測試生物安全柜工作區(qū)內(nèi)的氣流循環(huán)路徑。氣流走向是否符合要求能用以判斷生物安全柜工作區(qū)內(nèi)是否形成了有效的氣流屏障來提供各項安全保護(hù)，可以看作是對人員、產(chǎn)品和交叉污染保護(hù)的粗判。氣流模式和氣流流速息息相關(guān)，下降氣流流速不足會導(dǎo)致下降氣流無法在整個工作區(qū)保持垂直向下且無回流；流入氣流不足會導(dǎo)致前窗操作口邊緣氣流無法完全進(jìn)入流入格柵，其中前窗操作口上沿和角落的邊緣氣流流向尤其容易受到流入氣流不足和周圍氣流擾動的影響，從而影響操作口空氣屏障的形成，需著重排查。氣流不均勻、柜體設(shè)計等因素也會引起工作區(qū)氣流紊亂。此外，觀察窗氣流也是較為薄弱的環(huán)節(jié)，下降氣流常常覆蓋不到貼近觀察窗的部位，尤其當(dāng)觀察窗設(shè)計為傾斜放置或上方裝有照明或殺菌燈管時，容易在緊貼觀察窗的部位形成下降氣流的盲區(qū)。

5 人員保護(hù)的校準(zhǔn)

人員、產(chǎn)品和交叉污染保護(hù)項目通過模擬微生物氣溶膠擴(kuò)散的方式直接驗證生物安全柜對人員和樣本的保護(hù)。此三個校準(zhǔn)項目的操作方式相似，以其中最受關(guān)注的人員保護(hù)項目為例，人員保護(hù)項目是生物安全柜的校準(zhǔn)中難度較大的項目，操作較為繁瑣復(fù)雜。依據(jù)JJF 1815-2020，人員保護(hù)校準(zhǔn)可采用微生物法或碘化鉀（KI）法。微生物法通過在生物安全柜內(nèi)發(fā)生一定濃度的枯草芽孢桿菌或粘質(zhì)沙雷氏菌，在柜外采集后帶回實驗室在特定條件下培養(yǎng)至肉眼可見時進(jìn)行微生物計數(shù)。KI法則通過在生物安全柜內(nèi)發(fā)生KI溶液氣溶膠，在柜外采集后即時通過顯色反應(yīng)對顯色斑點進(jìn)行計數(shù)，是一種模擬微生物氣溶膠的方法。仲裁時要求采用微生物法，但由于該方法需要更高的操作和設(shè)備要求，且需耗時數(shù)天才能得到結(jié)果，無法當(dāng)場驗證，因此日常校準(zhǔn)中常采用KI法。

人員保護(hù)項目直接反映生物安全柜對操作人員的保護(hù)作用，當(dāng)生物安全柜用于有生物危害性物質(zhì)的操作時，如用于病原微生物操作、腫瘤化療藥物配制等用途時，尤其需要重視。對該項目進(jìn)行校準(zhǔn)時，注意發(fā)生裝置、采樣裝置的各個部件應(yīng)嚴(yán)格按照校準(zhǔn)規(guī)范的高度、距離等要求進(jìn)行擺放；每次測試后應(yīng)注意對采樣裝置仔細(xì)清潔，避免污染。在校準(zhǔn)中發(fā)現(xiàn)該項目超標(biāo)的情況相對較多，當(dāng)本文前述各校準(zhǔn)項目都符合要求的情況下，如果人員保護(hù)項目仍不符合要求，應(yīng)注意排查安全柜的放置地點是否合適。如是否置于空調(diào)出風(fēng)口下方附近，是否置于實驗室回風(fēng)口附近，是否置于人來人往的通道處，這類外界環(huán)境對氣流的擾動常常會干擾前窗操作口的氣流屏障形成從而影響人員保護(hù)效果。此外，即使下降氣流流速和流入氣流流速分別都符合規(guī)范要求，兩者的數(shù)值能否搭配合適也會影響人員保護(hù)效果，可與廠家技術(shù)人員對最佳風(fēng)速范圍進(jìn)行溝通，通過調(diào)節(jié)下降氣流和流入氣流的流速搭配來優(yōu)化人員保護(hù)效果。另外，使用者往往長時間忽略生物安全柜高效過濾器的更換，也可能導(dǎo)致氣流循環(huán)受到影響，從而達(dá)不到人員保護(hù)要求。

6 結(jié)語

生物安全柜作為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)實驗中一類常用的設(shè)備，除了對樣本起到保護(hù)作用，更值得注意的是對于使用者是一道非常重要的保護(hù)屏障，使人員和環(huán)境免受生物有害因子的傷害。然而由于使用者對其保護(hù)作用缺少直觀的感受，使得用戶常常忽略對在用生物安全柜的質(zhì)量控制。此次疫情中，據(jù)報道武漢市收治新型冠狀病毒肺炎患者較多的某醫(yī)院出現(xiàn)了一例檢驗科的檢驗師被該病毒感染的案例，不排除有一種可能性是樣本的暴露形成了氣溶膠從而感染了檢驗師。這一環(huán)節(jié)如果能在生物安全柜內(nèi)操作，將氣溶膠顆粒物有效屏蔽在生物安全柜內(nèi)避免流出，就能減少氣溶膠污染的一個途徑，因此，生物安全柜的計量校準(zhǔn)對于操作人員和環(huán)境的保護(hù)尤為重要。結(jié)合平日對醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)學(xué)檢驗實驗室的生物安全柜的實際校準(zhǔn)情況，生物安全柜的性能尤其是人員保護(hù)性能仍未得到足夠的重視，更是少有科研機(jī)構(gòu)對在用生物安全柜進(jìn)行校準(zhǔn)，用戶重視程度亟待提高。在此次疫情中，計量機(jī)構(gòu)更應(yīng)加強(qiáng)對醫(yī)學(xué)檢驗實驗室和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)生物安全柜的計量校準(zhǔn)工作，為新型冠狀病毒肺炎的診斷與科研工作，為阻擊疫情提供有力的計量支撐。