實(shí)驗室中的多種微生物操作都可能產(chǎn)生氣溶膠,如吸管操作、離心沉淀、用接種環(huán)蘸液體、開(kāi)安瓿、機械震蕩、菌種稀釋或接種操作等,此外,一些實(shí)驗操作過(guò)程的意外事故,如液體傾灑或飛濺都會(huì )產(chǎn)生氣溶膠。所以,在實(shí)驗室中,為避免病原微生物氣溶膠對操作人員和環(huán)境的傳染,實(shí)現其間的一次隔離,必須使用微生物安全柜。
散播在空氣中的氣溶膠粒子直徑一般在1~5μm,肉眼無(wú)法觀(guān)察到,因此實(shí)驗室操作人員通常無(wú)法意識到操作過(guò)程中氣溶膠生成并可能被吸入,或在實(shí)驗過(guò)程中在工作臺面上造成與其他實(shí)驗材料間的交叉污染。
資料表明,對276種微生物操作進(jìn)行測試,其中239種操作可以產(chǎn)生微生物氣溶膠,占全部操作的86.6%[6]。根據研究,高濃度吹吸混勻以及注射攻毒過(guò)程會(huì )產(chǎn)生高濃度生物氣溶膠。
正確的使用生物安全柜可以有效地減少由于暴露于氣溶膠所造成的實(shí)驗室獲得性感染以及實(shí)驗材料間的交叉污染,同時(shí)生物安全柜也可起到保護環(huán)境的作用。因此,生物安全柜在微生物實(shí)驗室得到廣泛的應用。
生物安全柜分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級,應正確了解技術(shù)要點(diǎn),規范使用。分類(lèi)見(jiàn)下表
Ⅰ級生物安全柜原理和實(shí)驗室通風(fēng)櫥一樣,Ⅰ級生物安全柜的工作原理圖見(jiàn)圖,技術(shù)要點(diǎn):
I級安全柜有前窗操作口,操作者可通過(guò)前窗操作口在安全柜內進(jìn)行操作。前窗操作口向內吸入的負壓氣流可以保護操作人員的安全,排出氣流經(jīng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后排出安全柜保護環(huán)境。
但因未滅菌的房間空氣通過(guò)生物安全柜正面的開(kāi)口處直接吹到工作臺面上,因此Ⅰ級生物安全柜對操作對象不能提供切實(shí)可靠的保護,即不能進(jìn)行需無(wú)菌潔凈條件的操作。由于不能保護柜內產(chǎn)品,目前已較少使用。
Ⅱ級生物安全柜原理:Ⅱ級安全柜有前窗操作口,操作者可以通過(guò)前窗操作口在安全柜內進(jìn)行操作。Ⅱ級安全柜送風(fēng)經(jīng)過(guò)送風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后,從頂部向下形成具有一定速度的垂直單向氣流以避免樣品間的交叉污染,此外,此垂直單向氣流在前窗操作口形成具有一定風(fēng)速的垂直氣流也可以防止室內未經(jīng)過(guò)濾的空氣直接進(jìn)入工作臺面,從而保護樣品。前窗操作口向內吸入的負壓氣流可以保護操作人員的安全,氣流經(jīng)排風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后排出安全柜以保護外界環(huán)境。技術(shù)要點(diǎn):
Ⅱ級生物安全柜不僅能提供人員保護,而且能保護工作臺面的物品以及環(huán)境不受污染。二級生物安全柜是目前應用最為廣泛的柜型。
Ⅱ級生物安全柜在美國的NFS 49標準[10]中有兩種不同的類(lèi)型。根據排風(fēng)的比例分別為A型和B型,A型又根據有無(wú)排風(fēng)管路分為A1型和A2型,B型分為B1型和B2型,而在歐洲的EN12469標準[11]中是不分型的。由于美國的生物安全柜進(jìn)入國內較早,因而國內的生產(chǎn)企業(yè)仿制或研究生產(chǎn)的Ⅱ級生物安全柜均依靠美國標準進(jìn)行分型。
Ⅱ級A1型生物安全柜的工作原理如圖所示。它的工作窗口進(jìn)風(fēng)氣流和工作區垂直氣流混合后在內置風(fēng)機作用下經(jīng)前后格柵進(jìn)入安全柜回風(fēng)道,進(jìn)而到達安全柜送、排風(fēng)高效過(guò)濾器之間。借助于這兩個(gè)濾器相對尺寸的變化,約30%的氣流經(jīng)排風(fēng)過(guò)濾器過(guò)濾后排至實(shí)驗室或通過(guò)排風(fēng)管道排至室外;70%的氣流經(jīng)送風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后重新循環(huán)進(jìn)入安全柜工作區。
圖 Ⅱ級A1型生物安全柜原理示意圖[6]
Ⅱ級A1型生物安全柜的污染部位有正壓區域。技術(shù)要點(diǎn):
1.Ⅱ級A1型生物安全柜的污染部位有正壓區域,即風(fēng)機后側的回風(fēng)道中的空氣是污染的,而且空氣是正壓,正壓污染區內的污染有外泄的可能。
Ⅱ級A2型生物安全柜的工作原理如圖所示。Ⅱ級A2型生物安全柜是由Ⅱ級A1型生物安全柜的發(fā)展而來(lái),其也是利用70%的循環(huán)空氣,30%經(jīng)排風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后排至外部環(huán)境。
技術(shù)要點(diǎn)和Ⅱ級A1型生物安全柜不同的是,Ⅱ級A2型生物安全柜內所有污染部位均為負壓區域或者被負壓區域包圍,即Ⅱ級A2型生物安全柜的回風(fēng)道始終處于負壓狀態(tài),其安全性高于Ⅱ級A1型。
Ⅱ級B型生物安全柜又分為B1型和B2型兩種。其中Ⅱ級B1型生物安全柜也為非全排型生物安全柜,但相比于Ⅱ級A型生物安全柜,其循環(huán)風(fēng)比例減少到30%,且安全柜內所有污染部位均為負壓區域或者被負壓區域包圍,即沒(méi)有正壓污染區。Ⅱ級B1型生物安全柜工作原理圖見(jiàn)圖。
圖Ⅱ級B1型生物安全柜原理示意圖[6]
Ⅱ級B2型生物安全柜是一種全排式生物安全柜,其工作原理圖見(jiàn)圖3-8,其沒(méi)有氣流在柜內循環(huán)。這種安全柜能提供基本的生物和化學(xué)防護,但有些化學(xué)物質(zhì)在安全柜內操作時(shí)能損壞過(guò)濾器介質(zhì)、框架、墊圈導致泄漏,應多加注意。送風(fēng)機裝在安全柜的頂部一側,從室內抽吸空氣,通過(guò)送風(fēng)高效過(guò)濾器下行到工作區,所有進(jìn)入柜內的氣體都經(jīng)過(guò)格柵被排出。排風(fēng)經(jīng)過(guò)安全柜頂部另一側設置的排風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后排放至室外或者排風(fēng)總管內。
[技術(shù)要點(diǎn)]
1.Ⅱ級B2型生物安全柜一般在排風(fēng)管另一端單獨設置排風(fēng)機以保證排風(fēng)管道負壓。
2.一般Ⅱ級B2型生物安全柜無(wú)循環(huán)風(fēng),其排風(fēng)量較大,因而在配有Ⅱ級B2型生物安全柜的實(shí)驗室或房間需要考慮補風(fēng)問(wèn)題。
3.由于Ⅱ級B2型生物安全柜可以處理更危險的病原體和化學(xué)物質(zhì),所以其排風(fēng)要求必須排至室外,排風(fēng)管道采用密閉式連接,并且為負壓管道。
圖Ⅱ級B2型生物安全柜示意圖(據美國CDC手冊)[9]
三級生物安全柜是為4級生物安全設計的,Ⅲ級安全柜是柜體全封閉、不泄漏結構的負壓通風(fēng)柜,工作人員通過(guò)連接在實(shí)驗室柜體的手套進(jìn)行操作,俗稱(chēng)手套箱(Golve box),試驗品通過(guò)雙門(mén)的傳遞箱進(jìn)出安全柜以確保不受污染,適用于高風(fēng)險的生物試驗。
Ⅲ級安全柜工作原理圖見(jiàn)圖。人員通過(guò)與柜體密閉連接的手套在安全柜內實(shí)施操作。下降氣流經(jīng)送風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入安全柜內用以保護安全柜內實(shí)驗物品,排出氣流經(jīng)兩道排風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾或通過(guò)一道高效過(guò)濾器過(guò)濾再經(jīng)焚燒處理后外排用于保護環(huán)境。技術(shù)要點(diǎn):
Ⅲ級安全柜的箱體采用氣密性設計,柜體外設置專(zhuān)門(mén)的排風(fēng)系統以維持安全柜內不低于120Pa的負壓狀態(tài)(相對于實(shí)驗室);
同時(shí)要保證單只手套意外脫落后手套口有不低于0.7m/s的吸入氣流速度;
Ⅲ級安全柜進(jìn)出物品均需經(jīng)過(guò)傳遞窗或者經(jīng)特殊設計的自封閉型傳遞桶;
Ⅲ級生物安全柜可以最高程度的保護操作人員和外部環(huán)境,同時(shí)兼顧保護安全柜內實(shí)驗物品,Ⅲ級安全柜適用于操作危險度4級的病原微生物或感染動(dòng)物。
圖 Ⅲ級生物安全柜(手套箱)示意圖[6]
生物安全柜是保護人員、產(chǎn)品和環(huán)境暴露于微生物污染的一級隔離屏障。生物安全柜送、排風(fēng)氣流的平衡、操作臺面上的氣流分布和生物安全柜的完整性是生物安全柜性能有效性的重要保障。因此其性能指標的規定及驗證也主要圍繞以上這三個(gè)方面。這些指標及相應要求可直接引用標準JG 170-2005《生物安全柜》、YY 0569-2011《Ⅱ級生物安全柜》的相關(guān)要求[7][8],包括生物安全柜的垂直下降氣流平均風(fēng)速、工作窗口氣流平均風(fēng)速、氣流流向(垂直氣流、觀(guān)察窗隔離效果氣流、工作窗口及其邊緣氣流)、操作面空氣潔凈度、人員安全性、受試樣品安全性、交叉感染、箱體檢漏、送風(fēng)高效過(guò)濾器完整性、排風(fēng)高效過(guò)濾器完整性,對于Ⅲ級生物安全柜其設計形式區別于Ⅰ、Ⅱ級生物安全柜,Ⅲ級生物安全柜指標還包括安全柜箱體內外靜壓差、箱體嚴密性及安全柜手套口氣流流向等。還有一些指標如安全柜運行噪聲、操作臺面照度是考慮操作人員本身舒適性;生物安全柜的安裝位置主要是考慮維修時(shí)的便利性。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.以上生物安全柜的指標中人員安全性、受試樣品安全性和交叉感染驗證需采用生物學(xué)方法驗證,生物學(xué)檢測驗證的目的是為了保證生物安全柜在使用中的安全性,這種驗證方法可以貼近真實(shí)的直接驗證安全柜的實(shí)際使用性能。其中對操作人員的保護驗證,是為防止試驗操作過(guò)程中產(chǎn)生的感染性微生物氣溶膠對工作人員的威脅;對試驗操作樣品的保護驗證,是為防止生物安全柜以外的污染物進(jìn)入安全柜,對試驗樣品造成污染;交叉感染驗證,是為防止試驗操作過(guò)程中產(chǎn)生的生物氣溶膠造成試驗樣品間的交叉污染;
2.Ⅰ級生物安全柜不提供產(chǎn)品保護,工作面氣流為亂流,只進(jìn)行人員保護試驗一項檢測;
3.Ⅱ級生物安全柜需進(jìn)行人員、樣品、交叉污染保護三項檢測;Ⅲ級安全柜前部封閉,工作面氣流為定向氣流,有局部的亂流,不需要進(jìn)行人員、樣品保護和交叉污染試驗;
4.此外,生物安全柜還有一些其他性能指標主要是為了檢查安全柜的設計結構性能、電路和物理性能等,包括振動(dòng)幅值、柜體抗變形、工作臺面抗變形、柜體穩定性、溫升、泄漏電流、接地電阻、耐電壓、絕緣電阻、報警和連鎖系統、紫外燈性能等。
在距離內側壁板及工作窗100mm圍成的,工作臺面上方300mm處的平面區域內測量垂直氣流的平均風(fēng)速。測量點(diǎn)按行、列均為150mm的網(wǎng)格分布。若去除測量邊界后凈尺寸不等于15的整數倍,則允許修正測量點(diǎn)距離,但每列至少測量3點(diǎn),每行至少測量7點(diǎn)。垂直氣流平均風(fēng)速為各測量點(diǎn)讀數的算術(shù)平均值。具體的指標要求可參照標準JG 170-2005《生物安全柜》、YY 0569-2011《Ⅱ級生物安全柜》的相關(guān)要求。
常用的測試方法主要有兩種:風(fēng)量罩檢測法、風(fēng)速儀檢測法。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.風(fēng)量罩檢測法是采用風(fēng)量罩測出工作窗口風(fēng)量,再通過(guò)風(fēng)量除以工作窗口面積計算出氣流平均風(fēng)速,測量時(shí)將風(fēng)量罩密封在安全柜的前窗操作口中心,風(fēng)量罩兩側開(kāi)口區域要密封;
2.風(fēng)速儀檢測法是采用風(fēng)速儀直接測量工作窗口斷面風(fēng)速,測量時(shí),將工作窗開(kāi)口高度開(kāi)到指定的操作高度。用風(fēng)速儀在工作窗開(kāi)口平面直接測量風(fēng)速。測點(diǎn)的水平間隔為100mm,垂直方向分別距工作窗口上邊緣1/4工作窗口高度處和3/4工作窗口高度處,測點(diǎn)的平均值即為工作窗口氣流平均速度。
手套口風(fēng)速是通過(guò)人為摘除Ⅲ級生物安全柜一只手套后,將風(fēng)速儀探頭放在手套口的中心處,并記錄測量點(diǎn)的風(fēng)速。測試之前,要保證生物安全柜已達到正常運行狀態(tài),且生物安全柜的嚴密性、靜壓差及送風(fēng)量應均已通過(guò)檢測,并符合相關(guān)標準要求。
氣流流向測試時(shí),采用發(fā)煙管發(fā)生可視煙霧,通過(guò)觀(guān)察煙霧流向來(lái)驗證生物安全柜的氣流流向。氣流流向包括垂直氣流流向、觀(guān)察窗隔離效果氣流流向、工作窗口邊緣氣流流向和工作窗開(kāi)口氣流流向。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.垂直氣流驗證時(shí),在II級生物安全柜工作表面中線(xiàn)上方高于工作窗口上沿100mm處,從可移動(dòng)垂直窗一端到另一端發(fā)煙,垂直氣流方向煙霧應為垂直氣流線(xiàn),且無(wú)死角和回流;
2.觀(guān)察窗隔離效果氣流驗證時(shí),在Ⅰ級、Ⅱ級生物安全柜觀(guān)察窗內25mm處,在工作窗口上邊緣150mm處,從生物柜的一端向另一端發(fā)煙,氣流流向應為垂直氣流線(xiàn),不得有死角和回流;
3.工作窗口邊緣氣流驗證時(shí),在Ⅰ級、Ⅱ級生物安全柜外38mm處,讓煙霧沿著(zhù)工作窗開(kāi)口的整個(gè)邊界擴散,煙霧應進(jìn)入安全柜內部無(wú)外逸,且無(wú)穿越工作區氣流;
4.工作窗開(kāi)口氣流流向驗證時(shí),在I級、II級生物安全柜內部,工作面上300mm,距工作窗口內壁50mm到柜后側內壁整個(gè)水平面上發(fā)煙,煙霧測試時(shí)應無(wú)煙霧從窗口外逸。
Ⅲ級生物安全柜與所在房間的相對壓差可用微壓差計直接測量。測試時(shí),Ⅲ級生物安全柜應已達到正常運行狀態(tài),用微壓差計分別連接Ⅲ級生物安全柜內部及實(shí)驗室環(huán)境便可直接測出Ⅲ級生物安全柜的靜壓差。Ⅲ級生物安全柜與所在房間之間的負壓值應不低于120Pa。
采用激光粒子計數器在生物安全柜操作面內按要求布置的測點(diǎn)上測量空氣的含塵濃度。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.采樣點(diǎn)數目應根據生物安全柜操作面的面積確定采樣點(diǎn)數目,并均勻布點(diǎn)。
2.I級、II級生物安全柜內部潔凈度要達到5級,Ⅲ級生物安全柜當操作需要保護的受試樣本時(shí),潔凈度也要求達到5級。
生物安全柜正常運行時(shí),采用聲級計在被測生物安全柜前壁面中心水平向外300mm,高度距工作臺面380mm處測量。
在操作面上,沿操作面內壁面水平中心線(xiàn)每隔300mm設置一個(gè)測量點(diǎn),與內壁距離小于150mm時(shí),不再設置。被測生物安全柜置于正常工作條件下,用照度計檢測各測量點(diǎn)。被測生物安全柜照度為各測量點(diǎn)照度的算術(shù)平均值。
排風(fēng)高效過(guò)濾器作為生物安全柜的最重要的防護屏障之一,是防止有害生物氣溶膠排放至大氣的最有效防護手段。因此,我國標準GB 50346-2011《生物安全實(shí)驗室建筑技術(shù)規范》要求必須對三級和四級生物安全實(shí)驗室內使用的隔離設備的排風(fēng)高效過(guò)濾器進(jìn)行原位檢漏[12];而送風(fēng)高效過(guò)濾器是生物安全柜內部潔凈度的重要保障。
而確定高效過(guò)濾器是否有縫隙、孔眼而發(fā)生漏泄,是否完好無(wú)損。通常高效過(guò)濾器采用物理氣溶膠進(jìn)行完好性檢測,高效過(guò)濾器的檢漏方法根據檢測方式不同主要分為掃描法檢漏和全效率法檢漏。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.掃描檢測法是通過(guò)采樣探頭在過(guò)濾器下游表面2~3cm位置處沿過(guò)濾器的所有表面及過(guò)濾器與裝置的連接處如邊框等位置,以一定的速度移動(dòng)測試局部區域的過(guò)濾效率,判斷過(guò)濾器是否發(fā)生泄漏。掃描法檢漏根據檢測儀器的測試原理不同分為光度計掃描法和計數掃描法。
①其中光度計掃描法檢測氣溶膠常用“冷發(fā)生”方式,即將一定壓力壓縮空氣通入噴嘴產(chǎn)生多分散油性氣溶膠,如聚α烯烴(PAO)、癸二酸二辛酯(DOS)、癸二酸二酯(DESH)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、石蠟油、殼牌安定來(lái)礦物油等。然后通過(guò)掃描采樣頭在過(guò)濾器表面線(xiàn)性?huà)呙璨⑴浜蠚馊苣z光度計測試各掃描點(diǎn)局部透過(guò)率,根據局部透過(guò)率限值判斷漏孔。
②計數掃描法氣溶膠物質(zhì)較廣泛,除可選用上述氣溶膠外,還可以選擇PSL小球或大氣塵等非油性氣溶膠。掃描測試過(guò)程類(lèi)似,測試儀器是粒子計數器,通過(guò)測試上、下游粒子數濃度,并根據相應透過(guò)率限值或下游粒子數限值來(lái)判定泄漏。
2.對于無(wú)法采用掃描法檢漏的高效過(guò)濾器,需采用全效率法檢漏方式,即通過(guò)測試過(guò)濾器的整體效率來(lái)檢漏。全效率法檢漏時(shí)在過(guò)濾器上游注入氣溶膠,在上游和下游分別進(jìn)行采樣,上、下游采樣必須經(jīng)過(guò)氣溶膠均勻性驗證,然后根據上、下游氣溶膠濃度計算過(guò)濾器的整體透過(guò)率,并與規定的整體泄漏限值比較來(lái)判斷泄漏,根據使用檢測儀器的測試原理不同也分為光度計全效率法檢漏和計數器全效率法檢漏[13]。
標準ISO 10648-2:1994[14]對硬質(zhì)隔離器的嚴密性進(jìn)行了等級劃分,共劃定了4個(gè)等級,1 級最高,4級最低。目前Ⅲ級生物安全柜箱體嚴密性指標可采用ISO 10648-2:1994中的2級密封箱室(長(cháng)期從事含有有害氣體的防護箱室)的期間檢驗指標,即箱體內壓力低于周邊環(huán)境壓力250Pa下的小時(shí)泄漏率不大于凈容積的0.25%。根據2級密封等級,按標準ISO10648-2:1994要求應采用壓力衰減法進(jìn)行測試。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.壓力衰減法的原理是在被測設備體積不變情況下利用被測設備內壓力的衰減變化測試泄漏率。
2.由于密閉式隔離器普遍安裝有供人員操作的橡膠手套(部分安裝有半身式防護服),因為手套或半身式防護服柔軟富有彈性,導致動(dòng)物隔離器在不同壓力下,其凈容積會(huì )產(chǎn)生變化。而采用壓力衰減法的前提條件就是要保證被測設備內部容積保持不變,因此在使用壓力衰減法測試時(shí)應采取必要措施固定手套或半身式防護服以防止其體積發(fā)生較大變化。
3.同時(shí),也應采取必要措施防止其因壓力過(guò)大或作用時(shí)間過(guò)長(cháng)造成應力損壞。
泄漏電流測試時(shí),讓生物安全柜連續運行4h后,施加110%額定電壓,用泄漏電流測量?jì)x測量機組外露的金屬部分與電源線(xiàn)之間的泄漏電流;接地電阻測試時(shí),將被測生物安全柜所有的功能開(kāi)關(guān)均置于“斷”位,用接地電阻測試儀測量接地端與可觸及的金屬部件之間的電阻值;耐電壓測試時(shí),電氣強度測試歷時(shí)1min,經(jīng)受頻率為50Hz的基本正弦波的交流電壓,測試的部位為電源輸人端與金屬外殼之間。最初施加的電壓不超過(guò)規定值的一半,然后迅速上升到規定值,試驗期間不應發(fā)生擊穿;絕緣電阻測試時(shí),在施加500V直流電壓1min后進(jìn)行絕緣電阻測量,在帶電部件與殼體之間值應不小于2MΩ。
為判斷使用者在操作生物安全柜時(shí)的振動(dòng)結果,振動(dòng)值應達到要求的機械性能,以此減輕操作者的疲勞并預防振動(dòng)導致精密組織培養試驗品的破壞。被測生物安全柜置于正常工作條件。將振動(dòng)儀的振動(dòng)傳感器牢固地固定在工作臺面的中心,振動(dòng)儀的頻率從10Hz變化到10kHz,測量生物安全柜工作時(shí)的總振幅。
工作臺面抗變形試驗時(shí),將面積為250mm×250mm、重量為23kg的測試負載均勻地施加于被測生物安全柜臺面中央,在載重條件下測量安全柜臺面前部邊緣中心至地面的距離。
負載及空載條件下安全柜臺面前部邊緣中心至地板的距離相等,可視為臺面無(wú)永久性變形。
對于設置紫外燈的生物安全柜,必須對紫外燈定期檢查,以保證其能有效地殺死微生物。在將燈關(guān)閉冷卻后,要用70%的酒精擦拭燈泡表面。將其打開(kāi)5min后,將紫外線(xiàn)感應器放置于工作表面中心,照射的光在254nm波長(cháng)處不應少于40mW/cm2。
實(shí)驗室國外學(xué)者Pike對3921例實(shí)驗室相關(guān)感染進(jìn)行統計發(fā)現,不明原因的實(shí)驗室感染只占18%,不明原因的感染占到了82%。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究認為其中65%的不明原因感染是因為病原微生物形成感染性氣溶膠隨空氣擴散,實(shí)驗室工作人員吸入了污染的空氣感染的。實(shí)驗室中,許多操作都可以產(chǎn)生氣溶膠,有人對239種操作進(jìn)行了測試,其中239種操作可以產(chǎn)生氣溶膠,占86.6%。在實(shí)驗室中,像攪拌、振蕩、撞擊、離心、超聲波破碎、接種等都可產(chǎn)生氣溶膠[6]。
生物安全柜,是一種為操作原代培養物、菌毒株以及診斷性標本等具有感染性的實(shí)驗材料時(shí),用來(lái)保護操作者本人、實(shí)驗材料、實(shí)驗室環(huán)境及室外環(huán)境,使其避免暴露于上述實(shí)驗操作過(guò)程中可能產(chǎn)生的感染性生物氣溶膠和濺出物而設計的重要的一級屏障隔離設備。其主要是通過(guò)柜體和氣流形成的物理隔離來(lái)保護操作者本人、實(shí)驗材料、實(shí)驗室環(huán)境及室外環(huán)境。影響生物安全柜綜合使用性能和防護性能的因素綜合起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面:
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.Ⅰ級生物安全柜適用于操作樣品不需要進(jìn)行特殊保護的微生物操作;
2.Ⅱ級生物安全柜使用的最為廣泛,其可提供對操作者、實(shí)驗樣品和環(huán)境的綜合性防護,主要用于臨床、診斷、教學(xué)和對群體中出現的與人類(lèi)嚴重疾病有關(guān)的廣譜內源性中度風(fēng)險生物因子進(jìn)行操作的實(shí)驗,如乙型肝炎病毒、人類(lèi)的免疫缺陷病毒、沙門(mén)氏菌屬等,其中Ⅱ級B1型安全柜可用于操作少量揮發(fā)性化學(xué)試劑和放射性核素,全排型的II級B2型安全柜還可以用于以揮發(fā)性有毒化學(xué)品和放射性核素為輔助劑的微生物實(shí)驗,但是需要注意,II級B2型安全柜排風(fēng)量較大,在選用時(shí)須保證實(shí)驗室有足夠的補償送風(fēng),否則會(huì )導致實(shí)驗室出現較大負壓,并可能導致安全柜窗口吸入風(fēng)速過(guò)低,引起報警并嚴重降低其生物安全性,此外,從經(jīng)濟節能角度來(lái)看,II級B2型安全柜排風(fēng)量較大,其耗能要高于II級A型安全柜。
需要特別指出的是,Ⅰ、Ⅱ級生物安全柜主要是靠操作窗口吸入的負壓氣流或垂直下降氣流形成的氣流屏障起到保護人員或操作樣品的作用,但這種由氣流作用形成的局部隔離環(huán)境并不是絕對安全的。主要體現在以下幾個(gè)方面:
Ⅰ、Ⅱ級生物安全柜均靠從操作窗口吸入氣流形成負壓氣流屏障,一旦生物安全柜停止運行或故障,這種氣流的隔離作用就不復存在,若安全柜處理危險度很高的病原體或化學(xué)物質(zhì)會(huì )存在外逸風(fēng)險;
對于在Ⅰ、Ⅱ級生物安全柜操作窗口進(jìn)行操作的實(shí)驗人員應盡量減少手臂在安全柜內的大幅度的動(dòng)作或者頻繁的進(jìn)出動(dòng)作,這也會(huì )擾動(dòng)安全柜窗口吸入氣流,削弱安全柜的氣流屏障作用;
對于附著(zhù)于手或者器具上的病原體,這種氣流隔離作用也會(huì )失效;
空氣中的氣體成分可以穿透高效過(guò)濾器,所以非全排型的Ⅰ、Ⅱ級生物安全柜由于有循環(huán)風(fēng)的存在,并不適合進(jìn)行高濃度的危險氣體物質(zhì)操作。
3.Ⅲ級生物安全柜可以最高程度的保護操作人員和外部環(huán)境,同時(shí)兼顧保護安全柜內實(shí)驗物品。Ⅲ級安全柜適用于操作危險度4級的病原微生物或感染動(dòng)物。
綜上,在進(jìn)行生物安全柜的選型時(shí)必須綜合考慮實(shí)驗操作對象的性質(zhì)類(lèi)別、安全防護需求、實(shí)驗室本身狀況以及經(jīng)濟節能的需求,使其既能滿(mǎn)足實(shí)際實(shí)驗工作的需求又能達到安全的目的。
生物安全柜是否正確的安放也同樣影響安全柜的防護性能,理論上應按照實(shí)驗室操作工藝流程來(lái)確定生物安全柜的安裝位置。安全柜的安裝位置一定要注意實(shí)驗室內氣流,技術(shù)要點(diǎn)如下:
生物安全柜一般設于實(shí)驗室內排風(fēng)口附近,使安全柜周?chē)臍饬鞑恢禄亓鞯绞覂葷崈魠^域;
為了不影響安全柜前窗操作口的流入氣流,安全柜不要設置在氣流激烈變化和人走動(dòng)多的地方,在進(jìn)行安全柜實(shí)際現場(chǎng)檢測時(shí),仍然發(fā)現個(gè)別安全柜由于實(shí)驗室空間的限制安裝在實(shí)驗室送風(fēng)口下面,送風(fēng)氣流影響安全柜前窗操作口的流入氣流甚至有破壞前窗操作口氣流的屏障作用而導致安全柜操作臺面潔凈度不合格的情況發(fā)生;
如果實(shí)驗室有窗戶(hù),應時(shí)刻處于關(guān)閉狀態(tài);
考慮到生物安全柜的日常清潔、維修方便或進(jìn)行電氣安全測試,在空間允許條件下安全柜周?chē)鷳辽兕A留300mm的距離。
Ⅰ級及ⅡA型安全柜設計的外排氣流通常返回實(shí)驗室而不必向外部排風(fēng),室內循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)在于安全柜容易安置、減少空調系統負荷、安全柜的啟停對對實(shí)驗室內氣流的影響也較小,且不用接外排風(fēng)管也便于室內設備的移動(dòng),但是在操作化學(xué)物質(zhì)時(shí)應外接排風(fēng)管道向室外排風(fēng)。因此,生物安全柜的排風(fēng)管道設置方式根據使用要求可分為密閉式和開(kāi)放式兩種。技術(shù)要點(diǎn):
所謂密閉式即用密閉管道連接的方式將安全柜的排風(fēng)全部排入排風(fēng)管道;
開(kāi)放式是排風(fēng)管道和安全柜排風(fēng)口之間采用非密閉連接形式,這種方式排風(fēng)管道的排風(fēng)量遠大于安全柜的排風(fēng),使安全柜和室內同時(shí)向外排風(fēng),并且由于采用非密閉式連接,安全柜的啟停對排風(fēng)管道內總的排風(fēng)量影響不大,所以對室內氣流狀態(tài)影響也不大;
ⅡB型安全柜的排風(fēng)須采用密閉式連接方式,不允許向實(shí)驗室內排風(fēng);
當實(shí)驗室內安全柜采用密閉式連接方式向排風(fēng)管道內排風(fēng)時(shí),通風(fēng)空調系統和自控系統的設計應考慮安全柜排風(fēng)引起的變風(fēng)量影響。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
1.生物安全柜在運輸過(guò)程中可能引起易損部件損壞,如高效過(guò)濾器在運輸、安裝等過(guò)程中極易受到損壞;
2.長(cháng)期動(dòng)力通風(fēng)及頻繁消毒也會(huì )導致高效過(guò)濾器發(fā)生泄漏,故需要對高效過(guò)濾器進(jìn)行安裝后的完整性測試,即安裝后的現場(chǎng)原位檢漏測試;
3.對于全排型的Ⅲ級生物安全柜、II級B2型生物安全柜,一般都需要和實(shí)驗室空調系統相匹配,尤其II級B2型生物安全柜排風(fēng)量很大,對實(shí)驗室的風(fēng)量平衡影響很大,這都需要和空調系統進(jìn)行整體的現場(chǎng)調試才能滿(mǎn)足安全柜的運行要求;
4.生物安全柜雖然在出廠(chǎng)前已進(jìn)行出廠(chǎng)合格檢驗,但從實(shí)際現場(chǎng)檢測情況來(lái)看,具體到每一臺生物安全柜,其送/排風(fēng)的平衡、垂直氣流流速、窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速、手套口風(fēng)速、氣流流向等往往都需要在現場(chǎng)進(jìn)行調試才能滿(mǎn)足要求。
現場(chǎng)檢測性能參數主要包括:垂直下降氣流風(fēng)速、窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速、潔凈度、噪聲、照度、送風(fēng)高效過(guò)濾器檢漏、排風(fēng)高效過(guò)濾器檢漏、安裝距離、氣流模式、Ⅲ級生物安全柜運行時(shí)與實(shí)驗室間的負壓、手套口風(fēng)速、Ⅲ級生物安全柜箱體嚴密性測試等。根據美國經(jīng)驗,沒(méi)有進(jìn)行以上現場(chǎng)檢測項目的生物安全柜,常有60%出現問(wèn)題,從現場(chǎng)實(shí)測情況來(lái)看,以上現場(chǎng)檢測項目均有不合格情況存在[3]。
[技術(shù)要點(diǎn)]:
噪聲,生物安全柜噪聲超標情況比較普遍,國產(chǎn)或進(jìn)口生物安全柜都普遍存在這一狀況,其中一部分是由于安全柜風(fēng)速過(guò)大導致、一部分是安全柜風(fēng)機本身噪聲過(guò)大導致,且II級B2型安全柜噪聲超標情況要高于II級A2型安全柜,雖然噪聲對生物安全沒(méi)有直接影響,但對實(shí)驗操作人員為有一定干擾,主要影響實(shí)驗操作人員舒適性。
照度,生物安全柜照度不足情況并不多,工作臺面照度不足會(huì )影響操作人員的舒適性,同時(shí)也影響操作人員操作準確性。
潔凈度,即安全柜操作面的含塵濃度,潔凈度不合格會(huì )導致操作材料的污染,進(jìn)而影響實(shí)驗結果準確性,潔凈度不合格往往是由這幾個(gè)方面導致:送風(fēng)高效過(guò)濾器老化破損、高效過(guò)濾器運輸或安裝過(guò)程中損壞、高效過(guò)濾器邊框安裝不嚴存在泄漏、生物安全柜垂直氣流流速過(guò)小不能充分凈化工作區、生物安全柜窗口進(jìn)風(fēng)氣流過(guò)大或實(shí)驗室送風(fēng)口設置在生物安全柜上方,導致實(shí)驗室內未凈化氣流穿越生物安全柜工作區。
送風(fēng)高效過(guò)濾器原位檢漏,送風(fēng)高效過(guò)濾器是維持生物安全柜潔凈度的關(guān)鍵部件,若過(guò)濾器出現損壞或過(guò)濾器安裝不嚴均可能導致操作工作面潔凈度不合格,進(jìn)而導致操作材料的污染,影響實(shí)驗結果準確性,實(shí)際檢測中送風(fēng)高效過(guò)濾器均有損壞或邊框安裝不嚴的情況出現。
垂直下降氣流流速,實(shí)驗樣品的安全性主要通過(guò)垂直下降氣流來(lái)保證,相關(guān)標準中
要求0.2m/s~0.4m/s,如果過(guò)低則達不到帶走操作過(guò)程中產(chǎn)生的生物氣溶膠的作用,同時(shí)在進(jìn)行實(shí)驗操作時(shí)對污染的抗干擾性會(huì )較差,甚至發(fā)生實(shí)驗材料間的交叉污染,過(guò)大可能會(huì )引起安全柜內氣流外逸。相關(guān)標準中在規定垂直下降氣流風(fēng)速的同時(shí),也規定了垂直下降氣流的不均勻度,要求各測點(diǎn)氣流流速與平均風(fēng)速間偏差不超過(guò)±20%或0.08m/s,氣流的不均勻度過(guò)大會(huì )減弱安全柜防止實(shí)驗樣品間交叉污染的能力,此外氣流不均勻度過(guò)大也可能導致安全柜內局部產(chǎn)生氣流渦流。
氣流模式,通過(guò)發(fā)煙法可以直觀(guān)的看到生物安全柜的氣流流向,即使安全柜氣流流速滿(mǎn)足要求,仍可能出現由于結構設計不合理或流速不均衡導致氣流模式不符合要求的情況出現,如操作窗口氣流外逸或有氣流穿越工作區等。
窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速,生物安全柜對操作人員的保護主要是通過(guò)從前窗吸入氣流形成負壓防止安全柜內氣流外逸來(lái)實(shí)現的,相關(guān)標準中要求不低于0.4m/s或0.5m/s,如果過(guò)低可能導致安全柜操作時(shí)產(chǎn)生的危險氣溶膠外逸,進(jìn)而對操作人員和實(shí)驗室環(huán)境產(chǎn)生危害,過(guò)大則會(huì )導致實(shí)驗室內未凈化氣流穿越安全柜工作區,引起操作材料被污染的風(fēng)險。
排風(fēng)高效過(guò)濾器原位檢漏,排風(fēng)高效過(guò)濾器是生物安全的重要保障,也是生物安全柜形成一級隔離屏障的重要組成部分,在各個(gè)安全柜相關(guān)標準中都明確規定生物安全柜的排風(fēng)必須經(jīng)過(guò)排風(fēng)高效過(guò)濾器過(guò)濾后才能排放到環(huán)境中。如果排風(fēng)高效過(guò)濾器出現泄漏可導致生物危險因子外逸到實(shí)驗室或室外環(huán)境中,進(jìn)而對操作人員和環(huán)境產(chǎn)生危害。和送風(fēng)高效過(guò)濾器的情況相同,在實(shí)際檢測過(guò)程中也有過(guò)濾器破損或邊框安裝不嚴的情況出現。
Ⅲ級生物安全柜箱體嚴密性,柜體嚴密性是Ⅲ級生物安全柜物理隔離的重要組成部分,也是現場(chǎng)檢測的重要指標。Ⅲ級生物安全柜在正常運行時(shí)處于負壓運行狀態(tài),一般不會(huì )出現危險生物氣溶膠的外逸,但是安全柜或排風(fēng)系統如果突然故障導致停機,這種負壓作用形成的屏障作用將會(huì )消失,而良好的柜體氣密性可以保證突發(fā)狀況下的物理隔離,最大程度的防止危險生物氣溶膠外逸。目前,柜體氣密性的現場(chǎng)檢測方法通常采用壓力衰減法。
Ⅲ級生物安全柜運行時(shí)柜體內負壓,Ⅲ級生物安全柜由于用于操作危險度4級的微生物或實(shí)驗動(dòng)物,所以其安全防護的要求是最嚴格的,正常工作時(shí)內部負壓值要求不低于-120Pa,負壓運行實(shí)質(zhì)是對柜體形成的物理防護的雙重保障,負壓運行可進(jìn)一步保證出現意外狀況,如手套破損或柜體有微小泄漏時(shí),生物氣溶膠不發(fā)生外逸。
Ⅲ級生物安全柜手套口氣流流速,由于Ⅲ級生物安全柜主要操作致命生物因子的生物實(shí)驗,所以生物安全是其主要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題,Ⅲ級生物安全柜是一個(gè)負壓密閉箱體,主要通過(guò)前面的橡膠手套口進(jìn)行操作,在操作過(guò)程中可能出現手套意外破損或手套脫落的突發(fā)狀況,在發(fā)生意外狀況時(shí)操作口仍須保證一定的流入氣流流速,這樣可以防止危險生物氣溶膠的外逸。
生物安全柜的現場(chǎng)檢測屬于靜態(tài)性能驗證,實(shí)際使用過(guò)程中還需要進(jìn)行關(guān)鍵性能參數的連續監測,如高效過(guò)濾器阻力監測及報警、垂直下降氣流和窗口進(jìn)風(fēng)氣流流速監測及報警、前窗打開(kāi)位置報警等。
實(shí)驗操作者應提前佩戴好個(gè)人防護裝備;
安全柜開(kāi)啟前用75%的酒精或其它消毒劑全面擦試安全柜內的操作臺面和其它平面;
打開(kāi)前操作窗至規定高度后開(kāi)啟生物安全柜,開(kāi)啟后要運行一段時(shí)間,以保證安全柜氣流穩定,并將工作區空氣中的污染物完全清除;
實(shí)驗開(kāi)始前應將本次實(shí)驗需要的所有物品擦拭干凈后提前放入安全柜內,以避免在實(shí)驗過(guò)程中頻繁拿取物品造成安全柜氣流波動(dòng);
安全柜內不放與本次實(shí)驗無(wú)關(guān)的物品,柜內物品擺放應做到清潔區、半污染區與污染區基本分開(kāi),操作過(guò)程中物品取用方便,且三區之間無(wú)交叉,物品應盡量靠后放置,但不得擋住回風(fēng)格柵。
技術(shù)要點(diǎn)如下:
正確運用微生物學(xué)實(shí)驗技術(shù);
操作期間如果需要取出或移入物品,應盡量緩慢地移出或移入手臂,盡量減小空氣的攪動(dòng),從而避免因手臂的移動(dòng)破壞安全柜氣流而導致危險氣溶膠的逸出;
柜內移動(dòng)物品時(shí)應盡量避免交叉污染,需按照低污染物品向高污染物品移動(dòng)的原則,應避免高污染物品在移動(dòng)過(guò)程中對柜內產(chǎn)生大面積的污染;
在實(shí)驗操作時(shí),不可打開(kāi)玻璃視窗,應保證操作者臉部在工作窗口之上;在安全柜中應盡量避免使用產(chǎn)生振動(dòng)的設備,如使用此類(lèi)設備,如離心機、攪拌器等,應將此設備放在安全柜的最里側,并在運行時(shí)停止其它的實(shí)驗操作;
通常來(lái)說(shuō),在安全柜內不應使用點(diǎn)火裝置,由于火焰產(chǎn)生的上升熱氣流會(huì )影響用以保護柜內物品的垂直下降氣流,火焰還會(huì )產(chǎn)生氣流擾動(dòng),進(jìn)而增加交叉污染的風(fēng)險;
任何灑濺在柜內的東西都應立即清除干凈,并放在專(zhuān)用的垃圾袋中;
在安全柜工作時(shí)盡量減少背后人員走動(dòng)以及快速開(kāi)關(guān)實(shí)驗室房門(mén),以防止干擾安全柜內氣流;如果在正常狀態(tài)下,安全柜報警,則應立即停止柜內的一切工作,并對報警進(jìn)行檢查,在查明原因并解決問(wèn)題前不應再使用此安全柜。
技術(shù)要點(diǎn)如下:
將所有的物品取出,并用75%的灑精擦拭柜內各面,關(guān)閉安全柜前再運行一段時(shí)間,以便將工作區操作過(guò)程中產(chǎn)生的微生物氣溶膠排出,同時(shí)開(kāi)啟紫外線(xiàn)照射至少半小時(shí)以上;
妥善處理所有實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物,如有必要,將所有害生物廢料進(jìn)行高壓消毒。
實(shí)驗操作人員應樹(shù)立生物安全意識,養成良好操作習慣,杜絕違規操作,嚴格遵照微生物學(xué)標準操作規程和生物安全實(shí)驗室操作規程進(jìn)行實(shí)驗操作,同時(shí)生物安全柜的日常維護和監管工作應落實(shí)到位,建立科學(xué)的管理制度并嚴格執行,以確保實(shí)驗室生物安全。
Ⅱ級A2型臺式生物安全柜氣流流向狀況示意圖(據美國CDC手冊)[9]
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