洁净实验室生物安全柜得作用及原理

1、为避免病原微生物气溶胶对操作人员和环境的传染，实现其间的一次隔离，必须使用微生物安全柜

技术要点

洁净实验室中的多种微生物操作都可能产生气溶胶，如吸管操作、离心沉淀、用接种环蘸液体、开安瓿、机械震荡、菌种稀释或接种操作等，此外，一些实验操作过程的意外事故，如液体倾洒或飞溅都会产生气溶胶。散播在空气中的气溶胶粒子直径一般在1~5μm，肉眼无法观察到，因此实验室操作人员通常无法意识到操作过程中气溶胶生成并可能被吸入，或在实验过程中在工作台面上造成与其他实验材料间的交叉污染。资料表明，对276种微生物操作进行测试，其中239种操作可以产生微生物气溶胶，占全部操作的86.6%。根据研究，高浓度吹吸混匀以及注射攻毒过程会产生高浓度生物气溶胶。

正确的使用生物安全柜可以有效地减少由于暴露于气溶胶所造成的实验室获得性感染以及实验材料间的交叉污染，同时生物安全柜也可起到保护环境的作用。因此，生物安全柜在微生物实验室得到广泛的应用。

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生物安全柜分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，应正确了解使用。

技术要点

生物安全柜分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级，如表2-1所示。

表2-1 生物安全柜分类

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Ⅰ级生物安全柜

Ⅰ级生物安全柜原理和实验室通风橱一样，Ⅰ级生物安全柜的工作原理图见图3-1。

图3-1 Ⅰ级生物安全柜原理示意图

技术要点

1、I级安全柜有前窗操作口，操作者可通过前窗操作口在安全柜内进行操作。前窗操作口向内吸入的负压气流可以保护操作人员的安全，排出气流经高效过滤器过滤后排出安全柜保护环境。

2、但因未灭菌的房间空气通过生物安全柜正面的开口处直接吹到工作台面上，因此Ⅰ级生物安全柜对操作对象不能提供切实可靠的保护，即不能进行需无菌洁净条件的操作。由于不能保护柜内产品，目前已较少使用。

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Ⅱ级生物安全柜

1、Ⅱ级生物安全柜原理

Ⅱ级安全柜有前窗操作口，操作者可以通过前窗操作口在安全柜内进行操作。Ⅱ级安全柜送风经过送风高效过滤器过滤后，从顶部向下形成具有一定速度的垂直单向气流以避免样品间的交叉污染，此外，此垂直单向气流在前窗操作口形成具有一定风速的垂直气流也可以防止室内未经过滤的空气直接进入工作台面，从而保护样品。前窗操作口向内吸入的负压气流可以保护操作人员的安全，气流经排风高效过滤器过滤后排出安全柜以保护外界环境。

2、Ⅱ级A1型生物安全柜

Ⅱ级A1型生物安全柜的工作原理如图3-2所示。它的工作窗口进风气流和工作区垂直气流混合后在内置风机作用下经前后格栅进入安全柜回风道，进而到达安全柜送、排风高效过滤器之间。借助于这两个滤器相对尺寸的变化，约30%的气流经排风过滤器过滤后排至实验室或通过排风管道排至室外；70%的气流经送风高效过滤器过滤后重新循环进入安全柜工作区。

Ⅱ级A1型生物安全柜的污染部位有正压区域。

图3-2 Ⅱ级A1型生物安全柜原理示意图

3、Ⅱ级A2型生物安全柜

Ⅱ级A2型生物安全柜的工作原理如图3-3所示。Ⅱ级A2型生物安全柜是由Ⅱ级A1型生物安全柜的发展而来，其也是利用70%的循环空气，30%经排风高效过滤器过滤后排至外部环境。

图3-3 Ⅱ级A2型台式生物安全柜气流流向状况示意图（据美国CDC手册）

4、Ⅱ级B型生物安全柜

Ⅱ级B型生物安全柜又分为B1型和B2型两种。其中Ⅱ级B1型生物安全柜也为非全排型生物安全柜，但相比于Ⅱ级A型生物安全柜，其循环风比例减少到30%，且安全柜内所有污染部位均为负压区域或者被负压区域包围，即没有正压污染区。Ⅱ级B1型生物安全柜工作原理图见图3-4。

图3-4 Ⅱ级B1型生物安全柜原理示意图

Ⅱ级B2型生物安全柜是一种全排式生物安全柜,其工作原理图见图3-5，其没有气流在柜内循环。这种安全柜能提供基本的生物和化学防护，但有些化学物质在安全柜内操作时能损坏过滤器介质、框架、垫圈导致泄漏，应多加注意。送风机装在安全柜的顶部一侧，从室内抽吸空气，通过送风高效过滤器下行到工作区，所有进入柜内的气体都经过格栅被排出。排风经过安全柜顶部另一侧设置的排风高效过滤器过滤后排放至室外或者排风总管内。

图3-5 Ⅱ级B2型生物安全柜示意图（据美国CDC手册）

技术要点

1、Ⅱ级生物安全柜原理

（1）Ⅱ级生物安全柜不仅能提供人员保护，而且能保护工作台面的物品以及环境不受污染。二级生物安全柜是目前应用最为广泛的柜型。

（2）Ⅱ级生物安全柜在美国的NFS 49标准中有两种不同的类型。根据排风的比例分别为A型和B型，A型又根据有无排风管路分为A1型和A2型，B型分为B1型和B2型，而在欧洲的EN12469标准中是不分型的。由于美国的生物安全柜进入国内较早，因而国内的生产企业仿制或研究生产的Ⅱ级生物安全柜均依靠美国标准进行分型。

2、Ⅱ级A1型生物安全柜

如图3-2所示，Ⅱ级A1型生物安全柜的污染部位有正压区域，即风机后侧的回风道中的空气是污染的，而且空气是正压，正压污染区内的污染有外泄的可能。

3、Ⅱ级A2型生物安全柜

和Ⅱ级A1型生物安全柜不同的是，Ⅱ级A2型生物安全柜内所有污染部位均为负压区域或者被负压区域包围，即Ⅱ级A2型生物安全柜的回风道始终处于负压状态，其安全性高于Ⅱ级A1型。

4、Ⅱ级B型生物安全柜

（1）Ⅱ级B2型生物安全柜一般在排风管另一端单独设置排风机以保证排风管道负压。

（2）一般Ⅱ级B2型生物安全柜无循环风，其排风量较大，因而在配有Ⅱ级B2型生物安全柜的实验室或房间需要考虑补风问题。

（3）由于Ⅱ级B2型生物安全柜可以处理更危险的病原体和化学物质，所以其排风要求必须排至室外，排风管道采用密闭式连接，并且为负压管道。

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Ⅲ级生物安全柜

三级生物安全柜是为4级生物安全设计的，Ⅲ级安全柜是柜体全封闭、不泄漏结构的负压通风柜，工作人员通过连接在实验室柜体的手套进行操作，俗称手套箱(Golve box)，试验品通过双门的传递箱进出安全柜以确保不受污染，适用于高风险的生物试验。

Ⅲ级安全柜工作原理图见图5-1。人员通过与柜体密闭连接的手套在安全柜内实施操作。下降气流经送风高效过滤器过滤后进入安全柜内用以保护安全柜内实验物品，排出气流经两道排风高效过滤器过滤或通过一道高效过滤器过滤再经焚烧处理后外排用于保护环境。

技术要点

1、Ⅲ级安全柜的箱体采用气密性设计，柜体外设置专门的排风系统以维持安全柜内不低于120Pa的负压状态（相对于实验室）；

2、同时要保证单只手套意外脱落后手套口有不低于0.7m/s的吸入气流速度；

3、Ⅲ级安全柜进出物品均需经过传递窗或者经特殊设计的自封闭型传递桶；

4、Ⅲ级生物安全柜可以最高程度的保护操作人员和外部环境，同时兼顾保护安全柜内实验物品，Ⅲ级安全柜适用于操作危险度4级的病原微生物或感染动物。

图5-1 Ⅲ级生物安全柜（手套箱）示意图

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生物安全柜的性能指标、验证方法及相关标准

1、生物安全柜的性能指标

生物安全柜是保护人员、产品和环境暴露于微生物污染的一级隔离屏障。生物安全柜送、排风气流的平衡、操作台面上的气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。因此其性能指标的规定及验证也主要围绕以上这三个方面。这些指标及相应要求可直接引用标准JG 170-2005《生物安全柜》、YY 0569-2011《Ⅱ级生物安全柜》的相关要求，包括生物安全柜的垂直下降气流平均风速、工作窗口气流平均风速、气流流向（垂直气流、观察窗隔离效果气流、工作窗口及其边缘气流）、操作面空气洁净度、人员安全性、受试样品安全性、交叉感染、箱体检漏、送风高效过滤器完整性、排风高效过滤器完整性，对于Ⅲ级生物安全柜其设计形式区别于Ⅰ、Ⅱ级生物安全柜，Ⅲ级生物安全柜指标还包括安全柜箱体内外静压差、箱体严密性及安全柜手套口气流流向等。还有一些指标如安全柜运行噪声、操作台面照度是考虑操作人员本身舒适性；生物安全柜的安装位置主要是考虑维修时的便利性。

2、主要性能指标的测试方法

（1）垂直气流平均风速：在距离内侧壁板及工作窗100mm围成的，工作台面上方300mm处的平面区域内测量垂直气流的平均风速。测量点按行、列均为150mm的网格分布。若去除测量边界后净尺寸不等于15的整数倍，则允许修正测量点距离，但每列至少测量3点，每行至少测量7点。垂直气流平均风速为各测量点读数的算术平均值。具体的指标要求可参照标准JG 170-2005《生物安全柜》、YY 0569-2011《Ⅱ级生物安全柜》的相关要求。

（2）工作窗口气流平均速度：常用的测试方法主要有两种：风量罩检测法、风速仪检测法。

（3）Ⅲ级生物安全柜手套口处的风速：手套口风速是通过人为摘除Ⅲ级生物安全柜一只手套后，将风速仪探头放在手套口的中心处，并记录测量点的风速。测试之前，要保证生物安全柜已达到正常运行状态，且生物安全柜的严密性、静压差及送风量应均已通过检测，并符合相关标准要求。

（4）气流流向：气流流向测试时，采用发烟管发生可视烟雾，通过观察烟雾流向来验证生物安全柜的气流流向。气流流向包括垂直气流流向、观察窗隔离效果气流流向、工作窗口边缘气流流向和工作窗开口气流流向。

（5）静压差：Ⅲ级生物安全柜与所在房间的相对压差可用微压差计直接测量。测试时，Ⅲ级生物安全柜应已达到正常运行状态，用微压差计分别连接Ⅲ级生物安全柜内部及实验室环境便可直接测出Ⅲ级生物安全柜的静压差。Ⅲ级生物安全柜与所在房间之间的负压值应不低于120Pa。

（6）洁净度：采用激光粒子计数器在生物安全柜操作面内按要求布置的测点上测量空气的含尘浓度。

（7）噪声：生物安全柜正常运行时，采用声级计在被测生物安全柜前壁面中心水平向外300mm，高度距工作台面380mm处测量。

（8）照度：在操作面上，沿操作面内壁面水平中心线每隔300mm设置一个测量点，与内壁距离小于150mm时，不再设置。被测生物安全柜置于正常工作条件下，用照度计检测各测量点。被测生物安全柜照度为各测量点照度的算术平均值。

（9）高效过滤器完好性检测：排风高效过滤器作为生物安全柜的最重要的防护屏障之一，是防止有害生物气溶胶排放至大气的最有效防护手段。因此，我国标准GB 50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》要求必须对三级和四级生物安全实验室内使用的隔离设备的排风高效过滤器进行原位检漏；而送风高效过滤器是生物安全柜内部洁净度的重要保障。

而确定高效过滤器是否有缝隙、孔眼而发生漏泄，是否完好无损。通常高效过滤器采用物理气溶胶进行完好性检测，高效过滤器的检漏方法根据检测方式不同主要分为扫描法检漏和全效率法检漏。

（10）Ⅲ级生物安全柜箱体严密性检测：标准ISO 10648-2:1994对硬质隔离器的严密性进行了等级划分，共划定了4个等级，1 级最高，4级最低。目前Ⅲ级生物安全柜箱体严密性指标可采用ISO 10648-2:1994中的2级密封箱室（长期从事含有有害气体的防护箱室）的期间检验指标，即箱体内压力低于周边环境压力250Pa下的小时泄漏率不大于净容积的0.25%。根据2级密封等级，按标准ISO10648-2:1994要求应采用压力衰减法进行测试。

（11） 泄漏电流、接地电阻、耐电压、绝缘电阻

泄漏电流测试时，让生物安全柜连续运行4h后，施加110%额定电压，用泄漏电流测量仪测量机组外露的金属部分与电源线之间的泄漏电流；接地电阻测试时，将被测生物安全柜所有的功能开关均置于“断”位，用接地电阻测试仪测量接地端与可触及的金属部件之间的电阻值；耐电压测试时，电气强度测试历时1min，经受频率为50Hz的基本正弦波的交流电压，测试的部位为电源输人端与金属外壳之间。最初施加的电压不超过规定值的一半，然后迅速上升到规定值，试验期间不应发生击穿；绝缘电阻测试时，在施加500V直流电压1min后进行绝缘电阻测量，在带电部件与壳体之间值应不小于2MΩ。

（12）振动幅值及工作台面抗变形

为判断使用者在操作生物安全柜时的振动结果，振动值应达到要求的机械性能，以此减轻操作者的疲劳并预防振动导致精密组织培养试验品的破坏。被测生物安全柜置于正常工作条件。将振动仪的振动传感器牢固地固定在工作台面的中心，振动仪的频率从10Hz变化到10kHz，测量生物安全柜工作时的总振幅。

工作台面抗变形试验时，将面积为250mm×250mm、重量为23kg的测试负载均匀地施加于被测生物安全柜台面中央，在载重条件下测量安全柜台面前部边缘中心至地面的距离。

负载及空载条件下安全柜台面前部边缘中心至地板的距离相等，可视为台面无永久性变形。

（13）紫外灯测试

对于设置紫外灯的生物安全柜，必须对紫外灯定期检查，以保证其能有效地杀死微生物。在将灯关闭冷却后，要用70%的酒精擦拭灯泡表面。将其打开5min后，将紫外线感应器放置于工作表面中心，照射的光在254nm波长处不应少于40mW/cm2。

技术要点

1、生物安全柜的性能指标

（1）生物安全柜的指标中人员安全性、受试样品安全性和交叉感染验证需采用生物学方法验证，生物学检测验证的目的是为了保证生物安全柜在使用中的安全性，这种验证方法可以贴近真实的直接验证安全柜的实际使用性能。其中对操作人员的保护验证，是为防止试验操作过程中产生的感染性微生物气溶胶对工作人员的威胁；对试验操作样品的保护验证，是为防止生物安全柜以外的污染物进入安全柜，对试验样品造成污染；交叉感染验证，是为防止试验操作过程中产生的生物气溶胶造成试验样品间的交叉污染；

（2）Ⅰ级生物安全柜不提供产品保护，工作面气流为乱流，只进行人员保护试验一项检测；

（3）Ⅱ级生物安全柜需进行人员、样品、交叉污染保护三项检测；Ⅲ级安全柜前部封闭，工作面气流为定向气流，有局部的乱流，不需要进行人员、样品保护和交叉污染试验；

此外，生物安全柜还有一些其他性能指标主要是为了检查安全柜的设计结构性能、电路和物理性能等，包括振动幅值、柜体抗变形、工作台面抗变形、柜体稳定性、温升、泄漏电流、接地电阻、耐电压、绝缘电阻、报警和连锁系统、紫外灯性能等。

2、工作窗口气流平均速度测量方法

（1）风量罩检测法是采用风量罩测出工作窗口风量，再通过风量除以工作窗口面积计算出气流平均风速，测量时将风量罩密封在安全柜的前窗操作口中心，风量罩两侧开口区域要密封；

（2）风速仪检测法是采用风速仪直接测量工作窗口断面风速，测量时，将工作窗开口高度开到指定的操作高度。用风速仪在工作窗开口平面直接测量风速。测点的水平间隔为100mm，垂直方向分别距工作窗口上边缘1/4工作窗口高度处和3/4工作窗口高度处，测点的平均值即为工作窗口气流平均速度。

3、气流流向

（1）垂直气流验证时，在II级生物安全柜工作表面中线上方高于工作窗口上沿100mm处，从可移动垂直窗一端到另一端发烟，垂直气流方向烟雾应为垂直气流线，且无死角和回流；

（2）观察窗隔离效果气流验证时，在Ⅰ级、Ⅱ级生物安全柜观察窗内25mm处，在工作窗口上边缘150mm处，从生物柜的一端向另一端发烟，气流流向应为垂直气流线，不得有死角和回流；

（3）工作窗口边缘气流验证时，在Ⅰ级、Ⅱ级生物安全柜外38mm处，让烟雾沿着工作窗开口的整个边界扩散，烟雾应进入安全柜内部无外逸，且无穿越工作区气流；

（4）工作窗开口气流流向验证时，在I级、II级生物安全柜内部，工作面上300mm，距工作窗口内壁50mm到柜后侧内壁整个水平面上发烟，烟雾测试时应无烟雾从窗口外逸。

4、洁净度测量

（1）应根据生物安全柜操作面的面积确定采样点数目，并均匀布点。

（2）I级、II级生物安全柜内部洁净度要达到5级，Ⅲ级生物安全柜当操作需要保护的受试样本时，洁净度也要求达到5级。

5、高效过滤器完好性检测

（1）扫描检测法是通过采样探头在过滤器下游表面2~3cm位置处沿过滤器的所有表面及过滤器与装置的连接处如边框等位置，以一定的速度移动测试局部区域的过滤效率，判断过滤器是否发生泄漏。扫描法检漏根据检测仪器的测试原理不同分为光度计扫描法和计数扫描法。

①光度计扫描法检测气溶胶常用“冷发生”方式，即将一定压力压缩空气通入喷嘴产生多分散油性气溶胶，如聚α烯烃（PAO）、癸二酸二辛酯（DOS）、癸二酸二酯（DESH）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、石蜡油、壳牌安定来矿物油等。然后通过扫描采样头在过滤器表面线性扫描并配合气溶胶光度计测试各扫描点局部透过率，根据局部透过率限值判断漏孔。

②计数扫描法：气溶胶物质较广泛，除可选用上述气溶胶外，还可以选择PSL小球或大气尘等非油性气溶胶。扫描测试过程类似，测试仪器是粒子计数器，通过测试上、下游粒子数浓度，并根据相应透过率限值或下游粒子数限值来判定泄漏。

（2）对于无法采用扫描法检漏的高效过滤器，需采用全效率法检漏方式，即通过测试过滤器的整体效率来检漏。全效率法检漏时在过滤器上游注入气溶胶，在上游和下游分别进行采样，上、下游采样必须经过气溶胶均匀性验证，然后根据上、下游气溶胶浓度计算过滤器的整体透过率，并与规定的整体泄漏限值比较来判断泄漏，根据使用检测仪器的测试原理不同也分为光度计全效率法检漏和计数器全效率法检漏。

6、Ⅲ级生物安全柜箱体严密性检测

（1）压力衰减法的原理是在被测设备体积不变情况下利用被测设备内压力的衰减变化测试泄漏率。

（2）由于密闭式隔离器普遍安装有供人员操作的橡胶手套（部分安装有半身式防护服），因为手套或半身式防护服柔软富有弹性，导致动物隔离器在不同压力下，其净容积会产生变化。而采用压力衰减法的前提条件就是要保证被测设备内部容积保持不变，因此在使用压力衰减法测试时应采取必要措施固定手套或半身式防护服以防止其体积发生较大变化。

（3）同时，也应采取必要措施防止其因压力过大或作用时间过长造成应力损坏。

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生物安全柜现场验证与风险评估

国外学者Pike对3921例实验室相关感染进行统计发现，不明原因的实验室感染只占18%，不明原因的感染占到了82%。经过近年来的研究认为其中65%的不明原因感染是因为病原微生物形成感染性气溶胶随空气扩散，实验室工作人员吸入了污染的空气感染的。实验室中，许多操作都可以产生气溶胶，有人对239种操作进行了测试，其中239种操作可以产生气溶胶，占86.6%。在实验室中，像搅拌、振荡、撞击、离心、超声波破碎、接种等都可产生气溶胶[6]。

生物安全柜是一种为操作原代培养物、菌毒株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、实验材料、实验室环境及室外环境，使其避免暴露于上述实验操作过程中可能产生的感染性生物气溶胶和溅出物而设计的重要的一级屏障隔离设备。其主要是通过柜体和气流形成的物理隔离来保护操作者本人、实验材料、实验室环境及室外环境。

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