專家論壇
技術升級 降低風險—對提高生物安全柜安全性能的建議

 周維華
 
 
    在微生物實驗研究中,人與微生物之間最常用的隔離屏障是生物安全柜,作為一級隔離屏障,生物安全柜已被大量應用于生物安全實驗室,其安全防護性能直接影響實驗室安全。在我國,生物安全柜已應用在基因工程、生物細胞、醫療器械、制藥等領域,其安全性能如何滿足擴展應用領域的需要已成為一項新的課題。本文從我國目前執行的標準YY 0569-2011《Ⅱ級生物安全柜》角度出發,論述生物安全柜安全性能的提高空間。
 
    期望獲得性能改善
    最初,生物安全柜僅用于保護實驗人員。當人們認識到微生物實驗中樣本保護的重要性后,生物安全柜的操作艙就有了垂直層流和潔凈氣流的概念,生物安全柜從而演變為一個負壓通風過濾的箱型操作柜。與暴露的實驗操作相比較,Ⅱ級生物安全柜將人員污染風險概率降到了1×10-5。
    基因工程、生物細胞等新興產業領域期望生物安全柜性能獲得持續改善,以滿足如下需求:①整個操作艙成為樣本受保護的空間范圍,F有技術中存在“不受保護區域范圍”,生物細胞實驗操作中易發生樣本污染事件。②持續改善操作艙內部的潔凈度等級,并要求相對大于或等于0.5μm直徑當量的氣溶膠計數上限應小于或等于100顆粒/m3。③潔凈度檢測的采樣點分布調整為距離操作艙內側壁30mm的邊界處,現有技術中100mm邊界條件導致樣本受保護區域范圍過小,樣本污染風險大。④正壓污染高效空氣過濾器與柜體密封結合處應保證無泄漏,F有生物安全柜不能避免基因污染,因為基因片段遠小于0.3μm。
 
    安全性能新要求
    整合新興產業領域要求,Ⅱ級生物安全柜技術性能需要持續改善的項目主要包括以下三個。
    一是“零泄漏”安全保護功能。高效空氣過濾器的透過率是可控的,所有安裝于生物安全柜的過濾器都經過嚴格檢測。所謂“零泄漏”,是對過濾器與柜體間的密封要求。所有要求樣本受保護的應用場合,操作艙內不應存在泄漏的懸浮顆粒物。Ⅱ級A2型生物安全柜的排風泄漏風險危害更大,排風氣流是輸送到房間環境內的,如氣流中含有泄漏的懸浮顆粒物,可能導致實驗室污染和人員污染事件發生。
    二是潔凈度提高到3級(關注0.3μm直徑當量顆粒),F有技術或GMP規范所述的潔凈度等級都關注0.5μm直徑當量顆粒,顆粒計數上限3520顆粒/m3,相對0.3μm顆粒的計數上限可能高達10176.25顆粒/m3,這樣的空氣仍有可能污染細胞樣本。持續改善生物安全柜操作艙潔凈度的技術主要包括兩方面,一方面,可通過物理方法杜絕顆粒物泄漏于操作艙內;另一方面,可通過物理方法消除懸浮顆粒物滯留的條件,高效空氣過濾器有效濾芯面積全覆蓋操作艙橫截面是一項有效措施。已知細菌顆粒的直徑當量范圍約0.5μm~5.0μm,關注顆粒直徑當量的基點落在0.3μm是必要的,更能有效降低細菌污染細胞組織的幾率。
    三是顆粒物計數采樣點分布于距離操作艙內側壁30mm處。這是檢測方法范疇的考慮,目的是驗證操作艙整體滿足保護樣本的要求。
 
    樣本污染原因分析
    操作艙氣流盲區,即不受保護的區域范圍,是下降氣流過濾器有效面積小于操作艙橫截面所致。操作艙中心區域因具有大量垂直下降的潔凈氣流而形成樣本受保護區域范圍,操作艙周邊的氣流盲區構成不受保護區域范圍。因氣流盲區沿操作艙內壁四周呈立體狀,因此,不受保護區域范圍是一個立體空間范圍。
    在小區域空氣凈化環境內,氣流盲區是影響該區域空氣潔凈等級的重要因素,生物安全柜操作艙的潔凈等級受制于艙內凈面積與高效空氣過濾器的有效截面的比值,比值為1時,無菌作業環境為最優。
    樣本在生物安全柜中被污染的原因,主要有以下兩種。
    一是熱壁效應危害。生物安全柜操作艙是一個氣流場與溫度場并存的空間,照明燈與風機電機發散的熱導致熱壁效應。操作臺面向上直至散流板的各橫截面高度不同,其溫度也不同,頂部區域溫度最高,構成了氣流盲區內懸浮顆粒上升的物理條件。實驗操作中,人員動作與器械移動形成的干擾氣流使懸浮顆粒進入氣流盲區,溫度效應使懸浮顆粒沿壁板上移,氣流盲區頂部的氣流漩渦使懸浮顆粒滯留。當氣流漩渦中的顆粒物隨邊界氣流下降時,就會污染樣本。
    二是氣流模式缺陷。氣流模式的薄弱環節突出暴露于距離前窗玻璃內側25mm且高于額定前窗開啟高度150mm水平方向的項目檢測中?梢暉熿F在氣流模式檢測中常有煙霧向上反流情況發生,說明該區域范圍內懸浮顆粒物不能完全被臺面前沿的格柵吸收,樣本有被污染的風險。
 
    降低污染風險的設計技術
    下降氣流過濾器有效面積與操作艙橫截面面積比設計技術(Desi gn t echnol ogy of ar ea r at io,ARD)是降低樣本污染風險的主要設計對策。“零泄漏”設計技術(Zer o l eakage desi gn t echnol ogy,ZLD)是降低樣本、實驗室環境及人員污染風險的第二對策措施。Ⅱ級A2型生物安全柜采用ARD和ZLD綜合設計技術,可用于對樣本污染特別敏感的場合。
    ARD可消除生物安全柜操作艙左、右、后三側氣流盲區,提供垂直向下潔凈空氣的氣流活塞效應條件;ZLD完全截斷了正壓污染靜壓箱內氣溶膠顆粒物泄漏于操作艙或房間空氣環境的通路。下降氣流過濾器出風面與位于生物安全柜操作艙頂部的空氣散流板間建立氣流引導設計,可使氣流擴散至生物安全柜操作艙頂部前沿,實現整個操作艙被潔凈氣流覆蓋。
    上述設計的成效可通過氣溶膠光度計掃描檢漏、顆粒物計數檢測兩個方法驗證。高效空氣過濾器與柜體的密封結合處應實現“零泄漏”,氣溶膠光度計掃描檢漏方法關注高效空氣過濾器與操作艙頂部的結合處,按YY 0569-2011或美國NSF/ANSI 49《生物安全柜:設計,結構,性能和現場驗證》標準給出的方法驗證。顆粒物計數檢測驗證按GB/T 25915.1-2010/ISO 14644-1:1999《潔凈室及相關受控環境 第一部分:空氣潔凈度等級》的規定執行。
 
(摘自中國食品藥品網)
 
 
 
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