生物安全柜氣溶膠模擬發(fā)生裝置研究

王勇剛 程琳 何燕燕

摘 要：在試驗(yàn)操作中，有害細(xì)菌可以經(jīng)由空氣流通道或者試劑用品進(jìn)行傳染，而生物安全柜則可以防止在工作中所形成的 氣溶膠對(duì)外環(huán)境傳播以及減少對(duì)操作者健康的影響，也能夠減少樣品間因?yàn)闅馊苣z污染而形成的交叉污染。生物安全柜作為 一個(gè)有人員保護(hù)，同時(shí)保存生物試驗(yàn)樣本與測試環(huán)境場所的裝置，一旦生物安全柜中存在氣體泄漏等質(zhì)量問題，會(huì)對(duì)人類健 康造成不可逆的影響。因此，為保證工作人員的安全防護(hù)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不被污染，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)作業(yè)安全，提高生物安全柜 安全的健康消毒意識(shí)，對(duì)生物安全柜的泄露監(jiān)測也很有必要。本文按照我國計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1815—2020《Ⅱ級(jí)生物安全 柜校準(zhǔn)規(guī)范》中對(duì)生物安全柜計(jì)量檢測的規(guī)定，設(shè)計(jì)了一種專用氣溶膠模擬的發(fā)生設(shè)備，滿足應(yīng)用于生物安全柜泄露測試實(shí) 驗(yàn)，具備了強(qiáng)大的實(shí)用價(jià)值和普遍的環(huán)境適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：生物安全柜，氣溶膠，模擬發(fā)生裝置，檢測，設(shè)計(jì)

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

0 引 言

生物安全柜是有效地減少實(shí)驗(yàn)室獲得性污染 的可能性，降低人與試劑或樣品與試劑間交換污染 物的可能性，用于防護(hù)作業(yè)人員，維護(hù)試驗(yàn)室環(huán)境， 保存試驗(yàn)器材的至關(guān)重要的設(shè)施[1-3]。一般在操作 或檢驗(yàn)具有感染性的微生物時(shí)需要在生物安全柜 中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作業(yè)，例如：由《人間傳染的病原微生物名錄》中可知，微生物被劃分為第一、二、三和四類 微生物，其中針對(duì)原代培養(yǎng)物或者具有診斷性的標(biāo) 本等之類的含有潛在感染性的生物實(shí)驗(yàn)樣品[4]。微 生物附著在空氣氣溶膠表面便形成生物氣溶膠。容 易產(chǎn)生氣溶膠的作業(yè)包括：操作員對(duì)液體、半流體 實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行是轉(zhuǎn)移、搖晃等操作；操作員對(duì)具有 感染性樣品進(jìn)行振蕩，使用離心機(jī)設(shè)備對(duì)感染性樣 品進(jìn)行離心操作；操作員把液滴加在固體表面上或 另一個(gè)液體中時(shí)都產(chǎn)生有感染性的氣體或危險(xiǎn)性微 粒氣溶膠產(chǎn)生和泄漏，研究表明，試驗(yàn)人員無法通 過肉眼直接觀測到直徑為5 μm左右的氣溶膠會(huì)產(chǎn)生 （5～100） μm直徑的滴液。因此，試驗(yàn)技術(shù)人員在完 成這些試驗(yàn)操作時(shí)為了確保試驗(yàn)安全性往往被規(guī) 定必須在生物安全柜中完成試驗(yàn)作業(yè)[5-8]。

生物安全柜的其中一個(gè)功效就是可以有效抑 制在試驗(yàn)作業(yè)中試驗(yàn)樣本所產(chǎn)生的空氣介質(zhì)，防止 其對(duì)外部環(huán)境和操作者自身造成影響，同時(shí)減少試 驗(yàn)樣品間因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)造成的交叉危害。生物安全 柜可以有效避免實(shí)驗(yàn)操作和樣品處理過程中的樣 品中含有危險(xiǎn)和未知的化學(xué)生物微粒成分所出現(xiàn) 的氣溶膠散逸的負(fù)壓型箱體，且具有空氣凈化功能 的安全裝置[9-12]。

生物安全柜屬于高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，但如果生物安全 柜質(zhì)量不合格，發(fā)生氣體泄露情況，導(dǎo)致微生物從生 物安全柜中擴(kuò)散至公共場所。為保證工作人員和實(shí) 驗(yàn)室環(huán)境不被污染，對(duì)生物安全柜的泄露檢測很有 必要[13-16]。因此，應(yīng)對(duì)生物安全柜定期進(jìn)行計(jì)量檢 測，以減少微生物傳播風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防傳染病擴(kuò)散。根據(jù) 國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1815—2020《Ⅱ級(jí)生物安全柜 校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定，需采用氣溶膠發(fā)生器對(duì)生物安全 柜的泄漏性能進(jìn)行檢測[17]。為此，設(shè)計(jì)一款專用氣溶 膠模擬發(fā)生裝置用于生物安全柜的泄漏檢測，包括 渦流盤、滴液噴嘴；滴液噴嘴懸置于渦流盤頂部，出 液口正對(duì)渦流盤；渦流盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)備是 為檢測在生物安全柜內(nèi)使用或檢測帶有傳染性的細(xì) 菌時(shí)，為了防護(hù)工作人員、試驗(yàn)室周圍環(huán)境和外部自 然環(huán)境、試驗(yàn)樣品，防止暴露在操作過程中所出現(xiàn)的 氣溶膠污染和濺出物發(fā)生泄露而設(shè)計(jì)的裝置。

該氣溶膠模擬發(fā)生裝置主要可應(yīng)用于檢測生 物安全柜的是否發(fā)生泄露的試驗(yàn)，該裝置的材質(zhì) 選用全金屬制作而成，該材質(zhì)外表堅(jiān)硬、耐磨性能 好、不易破損。氣溶膠模擬發(fā)生裝置整體結(jié)構(gòu)簡 單，易組裝、拆卸、使用操作簡便、模擬效果好、具 有一定的可調(diào)節(jié)性，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，具有很強(qiáng) 的實(shí)用性和廣泛的適用性。

1 氣溶膠模擬發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣溶膠模擬發(fā)生裝置由五個(gè)模塊部分組成，其 中包括電機(jī)傳動(dòng)模塊、噴嘴滴液模塊、蠕動(dòng)泵進(jìn)液 模塊和支架模塊以及控制電路模塊。氣溶膠模擬發(fā) 生裝置其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)示意圖如 圖2所示。氣溶膠模擬發(fā)生裝置材料選用全金屬材 質(zhì)，具有耐磨、不易損壞的特點(diǎn)。

如圖1所示，電機(jī)傳動(dòng)模塊、噴嘴滴液模塊和 支架模塊進(jìn)行機(jī)械連接；蠕動(dòng)泵進(jìn)液模塊通過一 個(gè)軟管和噴嘴滴液模塊的進(jìn)口連接；控制電路模塊 和電機(jī)傳動(dòng)模塊、蠕動(dòng)泵進(jìn)液模塊有電路連接。如 圖2所示，生物安全柜氣溶膠模擬發(fā)生裝置包括電 機(jī)、大帶輪、底座、升降桿、基座、蠕動(dòng)泵、輪帶、小 帶輪、渦流盤、滴液噴嘴、滴液支架。

1.2 電機(jī)傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

氣溶膠模擬發(fā)生裝置中的電機(jī)傳動(dòng)模塊由四 個(gè)部分組成：雙頭出軸空心杯微型直流電機(jī)、同步 帶輪、滾動(dòng)軸承以及渦流盤模塊。電機(jī)傳動(dòng)模塊結(jié) 構(gòu)示意圖如圖3所示。

由圖3可知，電機(jī)傳動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)中雙頭出軸空心 杯微型直流電機(jī)采用maxon純進(jìn)口的DC motor，前出 軸直徑為3 mm，軸長13 mm；后出軸直徑3 mm，軸 長15 mm；機(jī)身直徑25 mm，長54 mm。

其中同步帶輪有三個(gè)組成部分：大帶輪、傳輸 帶以及小帶輪。雙頭出軸空心杯微型直流電機(jī)的后 出軸直接插入同步帶輪的大帶輪的輪芯空隙處，并 通過AB膠固定。

其中渦流盤模塊為一個(gè)直徑為38 mm，厚度0.1 mm的超薄金屬薄片形成的渦流盤，直接通過AB膠 固定在一個(gè)直徑為6 mm的T型軸的軸帽上，T型軸的 長軸直接插入滾動(dòng)軸承和小帶輪的輪芯空隙處通 過AB膠固定。因此，雙頭出軸空心杯微型直流電機(jī) 帶動(dòng)同步帶輪高速傳動(dòng)，通過小帶輪帶動(dòng)固定的渦 流盤模塊高速旋轉(zhuǎn)。

1.3 噴嘴滴液模塊設(shè)計(jì)

氣溶膠模擬發(fā)生裝置中的噴嘴滴液模塊由兩 個(gè)部分組成：錐形噴嘴以及噴嘴滴液支架。噴嘴滴 液模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

錐形噴嘴包括一個(gè)內(nèi)徑為1.5 mm，外徑為3.5 mm，長度為7 mm的進(jìn)液處帶寶塔頭的空心圓柱形 進(jìn)液口；一個(gè)內(nèi)徑為1.5 mm，外徑為12.8 mm，柱體 長度為11.2 mm，椎體長度為5.8 mm，椎體滴液口直 徑為0.6 mm的滴液椎體。

噴嘴滴液支架一端有一個(gè)內(nèi)徑為13 mm的噴嘴 安裝孔，錐形噴嘴通過AB膠直接固定在噴嘴安裝 孔內(nèi)。滴液支架另一端有兩個(gè)噴嘴支架安裝孔，直 接通過螺絲和一個(gè)0.1 mm的薄墊片安裝在支架模 塊相應(yīng)處。

1.4 支架模塊設(shè)計(jì)

氣溶膠模擬發(fā)生裝置中的支架模塊主要由兩 個(gè)部分組成：調(diào)整高度支架以及主體支架。支架模 塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

調(diào)整高度支架為一個(gè)“L”型支架，包括調(diào)整高 度支架底座和一個(gè)外徑為15 mm，高度為250 mm 調(diào)整高度支架升降桿，升降桿一端由一個(gè)外徑為 10 mm，長度為13 mm螺柱直接擰進(jìn)調(diào)整高度支架 底座；主體支架通過開一個(gè)內(nèi)徑為15 mm安裝孔直 接安裝在調(diào)整高度支架升降桿上，調(diào)整到合適的高 度，通過一個(gè)“T”緊固螺柱固定。

由圖5可知，結(jié)構(gòu)件1通過三個(gè)螺絲直接固定雙 頭出軸空心杯微型直流電機(jī)；結(jié)構(gòu)件2用來將電機(jī) 傳動(dòng)模塊的滾動(dòng)軸承固定到主體支架上，達(dá)到滾動(dòng) 軸承的外殼和主體支架固定，轉(zhuǎn)動(dòng)部分和渦流盤模 塊的T型軸的長軸固定。

1.5 控制電路模塊設(shè)計(jì)

氣溶膠模擬發(fā)生裝置中的控制電路負(fù)責(zé)整個(gè) 裝置工作，給雙頭出軸空心杯微型直流電機(jī)供電并 驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵工作。

控制電路模塊給雙頭出軸空心杯微型直流電 機(jī)供電，雙頭出軸空心杯微型直流電機(jī)輸出固定的 轉(zhuǎn)速，通過專用的同步帶輪的速比范圍，使得渦流 盤轉(zhuǎn)速控制在28000 r/min±500 r/min。

控制電路模塊通過控制步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)數(shù)來驅(qū) 動(dòng)蠕動(dòng)泵工作，對(duì)蠕動(dòng)泵的彈性輸送軟管交替進(jìn)行 擠壓和釋放來泵送流體，形成一段一段的“枕”形 流體，根據(jù)規(guī)范要求，本裝置控制電路模塊驅(qū)動(dòng)蠕 動(dòng)泵進(jìn)液的指標(biāo)為10分鐘進(jìn)液20 mL。

2 泄漏檢測

使用氣溶膠模擬發(fā)生裝置對(duì)生物安全柜進(jìn)行 泄露檢測步驟是將電機(jī)傳動(dòng)模塊通過結(jié)構(gòu)件1、2 （見圖4）安裝于支架模塊的主體支架內(nèi)。主體支架 直接套進(jìn)支架模塊的調(diào)整高度支架升降桿上，并擰 緊緊固螺柱固定。將噴嘴滴液模塊安裝在主體支架對(duì)應(yīng)的地方，擰緊螺絲。蠕動(dòng)泵進(jìn)液模塊出液端通 過軟管接到噴嘴滴液模塊的噴嘴進(jìn)液口，裝置安裝 完畢。

開始生物安全柜泄露檢測試驗(yàn)，將安裝好的生 物安全柜泄露檢測試驗(yàn)氣溶膠模擬發(fā)生裝置置于 生物安全柜中間，渦流盤盤心在干擾圓筒上方正對(duì) 干擾圓筒的中心，渦流盤的前沿位于生物安全柜前 部開口平面之后100 mm，調(diào)節(jié)裝置高度至渦流盤與 前部開口頂沿水平。

開啟控制電 路 模 塊，渦流 盤保 持 2 8 0 0 0 r / min±500 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，蠕動(dòng)泵進(jìn)液模塊出液 軟管對(duì)噴嘴進(jìn)液模塊進(jìn)行供液；錐形噴嘴滴下的液 體通過高速旋轉(zhuǎn)的渦流盤瞬間完成氣霧化過程，達(dá) 到模擬氣溶膠發(fā)生的效果，使得試驗(yàn)中碘化鉀溶液 得以氣霧化，充分地分布在生物安全柜中。最后，依 據(jù)JJF 1815—2020《Ⅱ級(jí)生物安全柜校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī) 定的方法對(duì)生物安全柜的泄漏性能進(jìn)行檢測。

3 結(jié) 語

近年來隨著生物產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，我國對(duì)實(shí)驗(yàn) 室安全問題的重視逐年提高，生物安全柜在各科研 院所和實(shí)驗(yàn)室都有廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量的保證、使用 的安全性、可靠性目前已受到政府的關(guān)注和重視。 因此，增強(qiáng)對(duì)生物安全柜的質(zhì)量管理和安全使用把 控對(duì)實(shí)驗(yàn)室操作安全和社會(huì)公共安全具有巨大的 推動(dòng)作用。但目前我國生物安全柜的生物污染情況 仍存在一定問題，要引起當(dāng)?shù)毓芾聿块T的重視。需 通過定期檢測生物安全柜的質(zhì)量，保障公眾的生命 健康安全。

所設(shè)計(jì)的生物安全柜氣溶膠模擬發(fā)生裝置，可 應(yīng)用于檢測生物安全柜的是否發(fā)生泄露試驗(yàn)，確保 生物安全柜的安全質(zhì)量，避免在操作或檢驗(yàn)具有感 染性的微生物時(shí)發(fā)生泄露?？捎糜诎芽厣锇踩?的治療，從而保護(hù)人員、實(shí)驗(yàn)樣品、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的安 全，避免生物安全柜發(fā)生泄露而造成危害，經(jīng)計(jì)量 技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定合格，符合生物安全柜泄漏檢測測量 標(biāo)準(zhǔn)器的要求，目前已應(yīng)用于生物安全柜的校準(zhǔn)， 能夠滿足使用需求。

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作者簡介

王勇剛，工程師，研究方向?yàn)槔砘悺?/p>

何燕燕，通信作者，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)量檢測。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）