53.0Ⅱ级生物安全柜的过滤器完整性测试方法探讨

Ⅱ级生物安全柜是目前应用最为广泛的柜型，通过高效过滤器的洁净气流从生物安全柜顶部垂直吹下，通过工作区域，在到达工作人员的呼吸区域前被俘获；气流在放空前被过滤；所有的Ⅱ级生物安全柜都通过合理有效的气流组织提供工作人员、环境和产品的保护。世界卫生组织（WHO）在颁布的实验室生物安全手册中要求用户选择正确类型的生物安全柜，进行安装并正确使用，同时每年进行认证，NSF49和YY0569标准都要求生物安全柜维护检验要求至少每年一次。当生物安全柜移位、更换过滤器和内部部件维修后，也要进行维护检验。本文讨论的是Ⅱ级生物安全柜的主要测试项目：高效过滤器的完整性测试方法。

[关键词] 生物安全柜；高效过滤器（HEPA）；气溶胶PAO；完整性测试

[中图分类号] R318 [文献标识码] B [文章编号] 1673-7210（2009）09（b）-150-04

欧盟生物安全柜统一标准EN12469:2000[1]、美国生物安全柜NSF/ANSI 49-2008[2]标准、我国相关标准《生物安全柜》YY0569-2005[3]均对生物安全柜的型号进行了分类，并对性能检测有明确的规定。其中Ⅱ级生物安全柜依照入口气流风速、排气方式和循环方式等分为4个类型：A1型，A2型（原B3型），B1型和B2型，其中A2型和B2型生物安全柜是目前世界上最普遍使用的。A2型生物安全柜前窗气流速度最小量或测量平均值应至少为0.5 m/s，70%气体通过过滤器再循环至工作区，30%的气体通过排气口过滤排除。B2型生物安全柜的排气系统与紧急电源相连，在断电下仍可保持生物安全柜负压，以免危险气体泄漏，其前窗气流速度最小量或测量平均值应至少为0.5 m/s，100%全排，无内部循环气流，可同时提供生物和化学的安全控制。

安装在生物安全柜内的空气过滤器是由坚硬外壳支撑的一次性的、具有延伸和皱褶介质的过滤膜组成的。主要起到过滤细菌和灰尘颗粒的作用，以净化吹入生物安全柜工作区和排放出的气体。目前生物安全柜中常采用的是对 0.3 μm尘埃粒子拥有截流效率为99.99%的 HEPA 高效过滤器，以及 99.999 8%的截流效率的 ULPA 超高效过滤器。

对于Ⅱ级生物安全柜，以上标准均规定了各项测试参数和合格标准[4]，测试包括人员保护、产品保护和交叉污染保护的微生物挑战、下降气流速率、流入气流速率、噪声、照度、振动、高效过滤器完整性测试（气溶胶测试－挑战实验）、气流烟雾模式等十几个项目。其中对高效过滤器安装前后进行完整性测试是目前国际上通行的做法[5]。这项测试是获得ISPE、ASTM、FDA和EU认可的对生物安全柜或洁净室进行安装确认必不可少的项目。测试高效过滤器泄漏率是保证生物安全柜“洁净”以及悬浮粒子测定的基础，其重要性在于它对高效过滤器的材质、安装和使用可靠性提出了具体的要求，即以保证高效过滤器的整体质量来达到生物安全柜的洁净度。

1 高效过滤器的完整性测试　　

生物安全柜在出厂前就应对高效过滤器完整性作出评价，就高效过滤器有无泄漏进行测试，以确保它们是符合规定的。同时因为高效过滤器是非常脆弱的材料，甚至落地或轻微碰撞就会损坏，所以，在运输和装卸的过程中保证过滤器材不受损坏是非常重要的。同样的原因，高效过滤器应该在生物安全柜所安置的实验室进行现场测试[6]。本文讨论的就是高效过滤器的完整性的现场测试，目的是找到最佳的气溶胶发生方式和以及完整性测试方法。

引入高效过滤器上游的气溶胶是PAO，即多分散系poly-alpha-olefin。PAO发生器可分为热发生和冷发生两种，热发生器TDA-5B是利用蒸发冷凝的原理，被雾化的气溶胶粒子用加热器蒸发，并在特定条件下冷凝成微小液滴，去掉过大和过小的液滴后留下0.3 μm左右的雾状PAO进入高效过滤器上游，粒径分布在0.1～0.3 μm。冷发生器TDA-4B是利用压缩空气在液体中鼓气泡，经laskin喷管飞溅产生物态的多分散相PAO气溶胶，最大分布粒径在0.65 μm左右。本文对两种发生方式和三种不同型号的高效过滤器都进行了测试研究。

高效过滤器完整性测试（检漏）中用的检测仪器是气溶胶光度计，是一种前散射线性光度计，它由真空泵、光散射室、光电倍增管、信号处理转换器和微处理器等组成。其工作原理是：当气流被真空泵抽至光散射室时，其中的颗粒物质散射光线至光电倍增管。在光电倍增管中，光被转换成电信号，此信号经放大和数字化后由微处理器分析，从而测定散射光的强度。通过与参比物质产生的信号的对比，可以直接测量气体中颗粒物质的质量浓度。

本次测试研究的是两种气溶胶发生方式在不同气流流速下的差异，从而对测试方法进行研究。

1.2 测试步骤　　

气溶胶的两种发生方法以及测试步骤如下：

1.2.1 DA－4B，冷发生气溶胶测试方法 ①在被测设施的外侧准备好压缩空气气源，并将气溶胶发生器ATI TDA-4B连接于被测Ⅱ级生物安全柜的上游吸入口。压缩空气输入TDA-4B的压力保持大于4 kg/cm3的状态，正常开启风机，使得与送风混匀后的气溶胶进入被测设施内的高效过滤器上游并稳定一段时间。确保气溶胶（PAO）均匀分布在该高效过滤器的上游。②打开TDA－2H气溶胶（PAO）光度计，直到获得稳定的气溶胶（PAO）上游浓度值时建立100％上游浓度基准；气溶胶（PAO）上游浓度不小于20 μg/L。③使用TDA－2H气溶胶（PAO）光度计在被测设施内高效过滤器下游测试泄漏浓度，测试点分布于被测设施内高效过滤器的所有断面以及密封材料的连接处，对整个滤器面、滤器与边框之间、边框与边框之间以及边框与静压箱之间的密封处进行扫描。扫描时采样头距滤器面约1英寸（约2.54 cm），扫描速度不超过5 cm/s。扫描按直线来回往复地进行，线条间应重叠。读取测试数据。④测试值取其最大值作为最终泄漏浓度（％），即高效过滤器完整性测试结果。

1.2.2 TDA－5B，热发生气溶胶测试方法 ①在被测设施的外侧准备好氮气钢瓶，并将气溶胶发生器ATI TDA-5B连接于被测Ⅱ级生物安全柜的上游吸入口。保证氮气输入TDA-5B的压力保持大于4 kg/cm3的状态，加热气溶胶（PAO）到385～400℃并达到稳定，正常开启风机，使得与送风混匀后的气溶胶进入被测设施内的高效过滤器上游并稳定一段时间。确保气溶胶（PAO）均匀分布在该高效过滤器的上游。②打开TDA－2H气溶胶（PAO）光度计，以下步骤与上述TDA－4B冷发生气溶胶测试方法一致。

1.3 测试仪器

TDA-4B 气溶胶发生器（冷发生气溶胶）：TDA-5B 气溶胶发生器（热发生气溶胶）；TDA-2H 气溶胶光度计：气溶胶ATI PAO-4 多分散系（ATI 68649－12－7）；Dwyer 471数字式风速仪。

2 测试结果

2.1高效过滤器（HEPA）气溶胶PAO浓度约为20 μg/L，即高效过滤器上游亚微颗粒浓度在200万～300万时的测试结果

2.2 高效过滤器（HEPA）气溶胶PAO浓度约为40 μg/L，即高效过滤器上游亚微颗粒浓度在350万~500万时的测试结果

2.3 高效过滤器（HEPA）气溶胶PAO浓度高于60 μg/L，即高效过滤器上游亚微颗粒浓度在400万~1 000万时的测试结果

从以上测试结果可以看出：三台Ⅱ级生物安全柜的高效过滤器完整性良好，但冷发生气溶胶和热发生气溶胶测试方法存在差异，尤其是较高流速下差异明显。

3 讨论　　

相对冷发生气溶胶来说，热发生气溶胶测试方法可以在更短时间内达到较高的气溶胶（PAO）上游浓度，而且上游浓度的量值更稳定，分散度更好，亚微颗粒比例更高，因此穿透性更好，缺点是需要足够的稀释和冷却空间，否则就会使很大一部分气溶胶冷凝在高效过滤器表面，还可能影响高效过滤器表面性能，因此它对循环风量大于15 000 m3/h的高效过滤器完整性测试效果更好，对Ⅱ级生物安全柜这类较小空间的测试可能不适合采用热发生气溶胶的测试方法。

采用冷发生气溶胶测试方法更为简便，只需控制压缩空气气源压力稳定即可进行测试，而且在达到上游浓度数值后，对Ⅱ级生物安全柜安装的高效过滤器（HEPA）测试数值稳定，因上游浓度数值的变化导致的测试数值变化极小，且因冷发生气溶胶没有空气中冷凝的过程，过滤器表面不会有油状积聚物残留，适合在较小循环风量和较小空间内进行的过滤器完整性测试，通过对各种型号二十多台Ⅱ级生物安全柜的测试，均获得成功；缺点是上游浓度有限度，气溶胶无法达到较高数值。　　截面风速对高效过滤器（HEPA）完整性测试影响较大，风速越大越容易被穿透。相对而言，热发生气溶胶的影响更为明显。

热发生气溶胶的上游浓度可以达到最高，更适合性能验证或挑战试验。

随着我国生物技术和基因治疗等前沿领域的发展和深入，生物安全柜的使用安全将会越来越重视，所以研究安全、有效地使用生物安全柜，并在安全性验证和测试方面保持与国际同步或者领先的研究是非常必要的。气溶胶挑战测试在国际上已经成为了一个极其常规的检测手段，而在国内却还刚刚起步。为了保证生物安全柜的安全性，为了准确地验证高效过滤器，为了精确评估洁净区域的洁净程度，为了能准确估算limitation-of-risks（危险上限），高效过滤器（HEPA）的完整性测试以及方法学的研究都将会大有发展。