中國建筑科學研究院 袁藝榮 李屹 曹國慶

       【摘   要】匯總了2011年至2016年國家建筑工程質量監督檢驗中心現場檢測的85臺手套箱式隔離器的氣流流向、箱體內外壓差、送排風高效過濾器檢漏、工作區氣密性等性能指標的實測數據，分析了國內手套箱式隔離器的運行現狀，給出了現場檢測中遇到的問題及相應解決方法，以期為相關標準完善手套箱式隔離器現場檢測及評價方法提供幫助。

       【關鍵詞】手套箱式隔離器、現場檢測、評價方法

       【基金項目】“十三五”國家重點研發計劃“生物安全關鍵技術研發專項”課題“高等級病原微生物實驗室風險評估體系建立及標準化研究”（編號：2016YFC1202202）

0 引言

       實驗動物隔離器的種類有很多種，根據壓力可分為正壓隔離器和負壓隔離器，正壓隔離器是指隔離器內壓力高于外部大氣壓力，多用于清潔動物飼養( 防止外部環境感染內部環境)；負壓隔離器則指隔離器內壓力低于外部大氣壓力，多用于感染動物試驗( 防止內部環境有害物質污染外部環境) ，生物安全實驗室主要使用負壓隔離器。根據負壓隔離器的生物安全防護性能，又可分成非密閉式隔離器和氣密式隔離器。手套箱式動物隔離設備屬于氣密式隔離設備，作為一種生物安全一級隔離屏障，目前被廣泛應用于高等級生物安全實驗室領域，特別是高等級動物生物安全實驗室。

       有關實驗動物隔離器現場檢測性能指標統計分析的文獻相對較少，張宗興、祁建城等^[1]根據不同類型實驗動物隔離器的結構特點，對各測試項目的現場評價指標及方法進行了分析研究，本文依據其研究成果及相關國家標準，對2011年至2016年國家建筑工程質量監督檢驗中心現場檢測的85臺手套箱式隔離器的氣流流向、箱體內外壓差、送排風高效過濾器檢漏、工作區氣密性等性能指標實際測試結果進行了大數據分析，給出了國內手套箱式隔離器的運行現狀，歸納了現場檢測中遇到的問題及相應解決方法，以期為相關標準完善手套箱式隔離器現場檢測及評價方法提供幫助。

1 隔離器結構及分類

       手套箱式動物隔離設備的結構及設備外觀示意圖如圖1及圖2所示。該類設備在使用過程中能夠在有效保護實驗動物活動所需環境的同時實現動物與外界環境的隔離，避免操作人員暴露于實驗操作過程中動物產生的生物氣溶膠和濺出物，同時可以有效防止病原微生物向外界環境的泄漏。

圖1 手套箱式隔離器工作原理示意圖

圖2 手套箱式隔離器設備外觀

       我國目前高等級生物安全實驗室使用的手套箱式隔離器按照用途劃分，主要分為動物飼養隔離器與動物解剖隔離器兩類；按照動物種類劃分，分為嚙齒動物隔離器、禽用隔離器、豬隔離器、猴隔離器、雪貂隔離器等；按產地劃分，分為國產隔離器和進口隔離器，大部分高等級生物安全實驗室中使用的是國產隔離器，其中又分為若干個品牌。

2 標準要求

       2.1 測試項目及評價方法

       為了能夠充分反映手套箱式隔離器的實際運行情況，同時有效地驗證設備對人員及產品的保護作用，通過分析整理了國內外相關規范標準中所涉及的測試項目，主要依據RB/T 199-2015《實驗室設備生物安全性能評價技術規范》^[2]進行，該規范同時參考YY0569-2011《Ⅱ級生物安全柜》、JG170-2005《生物安全柜》、GB50346-2011《生物安全實驗室建筑技術規范》、GB50591-2010《潔凈室施工及驗收規范》、EJ/T1096-1999《密封箱室密封性分級及其檢驗方法》中的相關條文，分別對手套連接口氣流流向、箱體內外壓差、送/排風高效過濾器檢漏以及工作區的氣密性的測試方法及評價標準進行說明。具體測試方法及評價標準見表1。

表1 手套箱式隔離器測試方法及評價標準

       對表1所述內容進行幾點說明：

       （1）手套連接口氣流流向的測試目的在于，當手套方式破損或脫落時，箱體內直接與外環境相通，導致箱體內壓力無法保持，導致設備內空氣存在外逸的可能，增加操作人員被感染風險。ISO14644-7:2004《潔凈室及相關受控環境第7部分：隔離裝置（潔凈風罩、手套箱、隔離器、微環境）》^[3]條款9.2中給出了“手套口風速指導值為0.5 m/s。”的要求。

       （2）要求隔離器在正常工作狀態下箱體與外環境保持相對負壓，目的是防止在動物飼養或手術操作過程中產生的病原微生物向外界環境的泄漏以及操作人員暴露于生物氣溶膠和濺出物。GB 14925-2010《實驗動物環境及設施》^[4]中5.1表1、5.2.2表3與GB 50447-2008《實驗動物設施建筑技術規范》^[5]中表3.1.1、3.2.2中同樣要求應用于動物實驗、檢疫的隔離器應為負壓工況，其隔離設備的內外靜壓差應達到50Pa。

       （3）隔離器內部安裝的送、排風高效過濾器在保護實驗動物生存環境及保護人員不受到實驗操作過程的污染上起著關鍵作用。在現場安裝后投入使用前（包括負壓動物籠具被移動位置后）應對送、排風高效過濾器進行檢漏，以防止由于裝卸、運輸過程對過濾器損壞，進而導致的過濾器泄漏的可能。

       （4）隔離器工作氣密性測試的目的在于保證隔離器在運行操作、故障停機、轉運過程中裝備內部的危險氣溶膠不會外泄至周邊環境，以及裝備在內部消毒過程中可以保持整個消毒周期內的壓力以及消毒氣體濃度，從而確保最終的消毒滅菌效果。測試時可采用壓力衰減法，并要求參考等效采用ISO 10468-2的EJ/T 1069-1999《密封箱式密封性分級及其檢驗方法》中相應條款^[6]進行，該標準對設備檢驗有效的條件也進行了規定，其中5.2.5 a）中要求“箱室內部相對壓力的變化必須小于初始值的30%”。

       2.2 測試條件及步驟

       以上測試項目的測試條件及大致步驟分別如下：

       （1）對手套連接口氣流流向的測試，主要采用發煙法，觀察氣流的流向是否向內，同時可以用風速儀測試向內氣流的速度。

       （2）對箱體內外壓差的測試，設備正常運行的狀態下，使用壓力計接入隔離器的壓力測口，進行壓力測試和讀數。

       （3）對送/排風高效過濾器檢漏的測試時首先應對過濾器上游濃度進行測試，對上游濃度達不到檢漏標準的情況應采用人工發塵的方法增加上游濃度。對過濾器下游采用掃描法或全效率法進行檢漏測試。

       （4）對工作區氣密性的測試，采用壓力衰減法。測試周期為1小時，通過初始和終止參數計算小時泄漏率，不超過0.25%即為合格。具體的測試過程及泄漏率的計算見EJ/T 1069-1999《密封箱式密封性分級及其檢驗方法》，曹國慶^[7]-[8]等對氣密性的相關測試方法作出了分析和評價。

3 現場檢測及評價方法分析

       3.1 數據來源

       本文匯總整理了2011年至2016年國家建筑工程質量監督檢驗中心現場檢測的85臺手套箱式隔離器的實際測試數據，并對現場檢測出現的問題及相關評價方法進行分析。

       所測試的85臺手套箱式隔離器，按年份統計為：2011年度累計測試2臺；2012年度累計測試4臺；2013年度累計測試2臺；2014年度累計測試9臺；2015年度累計測試20臺；2016年度累計測試48臺。各年度隔離器檢測數量分布見圖3。

圖3 各年度隔離器檢測數量分布

       從圖3可以看出：

       （1）2011年至2013年手套箱式隔離器測試數量基本保持穩定，但測試數量較少，并且均只對部分項目進行檢測。這是由于2014年之前，生物安全領域的規范中并沒有針對該類關鍵防護設備的具體評價標準，導致使用方僅能通過廠家自檢報告或委托檢測機構對部分項目進行檢測來判定產品是否合格。

       （2）2014年到2015年，手套箱式隔離器測試數量增長幅度較大，這是因為2014年CNAS-CL53 《實驗室生物安全認可準則對關鍵防護設備評價的應用說明》^[9]作為內部評審文件的出臺。但對于手套箱式隔離器這類關鍵防護設備的測試項目并沒有進行強制規定，造成僅有部分設備按照全項目進行檢測。

       （3）2016年，手套箱式隔離器測試數量繼續大幅度增長，并且全部設備均進行全項目檢測。這是因為2016年7月RB/T 199-2015《實驗室設備生物安全性能評價技術規范》正式實施，使得全國各類高等級實驗室內關鍵防護設備的評審工作更加規范化、系統化，手套箱式隔離器的測試項目得以完全按照規范要求進行，測試方法及評價標準也得到規范化的統一。

       3.2 現場檢測數據

       3.2.1 手套連接口氣流流向檢測

       通過匯總85臺手套箱式隔離現場檢測數據，得出手套箱式隔離器測試合格率，具體數據及分布情況見表2。

       表2 手套連接口處氣流合格率對比

       從表2可以看出：

       （1）在檢測的85臺手套箱式隔離器中，手套連接口處均能形成定向氣流，且均未出現氣流外逸現象，氣流流向合格率均達到100%。

       （2）在檢測的85臺手套箱式隔離器中，手套連接口處實測風速有61臺低于0.5m/s，占整體數量的71.8%，不低于0.5m/s的數量占比28.2%，即大部分手套箱式隔離器手套連接口處實測風速不符合ISO14644-7:2004《潔凈室及相關受控環境第7部分：隔離裝置（潔凈風罩、手套箱、隔離器、微環境）》條款9.2中“手套口風速指導值為0.5 m/s”的要求。

       3.2.2 箱體靜壓差檢測

       通過匯總85臺手套箱式隔離現場檢測數據，得出隔離器箱體靜壓差合格率對比見表3。

表3 各品牌隔離器箱體靜壓差合格率對比

       從表3可以看出：

       （1）在檢測的85臺隔離器中，按照相對負壓值不小于-50Pa評定，合格率均可達到75%以上。結果表明，目前進口及國產隔離器在正常運行工況下，除個別品牌型號隔離器低于相關規范對于靜壓差50Pa的要求，其余大部分均能滿足規范要求。

       （2）數據顯示無法達到規范要求的隔離器均集中在2015年之前，即CNAS-CL53頒布實施之前，通過對上述品牌型號無法滿足要求的隔離器進行了解后發現，主要原因為該型號產品主要供應獸用生物制藥企業，其箱體內負壓設計值均按照廠家自身要求進行確定，且上述品牌對應的型號截至2015年后均已不再供應高等級生物安全實驗室的使用，改由新型號代替使用。

       3.2.3 送、排風高效過濾器檢漏

       所檢測的85臺手套箱式隔離器有12臺未進行該項目測試，對剩余的73臺手套箱式隔離器送排風高效過濾器的初測檢漏結果分別進行統計，結果如圖4和圖5所示。

圖4 送風高效過濾器初測檢漏合格率分布情況

圖5 排風高效過濾器初測檢漏合格率分布情況

       從圖4和圖5可以看出：

       （1）送風高效過濾器初測檢漏合格率為98.6%、排風高效過濾器初測檢漏合格率為91.5%。可見，送、排風高效過濾器檢漏合格率均達到90%以上，并且經過排查處理，復測均合格。

       （2）送風高效過濾器檢漏一次通過率高于排風高效過濾器，分析原因主要是因為部分品牌隔離器其排風高效從結構安裝上較之送風更易出現泄漏可能，如排風高效所在腔體如密封不嚴，會導致外界污染空氣隨負壓進入過濾器下游被測試儀器采集到。

       3.2.4 工作區氣密性檢測

       所檢測的85臺手套箱式隔離器有12臺未進行該項目測試，對剩余的73臺手套箱式隔離器的氣密性檢驗結果進行統計，結果見表4。

表4 隔離器氣密性合格率分布統計

       從表4可以看出：

       （1）大部分品牌在初測過程中均出現泄漏率不滿足要求的現象。檢測過程中發現，針對用于禽類飼養的密封隔離籠具尤為明顯，主要歸因于其箱體本身未進行有效密封以及由于材料工藝選擇存在差異，均會造成系統部件存在泄漏風險

       （2）以上所有隔離器經整改后泄漏率均符合規范要求。根據EJ/T 1069-1999的要求，對設備檢驗有效的條件也進行了規定，其中5.2.5 a）中要求“箱室內部相對壓力的變化必須小于初始值的30%”，對以上73臺隔離器進行統計發現，有部分出現超出限定壓力衰減幅度的現象，但跟蹤發現上述設備在常年使用中均未發生因密封性不足而導致的生物安全事故，因此我們有理由相信該密封性能夠滿足高等級生物安全實驗室的風險控制需求。

4 探討

       以上對2011年至2016年國家建筑工程質量監督檢驗中心現場檢測的85臺手套箱式隔離器進行數據匯總整理，通過結果分析可以得出隔離器的運行現狀。下面總結了實際檢測過程中出現的問題及針對性的解決方法。具體如下：

       （1）在對隔離器手套接口處的氣流流向進行測試時，所有隔離器均能滿足氣流流向明顯向內無外逸的要求，而當按照ISO 14644-7:2004《潔凈室及相關受控環境第7部分：隔離裝置（潔凈風罩、手套箱、隔離器、微環境）》條款9.2中給出了“手套口風速指導值為0.5 m/s。”的要求進行評價時，有大部分隔離器無法達到。

        當隔離器手套脫落或破損后，房間內的氣流或操作人員擾動等因素會對隔離器腔體內氣流造成干擾，為防止隔離器內的病原微生物氣溶膠外逸，應控制手套口風速，類似于通風柜、生物安全柜等工作窗口面風速的控制。JG 170-2005《生物安全柜》^[10]規定安全柜工作窗口進風平均風速不小于0.5m/s，JG/T 222-2007《實驗室變風量排風柜》^[11]規定排風柜操作窗口平均面風速不小于0.5m/s，JG 170-2005《生物安全柜》第4.1.3條規定“當密閉手套脫落時，其與柜體連接處的洞口風速應不小于0.7m/s”。實驗表明當該進風風速過大時（>0.8m/s），一方面增加能耗，另一方面容易引起柜內氣流紊亂，造成隔離器內氣溶膠外溢。可以看出ISO 14644-7對0.5m/s的指導值是合理的。

       目前國內使用的手套箱式隔離器的形式、規格很多，大部分廠家選用的排風機風量或壓頭受限，且往往缺少變風量調節措施，致使大部分手套箱式隔離器手套口的風速無法滿足0.5m/s的要求。為使隔離器內氣流均勻，減少渦流，避免病原微生物氣溶膠的外逸，建議手套箱式隔離器廠家通過風機選型和變頻等技術對現有設備進行升級改造，以期在實際操作過程中，將泄漏風險降至最低。另外，在對手套箱式隔離器進行現場檢測和評價時，應對手套口風速進行測試評價。

       （2）對箱體靜壓差進行測試時發現，不滿足要求的隔離器主要供應獸用生物制藥企業，其箱體內負壓設計值均按照廠家自身要求進行確定，在相關規范出臺后這些型號的隔離器已不再供應高等級生物安全實驗室的使用，改由新型號代替使用。目前，運用于高等級實驗室中的隔離器基本均能達到50Pa的靜壓差要求。

       （3）對送/排風高效過濾器進行檢漏測試時發現，送風高效過濾器檢漏方法以掃描方式為主，而由于其排風機均位于高效過濾器下游，排風高效過濾器檢漏方法通常使用效率法。效率法是通過分別測試高效過濾器上、下游離子濃度后通過計算得出，因此要求測試點的位置能夠代表過濾器上、下游空氣混勻后的濃度，但目前市場上產品均未對測試點的均勻性進行過測試，易對測試結果造成偏差。因此，對于不具備掃描檢漏條件的過濾器均可采用效率法，但應按照GB 50346-2011《生物安全實驗室建筑技術規范》^[12]在過濾器下游混合均勻處設置采樣點。另外，彎頭以及風機等均會對管路內氣流的紊流情況產生較大影響，此影響是可能導致空氣中的粒子損失。因此，全效率法檢漏測試在測試精度上相比于掃描檢漏測試有著明顯的不足，以高等級生物安全實驗室為代表的高風險控制環境，應在風險評估的基礎上，審慎確定該方法的適用范圍與條件。

       （4）對隔離器工作區氣密性進行測試時發現，密閉式隔離器所安裝的供人員操作的橡膠手套，由于其材質原因，易導致隔離器在氣密性測試過程中對測試容積的改變。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應采取必要措施防止其體積發生較大變化。但此種做法無法再驗證手套自身泄漏程度，如在動物飼養或設備轉運過程中造成肉眼不可見的破損，則僅能依靠箱體產生的負壓來進行對人員的防護。根據上述原因，建議除對箱體進行氣密性驗證的同時，還應制定專門針對手套密封性的驗證措施。

5 結論

       5.1 手套箱式隔離器手套接口處的氣流流向基本能滿足明顯向內無外逸的要求，但大部分隔離器無法達到ISO14644-7：2004中給出的手套口風速指導值0.5 m/s，建議隔離器廠家通過風機選型和變頻等技術對現有設備進行升級改造，以期在實際操作過程中，將泄漏風險降至最低。在現場檢測時應對手套口風速進行測試評價。

       5.2 高等級生物安全實驗室中的手套箱式隔離器箱體靜壓差基本能達到-50Pa的靜壓差要求。

       5.3 現有手套箱式隔離器送風高效過濾器檢漏方法以掃描方式為主，排風高效過濾器檢漏方法通常使用效率法，應在風險評估的基礎上，審慎確定效率法檢漏的適用范圍與條件。

       5.4 手套箱式隔離器氣密性測試時，除對箱體進行氣密性驗證的同時，還應制定專門針對手套密封性的驗證措施。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。