多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)生物安全柜氣流流速的快速檢測(cè)

魏賢莉，胡良勇，肖建勇

1.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州510030；

2.廣州中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣東廣州 510006

多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)生物安全柜氣流流速的快速檢測(cè)

魏賢莉1，胡良勇1，肖建勇2

1.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州510030；

2.廣州中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣東廣州 510006

采用生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀（BSC01-10S）對(duì)各級(jí)實(shí)驗(yàn)室生物安全柜的氣流流速進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：該自動(dòng)檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)便、快速，而且能實(shí)時(shí)檢測(cè)流速，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)重復(fù)性好；檢測(cè)數(shù)據(jù)還證實(shí)，它能完成III級(jí)生物安全柜氣流流速的自動(dòng)準(zhǔn)確檢測(cè)。

生物安全柜；氣流流速檢測(cè)；多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀；熱式風(fēng)速儀；流速傳感器

生物安全柜是一種負(fù)壓過(guò)濾排風(fēng)柜。它利用空氣凈化技術(shù)實(shí)現(xiàn)第一道物理隔離，并在操作原代培養(yǎng)物、菌毒株以及診斷性標(biāo)本等具有感染性的實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，用來(lái)保護(hù)操作者、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)材料，使其避免露于上述操作過(guò)程中可能產(chǎn)生的感染性氣溶膠和濺出物中[1-3]。生物安全柜是保障生物安全和環(huán)境安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，目前已廣泛應(yīng)用在醫(yī)療衛(wèi)生、疾病預(yù)防與控制、食品衛(wèi)生、生物制藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[4-5]。

生物安全柜氣流流速檢測(cè)分為下降氣流流速和前窗操作口流入氣流流速。所謂下降氣流是來(lái)自生物安全柜上方，經(jīng)高效過(guò)濾器過(guò)濾的垂直向下流向工作區(qū)的氣流，下降氣流用以保護(hù)工作臺(tái)的樣品不受污染。所以對(duì)下降氣流的流速有嚴(yán)格的要求。由于Ⅰ、Ⅲ級(jí)生物安全柜操作區(qū)為亂流，下降氣流流速的測(cè)試僅針對(duì)Ⅱ級(jí)生物安全柜。而流入氣流是從安全柜前窗操作口進(jìn)入安全柜的氣流。生物安全柜最主要的作用就是保護(hù)工作人員，保護(hù)產(chǎn)品和環(huán)境。它的功能主要是通過(guò)頂部下降氣流和前窗流入氣流共同作用完成的[6]。因此，氣流流速的準(zhǔn)確測(cè)量在很大程度上影響了生物安全柜的正常運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外很多廠家、科研機(jī)構(gòu)都致力于生物安全柜氣流流速的高精度、快速測(cè)量技術(shù)及儀器的研究。

傳統(tǒng)的氣流流速測(cè)量方法，如葉輪式法、皮托管式法等存在工況不穩(wěn)定、精度低、測(cè)試空間受限制等問(wèn)題。采用熱式風(fēng)速儀直接測(cè)量，無(wú)須進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，穩(wěn)定可靠，信嗓比好，并且有較大的測(cè)量范圍和寬量程比，可以很好地解決傳統(tǒng)測(cè)量方法在氣流流速測(cè)量中存在的不足[7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物安全柜氣流流速的測(cè)試方法及內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了一系列的研究，如Melvin W.First和Janet M. Macher等人[8]采用微生物法研究了前窗流入氣流速度、前窗開口大小、操作者手的位置和運(yùn)動(dòng)幅度對(duì)于氣溶膠污染物的影響等。東華大學(xué)的趙明琪通過(guò)分析流入氣流與實(shí)際前窗操作口的關(guān)系，下降氣流與前窗流入氣流的關(guān)系，采用模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用單向探頭熱式風(fēng)速儀和萬(wàn)向探頭風(fēng)速儀分別實(shí)際測(cè)量了Ⅱ級(jí)生物安全柜氣流流速，并作進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，最終得出萬(wàn)向探頭風(fēng)速儀測(cè)量的優(yōu)越性。隨后東華大學(xué)的姜?jiǎng)倌小⒗畋蟮热薣9]在此基礎(chǔ)上對(duì)Ⅲ級(jí)生物安全柜氣流流速測(cè)量作了進(jìn)一步的研究，他們通過(guò)在線測(cè)量方法，對(duì)單向探頭和萬(wàn)向探頭進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)還研究了測(cè)量人員和儀器設(shè)備在線測(cè)量時(shí)對(duì)于氣流模式的影響。這些研究為生物安全柜氣流流速自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。但未見關(guān)于氣流流速的自動(dòng)檢測(cè)裝置的相關(guān)研究。本文介紹一種生物安全柜流速檢測(cè)裝置對(duì)生物安全柜內(nèi)部流速的自動(dòng)檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

BSC01-10S生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀實(shí)物圖，見圖1。檢測(cè)儀由主機(jī)單元、從機(jī)單元和PC機(jī)組成。主機(jī)是以AVR單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)密閉空間精密充氣與檢測(cè)，存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果并分析，以及人機(jī)交互等操作。主要包括氣密性檢測(cè)、串口通信、無(wú)線通信、液晶顯示及按鍵輸入等模塊。從機(jī)為一個(gè)移動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)極低風(fēng)速動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，二軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精確控制。由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣流檢測(cè)單元和定位模塊等組成。主機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊向從機(jī)發(fā)送檢測(cè)指令，從機(jī)接收成功后選擇相應(yīng)的檢測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)氣流流速的檢測(cè)。從機(jī)中的無(wú)線通信模塊將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)到的流速值發(fā)送給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的無(wú)線通訊。待檢測(cè)完畢，主機(jī)將從機(jī)發(fā)送的氣流流速值及柜體泄漏氣壓值通過(guò)RS232串口傳至PC機(jī)（上位機(jī)），實(shí)驗(yàn)人員可在PC機(jī)上（上位機(jī)）提取數(shù)據(jù)報(bào)告或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等。儀器由浙江省計(jì)量院進(jìn)行校準(zhǔn)和檢測(cè)，浙江省計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)6項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試，結(jié)果證明樣機(jī)測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)。氣流流速范圍為 0～3 m/s，分辨率為 0.01 m/s，測(cè)量精度為 3%FS。

圖1 生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀實(shí)物圖

1.2 測(cè)定方法

按照DB 44/T 833-2010《生物安全柜快速測(cè)評(píng)方法》要求對(duì)流入氣流流速進(jìn)行測(cè)試。運(yùn)行安全柜，在前窗口操作臺(tái)均勻分布10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)讀取氣流探頭流速至少3次，得到相應(yīng)的氣體速度測(cè)量值，計(jì)算出風(fēng)速的平均值。由于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的間距小，且流入氣流測(cè)試點(diǎn)分布在二維度上。因此須選擇探頭精巧、靈敏度高的流速傳感器，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要確保氣流傳感器能在二維平面上精確運(yùn)動(dòng)。流入氣流流速測(cè)試示意圖，見圖2。

圖2 流入氣流流速測(cè)試示意圖

2 結(jié)果與討論

生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)各級(jí)實(shí)驗(yàn)室不同級(jí)別生物安全柜的流速進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表1～2。

表1 II級(jí)生物安全柜的流速檢測(cè)結(jié)果（m/s）

表2 III級(jí)生物安全柜的流速檢測(cè)

由于n≤10，采用合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差Sp作為重復(fù)性的體現(xiàn)[10]，計(jì)算公式為：

從表1～2的結(jié)果來(lái)看，BSC01-10S生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀的流速檢測(cè)靈敏度高，重復(fù)性好。由于III級(jí)生物安全柜柜體完全氣密，100%全排放式，工作人員通過(guò)連接在柜體的手套進(jìn)行操作，無(wú)法進(jìn)行氣流流速的檢測(cè)，但BSC01-10S生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀具有自動(dòng)化程度高，并適用所有等級(jí)的生物安全柜的流速檢測(cè)，很好地解決了這個(gè)難題。另外可以看出，各級(jí)實(shí)驗(yàn)室的各級(jí)生物安全柜的流速都能符合DB 44/T 833-2010《生物安全柜快速測(cè)評(píng)方法》的氣流流速要求，說(shuō)明生物安全柜的使用確實(shí)能有效地達(dá)到防止微生物的物理指標(biāo)，從而保證防止微生物的生化指標(biāo)，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室工作人員的生命安全[11]。

3 結(jié)束語(yǔ)

生物安全柜檢測(cè)儀的小型化、多功能、低功耗、高性價(jià)比、易操作是智能檢測(cè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外使用的相關(guān)生物安全柜流速的檢測(cè)儀器或裝置，都具有檢測(cè)參數(shù)單一、價(jià)格高、外形體積龐大、檢測(cè)手段復(fù)雜等缺點(diǎn)，而這些缺點(diǎn)限制了生物安全柜參數(shù)檢測(cè)儀應(yīng)用于前窗無(wú)法開啟的Ⅲ級(jí)生物安全柜的流速檢測(cè)。同時(shí)我國(guó)檢測(cè)儀器設(shè)備的精度及穩(wěn)定性、環(huán)境條件的控制等方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。提高儀器的檢測(cè)能力、提供更為準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以更好地指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提高，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)人員提供一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。可以預(yù)見，生物安全柜多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀在生物安全意識(shí)不斷提高的同時(shí)應(yīng)用于生物制藥、食品工業(yè)以及各級(jí)實(shí)驗(yàn)室，將具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

[1] 王清勤,張彥國(guó),許鐘麟,等．生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范的編制背景和主要內(nèi)容介紹[J]．建筑科學(xué),2004,20(6):1-7．

[2] 許鐘麟,王清勤．生物安全實(shí)驗(yàn)室與生物安全柜[M]．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004:2-5．

[3] 馬飛,武文軍,熊陸平,等．生物安全柜的質(zhì)量控制[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012,33(5):113-115．

[4] 何欣,唐敏然,胡良勇,等．生物安全柜性能檢測(cè)的依據(jù)及關(guān)鍵技術(shù)[J]．中國(guó)測(cè)試,2009,35(5):91-94．

[5] 胡良勇．生物安全柜的性能和質(zhì)量控制[J]．醫(yī)療保健器具, 2008,15(8):18-20．

[6] Gilchrist JR,Hmdler J,Fleming DO．Laboratory safety management and update,in isenberg HD clinical microbiology procedures handbook[M]．USA:American Society Microbiology,1992:29-42．

[7] 劉正先,孟慶國(guó),梁永超,等．氣體渦輪流量計(jì)的改進(jìn)級(jí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量[J]．流體機(jī)械,2003,31(5):8-10．

[8] Melvin W,Janet Macher,Robert Gussman,et al．Nebulizer Characteristics for Certification Tests of Biosafety Cabinets with Bacteria and Simulants[J]．Journal of American Biological Safety Association,1998,3(1):26-29．

[9] 李斌,姜?jiǎng)倌?鄒鉞．Ⅱ級(jí)安全柜垂直下降氣流速度的數(shù)值模擬優(yōu)化[J]．醫(yī)療裝備,2008,(8):16-17．

[10] JJF1059-1999,測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999．

[11] 蔣晉生．Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜在BSL-3實(shí)驗(yàn)室中的安裝及調(diào)試[J]．中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014,29(1):119-121．

Fast Airf l ow Velocity Testing of Biological Safety Cabinet with Automatic Multi-Parameter Detector

WEI Xian-li1, HU Liang-yong1, XIAO JIan-yong2
1.Guangzhou Institute of Measuring and Testing Technology, Guangzhou Guangdong 510030, China; 2.School of Basic Medicine, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou Guangdong 510006, China

The airflow velocities of the biological safety cabinets of labs with different levels were detected with automatic multi-parameter detector (BSC01-10S). The detection results indicated that the automatic detector with simple operation steps can accomplish the real-time detection of airf l ow velocity with high accuracy and good repeatability. In addition, the experimental results confirmed that the detector could test the airf l ow velocity of Class III biological safety cabinet automatically and accurately.

biological safety cabinet; airf l ow velocity detection; automatic multi-parameter detector; thermal anemometer; fl ow velocity sensor

R197.39

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.018

1674-1633(2014)07-0050-03

2014-05-15

2014-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（81274145）；廣東省自

然科學(xué)基金（S2012040007005）支助；國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總

局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201110045）；教育部高等學(xué)校

博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20124425120012）支助。

本文作者：魏賢莉，工程師，主要從事醫(yī)療器械計(jì)量器具的檢定/校準(zhǔn)和研究工作。

肖建勇，副教授，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。