生物安全三級實驗室改造關鍵技術分析探討*

李福安 安淑一 徐曉婷 李玉范 毛玲玲*

生物安全三級實驗室(bio-safety level Ⅲlaboratories，BSL-3)是按照國家標準(GB19489-2004)“實驗室生物安全通用要求”[1]中的BSL-3防護標準建立的實驗室，是專門針對通過氣溶膠傳播，可導致嚴重后果或生命的內源性和外源性病原而特設的適用于臨床、診斷、教學和研究的設置[2]。原衛生部關于“省、地、縣級疾病預防控制中心實驗室建設指導意見”(衛辦疾控發[2004]108號)中明確要求，省級疾控中心必須建設BSL-3[3]。遼寧省疾控中心按照國家標準要求進行了BSL-3的設計施工，經國家建筑工程質量監督檢驗中心按國家標準(GB50346-2004)“生物安全實驗室建筑技術規范”[4]的BSL-3相關技術指標進行全面檢測，各項指標均符合規范的要求。隨著新版國家標準(GB19489-2008)“實驗室生物安全通用要求”[5]的實施，導致原有實驗室因未達到新標準的要求而無法使用。新版的通用要求對生物安全實驗室提出了更高要求，必須進行升級改造，使實驗室能夠滿足新標準要求。

1 新版國家標準的解讀

新標準提出了實驗室防護區概念，更加明確了生物安全實驗室污染風險較大的區域，明晰了污染區和清潔區域的區分和隔離，在實驗室設計及流程規劃方面，具有重要的指導意義。其中BSL-3是新版“實驗室生物安全通用要求”的主要內容，是修訂后差異最大的一類實驗室。

1.1 細化BSL-3的分類

根據生物安全實驗室建設和管理的原則，以病原傳播特性和實驗室所采用的安全隔離設施為基礎，明確了從操作人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)等非經空氣傳播致病性生物因子的實驗室，到操作禽流感病毒等經空氣傳播致病性生物因子的實驗室的要求。在不降低安全水平的同時，使國家標準的適用性更廣泛，利于節約資源和科學管理實驗室。

1.2 BSL-3分區與國際接軌

新版國家標準明確了實驗室防護區的概念。“防護區”概念是基于風險評估的宏觀控制理念，利于實驗室根據需求建設適用的實驗室。引入防護區的概念，并不影響實驗室現有的分區方法，且使國家標準與國際標準互通性更強，利于國際合作與交流，符合國家標準的制定原則。

1.3 定義實驗室嚴密性和其他控制參數

新版國家標準定義了實驗室嚴密性和其他控制參數數值范圍，明確了采用煙霧測試、空氣泄漏率檢測法或壓力衰減法檢查實驗室防護區內圍護結構嚴密性的適用條件，并將檢測方法作為標準的資料性附錄。

1.4 實驗室內的送排風方式

新版國家標準引入國際成熟經驗和做法，不具體限制房間的送排風方式。標準強調氣溶膠概念，在實驗工作中盡可能減少產生氣溶膠的操作，所有可能產生氣溶膠的實驗操作應在生物安全柜內進行，同時在通風系統設計中，對實驗室內的氣流采取流向控制的手段，保持室內的空氣定向流動，避免產生亂流。

1.5 過濾器單元的屬性和功能

新版國家標準提出排風系統高效微粒空氣過濾器(high efficiency particulate air filter，HEPA)單元的具體屬性和功能，保證過濾器的有效性，明確要求可以原位消毒和檢漏，并將公認的掃描檢漏方法作為標準的資料性附錄。

2 BSL-3改造關鍵技術

通過開展BSL-3的安全風險評估，按照2008版規范條文要求主要對通風系統和通訊系統進行改造。

2.1 通風系統技術改造措施

新版國家標準要求“HEPA過濾器的安裝位置應盡可能靠近送風管道在實驗室內的送風口端和排風管道在實驗室內的排風口端”。

對于生物安全實驗室而言，安全為第一位。在實驗室改造時必須理解和考慮本標準要求的所有與生物安全相關的設計原則，并經過風險評估[6]。安全的核心措施是排風保負壓，保證周圍環境不受污染，排風系統的HEPA是保證實驗操作過程中感染性氣溶膠不外泄的最后防線，應盡可能縮短與實驗室之間管道的長度，以減少污染區域，保證此段管道消毒的效果，確保管道的氣密性和消毒效果，并應給予驗證。

2.1.1 技術改造措施

(1)在防護區的兩個核心工作間內各自安裝了2臺HEPA過濾器，安裝位置在核心區的墻壁上距地30 cm，在保證總排風量和負壓值的前提下，實現了到室內排風口的最短距離。

(2)“應可以在原位對排風HEPA進行消毒滅菌和檢漏”。新標準中加強并落實對排風HEPA進行原位消毒滅菌和檢漏的要求。HEPA是生物安全實驗室的最重要的二級防護屏障，阻止實驗室空氣中的有害粒子進入外部環境中，其表面可能存留了高致病性病原微生物，其完整性須得到保證。應根據實驗室的情況，定期對HEPA過濾器檢漏。此外，檢漏、維護或更換HEPA過濾器時，應先消毒滅菌，避免感染人和污染環境。改造措施關鍵設備HEPA采用國際最先進的產品，且具備掃描驗證功能的CamSafe 3型高效過濾送排風設備(美國Camfil公司)，其本身帶有原位撿漏的機械裝置、采樣頭和測量過濾器阻力變化的壓力表。

(3)在改造該實驗室時，重點考慮了HEPA過濾器的安裝方式，以利于定期在原位對排風HEPA進行消毒滅菌和檢漏。排風HEPA安裝在核心工作間墻壁的下方，工作人員更換防護服后進入核心區，可以方便地對HEPA過濾器進行液體噴霧消毒，并用檢測儀器連接HEPA的專用接口進行原位撿漏掃描。

(4)國內對HEPA消毒滅菌的方法通常包括氣體熏蒸和液體噴霧的方式，氣體熏蒸包括局部循環方式[7-8]。由于氣體無孔不入，而可同時消毒管道、容易進行消毒效果驗證，是必然發展趨勢。針對液體噴霧消毒，仍缺乏相應的研究數據，如標準操作程序、消毒的范圍、適用的微生物及驗證方法等，因此采用局部氣體循環消毒HEPA如圖1所示。

圖1 局部氣體循環消毒HEPA方法示意圖

(5)對HEPA過濾器消毒滅菌的效果與微生物在環境中的穩定性、BSL-3實驗室的類型有關，某些微生物在環境中的生存能力極低，芽孢則反之；在正常工作時，其HEPA過濾器的污染程度會較高；實驗室在設計消毒方案時應充分評估和確認，考慮多種因素，以達到安全、經濟適用、避免引入新風險的目的。實驗室宜首先確定消毒方法，可采用過氧化氫、二氧化氯及甲醛熏蒸等方法，再根據設施和消毒設備的特點由專業人員設計消毒方案，通過試運行驗證消毒效果[9-10]。

2.1.2 HEPA檢漏方法

(1)掃描檢漏或全效率檢漏法是目前國際上通用的方法。掃描檢漏法通過采樣頭在靠近過濾器出風面的位置沿過濾器的所有表面及過濾器與裝置的連接處以固定速度移動，測試局部過濾效率，判斷過濾器是否發生泄漏。全效率檢漏法通過測試過濾器的總過濾效率判斷過濾器是否發生泄漏。全效率檢漏法需在被測過濾器出風面之后設置混流段，以使氣溶膠在風道截面上均勻分布，下游采樣口應選擇在混合較好的區域。全效率檢漏法一般用于無法接近HEPA過濾器的高效空氣過濾裝置檢漏，精度較掃描檢漏法低[11]。HEPA上某點的局部效率低于給定限值或HEPA過濾器的總效率低于99.97%即為過濾器泄漏。

(2)對HEPA進行檢漏的關鍵因素之一是選擇適宜的示蹤粒子，所發生氣溶膠的粒子直徑為0.3 m，濃度和粒徑要分布均勻和穩定，應優先選用對人和環境無害、不易造成實驗室污染的物質，目前可用的包括癸二酸二異辛酯[Di(2-ethylhexyl)sebacate，DEHS]、鄰苯二甲酸二辛酯(dioctyl phthalate，DOP)或聚α烯烴(Polyaphaolefin，PAO)等。

(3)新標準推薦了對HEPA檢漏的公認方法。生物安全實驗室的HEPA過濾器主要用于捕集攜帶生物因子的微粒。目前，HEPA過濾器的捕集能力(效率)主要是針對粒子大小而言，與是否是化學粒子或生物粒子無關。作為示蹤物，生物粒子的劣勢為：①粒子直徑通常在數微米(μm)，不符合過濾器檢漏的公認方法定義的要求；②其需要培養，檢測周期長且難以避免部分細菌培養不出來，出現假陰性結果；③造成實驗室生物性污染。

2.1.3 生物型密閉閥的安裝

(1)“應在實驗室防護區送風和排風管道的關鍵節點安裝生物型密閉閥，必要時，可完全關閉。應在實驗室送風和排風總管道的關鍵節點安裝生物型密閉閥，必要時，可完全關閉”。該條款具有生物型密閉閥和關鍵節點的兩個要點。

(2)生物型密閉閥，送、排風管道密閉閥的生物安全作用是當出現事故、消毒及停運期間等現象時，實現與外環境之間的隔離，防止感染型氣溶膠外泄，作為區域劃分中物理隔離的裝置，可以防止氣體在不同區域間的流動。密閉閥應視為其所在部位結構完整性的一部分，密閉性能要符合其所隔離部位的要求，其主要發揮保證生物安全的作用，BSL-3改造采用的生物型密閉閥應滿足：①密封性符合其所在部位的要求、耐腐蝕、耐老化和耐磨損；②關斷時間符合不同工況的要求；

(3)“關鍵節點”與實驗室的復雜程度和送排風設計方案直接相關[12]。通過對整個實驗室運行風險的評估，確定防護區中的核心工作區是污染概率最大的區域，應在實驗室核心工作區靠近圍護結構處的送風和排風干管上安裝生物型密閉閥，以滿足核心工作間緊急故障狀態和氣體熏蒸消毒狀態的要求；也要在防護區和輔助工作區之間分隔處的送風和排風干管上安裝生物型密閉閥，在必要時實現防護區與其他區域之間的隔離。改造工程的15個密閉閥已經安裝在送風支路節點和排風支路節點上，借助自控及硬件連鎖手段，可以在工況需要切換時自動關閉。

2.1.4 監測HEPA過濾器的阻力

(1)“應設裝置連續監測送排風系統HEPA過濾器的阻力，需要時，及時更換HEPA過濾器”；“應在有負壓控制要求的房間入口的顯著位置，安裝顯示房間負壓狀況的壓力顯示裝置和控制區間提示”。HEPA過濾器是高級別生物安全實驗室最重要的二級防護設備，阻止有害生物因子進入環境，必須保證其性能正常。通過連續監測送排風系統HEPA過濾器的阻力，可實時觀察HEPA過濾器阻力的變化情況，便于及時更換HEPA過濾器。當過濾器的阻力顯著下降時，應考慮HEPA過濾器破損的可能。對于實驗室改造重點需要考慮的是阻力監測方案，因為每個實驗室HEPA過濾器的安裝方案不同。

(2)有負壓控制要求的防護區內各個房間入口的顯著位置，安裝物理壓力顯示裝置，是指針式壓差計，既直觀又可靠，目的是使人員在進入房間前再次確認房間之間的壓差情況，做好思想準備和執行相應的方案。應注意的是，此處監測房間之間的相對壓差。

(3)有負壓控制要求的防護區內各個房間排風高效過濾器端，安裝壓力傳感器裝置，通過線路接入控制系統的核心可編程邏輯控制器，并可以將數據傳輸到控制電腦，由控制電腦顯示并存儲采集的壓力值，目的是使操作人員在進入房間前了解過濾器阻力壓差變化情況，做好更換過濾器的準備，應注意監測過濾器前后端的壓差。

2.2 通訊系統技術改造措施

(1)新版國家標準要求，“需要時，應可立即解除實驗室門的互鎖；應在互鎖門的附近設置緊急手動解除互鎖開關”。核心工作間附屬的緩沖間，具有雙門互鎖功能以保障核心工作間的壓力梯度及感染型氣溶膠的外泄，但是該裝置不利于緊急撤離時的逃生。通訊及弱電系統改造時按新標準規定，增加實驗室門的互鎖解除的解除按鈕，以便在需要時人員可立即逃出。實驗室互鎖的門會影響人員的通過速度，應有解除互鎖的控制機制。當出現緊急狀態時，監控室工作人員通過通訊系統中的對講機告知核心工作間人員需要緊急撤離，并通過中控系統解除所有門或指定門的互鎖[13]。同時，撤退人員也可以手動解除設在每扇互鎖門附近的緊急手動解除互鎖開關，安全撤離。

(2)“核心工作間的緩沖間的入口處應有指示核心工作間工作狀態的裝置(如文字顯示或指示燈)，必要時，應同時設置限制進入核心工作間的連鎖機制”。按規定，在BSL-3核心工作間的緩沖間的入口處，安裝工作狀態顯示裝置，其目的是防止人員意外或隨意進入核心工作間。在實驗進行中或發生溢灑事故時，不允許人員隨意進出房間。基于此，在實驗室改造過程中，緩沖間的入口處應有表明核心工作間內部狀態的顯示，如紅燈、綠燈、黃燈3組，提示其他人員暫時不要進入核心工作間。必要時應在核心工作間內部鎖住緩沖間對外的門，限制人員進入。

2.3 通訊及弱電系統的技術改造

(1)新版國家標準要求，“實驗室防護區內應設置向外部傳輸資料和數據的傳真機或其他電子設備；監控室和實驗室內應安裝語音通訊系統。如果安裝對講系統，宜采用向內通話受控、向外通話非受控的選擇性通話方式；通訊系統的復雜性應與實驗室的規模和復雜程度相適應”。該條款是關于BSL-3通訊系統的要求。實驗室通訊系統的形式包括語音通訊、視頻通訊和數據通訊等，均在網絡綜合布線系統的基礎上完成，傳輸的基帶信號為數字信號，目的主要有兩個，安全方面的信息交流和實驗室數據傳輸，包括語言、文字、圖像和數據。在實驗室運行期間，監控室內要有工作人員值守。

(2)為避免污染擴散的風險，在實驗室防護區內(通常為核心工作間)設置的傳真機或計算機網絡系統，將實驗數據、實驗報告、數碼照片等資料和數據向實驗室外傳遞。在BSL-3實驗室內從事的高致病性病原微生物相關的實驗活動，是一項復雜、精細、高風險和高壓力的活動，需要工作人員高度集中精神，始終處于緊張狀態。為盡量減少外部因素對實驗室內工作人員的影響，監控室內的通話器宜為開關式。在實驗間內采用免接觸式通話器，使實驗操作人員隨時可方便地與監控室人員通話。

(3)適用的通訊設備設施包括電話、傳真機、對講機、選擇性通話系統、計算機網絡系統、視頻系統等等，根據實驗室的規模和復雜程度選配，已經合理的設置通訊點的位置及數量。保證了實驗室通訊的暢通，并符合實驗室安全性的要求。目前在兩個核心工作間、緩沖間、準備間、一更衣間、二更衣間均安裝電話，在核心工作間安裝了對講機、傳真機和網絡接口。在實驗室改造過程中，應用了第四代通訊技術4G網絡， 安裝了短信收發器，內置移動的SIM卡，可將設施運行過程中發生的報警和故障信息發給指定人員，便于及時了解和快速處置。

3 BSL-3改造后檢測效果

根據對新標準制定了BSL-3的詳細整改方案，該方案經國家認可委員會的資深專家論證后給予充分肯定，并提出補充建議，確認最終的改造方案。

BSL-3改造方案確認后，經過正規的招投標程序。由專業施工單位按該方案進行改造，改造工程完成后，再次通過國家建筑工程質量監督檢驗中心按國家標準GB50346-2011“生物安全實驗室建筑技術規范”[14]中的BSL-3要求的標準進行了全面檢測，各項技術指標均達到要求。改造后的實驗室已通過國家認可委員會的BSL-3認可。

4 結論

根據國家新標準要求，BSL-3內的排風裝置應該盡量靠近排風口端，在現場條件許可的情況下設計成頂送風頂排風，保證室內定向氣流，可減少一段排風管道，并且對排風過濾單元的維護可以放在設備層進行。

在BSL-3中，緊急手動解除互鎖開關裝置是整個核心實驗室內人員安全保證措施，但是在正常化使用時，對人員的操作應該有明確要求，嚴格避免誤操作和誤碰觸，保證核心實驗室的整體安全性。

高效過濾器已經設立連續的監測裝置，但最終阻力多大時應更換高效過濾器，只能在實際應用中逐步摸索，并與整個實驗室的運行工況相結合。若實驗室在使用狀態中，則應推遲更換高效過濾器，待到實驗結束消毒后方能進行更換，高效過濾器的更換應統一進行，更換前后須統一消毒。

BSL-3的設施及設備應有專業的供應商負責維護，每次使用前或使用中應根據監控指標確認設施設備的性能處于正常工作狀態，并記錄。設施設備維護、修理、報廢或被移出實驗室前應先清潔和消毒滅菌；同時要求維護人員穿戴適當的防護裝備，充分的保護人員、環境的安全。