高校地球化學超凈實驗室的潔凈度管理

王天天

（中國地質大學（北京）科學研究院，北京 100083）

超凈實驗室是指空氣中顆粒濃度已達到規定清潔度等級的一類實驗室，對環境條件要求較高，目前在地球化學、生物科學、電子工業（微電子、光電子等）、制藥和食品等許多科學和工業領域有廣泛的應用[1-4]。地球化學是研究地球及天體的化學組成、化學作用和化學演化的科學，是地球科學研究中的一個重要支柱。超凈實驗室的出現和發展，推動了很多學科的發展，特別是在地質年代學和同位素地球化學、宇宙化學、海洋和環境地球化學，以及通過顯微取樣技術獲取的樣品分析方面，使我們可以進行超低含量元素及同位素組成的精確分析。隨著我國科研實力的快速增強和“雙一流”建設的開展，高校作為科學研究和人才培養的重要平臺也建設了許多地球化學超凈實驗室。地球化學超凈實驗室對實驗室的環境空間條件有很高的要求，對某些對實驗室本底（即在實驗過程中引入的污染）要求高的實驗，潔凈將直接影響到實驗結果的質量。高效實用的超凈實驗室設計是提高潔凈度的主要先決條件，在設計、建設和運行過程中要全面分析潛在的污染源，并采取有效措施將污染源盡量降低，同時必須遵守嚴格的規范和進行有效的維護管理[5]。高校地球化學超凈實驗室使用人員較為復雜，地球化學超凈實驗室內空間相對封閉，并且儲存和使用很多化學試劑和儀器設備，因此在實驗室建設和運行過程中，需要建立完善的管理體系，才能保持實驗室高且穩定的潔凈度，從而獲得高質量的實驗數據[6]。

一 超凈實驗室的分級

超凈實驗室的潔凈等級通常根據在單位體積空氣中分散的給定尺寸的氣溶膠顆粒的數量來確定的，因此空氣中微米級顆粒的去除是提高超凈實驗室潔凈度至關重要的一環。超凈實驗室內空氣中顆粒濃度的檢測通常是利用光散射（離散）塵埃粒子計數器，可以顯示或記錄空氣中離散粒子的數量和粒徑。目前通用的標準是國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）公布的ISO 14644-1《Cleanrooms and associated controlled environments,Classification of air cleanliness》[7]。該標準規定了9個ISO潔凈度級別，用ISO+N來表示，其中N是基于1m3的空氣中等于或大于0.1μm的顆粒的十進制對數，即ISO 2的環境是指在1m3的空氣中大于等于0.1μm的顆粒數不多于100個（表1）。目前我國應用的國家標準GB/T 25915.1—2021《潔凈室及相關受控環境 第1部分：按粒子濃度劃分空氣潔凈度等級》[8]也采用了上述ISO標準。美國聯邦標準FED STD 209E[9]曾被世界各國廣泛采用，這個標準在2001年被美國環境科學委員會正式宣布廢除，用ISO 14644-1的標準替代，但是一些建設超凈實驗室的公司和實驗室使用人員仍在使用這個標準作為參照依據，這兩個標準之間分級的對照關系見表1。地球化學超凈實驗室的潔凈等級通常要求為ISO 6級，通風櫥內ISO 5級。

表1 根據ISO 14644-1[7]和美國聯邦標準FED STD 209E[9]標準劃分超凈室空氣潔凈度等級

二 超凈實驗室潛在的污染源

超凈實驗室空氣中的懸浮顆粒主要有三種來源：1）實驗室外部空氣中的懸浮粒子，通過門或實驗室通風系統的送風管道進入實驗室；2）實驗室內的物品；3）實驗室人員。不同類型、不同來源和通過不同的過程產生的顆粒在組成和大小上存在著不同，因此，對研究不同元素的地球化學超凈實驗室需要重點關注的污染源也存在著不相同。在城市和工業地區的空氣顆粒以金屬元素為主，如Zn、Mn、Cu、Al、Cr、Pb、Ni和As等[10-11]，而來自鄉村地區顆粒主要以Ca、Si、Al和Fe為主[1]。但是，不同區域分布的工礦企業的數量、規模和類型、農業活動、植被覆蓋比例和長期的空氣質量等的不同也會造成空氣顆粒組成變化。實驗室內物品的污染主要是通過緩慢腐蝕釋放的顆粒，常見的物品包括墻壁、地板、天花板、涂料、建筑材料、實驗室內設備及器具和實驗室清潔工具等，主要以Ca、Si、Al、Fe、Na、Mg、K、Tl、Cu和Mn為主。來自實驗人員的污染風險主要取決于使用的實驗服、手套、化妝品及是否嚴格遵守實驗規范[1]。來自實驗人員的污染源通常包括皮膚碎屑和油、汗水、唾液、化妝品、香水、衣服碎屑和頭發等。常見成年人皮膚含有1 050μg/g的Na元素、560μg/g的K元素、310μg/g的P元素、110μg/g的Ca元素、40μg/g的Mg元素、11.2μg/g的Fe元素、5.66μg/g的Zn元素、0.524μg/g的Cu元素[12]。汗液中含有相當多數量的Na、K、Fe、Ca和Mg元素[13]，人類頭發中含有36～305μg/g的Zn元素、7～31μg/g的Cu元素和12～47μg/g的Fe元素等[14]。化妝品中含有的微量元素含量變化很大，也是超凈實驗室的污染源之一，包括唇膏（Bi、Zn、Fe、Mg、Ti和Mn）、眼影（Bi、Si、Fe、Mn、Ti、Al、Cr和Mg）、腮紅（Si、Fe、Mg、Ti和Ca）、睫毛膏（Na、Fe、Mg、Ti、Cr和Al）、粉底液（Ti、Al、Zn和Fe）、粉餅（Ti、Si、Bi、Fe、Zn、Mg和Ca）和護 手 霜（Al、Zn、Ti和Mg），這些應該在潔凈實驗室工作的時候避免或盡量減少使用。

三 地球化學超凈實驗室的潔凈度管理

（一）控制和減少超凈實驗室外部空氣污染

為了消除或減少實驗室外部空氣顆粒帶來的污染，大部分超凈實驗室的進風使用HEPA過濾器來進行空氣過濾，其對于大于等于0.3μm的顆粒的去除效率達99.97%，具有風阻小、容塵量大和凈化效率高的特點。超凈實驗室內的氣流采用層流送風，即氣流方向平行，一般采用頂部潔凈送風下側排風的垂直流方式。室外空氣進入實驗室內前，經初效過濾器、中效過濾器、前級中效（亞高效）過濾器、高效過濾器和凈化空調處理，這些過濾裝置需要定期更換，以保證其過濾效果，特別是在外部空氣質量較差的情況下，過濾裝置的更換頻率要更勤。

超凈實驗室內應做好空間和空氣流動的規劃，根據功能劃分為不同級別的房間或工作區，根據級別設定空氣壓力和空氣流動方向，不同區域間的空氣壓力按空氣流動的方向逐漸降低，壓差約5～30 Pa，其中最潔凈的房間空氣壓力最大，以便使整個系統的潔凈空氣流動方向為從最干凈的區域流向實驗室中最不干凈的區域的入口。超凈實驗室內的壓差通過送風量和排風量的大小來控制。

超凈實驗室的送風、排風系統（空氣壓力的控制系統）應設置為變頻控制，各工作區單獨可控，可依據實驗室內部工作和頻繁開關門、通風櫥打開和關閉及環境溫度變化引起的壓力變化及時調整。隨著技術的進步，現在很多超凈實驗室都配備了智能控制系統，能夠實時監測自動調控，例如在中國地質大學（北京）新建的地質年代學地球化學實驗室中應用了智能自動控制系統，根據布置在走廊兩端和入口處的監控系統，能夠實時監測實驗室的溫度、濕度和壓力，根據各工作區狀態的不同，自動調整，保證實驗室內環境的穩定。

（二）控制和減少地球化學超凈實驗室內部潛在污染

超凈實驗室內部潛在的污染源主要來自實驗室內的裝修材料、設備、樣品和物品等。超凈實驗室在裝修前要對實驗室各個部分使用的裝修材料進行充分仔細的考慮和設計。實驗室的水泥墻面、涂料、金屬件及易腐蝕的塑料等，必須被非金屬的、耐化學腐蝕的材料（例如聚丙烯、聚乙烯或特氟龍材料）替換或覆蓋。實驗室的裝修材料，例如墻壁、天花板、地板、電力系統和排氣系統等必須能夠在長時間內耐各種化學試劑（無機酸、有機酸和溶劑等）的腐蝕，并要定期維護保持清潔。值得注意的是，盡管不含金屬、耐酸和耐堿的塑料是超凈實驗室的理想建筑材料，但是在實驗室內空氣相對濕度較低的情況下，這些材料往往會積累負電荷，并能有效地吸引帶正電的灰塵顆粒，如木材、金屬、頭發、羊毛、玻璃或人體皮膚，然后在濕度變化時會將這些顆粒釋放到實驗室環境中，成為實驗室空氣中潛在的污染源。因此實驗室內的溫度和濕度要實時監測并控制在一定的范圍內，理想情況下，實驗室溫度維持在-20℃，濕度水平維持在40%～50%的相對濕度，以減少靜電的產生。為了減少在實驗人員行走時產生的靜電，實驗室地面最好粘貼抗靜電、耐酸堿、耐腐蝕和易清洗的材料。超凈實驗室內使用的實驗服、防護用具及清潔用品（如清潔劑、擦拭紙和拖把等）也應該選擇超凈實驗室專用的。例如在選擇實驗服時，除了考慮防護性能，還要無塵、防靜電。紙屑也是潛在的污染源，因此，應該選擇超凈實驗室專用的無塵紙。此外，從實驗室外進入實驗室的物品，需在實驗室外拆箱、擦拭。

在樣品處理和儲存的過程中也可能會造成污染，因此在地球化學超凈實驗室內通常要配備ISO 5級（百級）超凈安全柜（通風櫥），來進行樣品或試劑的處理。另外，在處理對健康有危害的化學品時，應該在配備有排風裝置的通風櫥中進行，并且送風和排風保持平衡，即沒有空氣通過通風櫥的開口進出，防止有害氣體對人的傷害。這些超凈安全柜（通風櫥）配備有HEPA過濾器，可以將空氣中的顆粒濃度降低兩個數量級。在普通化學實驗室中，也可以使用這樣的超凈安全柜（通風櫥）創造局部的清潔工作環境。超凈安全柜（通風櫥）內為層流氣流，有垂直或水平方向兩種方式，這兩種類型的通風櫥產生的空氣質量沒有區別，但在處理樣品的時候要注意空氣流動的方向，盡量不要在樣品的來風方向放置潛在的污染源。為了延長超凈安全柜的HEPA過濾器的使用壽命、降低維護成本、保證潔凈度等級及溫度濕度的恒定，超凈柜的送風通常采自超凈實驗室的ISO 6級的空氣。

實驗室的水和試劑（特別是酸）不僅用來清潔實驗器具，也用來作為樣品分析的溶劑，因此，要求低全流程空白的地球化學超凈實驗室都需要對水和酸進行純化處理。現代實驗室一般使用商業的超純水機來進行水的過濾和去離子化，獲得電阻為18.2MΩ（25℃）的去離子水。超凈實驗室的酸的純化一般使用亞沸蒸餾的方法，根據需要的潔凈度等級進行一次或多次蒸餾。

實驗室內的器具是直接接觸樣品的，為了減少對樣品的污染，這些實驗器具的材料的性質和組成必須要特別注意，并且嚴格清洗。現代超凈實驗室的實驗器具通常使用合成聚合材料。自從化學家RoyPlunkett在1938年發明了特氟龍（聚四氟乙烯）以來，已有多種含氟聚合物在地球化學超凈實驗室中使用，大多數具有出色的熱性能，機械性能和化學性能。目前實驗器具中用的最多的聚合物包括聚四氟乙烯（PTFE）、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物（PFA）、氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）、聚醚醚酮（PEEK）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）。在制作這些塑料實驗器具的時候會用到機械加工和成型兩個技術，在這兩個過程中使用的金屬工具和模具可能會引入Ni、Al、Mn、Cu和Fe的污染。因此，對新的和用過的實驗器具進行嚴格的清洗非常重要，通常需要非常繁瑣的步驟，包括依次用不同的酸，如鹽酸（HCl）和硝酸（HNO3）和去離子水進行浸洗，有時更徹底的清洗還會用到王水（濃HCl和濃HNO3按體積比3∶1配制而成的混合物）并需要花費幾天的時間。清洗方法要根據特定的要求進行調整，例如在做某些特殊微量元素的研究，如Re、Os、Ta、W和Pb元素或同位素時，為了降低空白水平，還需要更嚴格的清洗步驟，一般需要用濃氫氟酸（HF）在高溫下進行長時間反復的浸洗。

（三）控制和減少實驗人員帶來的污染

實驗人員也是超凈實驗室內主要的污染源之一，實驗室所有實驗人員都應該了解保持超凈實驗室潔凈的重要性及需要注意的問題。為了減少實驗人員身體帶來的污染，并保護實驗人員不受實驗試劑（如酸、堿）的傷害，幾乎所有超凈實驗室都要求實驗人員穿戴實驗服、手套、面罩和頭罩，在要求高的超凈實驗室中一般還要求穿連體實驗服。實驗人員也應減少帶入實驗室內的物品數量（例如鑰匙、手表、戒指和打火機等），同時減少或避免使用化妝品（包括口紅、唇膏、眼影、眉筆、睫毛膏、眼線筆、指甲油、發膠和香水等）。實驗人員在實驗室內的活動也會產生大量的灰塵（表2），因此要控制進入實驗室的人員，并在超凈實驗室內盡量減少或減慢活動。超凈實驗室人員也要嚴格遵守超凈實驗室行為規范，減少對樣品和環境的污染，同時保護自己不受傷害，保持和維護好超凈實驗室的清潔環境，降低實驗全流程空白，保證實驗結果的準確性和精確性。

表2 人的活動產生的顆粒數量

四 地球化學超凈實驗室運行管理

高校地球化學超凈實驗室是進行微量和極微量地球化學樣品、元素和同位素組成分析的重要場所，為了獲得高質量的測試結果，需要盡量提高實驗室潔凈度，降低實驗過程引入的污染。因此，維護良好的地球化學超凈實驗室潔凈度是實驗成功的有力保障。

（一）實行嚴格的準入制度和崗前培訓制度

超凈實驗室，特別是化學類的超凈實驗室要實行嚴格的準入登記制度和進行崗前培訓。實驗室可以使用門禁鎖，只有進行過實驗室安全和操作培訓并考核合格后才可以獲得實驗室的準入權限。對不同人員可以進行不同的權限區分，例如實驗室主管或實驗室固定實驗人員可以擁有全天進入實驗室的權限，而學生或外來訪問實驗人員可以設置只有白天或在工作日的工作時間可以進入實驗室。進入實驗室的人員必須要登記進出實驗室的時間、工作內容和實驗室有無異常情況等。為了保持超凈實驗室的潔凈度和降低實驗環境的污染，必須限制同時進入實驗室內的人數。

（二）制定詳細的實驗室規章制度

為了保證實驗室能夠正常運行，要制定詳細的實驗室運行維護和操作流程規范等規章制度，包括實驗室日常清潔內容和頻次、儀器設備的使用和運行維護說明、實驗流程說明、實驗室行為規范和應急預案等，這些規章制度要確保所有實驗人員都知曉并遵守。

（三）實驗室設備運行管理

地球化學超凈實驗室內除了必需使用的儀器設備，應盡量減少放入超凈實驗室的儀器設備的數量，一是為了保持地球化學超凈實驗室的潔凈度，二是保護儀器設備免受實驗室內使用的各種試劑的腐蝕。實驗儀器設備在進入實驗室前，需要去除外包裝，并進行除塵，根據每個設備對安裝環境的要求和實驗操作的便捷性進行合理安置。地球化學超凈實驗室內常用的儀器設備有酸純化器、純水機、超純水機、電熱板、超聲清洗機、高精度天平、離心機和恒溫振蕩器等。為了保證儀器設備正常、安全的運行，每臺儀器設備都應：1）制定操作規范和使用維護保養規范；2）由專人負責運行維護；3）使用人員培訓并考核合格后方可使用；4）使用后務必清潔歸位；5）定期檢查維護；6）做好使用記錄，記錄內容包括使用時間、使用人員、工作內容、設備狀態及有無異常。

五 結束語

高校地球化學超凈實驗室是進行同位素地球化學、宇宙化學、海洋和環境地球化學等研究必備的場所，高標準的超凈實驗室的建設和有效的管理和維護是保證實驗室潔凈度的重要基礎。在進行超凈實驗室設計、建設和運行管理時，要全面分析潛在污染，進行科學合理的實驗室設計和詳細規劃，制定詳細的實驗室日常清潔和維護政策、實驗室設備運行和維護政策，建立嚴格有效的規章制度，以及對實驗人員進行定期的培訓以保證其嚴格執行實驗室行為規范，這些內容是超凈實驗室提高潔凈度和獲得高質量數據的重要保證。