生物安全柜氣溶膠模擬發生裝置研究

王勇剛 程琳 何燕燕

摘 要：在試驗操作中，有害細菌可以經由空氣流通道或者試劑用品進行傳染，而生物安全柜則可以防止在工作中所形成的 氣溶膠對外環境傳播以及減少對操作者健康的影響，也能夠減少樣品間因為氣溶膠污染而形成的交叉污染。生物安全柜作為 一個有人員保護，同時保存生物試驗樣本與測試環境場所的裝置，一旦生物安全柜中存在氣體泄漏等質量問題，會對人類健 康造成不可逆的影響。因此，為保證工作人員的安全防護和實驗室環境不被污染，同時確保實驗作業安全，提高生物安全柜 安全的健康消毒意識，對生物安全柜的泄露監測也很有必要。本文按照我國計量校準規范JJF 1815—2020《Ⅱ級生物安全 柜校準規范》中對生物安全柜計量檢測的規定，設計了一種專用氣溶膠模擬的發生設備，滿足應用于生物安全柜泄露測試實 驗，具備了強大的實用價值和普遍的環境適應性。

關鍵詞：生物安全柜，氣溶膠，模擬發生裝置，檢測，設計

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.026

0 引 言

生物安全柜是有效地減少實驗室獲得性污染 的可能性，降低人與試劑或樣品與試劑間交換污染 物的可能性，用于防護作業人員，維護試驗室環境， 保存試驗器材的至關重要的設施[1-3]。一般在操作 或檢驗具有感染性的微生物時需要在生物安全柜 中進行實驗作業，例如：由《人間傳染的病原微生物名錄》中可知，微生物被劃分為第一、二、三和四類 微生物，其中針對原代培養物或者具有診斷性的標 本等之類的含有潛在感染性的生物實驗樣品[4]。微 生物附著在空氣氣溶膠表面便形成生物氣溶膠。容 易產生氣溶膠的作業包括：操作員對液體、半流體 實驗樣品進行是轉移、搖晃等操作；操作員對具有 感染性樣品進行振蕩，使用離心機設備對感染性樣 品進行離心操作；操作員把液滴加在固體表面上或 另一個液體中時都產生有感染性的氣體或危險性微 粒氣溶膠產生和泄漏，研究表明，試驗人員無法通 過肉眼直接觀測到直徑為5 μm左右的氣溶膠會產生 （5～100） μm直徑的滴液。因此，試驗技術人員在完 成這些試驗操作時為了確保試驗安全性往往被規 定必須在生物安全柜中完成試驗作業[5-8]。

生物安全柜的其中一個功效就是可以有效抑 制在試驗作業中試驗樣本所產生的空氣介質，防止 其對外部環境和操作者自身造成影響，同時減少試 驗樣品間因為空氣介質造成的交叉危害。生物安全 柜可以有效避免實驗操作和樣品處理過程中的樣 品中含有危險和未知的化學生物微粒成分所出現 的氣溶膠散逸的負壓型箱體，且具有空氣凈化功能 的安全裝置[9-12]。

生物安全柜屬于高風險設備，但如果生物安全 柜質量不合格，發生氣體泄露情況，導致微生物從生 物安全柜中擴散至公共場所。為保證工作人員和實 驗室環境不被污染，對生物安全柜的泄露檢測很有 必要[13-16]。因此，應對生物安全柜定期進行計量檢 測，以減少微生物傳播風險，預防傳染病擴散。根據 國家計量校準規范JJF 1815—2020《Ⅱ級生物安全柜 校準規范》的規定，需采用氣溶膠發生器對生物安全 柜的泄漏性能進行檢測[17]。為此，設計一款專用氣溶 膠模擬發生裝置用于生物安全柜的泄漏檢測，包括 渦流盤、滴液噴嘴；滴液噴嘴懸置于渦流盤頂部，出 液口正對渦流盤；渦流盤由電機驅動轉動。本設備是 為檢測在生物安全柜內使用或檢測帶有傳染性的細 菌時，為了防護工作人員、試驗室周圍環境和外部自 然環境、試驗樣品，防止暴露在操作過程中所出現的 氣溶膠污染和濺出物發生泄露而設計的裝置。

該氣溶膠模擬發生裝置主要可應用于檢測生 物安全柜的是否發生泄露的試驗，該裝置的材質 選用全金屬制作而成，該材質外表堅硬、耐磨性能 好、不易破損。氣溶膠模擬發生裝置整體結構簡 單，易組裝、拆卸、使用操作簡便、模擬效果好、具 有一定的可調節性，符合標準規范要求，具有很強 的實用性和廣泛的適用性。

1 氣溶膠模擬發生裝置設計

1.1 整體結構設計

氣溶膠模擬發生裝置由五個模塊部分組成，其 中包括電機傳動模塊、噴嘴滴液模塊、蠕動泵進液 模塊和支架模塊以及控制電路模塊。氣溶膠模擬發 生裝置其結構框圖如圖1所示，整體結構示意圖如 圖2所示。氣溶膠模擬發生裝置材料選用全金屬材 質，具有耐磨、不易損壞的特點。

如圖1所示，電機傳動模塊、噴嘴滴液模塊和 支架模塊進行機械連接；蠕動泵進液模塊通過一 個軟管和噴嘴滴液模塊的進口連接；控制電路模塊 和電機傳動模塊、蠕動泵進液模塊有電路連接。如 圖2所示，生物安全柜氣溶膠模擬發生裝置包括電 機、大帶輪、底座、升降桿、基座、蠕動泵、輪帶、小 帶輪、渦流盤、滴液噴嘴、滴液支架。

1.2 電機傳動模塊設計

氣溶膠模擬發生裝置中的電機傳動模塊由四 個部分組成：雙頭出軸空心杯微型直流電機、同步 帶輪、滾動軸承以及渦流盤模塊。電機傳動模塊結 構示意圖如圖3所示。

由圖3可知，電機傳動模塊結構中雙頭出軸空心 杯微型直流電機采用maxon純進口的DC motor，前出 軸直徑為3 mm，軸長13 mm；后出軸直徑3 mm，軸 長15 mm；機身直徑25 mm，長54 mm。

其中同步帶輪有三個組成部分：大帶輪、傳輸 帶以及小帶輪。雙頭出軸空心杯微型直流電機的后 出軸直接插入同步帶輪的大帶輪的輪芯空隙處，并 通過AB膠固定。

其中渦流盤模塊為一個直徑為38 mm，厚度0.1 mm的超薄金屬薄片形成的渦流盤，直接通過AB膠 固定在一個直徑為6 mm的T型軸的軸帽上，T型軸的 長軸直接插入滾動軸承和小帶輪的輪芯空隙處通 過AB膠固定。因此，雙頭出軸空心杯微型直流電機 帶動同步帶輪高速傳動，通過小帶輪帶動固定的渦 流盤模塊高速旋轉。

1.3 噴嘴滴液模塊設計

氣溶膠模擬發生裝置中的噴嘴滴液模塊由兩 個部分組成：錐形噴嘴以及噴嘴滴液支架。噴嘴滴 液模塊結構示意圖如圖4所示。

錐形噴嘴包括一個內徑為1.5 mm，外徑為3.5 mm，長度為7 mm的進液處帶寶塔頭的空心圓柱形 進液口；一個內徑為1.5 mm，外徑為12.8 mm，柱體 長度為11.2 mm，椎體長度為5.8 mm，椎體滴液口直 徑為0.6 mm的滴液椎體。

噴嘴滴液支架一端有一個內徑為13 mm的噴嘴 安裝孔，錐形噴嘴通過AB膠直接固定在噴嘴安裝 孔內。滴液支架另一端有兩個噴嘴支架安裝孔，直 接通過螺絲和一個0.1 mm的薄墊片安裝在支架模 塊相應處。

1.4 支架模塊設計

氣溶膠模擬發生裝置中的支架模塊主要由兩 個部分組成：調整高度支架以及主體支架。支架模 塊結構示意圖如圖5所示。

調整高度支架為一個“L”型支架，包括調整高 度支架底座和一個外徑為15 mm，高度為250 mm 調整高度支架升降桿，升降桿一端由一個外徑為 10 mm，長度為13 mm螺柱直接擰進調整高度支架 底座；主體支架通過開一個內徑為15 mm安裝孔直 接安裝在調整高度支架升降桿上，調整到合適的高 度，通過一個“T”緊固螺柱固定。

由圖5可知，結構件1通過三個螺絲直接固定雙 頭出軸空心杯微型直流電機；結構件2用來將電機 傳動模塊的滾動軸承固定到主體支架上，達到滾動 軸承的外殼和主體支架固定，轉動部分和渦流盤模 塊的T型軸的長軸固定。

1.5 控制電路模塊設計

氣溶膠模擬發生裝置中的控制電路負責整個 裝置工作，給雙頭出軸空心杯微型直流電機供電并 驅動蠕動泵工作。

控制電路模塊給雙頭出軸空心杯微型直流電 機供電，雙頭出軸空心杯微型直流電機輸出固定的 轉速，通過專用的同步帶輪的速比范圍，使得渦流 盤轉速控制在28000 r/min±500 r/min。

控制電路模塊通過控制步進電機步進數來驅 動蠕動泵工作，對蠕動泵的彈性輸送軟管交替進行 擠壓和釋放來泵送流體，形成一段一段的“枕”形 流體，根據規范要求，本裝置控制電路模塊驅動蠕 動泵進液的指標為10分鐘進液20 mL。

2 泄漏檢測

使用氣溶膠模擬發生裝置對生物安全柜進行 泄露檢測步驟是將電機傳動模塊通過結構件1、2 （見圖4）安裝于支架模塊的主體支架內。主體支架 直接套進支架模塊的調整高度支架升降桿上，并擰 緊緊固螺柱固定。將噴嘴滴液模塊安裝在主體支架對應的地方，擰緊螺絲。蠕動泵進液模塊出液端通 過軟管接到噴嘴滴液模塊的噴嘴進液口，裝置安裝 完畢。

開始生物安全柜泄露檢測試驗，將安裝好的生 物安全柜泄露檢測試驗氣溶膠模擬發生裝置置于 生物安全柜中間，渦流盤盤心在干擾圓筒上方正對 干擾圓筒的中心，渦流盤的前沿位于生物安全柜前 部開口平面之后100 mm，調節裝置高度至渦流盤與 前部開口頂沿水平。

開啟控制電 路 模 塊，渦流 盤保 持 2 8 0 0 0 r / min±500 r/min的轉速旋轉，蠕動泵進液模塊出液 軟管對噴嘴進液模塊進行供液；錐形噴嘴滴下的液 體通過高速旋轉的渦流盤瞬間完成氣霧化過程，達 到模擬氣溶膠發生的效果，使得試驗中碘化鉀溶液 得以氣霧化，充分地分布在生物安全柜中。最后，依 據JJF 1815—2020《Ⅱ級生物安全柜校準規范》規 定的方法對生物安全柜的泄漏性能進行檢測。

3 結 語

近年來隨著生物產業的高速發展，我國對實驗 室安全問題的重視逐年提高，生物安全柜在各科研 院所和實驗室都有廣泛應用，其質量的保證、使用 的安全性、可靠性目前已受到政府的關注和重視。 因此，增強對生物安全柜的質量管理和安全使用把 控對實驗室操作安全和社會公共安全具有巨大的 推動作用。但目前我國生物安全柜的生物污染情況 仍存在一定問題，要引起當地管理部門的重視。需 通過定期檢測生物安全柜的質量，保障公眾的生命 健康安全。

所設計的生物安全柜氣溶膠模擬發生裝置，可 應用于檢測生物安全柜的是否發生泄露試驗，確保 生物安全柜的安全質量，避免在操作或檢驗具有感 染性的微生物時發生泄露。可用于把控生物安全柜 的治療，從而保護人員、實驗樣品、實驗室環境的安 全，避免生物安全柜發生泄露而造成危害，經計量 技術機構檢定合格，符合生物安全柜泄漏檢測測量 標準器的要求，目前已應用于生物安全柜的校準， 能夠滿足使用需求。

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作者簡介

王勇剛，工程師，研究方向為理化類。

何燕燕，通信作者，工程師，研究方向為計量檢測。

（責任編輯：張瑞洋）