程環(huán)，劉松竹，何春澤，何允剛，耿杰

（1.軍事科學院軍事醫(yī)學研究院科研保障中心，北京 100850； 2.軍事科學院軍事醫(yī)學研究院條件建設(shè)處，北京 100850）

生物安全柜是一種負壓過濾排風柜，可防止含有病原微生物的氣溶膠在實驗操作過程中逸出造成生物氣溶膠污染［1-3］。作為保護實驗樣本、環(huán)境以及實驗人員的第一道屏障，生物安全柜的性能必須得到有效校準或測試，才能充分地保證實驗樣品、環(huán)境、及實驗人員的生物安全［4-8］。國家計量技術(shù)規(guī)范JJF 1815—2020 《Ⅱ級生物安全柜校準規(guī)范》2020年正式實施，據(jù)調(diào)研軍內(nèi)只有極少數(shù)機構(gòu)開展生物安全柜校準或測試，暫無校準標準，所以在軍內(nèi)建立生物安全柜校準標準非常重要［9-10］。

相較于歐洲標準EN 12469［11］、美國標準NSF 49等國外標準［12］，JJF 1815—2020 《Ⅱ級生物安全柜校準規(guī)范》［13］更為科學和完善，如表1所示。筆者依據(jù)JJF 1815—2020 《Ⅱ級生物安全柜校準規(guī)范》對Ⅱ級生物安全柜各項指標進行測量或校準。建立Ⅱ級生物安全柜校準裝置，對生物安全柜下降氣流流速、流入氣流流速、氣流流型、潔凈度、人員、產(chǎn)品和交叉污染保護等進行測量，可以防止實驗操作過程中產(chǎn)生的感染性微生物氣溶膠對工作人員的威脅，防止生物安全柜以外的污染物進入安全柜對實驗樣品造成污染，防止試驗操作過程中產(chǎn)生的氣溶膠造成試驗樣品的交叉污染，對促進生物、化學等相關(guān)軍事醫(yī)學研究具有非常重要的意義［14-15］。

表1 生物安全柜標準參數(shù)表

1 標準裝置的構(gòu)成、工作原理或方法

1.1 主標準器及測量標準性能

風速儀：6501-BG型，編號為449547，測量范圍為0～10 m/s，最大允許誤差為±0.015 m/s（或示值的±3%），經(jīng)計量確認符合要求，日本KANOMAX集團。

照度計：941型，編號為31910075，測量范圍為0～1 500 lx，最大允許誤差為±10%，經(jīng)計量確認符合要求，美國Fluck公司。

聲級計：AWA5636型，編號為351697，測量范圍為30～130 dB，最大允許誤差為±1 dB，分辨力為0.1 dB，有A計權(quán)模式，計量檢定合格，杭州愛華儀器有限公司。

塵埃粒子計數(shù)器：3016型，編號為190902032，塵埃粒徑測量范圍為0.3～10 μm，計數(shù)測量范圍為（10～100 000）/28.3 L，計數(shù)最大允許誤差為±20%FS，經(jīng)計量確認符合要求，朗豪貿(mào)易（上海）有限公司。

氣溶膠光度計（化學介質(zhì)）：2i型，編號為27575，測量范圍為0.000 1～120 μg/L，示值最大允許誤差為±10%，經(jīng)計量確認符合要求，美國ATI公司。

生物安全柜質(zhì)量檢測儀（適用于碘化鉀法）：ZR-1013型，編 號 為101320110150，流 量 為100 L/min，分辨力為0.1 L/min，流量最大允許誤差為±2.0%，轉(zhuǎn)速最大允許誤差為±500 r/min，經(jīng)計量確認符合要求，青島眾瑞智能儀器股份有限公司。

1.2 檢測環(huán)境條件

溫度：20～30 ℃；相對濕度：30%～65%。

1.3 測量標準裝置的工作原理、方法及依據(jù)文件

依據(jù)JJF 1815—2020 《Ⅱ級生物安全柜校準規(guī)范》對Ⅱ級生物安全柜各項參數(shù)進行校準或測試。

1.3.1 下降氣流流速

在工作區(qū)上方高于前窗操作口上沿100 mm的水平面上確定測量點位置，多點測量穿過該平面的下降氣流流速。測量區(qū)域邊界與安全柜的內(nèi)壁及前操作口的距離為150 mm：測量點有3排，每排7個測量點，每個點重復(fù)測量3次，測量點等距離分布，形成的正方形柵格不大于150 mm×150 mm。測試區(qū)域邊界與安全柜的內(nèi)壁及前操作口的距離不小于150 mm。用夾具將風速儀探針準確定位在各測量點進行測量。記錄所有測量點測量值，計算平均下降氣流流速。

1.3.2 流入氣流流速

安全柜前窗開啟至標稱高度；用風速儀在前操作口平面的兩排點測量氣流流速，第一排在前窗操作口上沿下約開啟高度25%的位置，第二排在前窗操作口上沿下約開啟高度75%的位置；測量點間隔約100 mm，距前操作口的側(cè)邊接近但不小于100 mm測試，每排7個測量點，每個測量點重復(fù)3次，記錄每個點流速，計算平均值，用所有測量平均值表示流入氣流流速。

1.3.3 照度

在安全柜工作臺面上，沿臺面內(nèi)側(cè)壁中心連線設(shè)置照度測量點，測量點距離不超過300 mm，與側(cè)壁最小距離為150 mm，關(guān)掉安全柜照明燈，使用照度計從一側(cè)起一次在各測量點測量背景照度，每個測量點重復(fù)測量3次；打開安全柜的照明燈，啟動風機，依次在各測量點測量照度，每個測量點重復(fù)測量3次。計算背景照度和工作時照度平均值。

1.3.4 噪聲

將聲級計設(shè)置為“A”計權(quán)模式；打開安全柜照明及風機，在正常工作狀態(tài)下，在安全柜前面中心水平向外300 mm，且距工作臺臺面380 mm處測量噪聲，重復(fù)測量3次。關(guān)閉安全柜風機照明及風機，如有室外排風機，讓其繼續(xù)運行，在相同位置測量背景噪聲，重復(fù)測量3次。計算背景噪聲平均值。當背景噪聲平均值不大于60 dB時，實際噪聲為實測平均值。當背景噪聲平均值大于60 dB時，實測值參照儀器操作手冊提供的曲線或表進行修正，如不滿足，應(yīng)由校準曲線或下表進行修正，噪聲為實測平均值減去修正值。噪聲測量值修正如表2所示。

表2 噪聲測量值修正表

1.3.5 潔凈度

安全柜開機10 min ；潔凈度的采樣邊界距離內(nèi)表面或前窗100 mm，塵埃粒子計數(shù)器的采樣口置于前工作臺面向上200 mm的位置。采樣點位于工作臺面四角及中心，每個采樣點重復(fù)采樣3次，最小采樣量為8.5 L/次。計算每個采樣點粒子濃度平均值和總平均值的95%的置信上限（UCL），計算結(jié)果為潔凈度測試結(jié)果。

1.3.6 高效過濾完整性

運行生物安全柜，使用氣溶膠發(fā)生器在高效過濾器上游產(chǎn)生符合濃度的氣溶膠（DOP等）氣體，使用氣溶膠光度計掃描高效過濾器下游，計算漏過率。

1.3.7 氣流模式

煙霧分別沿工作區(qū)中心線、觀察屏后、前窗操作口周邊以及安全柜前玻璃窗內(nèi)部兩側(cè)壁之間經(jīng)過，記錄煙霧流動。

1.3.8 人員保護（碘化鉀法）

使用生物安全柜質(zhì)量檢測儀在安全柜工作區(qū)擺放氣溶膠發(fā)生器與干擾圓筒，在安全柜外部擺放空氣采樣器，啟動安全柜并運行至正常狀態(tài)，空氣采樣器吸氣，氣溶膠發(fā)生器使20 mL的碘化鉀氣溶膠化，氣溶膠化結(jié)束15 s后空氣采樣器停止吸氣，將采樣器過濾膜放入氯化鈀溶液，對過濾膜上的棕色斑點進行計數(shù)，計算保護性能。重復(fù)試驗3次，每次試驗結(jié)果都應(yīng)符合要求。

1.3.9 產(chǎn)品保護（碘化鉀法）

使用生物安全柜質(zhì)量檢測儀在安全柜工作區(qū)擺放空氣采樣器與干擾圓筒，在安全柜外部擺放氣溶膠發(fā)生器，啟動安全柜并運行至正常狀態(tài)，空氣采樣器吸氣，氣溶膠發(fā)生器使20 mL的碘化鉀氣溶膠化，氣溶膠化結(jié)束15 s后空氣采樣器停止吸氣，將采樣器過濾膜放入氯化鈀溶液，對過濾膜上的棕色斑點進行計數(shù)，計算保護性能。重復(fù)試驗3次，每次試驗結(jié)果都應(yīng)符合要求。

1.3.10 交叉污染保護（碘化鉀法）

使用生物安全柜質(zhì)量檢測儀，在工作區(qū)規(guī)定位置擺放氣溶膠發(fā)生器與采樣器，按產(chǎn)品保護測試方法重復(fù)試驗3次，每次試驗結(jié)果都應(yīng)符合要求。

2 標準裝置的重復(fù)性、穩(wěn)定性試驗及不確定度評定

2.1 測量標準的重復(fù)性測試

對生物安全柜質(zhì)量檢測儀、風速儀、照度計、聲級計、塵埃粒子計數(shù)器、氣溶膠光度計的關(guān)鍵指標進行6次重復(fù)性測量，均用公式（1）計算測量值的標準偏差SR來表征其重復(fù)性。測試結(jié)果列于表3。

表3 重復(fù)性測試結(jié)果

式中：xi——每個測量點實際測量值；

n——測量次數(shù)(n=6)。

由表3可知，各關(guān)鍵指標均符合計量要求。

2.2 測量標準的穩(wěn)定性考核

2.2.1 生物安全柜質(zhì)量檢測儀的穩(wěn)定性考核結(jié)果

每隔一個半月左右，分別對生物安全柜質(zhì)量檢測儀、照度計、風速儀、聲級計、塵埃粒子計數(shù)器、氣溶膠光度計進行6次重復(fù)性測量，取其算術(shù)平均值作為每組的測量結(jié)果，共測量4組，按照公式(2)計算極差sm，表征其穩(wěn)定性，測量值及計算結(jié)果分別列于表4、表5、表6。

表5 照度計穩(wěn)定性測試結(jié)果

表6 風速儀、聲級計、塵埃粒子計數(shù)器、氣溶膠光度計穩(wěn)定性測定結(jié)果

式中：xmax——測定結(jié)果中的最大值；xmin——測定結(jié)果中的最小值；dm——極差差數(shù)，dm=2.06。

由表4、表5、表6可知，生物安全柜質(zhì)量檢測儀流量、照度、風速、噪聲穩(wěn)定性sm均小于最大允許誤差，塵埃粒子計數(shù)器、氣溶膠光度計的粒子濃度示值誤差均小于各自的最大允許誤差，以上各指標的穩(wěn)定性均符合要求。

2.3 測量標準的不確定度評定

2.3.1 不確定度來源及計算方法

不確定度來源包括：

（1）測量重復(fù)性引入的標準不確定度uA。在實際測量中，每個點測量3次，取3次的平均值作為最佳估計值，按照均勻分布計算，取包含因子k=，因此重復(fù)性引入的不確定度分量uA=SR/k，其中各指標的SR由表2可知。

（2）分辨力引入的標準不確定度u1。由1.1可知各儀器分辨力并計算分散區(qū)間半寬a，按均勻分布計算，取包含因子k=，則u1=a/k。

（3）最大允差引入的標準不確定度u2。由1.1可知各標準儀器的最大允差b，按均勻分布計算，取包含因子k=，則u2=b/k。

2.3.1 安全防護測量標準（生物安全柜質(zhì)量檢測儀）不確定度評定

按照2.3.1分別計算不同的采樣器在流量為100 L/min時的不確定度分量，計算結(jié)果列于表7。

表7 生物安全柜質(zhì)量檢測儀測量標準不確定度評定 L/min

2.3.2 氣流流速測量標準（風速儀）不確定度評定

按照2.3.1分別計算風速儀在測量點為0.5、1.0 m/s時的不確定度分量，計算結(jié)果列于表8。

表8 風速儀測量標準不確定度評定 m/s

2.3.3 照度測量標準（照度計）不確定度評定

按照2.3.1分別計算不同照度測量點的不確定度分量，計算結(jié)果列于表9。

表9 照度儀測量標準不確定度評定 lx

2.3.4 噪聲測量標準（聲級計）不確定度評定

按照2.3.1分別計算聲級計在測量點為94、114 dB測量點的不確定度分量，計算結(jié)果列于表10。

表10 噪聲測量標準不確定度評定 dB

2.3.5 潔凈度測量標準（塵埃粒子計數(shù)器）不確定度評定

表11 塵埃粒子計數(shù)器測量標準不確定度評定 L1)

2.3.6 高效過濾器檢漏測量標準（氣溶膠光度計）不確定度評定

按照2.3.1計算各不確定度分量，其中，在計算氣溶膠光度計濃度示值重復(fù)性引入的不確定度分量uA時，按照2.1方法分別計算測量點為8～12 μg/L時的標準偏差來表征其重復(fù)性，按照均勻分布計算，取包含因子k=，則重復(fù)性引入的不確定度分量uA=0.011 μg/L。各計算結(jié)果列于表12。

表12 氣溶膠光度計測量標準不確定度評定 μg/L

3 測量標準性能的驗證

測量標準性能用最大允差表示，采用檢定（校準）法進行驗證。各標準器均送高一級測量標準進行檢定或校準，檢定或校準結(jié)果均符合測量標準性能要求，具體結(jié)果如表13所示。

表13 各標準器校準結(jié)果

4 測量結(jié)果的測量不確定度評定

Ⅱ級生物安全柜測量過程中涉及的參數(shù)主要有下降氣流流速、流入氣流流速、潔凈度、照度和噪聲等，這5個參數(shù)均使用標準器進行直接測量，且測量結(jié)果受溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素的影響，可以忽略。因此，筆者主要分析在測量過程中對測量結(jié)果影響較大的不確定度分量來源，對其進行不確定評定。

4.1 計算模型

式中：i——第i個測量點；

j——某測量點的測量次序；

n——測量點的數(shù)量；

Xij——每個測量點測量值。

合并樣品標準偏差sR計算方法：

Xij——第i個測量點第j次的測量值；

m——測量點的數(shù)量；

n——每個測量點包含的測量次數(shù)。

不確定度來源及計算方法同2.3.1。

4.2 下降氣流流速不確定度評定

按照1.3.1方法測量風速，結(jié)果列于表14。

表14 風速測量值 m/s

按照公式(2)、(3)計算標準偏差，其中m=21，n=3，計算得到單次測得值的標準偏差sR=0.005 m/s，代入2.3.1（1）方法，計算得到重復(fù)性引入的不確定度分量uA=0.003 m/s；分辨力引入的不確定度分量u1=0.002 9 m/s；最大允差引入的不確定度u2=0.008 7 m/s。

4.3 流入氣流流速不確定度評定

按照1.3.2方法測量風速，結(jié)果列于表15。

表15 風速測量值 m/s

按照公式(2)、(3)計算標準偏差，其中m=14，n=3，計算得到單次測得值的標準偏差sR=0.005 m/s，代入2.3.1（1）方法，計算得到重復(fù)性引入的不確定度分量uA=0.006 m/s；分辨力引入的不確定度分量u1=0.002 9 m/s；最大允差引入的不確定度u2=0.011 5 m/s。

4.4 照度測量結(jié)果不確定度評定

按照1.3.3方法計算照度，結(jié)果列于表16。

表16 照度測量結(jié)果 lx

按照公式(2)、(3)計算標準偏差，其中m=6，n=10，計算得到單次測得值的標準偏差sR=2 lx，代入2.3.1（1）方法，計算得到重復(fù)性引入的不確定度分量uA=1.15 lx；分辨力引入的不確定度分量u1=0.29 lx；最大允差引入的不確定度u2=49 lx。

4.5 噪聲測量結(jié)果不確定度評定

按照1.3.4方法測量噪聲，按照公式(4)、(5)計算總噪聲，結(jié)果列于表17。式中：N——實際噪聲測量值，dB；

表17 噪聲測定結(jié)果 dB

Ni——總噪聲單次測量值，dB；

Ni'——背景噪聲單次測量值，dB。

按照公式(1)計算標準偏差，其中xi替換成Ni，替換成，n=10，計算得到單次測得值的標準偏差SR=0.5 dB，代入2.3.1（1）方法，計算得到重復(fù)性引入的不確定度分量uA=0.29 dB；分辨力引入的不確定度分量u1=0.029 m/s；最大允差引入的不確定度u2=0.6 dB。

4.6 潔凈度測量結(jié)果的不確定度評定

按照1.3.5方法測量噪聲，按照公式(6)、(7)、(8)、(9)計算潔凈度，結(jié)果列于表18。

表18 潔凈度測量結(jié)果 m-3

Mij——每個采樣點單次采樣粒子濃度，m-3；

n——采樣點的數(shù)量；

s——采樣點平均值的標準差，m-3；

95%UCL——總平均值得95%置信上限，m-3；

t0.95——計算95%置信上限所用的t分布值。

按照2.3.1（1）方法，計算得到重復(fù)性引入的不確定度分量uA=0；分辨力引入的不確定度分量u1=0.29 m-3；最大允差引入的不確定度u2=0.12 m-3。

5 結(jié)語

依據(jù)JJF 1815—2020 《Ⅱ級生物安全柜校準規(guī)范》，對風速儀、照度計、聲級計、塵埃粒子計數(shù)器、氣溶膠光度計、氣溶膠發(fā)生器、生物安全柜質(zhì)量檢測儀標準裝置進行重復(fù)性試驗、穩(wěn)定性考核和性能驗證，并對測量標準和校準項目的相關(guān)技術(shù)指標進行不確定度評定及驗證，各標準器、校準裝置及配套設(shè)備，各項技術(shù)指標均符合計量要求。另，實驗室環(huán)境條件合格，校準人員具有相應(yīng)資質(zhì)和能力，符合開展Ⅱ級生物安全柜校準的要求。