中国建筑科学研究院 袁艺荣 李屹 曹国庆
【摘 要】汇总了2011年至2016年国家建筑工程质量监督检验中心现场检测的85台手套箱式隔离器的气流流向、箱体内外压差、送排风高效过滤器检漏、工作区气密性等性能指标的实测数据，分析了国内手套箱式隔离器的运行现状，给出了现场检测中遇到的问题及相应解决方法，以期为相关标准完善手套箱式隔离器现场检测及评价方法提供帮助。
【关键词】手套箱式隔离器、现场检测、评价方法
【基金项目】“十三五”国家重点研发计划“生物安全关键技术研发专项”课题“高等级病原微生物实验室风险评估体系建立及标准化研究”（编号：2016YFC1202202）
0 引言
实验动物隔离器的种类有很多种，根据压力可分为正压隔离器和负压隔离器，正压隔离器是指隔离器内压力高于外部大气压力，多用于清洁动物饲养( 防止外部环境感染内部环境)；负压隔离器则指隔离器内压力低于外部大气压力，多用于感染动物试验( 防止内部环境有害物质污染外部环境) ，生物安全实验室主要使用负压隔离器。根据负压隔离器的生物安全防护性能，又可分成非密闭式隔离器和气密式隔离器。手套箱式动物隔离设备属于气密式隔离设备，作为一种生物安全一级隔离屏障，目前被广泛应用于高等级生物安全实验室领域，特别是高等级动物生物安全实验室。
有关实验动物隔离器现场检测性能指标统计分析的文献相对较少，张宗兴、祁建城等[1]根据不同类型实验动物隔离器的结构特点，对各测试项目的现场评价指标及方法进行了分析研究，本文依据其研究成果及相关国家标准，对2011年至2016年国家建筑工程质量监督检验中心现场检测的85台手套箱式隔离器的气流流向、箱体内外压差、送排风高效过滤器检漏、工作区气密性等性能指标实际测试结果进行了大数据分析，给出了国内手套箱式隔离器的运行现状，归纳了现场检测中遇到的问题及相应解决方法，以期为相关标准完善手套箱式隔离器现场检测及评价方法提供帮助。
1 隔离器结构及分类
手套箱式动物隔离设备的结构及设备外观示意图如图1及图2所示。该类设备在使用过程中能够在有效保护实验动物活动所需环境的同时实现动物与外界环境的隔离，避免操作人员暴露于实验操作过程中动物产生的生物气溶胶和溅出物，同时可以有效防止病原微生物向外界环境的泄漏。
图1 手套箱式隔离器工作原理示意图
图2 手套箱式隔离器设备外观
我国目前高等级生物安全实验室使用的手套箱式隔离器按照用途划分，主要分为动物饲养隔离器与动物解剖隔离器两类；按照动物种类划分，分为啮齿动物隔离器、禽用隔离器、猪隔离器、猴隔离器、雪貂隔离器等；按产地划分，分为国产隔离器和进口隔离器，大部分高等级生物安全实验室中使用的是国产隔离器，其中又分为若干个品牌。
2 标准要求
2.1 测试项目及评价方法
为了能够充分反映手套箱式隔离器的实际运行情况，同时有效地验证设备对人员及产品的保护作用，通过分析整理了国内外相关规范标准中所涉及的测试项目，主要依据RB/T 199-2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》[2]进行，该规范同时参考YY0569-2011《Ⅱ级生物安全柜》、JG170-2005《生物安全柜》、GB50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》、GB50591-2010《洁净室施工及验收规范》、EJ/T1096-1999《密封箱室密封性分级及其检验方法》中的相关条文，分别对手套连接口气流流向、箱体内外压差、送/排风高效过滤器检漏以及工作区的气密性的测试方法及评价标准进行说明。具体测试方法及评价标准见表1。
表1 手套箱式隔离器测试方法及评价标准
对表1所述内容进行几点说明：
（1）手套连接口气流流向的测试目的在于，当手套方式破损或脱落时，箱体内直接与外环境相通，导致箱体内压力无法保持，导致设备内空气存在外逸的可能，增加操作人员被感染风险。ISO14644-7:2004《洁净室及相关受控环境第7部分：隔离装置（洁净风罩、手套箱、隔离器、微环境）》[3]条款9.2中给出了“手套口风速指导值为0.5 m/s。”的要求。
（2）要求隔离器在正常工作状态下箱体与外环境保持相对负压，目的是防止在动物饲养或手术操作过程中产生的病原微生物向外界环境的泄漏以及操作人员暴露于生物气溶胶和溅出物。GB 14925-2010《实验动物环境及设施》[4]中5.1表1、5.2.2表3与GB 50447-2008《实验动物设施建筑技术规范》[5]中表3.1.1、3.2.2中同样要求应用于动物实验、检疫的隔离器应为负压工况，其隔离设备的内外静压差应达到50Pa。
（3）隔离器内部安装的送、排风高效过滤器在保护实验动物生存环境及保护人员不受到实验操作过程的污染上起着关键作用。在现场安装后投入使用前（包括负压动物笼具被移动位置后）应对送、排风高效过滤器进行检漏，以防止由于装卸、运输过程对过滤器损坏，进而导致的过滤器泄漏的可能。
（4）隔离器工作气密性测试的目的在于保证隔离器在运行操作、故障停机、转运过程中装备内部的危险气溶胶不会外泄至周边环境，以及装备在内部消毒过程中可以保持整个消毒周期内的压力以及消毒气体浓度，从而确保最终的消毒灭菌效果。测试时可采用压力衰减法，并要求参考等效采用ISO 10468-2的EJ/T 1069-1999《密封箱式密封性分级及其检验方法》中相应条款[6]进行，该标准对设备检验有效的条件也进行了规定，其中5.2.5 a）中要求“箱室内部相对压力的变化必须小于初始值的30%”。
2.2 测试条件及步骤
以上测试项目的测试条件及大致步骤分别如下：
（1）对手套连接口气流流向的测试，主要采用发烟法，观察气流的流向是否向内，同时可以用风速仪测试向内气流的速度。
（2）对箱体内外压差的测试，设备正常运行的状态下，使用压力计接入隔离器的压力测口，进行压力测试和读数。
（3）对送/排风高效过滤器检漏的测试时首先应对过滤器上游浓度进行测试，对上游浓度达不到检漏标准的情况应采用人工发尘的方法增加上游浓度。对过滤器下游采用扫描法或全效率法进行检漏测试。
（4）对工作区气密性的测试，采用压力衰减法。测试周期为1小时，通过初始和终止参数计算小时泄漏率，不超过0.25%即为合格。具体的测试过程及泄漏率的计算见EJ/T 1069-1999《密封箱式密封性分级及其检验方法》，曹国庆[7]-[8]等对气密性的相关测试方法作出了分析和评价。
3 现场检测及评价方法分析
3.1 数据来源
本文汇总整理了2011年至2016年国家建筑工程质量监督检验中心现场检测的85台手套箱式隔离器的实际测试数据，并对现场检测出现的问题及相关评价方法进行分析。
所测试的85台手套箱式隔离器，按年份统计为：2011年度累计测试2台；2012年度累计测试4台；2013年度累计测试2台；2014年度累计测试9台；2015年度累计测试20台；2016年度累计测试48台。各年度隔离器检测数量分布见图3。
图3 各年度隔离器检测数量分布
从图3可以看出：
（1）2011年至2013年手套箱式隔离器测试数量基本保持稳定，但测试数量较少，并且均只对部分项目进行检测。这是由于2014年之前，生物安全领域的规范中并没有针对该类关键防护设备的具体评价标准，导致使用方仅能通过厂家自检报告或委托检测机构对部分项目进行检测来判定产品是否合格。
（2）2014年到2015年，手套箱式隔离器测试数量增长幅度较大，这是因为2014年CNAS-CL53 《实验室生物安全认可准则对关键防护设备评价的应用说明》[9]作为内部评审文件的出台。但对于手套箱式隔离器这类关键防护设备的测试项目并没有进行强制规定，造成仅有部分设备按照全项目进行检测。
（3）2016年，手套箱式隔离器测试数量继续大幅度增长，并且全部设备均进行全项目检测。这是因为2016年7月RB/T 199-2015《实验室设备生物安全性能评价技术规范》正式实施，使得全国各类高等级实验室内关键防护设备的评审工作更加规范化、系统化，手套箱式隔离器的测试项目得以完全按照规范要求进行，测试方法及评价标准也得到规范化的统一。
3.2 现场检测数据
3.2.1 手套连接口气流流向检测
通过汇总85台手套箱式隔离现场检测数据，得出手套箱式隔离器测试合格率，具体数据及分布情况见表2。
表2 手套连接口处气流合格率对比
从表2可以看出：
（1）在检测的85台手套箱式隔离器中，手套连接口处均能形成定向气流，且均未出现气流外逸现象，气流流向合格率均达到100%。
（2）在检测的85台手套箱式隔离器中，手套连接口处实测风速有61台低于0.5m/s，占整体数量的71.8%，不低于0.5m/s的数量占比28.2%，即大部分手套箱式隔离器手套连接口处实测风速不符合ISO14644-7:2004《洁净室及相关受控环境第7部分：隔离装置（洁净风罩、手套箱、隔离器、微环境）》条款9.2中“手套口风速指导值为0.5 m/s”的要求。
3.2.2 箱体静压差检测
通过汇总85台手套箱式隔离现场检测数据，得出隔离器箱体静压差合格率对比见表3。
表3 各品牌隔离器箱体静压差合格率对比
从表3可以看出：
（1）在检测的85台隔离器中，按照相对负压值不小于-50Pa评定，合格率均可达到75%以上。结果表明，目前进口及国产隔离器在正常运行工况下，除个别品牌型号隔离器低于相关规范对于静压差50Pa的要求，其余大部分均能满足规范要求。
（2）数据显示无法达到规范要求的隔离器均集中在2015年之前，即CNAS-CL53颁布实施之前，通过对上述品牌型号无法满足要求的隔离器进行了解后发现，主要原因为该型号产品主要供应兽用生物制药企业，其箱体内负压设计值均按照厂家自身要求进行确定，且上述品牌对应的型号截至2015年后均已不再供应高等级生物安全实验室的使用，改由新型号代替使用。
3.2.3 送、排风高效过滤器检漏
所检测的85台手套箱式隔离器有12台未进行该项目测试，对剩余的73台手套箱式隔离器送排风高效过滤器的初测检漏结果分别进行统计，结果如图4和图5所示。
图4 送风高效过滤器初测检漏合格率分布情况
图5 排风高效过滤器初测检漏合格率分布情况
从图4和图5可以看出：
（1）送风高效过滤器初测检漏合格率为98.6%、排风高效过滤器初测检漏合格率为91.5%。可见，送、排风高效过滤器检漏合格率均达到90%以上，并且经过排查处理，复测均合格。
（2）送风高效过滤器检漏一次通过率高于排风高效过滤器，分析原因主要是因为部分品牌隔离器其排风高效从结构安装上较之送风更易出现泄漏可能，如排风高效所在腔体如密封不严，会导致外界污染空气随负压进入过滤器下游被测试仪器采集到。
3.2.4 工作区气密性检测
所检测的85台手套箱式隔离器有12台未进行该项目测试，对剩余的73台手套箱式隔离器的气密性检验结果进行统计，结果见表4。
表4 隔离器气密性合格率分布统计
从表4可以看出：
（1）大部分品牌在初测过程中均出现泄漏率不满足要求的现象。检测过程中发现，针对用于禽类饲养的密封隔离笼具尤为明显，主要归因于其箱体本身未进行有效密封以及由于材料工艺选择存在差异，均会造成系统部件存在泄漏风险
（2）以上所有隔离器经整改后泄漏率均符合规范要求。根据EJ/T 1069-1999的要求，对设备检验有效的条件也进行了规定，其中5.2.5 a）中要求“箱室内部相对压力的变化必须小于初始值的30%”，对以上73台隔离器进行统计发现，有部分出现超出限定压力衰减幅度的现象，但跟踪发现上述设备在常年使用中均未发生因密封性不足而导致的生物安全事故，因此我们有理由相信该密封性能够满足高等级生物安全实验室的风险控制需求。
4 探讨
以上对2011年至2016年国家建筑工程质量监督检验中心现场检测的85台手套箱式隔离器进行数据汇总整理，通过结果分析可以得出隔离器的运行现状。下面总结了实际检测过程中出现的问题及针对性的解决方法。具体如下：
（1）在对隔离器手套接口处的气流流向进行测试时，所有隔离器均能满足气流流向明显向内无外逸的要求，而当按照ISO 14644-7:2004《洁净室及相关受控环境第7部分：隔离装置（洁净风罩、手套箱、隔离器、微环境）》条款9.2中给出了“手套口风速指导值为0.5 m/s。”的要求进行评价时，有大部分隔离器无法达到。
当隔离器手套脱落或破损后，房间内的气流或操作人员扰动等因素会对隔离器腔体内气流造成干扰，为防止隔离器内的病原微生物气溶胶外逸，应控制手套口风速，类似于通风柜、生物安全柜等工作窗口面风速的控制。JG 170-2005《生物安全柜》[10]规定安全柜工作窗口进风平均风速不小于0.5m/s，JG/T 222-2007《实验室变风量排风柜》[11]规定排风柜操作窗口平均面风速不小于0.5m/s，JG 170-2005《生物安全柜》第4.1.3条规定“当密闭手套脱落时，其与柜体连接处的洞口风速应不小于0.7m/s”。实验表明当该进风风速过大时（>0.8m/s），一方面增加能耗，另一方面容易引起柜内气流紊乱，造成隔离器内气溶胶外溢。可以看出ISO 14644-7对0.5m/s的指导值是合理的。
目前国内使用的手套箱式隔离器的形式、规格很多，大部分厂家选用的排风机风量或压头受限，且往往缺少变风量调节措施，致使大部分手套箱式隔离器手套口的风速无法满足0.5m/s的要求。为使隔离器内气流均匀，减少涡流，避免病原微生物气溶胶的外逸，建议手套箱式隔离器厂家通过风机选型和变频等技术对现有设备进行升级改造，以期在实际操作过程中，将泄漏风险降至最低。另外，在对手套箱式隔离器进行现场检测和评价时，应对手套口风速进行测试评价。
（2）对箱体静压差进行测试时发现，不满足要求的隔离器主要供应兽用生物制药企业，其箱体内负压设计值均按照厂家自身要求进行确定，在相关规范出台后这些型号的隔离器已不再供应高等级生物安全实验室的使用，改由新型号代替使用。目前，运用于高等级实验室中的隔离器基本均能达到50Pa的静压差要求。
（3）对送/排风高效过滤器进行检漏测试时发现，送风高效过滤器检漏方法以扫描方式为主，而由于其排风机均位于高效过滤器下游，排风高效过滤器检漏方法通常使用效率法。效率法是通过分别测试高效过滤器上、下游离子浓度后通过计算得出，因此要求测试点的位置能够代表过滤器上、下游空气混匀后的浓度，但目前市场上产品均未对测试点的均匀性进行过测试，易对测试结果造成偏差。因此，对于不具备扫描检漏条件的过滤器均可采用效率法，但应按照GB 50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》[12]在过滤器下游混合均匀处设置采样点。另外，弯头以及风机等均会对管路内气流的紊流情况产生较大影响，此影响是可能导致空气中的粒子损失。因此，全效率法检漏测试在测试精度上相比于扫描检漏测试有着明显的不足，以高等级生物安全实验室为代表的高风险控制环境，应在风险评估的基础上，审慎确定该方法的适用范围与条件。
（4）对隔离器工作区气密性进行测试时发现，密闭式隔离器所安装的供人员操作的橡胶手套，由于其材质原因，易导致隔离器在气密性测试过程中对测试容积的改变。而采用压力衰减法的前提条件就是要保证被测设备内部容积保持不变，因此，在使用压力衰减法测试时应采取必要措施防止其体积发生较大变化。但此种做法无法再验证手套自身泄漏程度，如在动物饲养或设备转运过程中造成肉眼不可见的破损，则仅能依靠箱体产生的负压来进行对人员的防护。根据上述原因，建议除对箱体进行气密性验证的同时，还应制定专门针对手套密封性的验证措施。
5 结论
5.1 手套箱式隔离器手套接口处的气流流向基本能满足明显向内无外逸的要求，但大部分隔离器无法达到ISO14644-7：2004中给出的手套口风速指导值0.5 m/s，建议隔离器厂家通过风机选型和变频等技术对现有设备进行升级改造，以期在实际操作过程中，将泄漏风险降至最低。在现场检测时应对手套口风速进行测试评价。
5.2 高等级生物安全实验室中的手套箱式隔离器箱体静压差基本能达到-50Pa的静压差要求。
5.3 现有手套箱式隔离器送风高效过滤器检漏方法以扫描方式为主，排风高效过滤器检漏方法通常使用效率法，应在风险评估的基础上，审慎确定效率法检漏的适用范围与条件。
5.4 手套箱式隔离器气密性测试时，除对箱体进行气密性验证的同时，还应制定专门针对手套密封性的验证措施。
参考文献
[1]张宗兴，祁建城，等. 实验动物隔离器现场评价方法研究[J].中国卫生工程学，2015，14（1）：3~7.
[2]中国国家认证认可监督管理委员会. RB/T 199-2015实验室设备生物安全性能评价技术规范[S].北京:中国标准出版社,2016,3~4.
[3]The Intenational Organization for Standardization. ISO Standard 14644 Cleanrooms and associated controlled environments —part 7: Separative devices (clean air hoods, gloveboxes, isolators and mini-environments) [S]. Swizerland: The International Organization for Standardization., 2004.
[4] 全国实验动物标准化技术委员会. GB14925－2010 实验动物环境及设施[S]. 北京: 中国标准出版社，2011.
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50447 － 2008 实验动物设施建筑技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2008.
[6]中国核工业总公司. EJ /T 1096 － 1999 密封箱室密封性分级及其检验方法〔S〕. 北京: 中国标准出版社，2009.
[7]曹国庆，许钟麟，张益昭，等. 洁净室气密性检测方法研究——国标《洁净室施工及验收规范》编制组研讨系列课题之八[J]. 暖通空调，2008，38（11）：1-6.
[8]曹国庆，等.高等级生物安全实验室围护结构气密性测试的几点思考[J]. 暖通空调，2016，46（12）：74-79.
[9]中国合格评定国家认可委员会. CNAS－CL53: 2014《实验室生物安全认可准则对关键防护设备评价的应用说明》[S].2014.
[10] 中华人民共和国建设部. JG170－2005生物安全柜〔S〕. 北京: 中国标准出版社，2005.
[11] 中华人民共和国建设部. JG/T222－2007实验室变风量排风柜〔S〕. 北京: 中国标准出版社，2007.
[12] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50346 － 2011 生物安全实验室建筑技术规范〔S〕. 北京: 中国建筑工业出版社，2011.
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
