生物安全柜是生物实验室为防止原代培养物、菌毒株等具有感染性实验材料的气溶胶和溅出物对操作者、暴露的实验室环境的隔离屏障设备。用于医院对诊断性标本操作时，防止病原性气溶胶扩散，以防止人员危害、环境危害 ；用于医院配置中心对毒性药物的配制时，是为防止操作中的毒性挥发性物质、放射性核素对人员和环境的危害，保护医护人员的安全。

生物安全柜以应对生物危害不同等级分为三级。目前，生物实验室以及医院临床医学检验和研究领域应用最广的是Ⅱ级生物安全柜，本文将从生物安全柜的隔离屏障原理和设计思想的阐述，引导使用者正确合理选用生物安全柜。

1 生物安全柜的特殊防护设计

1.1 生物安全柜的级别类型和适用范围

生物安全柜分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，共三个等级，其中 ：Ⅱ级生物安全柜又细分为 A1、A2、B1、B2，四个类型。A1、A2、B1 分别为循环气流结构，B2 为气流 100% 直接排放结构。实验领域对于 A1 类生物安全柜应用极少，其流入气流流速相对较低，对人员防护需要的隔离能力也较低，不能满足生物危害的高风险场合应用。通常 A1 类生物安全柜仅用于医学教学或对已知低风险病原体的操作。B1 类生物安全柜的排风气流流量是系统总风量的 70%，尚有 30% 循环气流，这样的特性决定了它仍然不能用于化学毒性场合。所以常用的是Ⅱ级生物安全柜中的 A2、B2 类生物安全柜。生物安全柜应用气流围场、空气负压、物理过滤、风险预警及联锁控制等综合隔离技术，实现生物危害防护，实现保护人员或保护人员、保护实验对象、保护环境的目的。

下面分别介绍三级安全柜的适用范围 ：

(1) Ⅰ级生物安全柜。Ⅰ级生物安全柜从前部操作口流入空气，经排风口高效空气过滤器滤除病原体颗粒后排出空气。它依赖吸入空气实现生物隔离。应用目的是保护人员免遭病原体感染。

注 ：Ⅰ级生物安全柜不对样本保护。

适用范围 ：仅适用于对第 1、2、3 类病原体的操作时的人员保护场合。

(2) Ⅱ级生物安全柜。Ⅱ级生物安全柜是微生物学领域应用最广的一种，它与Ⅰ级生物安全柜相同的是从前部操作口流入空气，以防止气溶胶外逸。但是，在操作区内部则通过高效空气过滤器提供垂直下降流动的洁净空气（通常称垂直层流）。经排风口高效空气过滤器滤除病原体颗粒后排出空气。

适用范围 ：适用于对第 1、2、3 类病原体操作的人员、实验样本、实验室环境或大气环境作保护的场合。

(3) Ⅲ级生物安全柜。Ⅲ级生物安全柜适用于病原病毒、病原细菌、病原寄生虫及重组遗传基因等实验领域具有最高危险度的操作。操作人员通过完全密闭的工作舱与手套连接的操作区进行感染动物解剖、组织材料处理、病原体培养、显微观察和离心操作。由于Ⅲ级生物安全柜的柜体具有较高的耐负压结构强度，又采用不锈钢作为柜体，当前部透视窗采用含铅玻璃且外排气流的过滤采用化学过滤器（必要时，再加焚烧处理）时，Ⅲ级生物安全柜是放射性或毒性药物配置的理想设备，可满足医务人员免遭Ｘ射线或毒性挥发性气体的危害。

注 ：不锈钢对 X 射线的衰减作用明显强于其它材料。在考虑耐 X 射线当量时，应对材料厚度和成分作出设计。Ⅲ级生物安全柜的高效空气过滤器应采用国标Ｃ级过滤器（ULPA），比普通高效空气过滤器（HEPA）的过滤效率高。当排风过滤仅以空气过滤为手段时，采用两级 ULPA过滤器串联技术。

适用范围 ：适用于对第 1、2、3、4 类病原体操作时的人员、实验样本、实验室环境或大气环境都作保护的场合。

1.2 生物安全柜的特殊设计

生物安全柜通过物理技术实现生物危害隔离。它应用气密性结构设计及负压过滤通风技术，达到防止病原气溶胶扩散的目的。为保证生物安全柜的使用安全和可靠，必需考虑各种生物泄露的可能，充分分析存在的风险，尽可能采取设计手段，获取生物安全柜固有的特性，保障医护人员和实验室人员免除生物危害。

(1) 柜体密封性。生物安全柜的密封性是产品主要的安全性能。也就是说柜内的气体不能有泄露，要在产品使用的寿命期内都实现这个技术要求，仅依赖密封材料是不够的，目前国内大多生物安全柜使用密封胶，产品出厂也许可以达到标准的技术要求，但是随产品的使用，密封胶的老化等问题使密封性能得不到保证。生物安全柜是运行于负压状态下的，正压泄露不会被暴露，但在风机故障条件下，这样的危害可能是灾难性的，生物安全柜的制造商应该解决这潜在的危害。

目前最可靠的方法是用不锈钢材料制作柜体，工艺上应采取氩弧焊连续焊接，并应用焊接检测技术。多管齐下，才能保证安全柜使用全寿命周期内的可靠密封。

(2) 更精细的过滤技术。生物安全柜过滤技术虽然规定过滤效率≥ 99.99%@0.3μm。然而，已知部分病原病毒颗粒仅几十 nm，如 ：小颗粒 SARS 病毒仅 40nm。考虑悬浮颗粒的直径可小于 0.1μm，小颗粒病原微生物寄生于小颗粒尘埃，仍存在穿透概率。这种概率存在于排风口时，危害是不可低估的。

要达到更高的过滤效率，必需采用更精细的过滤器，尽管高精细的过滤器价格昂贵，但与生物安全的要求而言是必要的。目前 ULPA feilter相对 0.12μm颗粒的过滤效率≥ 99.9995%。应用 ULPA feilter 过滤器，是保障生物安全柜排放的需要。

(3) 过滤完整性。气的净化依赖于过滤器，而过滤器与柜体的连接要求密封，尤其是在经过运输后，即便在出厂时采用“PAO”法对高效空气过滤器作扫描检漏，符合透过率的要求。然而，过滤器与柜体的吻合缝隙以及柜体结构材料沙眼都足以导致病原气溶胶泄漏。据国际统计，运输后生物安全柜扫描检漏合格率仅 30%。而目前大部分临床或实验室未按 YY0569 的规定进行安装检验，存在使用风险。

(4) 优化的气流匹配设计。生物安全柜既要求其密封性能，也需要在操作口开启时保障柜内的气体不外泄，即通常所说的“前窗保护因子”。因此在操作口作为内外屏蔽作用的流入气流流速与垂直下降气流需要适度匹配，不能认为只要满足 YY0569 规定的气流流速就可以完全满足使用要求，Ⅱ级生物安全柜的“前窗保护因子”应综合考虑柜体结构、回风负压和气流流体力学等多方设计因素。否则，不能保证生物安全柜稳定可靠地使用。

(5) 抑制交叉感染的气流组织结构设计。生物安全柜的使用中，依靠垂直下降气流保护柜内试验品不受污染。气流结构设计也应考虑操作人员手臂运动的综合影响。设计中需要运用流体动力学（CFD）的原理，研究操作区气流组织结构对交叉感染的影响度。并通过大量实验数据统计，验证设计措施有效。

(6) 定向气流。定向气流是一个俗称，术语为“层流”，即单向的气流。经高效空气过滤器过滤的操作区垂直下降层流，用以保护实验样本免遭内部交叉感染。因为，操作区回风口分布及回风负压使垂直气流未到达操作台面已经分流，如前后、左右，由气流渐变线围成非期望的三角形区域。三角形区域内覆盖的工作台面气流流速明显降低。在人员手臂伸入情况下，受下降气流撞击，手臂下部会形成气流漩涡，且漩涡直径大于手臂直径并形成连续状态。这就是交叉感染的成因。

在交叉污染静态试验条件下，由于三角形区域气流降低，侧壁细菌喷射口射出的细菌轻而易举地到达远距离培养皿，这种现象用向量函数可解析（垂直下降流速、细菌喷口流速、沉降菌着落地与喷口距离位置关系）。这是静态试验条件下交叉污染的成因。

回风负压口分布的设计是极其重要的。在满足垂直下降气流不发生侧弯的前提下，手臂下方的气流漩涡没有生成于操作台面的条件，也就有效抑制了交叉污染的发生。

(7) 气流活塞效应结构优势。目前，市场产品款式不外乎前部直立式和斜面两款。斜面设计相对人机工程学原理是有益的，可提高人员作业舒适度。但从生物防护目的出发，斜面结构对保护样本却有不足之处。

前部直立式生物安全柜的送风过滤器有效面积比较接近操作区横截面积。从理论而言，生物安全柜的送风过滤器面积与操作区横截面积的比值等于 1，以使垂直下降气流完全覆盖操作区横截面，气流类似活塞沿整个内壁板推进，由于不留结构死角且整个操作台面被送风气流覆盖，气溶胶没有上扬、残留的机率。

而斜面设计的缺点正相反，送风过滤器的宽度比操作台面窄，随设计斜率升高而过滤器宽度尺寸降低，于是在前部格栅处气流降低，甚至出现前部的局部区域无下降气流。气流扩散能够弥补这一不足，但最大气流扩散角小于10°。斜面设计不利样本保护应当引起足够重视。

(8) 微机控制的气流恒设计。长期运行下，高效空气过滤器表面吸附颗粒不断堆积，阻抗随之升高。过滤器阻抗升高演变过程中风机静压跟随升高，但气流输出流量却逐步降低。这种变化使生物安全柜对人员、样本的保护能力下降，甚至导致直接的危害。为此，对风机性能规定最低性能要求显得尤为重要。

某些生物安全柜运用微机原理，分别对生物安全柜的垂直下降气流送风风机和排风风机伺服设计，它能在气流下降状态下自动补偿系统流量，且动态范围大，在过滤器寿命周期内始终保持垂直下降和排风的设计流速（流量）。以达到寿命周期气流稳定目的。

某些生物安全柜排风风机由主机直接供电，并具有彼此间控制信号的交换，它无需独立供电。排、送风机间互锁控制，当排风风机故障或流量波动大于 20% 时，联锁关闭送风风机，以迫使系统不应有正压导致病原体外逸。

(9) 不锈钢大容量集液槽。大量的案例证实，集液槽不应有污染物清除或清洗的结构障碍。由于结构障碍存在，相当多在用生物安全柜不能获得有效清洗，实验试剂残留物长年淤积导致结构涂层起翘、脱落，金属板材受到严重腐蚀。试剂残留物持久存在的危害是微生物繁敷导致样本污染。

不锈钢大容量且无结构障碍的集液槽有效解除了实验人员的清洁困惑。