——淺談防生物污染離心機在實驗室安全管理中的應(yīng)用拓展(一)

2019年1月，國務(wù)院安委會召開高等學(xué)校實驗室安全管理工作會議。2019年5月，教育部發(fā)布《關(guān)于高校實驗室安全工作的意見》，要求建立定期安全檢查和安全風(fēng)險評估制度，切實增強高校實驗室安全管理能力和水平。實驗室生物安全管理是實驗室安全管理工作組成內(nèi)容。2018年廣東省教育廳頒布《高等學(xué)校實驗室安全建設(shè)與管理暫行規(guī)定》，要求把病原微生物實驗活動與傳統(tǒng)化-毒-放監(jiān)管一并納入實驗室安全管理范疇。

從防生物污染功能離心機在生物安全實驗室的應(yīng)用出發(fā)，探討其在實驗室安全管理中拓展應(yīng)用的可行性。

一、離心機使用與實驗室生物安全有何關(guān)系？

回答這個問題前，須先了解一下世界衛(wèi)生組織(WHO)在2004年頒布的第三版《實驗室生物安全手冊》（后文統(tǒng)一簡稱為《手冊》）中與離心機使用有關(guān)內(nèi)容。

氣溶膠（aerosol），為粒徑1nm～100μm的固態(tài)或液態(tài)微小粒子在外力作用下向空氣中擴散并懸浮于氣體介質(zhì)中形成的較穩(wěn)定分散體系，是一種重要的實驗室傳染源。

許多實驗室操作都可能生成有害氣溶膠。因而在設(shè)計實驗室和安排某些實驗時，要特別關(guān)注氣溶膠的形成會造成的生物安全問題。

《手冊》第4章明確指出，離心機屬于“可產(chǎn)生氣溶膠的設(shè)備”。附錄4“設(shè)備的安全性”中列出了離心機在使用時可能造成的微生物學(xué)危害（見表 A4-1）。

可見，在病原微生物感染材料的離心操作時，有可能產(chǎn)生高濃度氣溶膠，而氣溶膠逸出和擴散會危及實驗人員安全，使WHO對因離心操作引發(fā)的實驗室生物安全風(fēng)險的高度關(guān)注。

二、樣品如何因離心變成氣溶膠危害實驗人員安全？

明修棧道暗度陳倉。樣品通過兩種途徑可從離心管內(nèi)逸出到管外成為污染起源。

明修棧道是指發(fā)生明顯的操作失誤。譬如離心過程中沒使用轉(zhuǎn)頭蓋，因管蓋彈開、松動后，水平吊籃擺動管位改變或樣品管高速飛出轉(zhuǎn)頭，樣品遺撒，污染轉(zhuǎn)頭和離心腔。這種偶發(fā)事故容易發(fā)現(xiàn)。

另一種樣品外逸污染發(fā)生最常見：管內(nèi)樣品因移液疏忽吸頭貼壁、振蕩混勻，管壁、管蓋吸附聚集較多微小液珠，管內(nèi)上部空間產(chǎn)生氣溶膠，開蓋動作過猛，造成管蓋液滴匯聚流出，沾染到管口和手套。樣品管、手套在隨后轉(zhuǎn)頭上樣、離心樣品平衡操作中進一步把污染轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)頭表面、轉(zhuǎn)頭蓋和離心機操作按鈕等暴露面。這個過程比較隱蔽，不容易引起實驗人員察覺和及時處置，故謂之暗度陳倉。

管內(nèi)樣品外逸是氣溶膠污染之旅的起點，而離心則是污染物的輸布動力。以eppendorf F-45-30-11角轉(zhuǎn)頭為例，稍作計算來剖析這個現(xiàn)象。

F-45-30-11轉(zhuǎn)頭，角度為45°，轉(zhuǎn)頭截面呈梯形，離心半徑9.5cm。按離心機行業(yè)規(guī)則，“離心半徑”為轉(zhuǎn)頭最大半徑（如圖所示）。計算出轉(zhuǎn)頭上部“最小半徑”約7.4cm。

若采用12000xg離心力提取核酸，F(xiàn)-45-30-11轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速約10630rpm。此時，轉(zhuǎn)頭上部外側(cè)速度約296公里（不妨命名為“最小時速”。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)頭底部外側(cè)的時速叫做“最大時速”，約380公里）。若習(xí)慣了采用12000rpm轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)頭最小時速高達330公里。相當(dāng)于轉(zhuǎn)頭表面出現(xiàn)時速300公里的強氣流。

若采用Beckman Avanti J26S XPI立式大容量低溫高速離心機的24×1.5mL角轉(zhuǎn)頭 JA18.1進行12000xg的相同操作（角度45°，最大半徑11.6cm，最小半徑9.5cm），JA18.1最小時速340公里（最大最小時速約420公里）！

轉(zhuǎn)頭內(nèi)、外的氣流速度存在較大差異，轉(zhuǎn)頭外部內(nèi)部形成負(fù)壓，對轉(zhuǎn)頭蓋內(nèi)部的氣溶膠產(chǎn)生抽吸效果。同時，污染物在離心作用下，甩到轉(zhuǎn)頭蓋邊緣，從缺乏有效密封的轉(zhuǎn)頭內(nèi)逃逸出來，并被高速渦流裹挾、攪拌和分散，形成氣溶膠。

再加上離心剛結(jié)束就快速打開機蓋，來不及沉降的氣溶膠直接擴散到離心腔外，實驗人員面臨大劑量氣溶膠暴露。

用水平轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速很低（2000-30000rpm）離心高風(fēng)險生物樣品，能否避免氣溶膠產(chǎn)生呢？不能。如離心機吊籃缺少密封蓋，離心管管口端將直接暴露在離心腔氣流中。吊籃向心端的離心半徑若按5.5cm計算， 2000rpm轉(zhuǎn)速運行時，氣流相對時速高達40公里。氣流吹拂足以帶走表面附著的污染物產(chǎn)生氣溶膠。

可見，無論高速角轉(zhuǎn)頭提取核酸，還是水平轉(zhuǎn)頭低速處理污染品，有一點是相同的：操作時轉(zhuǎn)速越高，所用轉(zhuǎn)頭容量越大或離心半徑越大，氣溶膠形成作用越強。WHO不僅認(rèn)定離心操作可產(chǎn)生氣溶膠，在《手冊》第12章”實驗室技術(shù)”一節(jié)還特別指出：即便把離心機放在傳統(tǒng)Ⅱ級生物安全柜內(nèi)工作，噴射出的感染性顆粒因快速運動，難以被安全柜內(nèi)的氣流截留，還需采用特殊防護措施才能有效控制其在實驗室的擴散。

如何有效控制離心機工作時可能產(chǎn)生的生物安全風(fēng)險氣溶膠？請參考《用防生物污染轉(zhuǎn)頭提升離心所致氣溶膠防控能力》。

參考文獻：

1.《實驗室生物安全手冊》(第三版)