离心机在生物安全实验室气溶胶形成机制中的作用

——浅谈防生物污染离心机在实验室安全管理中的应用拓展(一)

2019年1月，国务院安委会召开高等学校实验室安全管理工作会议。2019年5月，教育部发布《关于高校实验室安全工作的意见》，要求建立定期安全检查和安全风险评估制度，切实增强高校实验室安全管理能力和水平。实验室生物安全管理是实验室安全管理工作组成内容。2018年广东省教育厅颁布《高等学校实验室安全建设与管理暂行规定》，要求把病原微生物实验活动与传统化-毒-放监管一并纳入实验室安全管理范畴。

从防生物污染功能离心机在生物安全实验室的应用出发，探讨其在实验室安全管理中拓展应用的可行性。

一、离心机使用与实验室生物安全有何关系？

回答这个问题前，须先了解一下世界卫生组织(WHO)在2004年颁布的第三版《实验室生物安全手册》（后文统一简称为《手册》）中与离心机使用有关内容。

气溶胶（aerosol），为粒径1nm～100μm的固态或液态微小粒子在外力作用下向空气中扩散并悬浮于气体介质中形成的较稳定分散体系，是一种重要的实验室传染源。

许多实验室操作都可能生成有害气溶胶。因而在设计实验室和安排某些实验时，要特别关注气溶胶的形成会造成的生物安全问题。

《手册》第4章明确指出，离心机属于“可产生气溶胶的设备”。附录4“设备的安全性”中列出了离心机在使用时可能造成的微生物学危害（见表 A4-1）。

可见，在病原微生物感染材料的离心操作时，有可能产生高浓度气溶胶，而气溶胶逸出和扩散会危及实验人员安全，使WHO对因离心操作引发的实验室生物安全风险的高度关注。

二、样品如何因离心变成气溶胶危害实验人员安全？

明修栈道暗度陈仓。样品通过两种途径可从离心管内逸出到管外成为污染起源。

明修栈道是指发生明显的操作失误。譬如离心过程中没使用转头盖，因管盖弹开、松动后，水平吊篮摆动管位改变或样品管高速飞出转头，样品遗撒，污染转头和离心腔。这种偶发事故容易发现。

另一种样品外逸污染发生最常见：管内样品因移液疏忽吸头贴壁、振荡混匀，管壁、管盖吸附聚集较多微小液珠，管内上部空间产生气溶胶，开盖动作过猛，造成管盖液滴汇聚流出，沾染到管口和手套。样品管、手套在随后转头上样、离心样品平衡操作中进一步把污染转移到转头表面、转头盖和离心机操作按钮等暴露面。这个过程比较隐蔽，不容易引起实验人员察觉和及时处置，故谓之暗度陈仓。

管内样品外逸是气溶胶污染之旅的起点，而离心则是污染物的输布动力。以eppendorf F-45-30-11角转头为例，稍作计算来剖析这个现象。

F-45-30-11转头，角度为45°，转头截面呈梯形，离心半径9.5cm。按离心机行业规则，“离心半径”为转头最大半径（如图所示）。计算出转头上部“最小半径”约7.4cm。

若采用12000xg离心力提取核酸，F-45-30-11转头转速约10630rpm。此时，转头上部外侧速度约296公里（不妨命名为“最小时速”。相应地，转头底部外侧的时速叫做“最大时速”，约380公里）。若习惯了采用12000rpm转速，则转头最小时速高达330公里。相当于转头表面出现时速300公里的强气流。

若采用Beckman Avanti J26S XPI立式大容量低温高速离心机的24×1.5mL角转头 JA18.1进行12000xg的相同操作（角度45°，最大半径11.6cm，最小半径9.5cm），JA18.1最小时速340公里（最大最小时速约420公里）！

转头内、外的气流速度存在较大差异，转头外部内部形成负压，对转头盖内部的气溶胶产生抽吸效果。同时，污染物在离心作用下，甩到转头盖边缘，从缺乏有效密封的转头内逃逸出来，并被高速涡流裹挟、搅拌和分散，形成气溶胶。

再加上离心刚结束就快速打开机盖，来不及沉降的气溶胶直接扩散到离心腔外，实验人员面临大剂量气溶胶暴露。

用水平转头转速很低（2000-30000rpm）离心高风险生物样品，能否避免气溶胶产生呢？不能。如离心机吊篮缺少密封盖，离心管管口端将直接暴露在离心腔气流中。吊篮向心端的离心半径若按5.5cm计算， 2000rpm转速运行时，气流相对时速高达40公里。气流吹拂足以带走表面附着的污染物产生气溶胶。

可见，无论高速角转头提取核酸，还是水平转头低速处理污染品，有一点是相同的：操作时转速越高，所用转头容量越大或离心半径越大，气溶胶形成作用越强。WHO不仅认定离心操作可产生气溶胶，在《手册》第12章”实验室技术”一节还特别指出：即便把离心机放在传统Ⅱ级生物安全柜内工作，喷射出的感染性颗粒因快速运动，难以被安全柜内的气流截留，还需采用特殊防护措施才能有效控制其在实验室的扩散。

如何有效控制离心机工作时可能产生的生物安全风险气溶胶？请参考《用防生物污染转头提升离心所致气溶胶防控能力》。

参考文献：

1.《实验室生物安全手册》(第三版)