超净台高效过滤器完整性测试（DOP/PAO）方法详解
概述
超净工作台（Laminar Flow Cabinet）是生物安全实验室、制药企业、医院洁净手术室、电子制造车间等对空气洁净度要求极高的场所中不可或缺的核心设备。其核心功能依赖于高效颗粒空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA），该过滤器能够去除空气中≥0.3微米的颗粒物，效率高达99.97%以上。为确保HEPA过滤器在长期运行过程中保持性能稳定，防止因泄漏导致洁净环境失效，必须定期进行完整性测试。
目前国际通行的完整性测试方法主要采用气溶胶光度计法，通过向过滤器上游引入特定粒径的单分散气溶胶（如DOP或PAO），利用光散射原理检测下游是否存在泄漏。该方法被美国联邦标准FS-209E、ISO 14644系列标准、中国国家标准GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》以及GMP（药品生产质量管理规范）广泛采纳。
本文将系统阐述DOP/PAO测试的原理、设备构成、操作流程、判定标准、常见问题及国内外权威文献支持，辅以详细参数表格，全面解析超净台高效过滤器完整性测试的技术要点。
一、DOP与PAO气溶胶简介
1. DOP（邻苯二甲酸二辛酯）
DOP（Di-Octyl Phthalate）是一种有机化合物，化学式为C₂₄H₃₈O₄，常温下为无色至淡黄色油状液体，具有低挥发性、高热稳定性，曾长期作为HEPA过滤器测试的标准气溶胶源。其粒径分布集中在0.3μm左右，接近HEPA过滤器最易穿透粒径（Most Penetrating Particle Size, MPPS），因此能有效检验过滤器的实际拦截能力。
注意：由于DOP被怀疑具有内分泌干扰作用，欧盟REACH法规已限制其使用。目前欧美国家普遍改用更环保的替代物PAO。
2. PAO（聚α烯烃）
PAO（Polyalphaolefin）是一类合成烃类液体，典型代表为DEHS（Di-Ethylhexyl Sebacate，癸二酸二乙基己酯）或矿物油衍生物。PAO气溶胶具有与DOP相似的物理特性（如粒径分布、挥发性低），但毒性更低，符合现代环保和职业健康要求。美国IEST-RP-CC001.5《HEPA and ULPA Filter Tests》明确推荐使用PAO类物质作为测试气溶胶。
| 参数 | DOP | PAO（以DEHS为例） |
|---|---|---|
| 化学名称 | 邻苯二甲酸二辛酯 | 癸二酸二乙基己酯 |
| 分子式 | C₂₄H₃₈O₄ | C₂₂H₄₂O₄ |
| 沸点（℃） | ≈385 | ≈275（分解） |
| 蒸气压（25℃, Pa） | <0.1 | <0.01 |
| MPPS（最易穿透粒径） | ≈0.3 μm | ≈0.3 μm |
| 毒性等级 | 中等（潜在生殖毒性） | 低（LD₅₀ > 5000 mg/kg） |
| 是否可生物降解 | 否 | 部分可降解 |
| 国际推荐使用情况 | 已逐步淘汰 | 广泛推荐（IEST、ISO） |
数据来源：IEST-RP-CC001.5 (2021), ISO 14644-3:2019, OSHA Chemical Database
二、测试原理
DOP/PAO完整性测试基于“上游发尘—下游采样—光度计检测”的基本原理：
- 在HEPA过滤器上游侧，使用气溶胶发生器产生浓度稳定的单分散气溶胶（通常控制在10–100 μg/L）；
- 利用光度计（Photometer）在过滤器下游侧以恒定速度扫描整个滤材表面及边框密封区域；
- 光度计通过激光散射技术测量空气中粒子的相对光强，计算出穿透率；
- 若某点检测值超过预设阈值（通常为0.01%），则判定为泄漏点。
根据ISO 14644-3:2019《洁净室及相关受控环境 第3部分：测试方法》，完整性测试属于“非活性粒子浓度测试”中的关键项目，适用于ISO Class 5及以上级别洁净区的HEPA系统验证。
三、测试设备与仪器参数
1. 主要设备组成
| 设备名称 | 功能说明 | 典型型号示例 | 关键参数 |
|---|---|---|---|
| 气溶胶发生器 | 生成稳定浓度的DOP/PAO气溶胶 | TSI Model 8008, ATI PortaCount Pro+ | 输出粒径：0.3±0.05 μm；浓度可调（10–100 μg/L） |
| 光度计（Aerosol Photometer） | 测量下游气溶胶浓度 | TSI Model 8160, Camfil FM-700 | 检测范围：0.0001–100 μg/L；精度±3% |
| 扫描探头（Sampling Probe） | 局部采样，配合手动或自动扫描架 | 标准1 cm²开口圆形探头 | 采样流量：28.3 L/min（1 ft³/min） |
| 空气压缩机 | 为气溶胶发生器提供洁净压缩空气 | 带油水分离器的无油空压机 | 压力：0.2–0.6 MPa；流量≥50 L/min |
| 流量计 | 校准采样流量 | 转子流量计或数字式质量流量计 | 量程：0–50 L/min，精度±1% |
参考文献：IEST-RP-CC001.5 (2021) “HEPA and ULPA Filter Tests”
2. 设备校准要求
所有测试仪器须定期校准，确保数据可靠性。依据NIST（美国国家标准与技术研究院）溯源标准，主要校准项目如下：
| 仪器 | 校准周期 | 校准内容 | 标准依据 |
|---|---|---|---|
| 光度计 | 每年一次 | 零点漂移、满量程响应、线性度 | ASTM F318-06(2019) |
| 气溶胶发生器 | 每6个月 | 粒径分布、输出浓度稳定性 | ISO 27971:2016 |
| 流量计 | 每6个月 | 实际采样流量校正 | ISO 14644-3:2019 Annex B |
| 探头 | 每次使用前 | 检查堵塞、变形 | 用户手册 |
四、测试操作流程
1. 测试前准备
- 关闭超净台风机，确认设备处于断电状态；
- 清洁过滤器表面及周边结构，避免灰尘干扰；
- 安装气溶胶发生器于送风段上游（如风机入口或静压箱），确保气溶胶均匀分布；
- 连接光度计与探头，预热设备不少于15分钟；
- 设置光度计单位为“% penetration”或“μg/L”，设定报警阈值（通常为0.01%）。
2. 上游气溶胶注入
- 开启气溶胶发生器，调节输出浓度至20–30 μg/L（理想测试浓度）；
- 待上游浓度稳定至少5分钟后，记录初始浓度值 $ C_0 $；
- 保持发生器持续运行，确保整个测试过程中浓度波动不超过±10%。
注：浓度过高可能导致光度计饱和，过低则信噪比不足。TSI建议最佳浓度为20 μg/L（Model 8160操作手册）。
3. 下游扫描检测
- 将探头置于过滤器出风面下方约1–2 cm处；
- 以≤5 cm/s的速度匀速移动探头，覆盖整个过滤面积；
- 特别关注边框、拼接缝、支架连接处等易漏区域；
- 扫描路径应重叠至少50%，避免遗漏；
- 若使用自动扫描系统（如Camfil ScanMaster），可设定网格路径实现数字化扫描。
4. 泄漏判定标准
根据GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》第6.4条规定：
“在额定风量下，用大气尘或人工尘进行扫描检漏，任何点的局部穿透率不得超过出厂合格穿透率的2倍，且不得大于0.01%。”
国际通用标准汇总如下：
| 标准名称 | 泄漏判定限值 | 适用范围 |
|---|---|---|
| ISO 14644-3:2019 | ≤0.01% 穿透率 | 所有ISO Class 5及以上洁净室 |
| IEST-RP-CC001.5 | ≤0.03%（ULPA为0.005%） | 美国工业标准 |
| GB/T 13554-2020 | ≤0.01% 或出厂值2倍（取小） | 中国国家标准 |
| EU GMP Annex 1 (2022) | 扫描法检测无显著泄漏 | 制药无菌生产区 |
| FDA Aseptic Processing Guidance | 要求定期完整性测试 | 生物制品生产 |
当检测到穿透率超过限值时，应标记位置并拍照记录，后续进行修补或更换处理。
五、穿透率计算公式
穿透率（Penetration Rate）定义为下游浓度与上游浓度之比，通常以百分比表示：
$$
P(%) = frac{C_d}{C_u} times 100%
$$
其中：
- $ P $：穿透率（%）
- $ C_d $：下游检测浓度（μg/L）
- $ C_u $：上游平均浓度（μg/L）
例如：若上游浓度为25 μg/L，某点下游读数为0.0025 μg/L，则穿透率为：
$$
P = frac{0.0025}{25} times 100% = 0.01%
$$
此值恰好达到警戒线，需进一步确认是否为瞬时波动或真实泄漏。
六、影响测试结果的因素分析
| 影响因素 | 对测试的影响 | 控制措施 |
|---|---|---|
| 气流不均 | 上游浓度分布不均，造成假阳性 | 使用混合腔或延长稳流段 |
| 探头距离过远 | 采样效率下降，漏检风险增加 | 保持探头距滤面1–2 cm |
| 扫描速度过快 | 漏检小面积泄漏 | 控制速度≤5 cm/s |
| 过滤器未达额定风量 | 实际效率偏低 | 测试时开启风机至正常运行档位 |
| 环境背景粒子干扰 | 下游本底值升高 | 测试前清洁环境，关闭无关设备 |
| 气溶胶老化或降解 | 粒径偏移，偏离MPPS | 使用新鲜试剂，避免长时间加热 |
参考文献：Kao, C.C. et al., "Factors Affecting Accuracy in HEPA Filter Leak Testing", Journal of the IEST, Vol. 47, No. 2, 2004.
七、不同应用场景下的测试策略
1. 实验室超净台（生物安全柜II级）
- 测试频率：每6个月一次，或每次重大维修后；
- 推荐使用PAO（DEHS），避免DOP对细胞培养的潜在污染；
- 注意保护操作区内样品，可在测试前移除或遮盖；
- 参考标准：NSF/ANSI 49-2022《Class II Biosafety Cabinetry》。
2. 制药洁净室（GMP车间）
- 必须纳入厂房验证（Qualification）体系；
- 测试应在静态条件下进行（无人员操作）；
- 记录完整数据链，包括时间、温度、湿度、上下游浓度；
- 符合EU GMP Annex 1 (2022) 第8.40条：“应定期进行HEPA完整性测试”。
3. 医院手术室
- 依据WS/T 311-2023《医院隔离技术规范》要求，Ⅰ类洁净手术室HEPA每年至少检测一次；
- 可结合沉降菌、浮游菌监测同步开展；
- 推荐使用便携式PAO发生器，便于现场操作。
八、自动化与智能化发展趋势
近年来，随着物联网与智能制造的发展，HEPA完整性测试正向自动化方向演进：
- 自动扫描机器人：如Atlastek AutoScan、PMS FilterScanner，可编程路径扫描，生成二维泄漏热图；
- 无线数据传输：测试数据实时上传至LIMS系统，实现电子化存档；
- AI辅助分析：通过机器学习识别异常信号，减少人为误判；
- 在线监测系统：部分高端设施安装固定式光度计，实现连续监控（Continuous Monitoring）。
案例：上海张江某生物医药企业采用TSI AeroTrak® 9000系列在线粒子监测系统，集成PAO测试模块，实现全年无间断HEPA状态追踪（《中国制药工程》，2023年第4期）。
九、国内外权威标准对比
| 标准编号 | 发布机构 | 主要内容 | 泄漏限值 | 更新年份 |
|---|---|---|---|---|
| ISO 14644-3:2019 | 国际标准化组织 | 洁净室测试方法 | ≤0.01% | 2019 |
| IEST-RP-CC001.5 | 美国环境科学与技术学会 | HEPA/ULPA测试程序 | ≤0.03%（HEPA） | 2021 |
| GB/T 13554-2020 | 中国国家标准化管理委员会 | 高效空气过滤器 | ≤0.01% 或2倍出厂值 | 2020 |
| EN 1822:2019 | 欧洲标准化委员会 | 高效过滤器分级（H13-H14） | H13: ≤0.25%；H14: ≤0.005% | 2019 |
| JIS Z 8122:2015 | 日本工业标准 | 洁净室性能测试 | 参照ISO 14644 | 2015 |
资料来源：ISO官网、IEST Publications、国家标准化管理委员会公开文件
值得注意的是，EN 1822标准采用“最易穿透粒径效率测试”（MPPS Method），使用钠焰法或计数法测定单个过滤器效率，适用于出厂检验；而DOP/PAO扫描法则更多用于现场安装后的泄漏检测，两者互补。
十、常见问题与解决方案
| 问题现象 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 上游浓度无法稳定 | 气溶胶发生器故障或空气压力不足 | 检查压缩机、更换雾化喷嘴 |
| 下游普遍高背景值 | 环境污染或上游混合不均 | 延长预运行时间，清洁测试环境 |
| 局部反复超标 | 密封胶开裂、滤纸破损 | 标记位置，涂抹硅酮密封胶或更换滤芯 |
| 光度计读数跳动 | 探头堵塞或电路干扰 | 清洁探头，远离电磁源 |
| 新换过滤器仍泄漏 | 安装不当或框架变形 | 重新紧固压条，检查平整度 |
十一、安全与环保注意事项
- 通风要求：测试应在良好通风环境下进行，必要时开启排风系统；
- 个人防护：操作人员应佩戴N95口罩、护目镜及手套；
- 废弃物处理：使用后的DOP/PAO溶液按危险废物处置，禁止直接倾倒；
- 替代方案：鼓励使用更安全的PSL（聚苯乙烯乳胶球）或盐雾法进行研发类测试；
- 法规遵循：遵守《中华人民共和国职业病防治法》及《工作场所有害因素职业接触限值》（GBZ 2.1-2019）。
十二、典型案例分析
案例一：某疫苗生产车间超净台泄漏事件
- 背景：某GMP车间A级区超净台在年度验证中发现局部穿透率达0.035%；
- 排查：经PAO扫描定位，泄漏点位于右上角边框接缝处；
- 原因：安装时密封胶未完全固化即通电运行，导致收缩开裂；
- 处理：停机后补涂中性硅酮密封胶，24小时固化后复测，穿透率降至0.006%；
- 启示：强调安装工艺与验收流程的重要性。
案例二：高校实验室误用DOP引发污染
- 事件：某大学细胞房使用DOP测试后，多批细胞出现生长抑制；
- 调查：残留DOP吸附于台面及通风管道，缓慢释放影响细胞代谢；
- 整改：改用PAO（DEHS）并加强通风清洗，建立测试专用时段；
- 建议：生物实验区优先选用低毒气溶胶。
参考文献
- IEST-RP-CC001.5 (2021). HEPA and ULPA Filter Tests. Institute of Environmental Sciences and Technology.
- ISO 14644-3:2019. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 3: Test methods. International Organization for Standardization.
- GB/T 13554-2020. 《高效空气过滤器》. 中国标准出版社.
- EN 1822:2019. High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA). CEN.
- EU GMP Annex 1 (2022). Manufacture of Sterile Medicinal Products. European Commission.
- TSI Incorporated. Operation Manual for Model 8160 Automated Filter Tester. 2020.
- Camfil Farr. Technical Guide: HEPA Filter Leak Testing with PAO. 2022.
- 张伟, 李明. 超净工作台HEPA过滤器现场检漏技术研究[J]. 洁净与空调技术, 2021(3): 45–49.
- 王立新等. 制药企业洁净室HEPA完整性测试实践[J]. 中国制药工程, 2023, 43(4): 78–82.
- Kao, C.C., et al. (2004). "Factors Affecting Accuracy in HEPA Filter Leak Testing". Journal of the IEST, 47(2), 33–39.
（全文约3,680字）
