高校理工科实验室防呆设计——以地理科学实验室为例

刘春玲， 龚吉蕊， 魏 欣， 刘莹莹， 刘瑛娜， 高晓飞

（北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875）

0 引 言

高校实验室承担着科学研究及人才培养的重任，其安全管理及规范运行是高校培养高层次创新人才、履行科学研究职能、增强社会服务水平的重要支撑，直接关系到科学研究能否顺利开展，关系着师生安全乃至社会的安全与稳定［1-2］。然而，高校实验室是化学品、气瓶、特种设备、放射源及射线装置等众多危险源聚集的“火药桶”；特别是实验室安全事关广大师生的人身安全，是高校安全管理不可逾越的一条红线［1］。此外，实验室人员密集、危险源量大面广，而且科学研究中探索性实验越来越多，具有高安全风险的实验操作不断增加，实验室安全管理面临的压力和挑战前所未有［3-4］。其中，理工科类实验室具有分布散、环境危险属性复杂、仪器设备及药品试剂等危险源种类多、总量大、人员流动性大等特点，而且从事实验操作的主力-研究生和本科生在实验室时间短、实验操作熟练程度偏低，一直以来都是高校实验室安全事故的高发地［5-9］。

高校实验室安全事故的一再发生，冲击着高校的安全底线，暴露出实验室安全管理中的种种漏洞，更凸显出相关环节的监督缺位和执行乏力。近年来，从教育部到各高校日益重视实验室安全管理，加大了实验室的安全管理强度，逐步建立了实验室安全管理体系。然而，由于我国高校在实验室安全管理方面起步较晚，对安全管理理念和本质认识仍然不够深刻，仍然是以被动预防事故发生为主［10］。墨菲定律警示我们：只要有可能，事故就会必然发生；即使你不出错，也总会有别人出错；而海恩法则告诉人们，事故发生都有原因，都是隐患累积的结果，同时也说明安全隐患是可以控制［11］。此外，基于海因里希法则，可以将引发高校科研实验室各类安全事故的安全隐患划分为“人的不安全行为”“物的不安全状态”和“环境的不安全因素”3种类型，其中人的不安全行为占有很大比例，并且也是导致实验室危险事故的决定性因素［6-7，12-15］。然而，“不注意”是人的心理缺陷，在实验过程中可以采取防呆防错措施［7］。其中防呆设计从方法上看是在设备设施上做工作，是在消除设备设施的不安全状态，但其本质是在消除人的不安全行为，防止人为错误造成的事故、伤害，这正是本质安全的思路和方法：在“人-机-环”系统中所涉及的设备设施、环境措施等尽可能有安全保障性，即便在人的行为失误时也能避免事故，变被动为主动，从而提高系统的安全系数［16-18］。

目前“防呆防错”主要用于企业管理，在实验室安全管理中鲜有提及，更缺乏系统的科学研究，但实际上其理念一直贯穿实验设备、实验操作及安全管理的方方面面（比如报警装置、安全标识、安全防护设施的配备、仪器设备设计与操作、实验操作流程设计等），并开始受到实验设计及实验管理人员关注［7，9］。在实验室建设和安全管理工作中引入防呆设计，将实验操作与工业生产中提高产品质量、进行风险管理、保障安全的工具结合起来，旨在防止和纠正实验室人员的错误操作，或者警示实验人员、避免错误操作，或增加实验自动化设计，限制错误动作执行，从而消除安全隐患、避免实验室安全事故［9］。

1 防呆防错的概念

防呆（Poka-Yoke，也被称作“foolproof、mistakeproof、fail-safe、error prevention”）是一种预防矫正的行为约束手段，通过运用一系列的自动保护措施，即使操作者没有专业知识和相关经验，甚至不需要花费注意力，就能凭直觉而正确无误地完成操作［9，19-20］。防呆源于日本，后来运用至工业管理，旨在减少工业生产过程中的失误，提高生产效率［9，20-22］。其基本理念：完全消除差错是不可能的，但是可以降低出错概率或减少出错的不良后果［21，23］。相比其他防错措施，防呆设计是最为有效的，而且在设计阶段就可以评估其有效性［21］。

2 防呆防错在实验安全管理中的应用

2.1 实验安全管理中的主要防呆防错措施及防呆模式

尽管防呆防错在现代生产过程中被广泛应用，但目前尚无严格的定义明确其使用界限［21，23］。针对生产过程中出现的不同人为缺陷，通常采用不同的防呆措施，依据作业用途、目的、装置以及防呆方式等将其区分成不同类别，本文结合实验操作过程及实验安全管理经验对防呆防错措施分类如表1 所示［21-23］。

表1 防呆防错措施分类

针对不同的操作流程和失误类别，采用上述不同的防呆措施以及不同防呆模式。防呆模式具体包括有形防呆、有序防呆、编组和计数式防呆以及信息加强防呆。在实验过程中，有形防呆是针对设备、实验场所、实验流程及实验操作者的物质属性、采用的一种硬件防错模式。如具有防呆截止的电芯烘箱，通过设备控制器与电子锁信号连接，控制电子锁在烘烤前上锁、烘烤结束后开锁，避免未到烘烤时间将烘烤物品拉出、造成烘烤时间不足，从根本上实现防呆拦截；另外，电烘箱增加并逐步完善防呆控制系统、连接触点探针和触点探针模块等装置，便于监控干燥进程，减少实验人员误操作，保证了干燥时间、温度的一致性，从而保证实验质量和实验安全；水浴锅设置触点作为开关与输水装置电连接，实现自动加水防止水量持续减少甚至干烧，均为有形防呆模式［24-26］。有序防呆则是针对实验操作步骤、对其顺序进行监控。如常规实验在实验台上按照实验顺序摆放实验器材，每一操作步骤相对应实验器材，并将实验要求标注清晰；气相分子吸收光谱仪（安杰AJ-3000）的操作流程（自检、参数设置、开始检测、清洗管路等），环环相扣，无法跳过前一步骤操作下一步；总有机碳分析仪（岛津TOC-LCPN）的自动进样器开关需要在主机开机前打开，否则不能通信，因此，在自动进样器开关处设定明显标识：主机开机前打开。

2.2 实验室安全管理遵循的主要防呆原理

实施防呆法遵循的主要应用原理包括：自动原理、断根原理、保险原理、相符原理、隔离原理、顺序原理、复制原理、层别原理、警告原理、缓和原理［17，27］。

（1）自动原理。通常以光学、电学、力学、机构学、化学等原理来限制某些动作的执行或不执行，以避免错误之发生。如气相分子吸收光谱仪（安杰AJ-3000）及全自动真空冷凝抽提系统（Li-2000）的启动自检。

（2）断根原理。将会造成错误的原因从根本上排除掉，杜绝错误发生。如总有机碳分析仪（岛津TOCLCPN）的自动进样器盖子如未盖好，实验立刻自动中止。

（3）保险原理。采用2 个以上的动作必需共同或依序执行才能完成工作。化学试剂柜的两把钥匙同时按照规定方向转动方能开门。

（4）相符原理。液态水同位素仪（LGR DLT10024D）的样品、标样的摆放采用固定模式；气相色谱仪（安捷伦7890A）的洗液、标准品、样品瓶和废液瓶按照自动进样器中的标识位置摆放。

（5）顺序原理。气相分子吸收光谱仪（安杰AJ-3000）的标样默认放置到44 号位、流动元素分析仪（德国Seal-AA3）的标样设置为从左到右由高浓度到低浓度依次摆放。

（6）隔离原理。流动元素分析仪（德国Seal-AA3）的标液横向单独摆放，而样品则纵向摆放在2 个独立的样品盘上，样品区和标液区分开。

（7）复制原理。液态水同位素仪（LGR DLT10024D），通过LoadCfg 按键复制以前的测样设置、减少设置时间、避免样品和标准品位置设定出错；流动元素分析仪（德国Seal-AA3）通过copy run，在不改变测样参数的情况下，直接复制以前成功的运行文件，减少创建分析文件的时间、避免文件设置出错。

（8）层别原理。标准样品和待测样品采用不同的样品瓶，如气相色谱仪（安捷伦7890A）自动进样器的洗瓶A、洗瓶B、废液瓶位置明确标识、便于区分。液态水同位素仪（LGR）建议标液采用棕瓶、待测样品采用透明玻璃瓶；氮气、氧气、氦气等使用不同颜色的钢瓶，并用不同颜色的标签标识。

（9）警告原理。气瓶柜和药品柜的报警装置；液态水同位素仪（LGR）阀块及总有机碳分析仪（岛津TOC-LCPN）顶盖上的高温警示标识。

（10）缓和原理。用于减少实验失误发生后造成的损害，如防护服、护目镜、酸碱洗消液、以及灭火器、消防栓的配备。

其中，自动原理、保险原理、警告原理、缓和原理在实验管理中应用较为广泛。现以地表过程与资源生态国家重点实验室室内分析测试中心（简称“地表国重室内分析测试中心”）的气相色谱仪（安捷伦7890A，加载MIDI微生物鉴定系统）为例进行防呆设计，遵循简单化原则，采用顺序原理和层别原理，严格按照编号顺序操作，并用不同的颜色代表不同的意义来防错，避免因为原本繁杂的顺序搞错导致错误发生、减少由于操作失误导致的设备损坏风险。

2.3 实验室防呆设计的基本步骤

实验室防呆设计的基本步骤如下：

（1）发现人为疏忽造成的风险。本文采用的案例中气相色谱仪（安捷伦7890A）用于气体样品检测（TCD检测器）、液体样品分析（FID检测器）和土壤微生物种类鉴定（MIDI鉴定系统）时分别需要采用不同的气体作为载气和尾吹气，特别是前进样口载气必须根据测量需求分别选用氮气和氢气，人为疏忽风险大；运用MIDI微生物鉴定系统测定磷脂脂肪酸（PLFA）种类及含量时，还需要通过GC键盘手动设定进样口、柱温箱及检测器温度，特别是进样口温度升高至250 ℃后，再将柱温设置为170 ℃。

（2）分析造成该风险的原因。氮气、氦气、空气及氢气等气路复杂，如果标识不清、不易分辨，很难根据需要正确调节并选用合适的尾吹气、载气和燃烧气；需要人为观察温度变化：开机时进样口温度上升到指定温度后再调节柱温箱温度，目前难以通过自动开机程序实现，必须根据变化情况手动调温。

（3）提出改善方案。增加三通阀、切换阀等防呆设计、做好标识。

（4）确认增加防呆设计后的效果。具体见图1。

图1 防呆设计基本步骤

3 防呆设计在地理科学实验室及设备管理中的应用

3.1 地表国重室内分析测试中心的防呆措施

地理学科作为多学科渗透与交叉的综合性学科，其实验室安全环境极具复杂性、不确定性和综合性，涉及化学、生物学、土壤学、环境学、生态学、水文学、海洋学、测绘学、物理学等专业的实验内容，仪器设备种类繁杂；而且地理学科实验操作人员相比化学、生物学等专业领域的人员缺乏实验方面的专业知识积累、高水平的专业技术培训以及实验技术的改进与创新能力，不甚了解面临的物理性因素、化学性因素、生物性因素、环境辐射性因素以及机械设备运行因素等多元化因素带来的不良影响，甚至缺乏基本的化学常识。

地表国重室内分析测试中心作为学校的重要理科实验室之一，自2017 年依托地理科学学部筹建至今，从人员（不安全行为）、物料（不安全状态）、环境（不安全条件）和管理（不安全要素）4 个方面着手，实施了一系列行之有效的安全管理举措，已经形成了较为完善的人防、物防、技防三防并举的实验室安全保障体系，极大消除了安全隐患，为中心实验室安全、高效运行提供可靠保障。目前，主要的人防措施（管理型-信息型防呆措施）包括：建立具有学习与考试功能的实验室安全知识考试系统；拍摄进入实验室前的安全须知、实验前安全准备、实验规范操作、实验室废弃物安全管理、化学品的安全领用规范、实验室化学品喷溅洗消规范、实验室安全应急处置规范等安全教育系列宣传片；制定了实验室安全管理制度、安全培训与准入制度、应急处理方案、工作人员基本职责、学生实验守则、危险化学品管理办法、化学试剂管理制度、气瓶使用管理规定等一系列规章制度并严格实施；定期组织实验室安全培训及安全应急演练等。主要物防措施（技术型-预防型、警示型防呆措施）包括：实验室安全防护物品、安全救护设施以及消防、水电等物防设施配备齐全；喷淋、洗眼装置、洗消药品、急救药箱等适合中心各实验室安全要求的安全急救配置一应俱全，并逐日检查、及时补充；各类安全标识均按照规定在醒目位置张贴；灭火设备正常有效、方便取用；配备了智能试剂柜和防爆冰箱。此外，逐步加强了实验室技防设施（技术型-警示型防呆措施）的建设，目前已经完成了实验室综合管理平台的设计与建设，并安装了实验室气体检测报警器及高清视频实时监控追溯系统，便于及时发现不规范操作和安全隐患［28］。

3.2 仪器设备防呆设计的必要性-以气相色谱仪为例

由于高校地理科学实验室的高度综合性，一台设备具备多种功能。本中心仅有的一台气相色谱仪（安捷伦7890A）同时具备气体样品、液体样品的测试功能。另外还加载了MIDI Sherlock微生物鉴定系统，采用微生物特定脂肪酸（C9-C24）为生物标记物，可进行2 000 多种微生物菌种鉴定。注入气体样品进行检测时，需要手动注入样品。对液体样品进行检测和分析时，配备了两种分析测试功能：挥发性有机物的检测；通过加载微生物鉴定系统MIDI，确定土壤提取的磷脂脂肪酸样品中微生物种类及数量。

气体样品检测、液体样品有机物分析和土壤微生物种类鉴定功能的实现，需要采用不同的气体作为载气和尾吹气，而且气体样品还需要用到相应的标准气。气体样品检测需要用氦气或氮气做载气（采用TCD检测器测常量一氧化碳、二氧化碳时，通常采用氦气，不同成分出峰时间较远，不干扰）；此外根据检测要求需要特定的标准气体，比如要测甲烷浓度为（5 ～70）kmol/L、CO2浓度为（0.1 ～2）kmol/L 的气体样品，其标气包含甲烷和二氧化碳、用氦气做平衡气。而液体样品测挥发性有机物则尾吹气和前进样口载气均为氮气、燃烧气为氢气。使用MIDI 微生物鉴定系统时，需要两路氢气：进样口载气和检测器燃烧气，同时氮气作为尾吹气，前进样口氮气关闭。另外，不同功能的样品的前处理步骤和标准品准备存在很大差异，设备操作步骤也多有不同之处，特别容易造成操作人员的步骤混淆，可能会由此引发设备故障，并存在安全隐患。因此，对该设备的操作步骤进行了简单的防呆设计，减少操作失误和安全风险。

3.3 气相色谱仪-MIDI微生物鉴定系统的防呆设计

如上所述，3 种功能的实现，需要用到不同的气体，在气路设计中，为便于区分，采用醒目的颜色标识不同气路：灰色标签绿字标示氦气气路，黑色标签黄字标识氮气，绿色标签红字标示氢气。此外，增加了三通阀和切换阀，便于根据测试需求调整气路。具体如下：

首先，采用不同颜色的标签代表3 个功能对应的步骤。气体样品检测对应其载气氦气标签为灰色、绿字，与该功能相适应的步骤标识全部采用灰色、绿字；与液体样品挥发性有机物检测相对应的步骤标识均采用黑色、黄字，对应其前进样口载气氮气；鉴定微生物时的操作步骤则采用绿色、红字标识。

然后，以其加载的MIDI 微生物鉴定系统为例，用序号标识操作步骤，将操作步骤对应的绿底红字定制标识贴于相应开关、按钮、调压阀或切换阀处（操作流程防呆设计示意图如图2 所示。实际操作过程中，对复杂的样品前处理过程即磷脂脂肪酸提取也很有必要进行防呆设计，遵循防呆设计的顺序原理做好实验台面设计及实验工具摆放，并醒目标识提取操作中32 个步骤的具体要求）。

图2 气相色谱仪-MIDI微生物鉴定系统操作流程

开机、运行和关机操作共计18 步，中间部分6 步为软件操作，按照软件提示操作即可，一般不会出错，也不存在安全风险。另外12 步则包括前期准备、开机操作和关机操作部分，步骤比较繁杂，特别容易出现失误，所以做了明确标识和提示，适合高流动性实验人员操作（基本都是新手操作）。其中，切换气路需要选择合适的尾吹气氮气和进样口载气氢气，因此在氮气和氢气间增加了切换阀，并在切换阀位置贴上步骤标识。

开机操作部分，为简化操作，设置了“开机方法”，但进样口温度升高至250 ℃后，要求再将柱温设置为170 ℃，目前无法实现自动操作，需要明确标识，防止操作失误。此外，序号标识在序号前面加上“开”提示为开机程序。

关机部分可以通过设置“关机方法”简化操作；如需手动操作，必须明确标识进样口、炉温和检测器的关机设置以及主机、电脑和气路的关闭顺序。

序号标识可以定制磁性贴或胶贴。考虑到张贴空间大小，3 种功能的序号标识及说明标识可以设计成三色一体标签：绿、灰、黑；也可以分别设计，每次操作前由管理老师选择对应颜色的标识张贴至相应位置，本案例中的气相色谱仪绿底红字对应功能使用率最高，其他两项功能仅偶有使用，采用分别设计的方式较妥。因此，本案例中气相色谱仪的大部分时间张贴绿底红字标识，如临时需要检测大气温室气体或者液体样品的挥发性有机质，则由管理老师临时调节标识。

除了序号标识，如果某一步骤需要详细说明，则增加说明标识。实验室不禁止使用手机时，可以考虑定制二维码标识说明该步骤的详细要求，否则采取补充标注的形式，如本案例中则对气压值要求等进行了补充标注。

4 结 论

本研究以地表国重室内分析测试中心为典型研究案例，系统阐述了防呆防错的概念、基本理念及其实验室安全管理中遵循的应用原理，在此基础上，针对气相色谱仪-MIDI Sherlock 微生物鉴定系统设计了步骤详细、可操作、可实施的防呆流程。通过防呆设计，实验操作过程中出错率明显降低，特别是开机过程中气路的选定以及开机时参数的设定简单、清楚。

通过分析以上防呆设计案例表明，实验过程中的防呆设计要遵循简单、轻松、安全以及自动化原则。实验前期及实验过程中的防呆设计必然要求实验人员、指导老师以及管理老师具备充分的理论知识储备、熟悉实验方法和实验步骤、对实验流程进行精心设计和规划，在实验前期将安全隐患减少至最少，做好风险分析和预判。此外，拟建设或建设中的实验室从实验室规划及设计阶段就应该从平面布局、仪器设备、实验室家具、给排水、消防、报警、电气系统、化学试剂和气瓶储存以及未来发展需求等各个方面进行防呆防错设计，减少实验室物料风险和环境风险，便于实验人员安全操作，未雨绸缪，为实验室本质安全奠定基础。

然而，高校实验的防呆设计不是一劳永逸的，要根据实验过程中新出现的人为疏忽及潜在风险实时完善、改进。随着智能时代的来临，除了传统的物防、人防，亟待推进和加强技防建设，充分利用现代技术手段进行精密智能化安全防范，提升技防管理水平。引入“防呆”机制也是信息化环境下实验室技防系统改革创新的重要手段，建立智能防呆系统，全面优化并监管实验室管理及实验操作过程，消除实验室安全隐患，从而解决管理手段管控不到位以及人手不足的问题。此外，Andon系统、连续流、方针管理（Hoshin Kanri）、目视化工厂（visual factory）等精益生产中的管理工具均可作为实验室防呆防错管理的有益补充，逐步实现实验室安全的精益化管理［23，29］。