PCR實驗室平面布局、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點分析

在PCR實驗室的設(shè)計和建造越來越受到建設(shè)單位重視的情況下，從PCR實驗室平面布局、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩個方面進行設(shè)計要點分析，提出了PCR實驗室按照四個區(qū)域設(shè)計為宜，實驗室設(shè)備的布置不僅考慮實用同時要兼顧疏散，氣流組織和壓力控制保證氣流單向流動防止氣溶膠污染，同時在房間內(nèi)設(shè)定、變風(fēng)量閥應(yīng)對生物安全柜開啟和關(guān)閉時房間的壓差擾動，供PCR實驗室的建設(shè)單位和設(shè)計同行的相關(guān)人員參考。

PCR是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction)的簡稱。又稱為特異性DNA序列體外引物定向酶促擴增法，這種方法可以把極微量的靶DNA特異地擴增上百萬倍，是基因擴增技術(shù)的一次重大革新。

PCR技術(shù)憑借特異性強、靈敏度高、對檢測樣品要求低、方便快捷等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種臨床診斷。目前國內(nèi)二級以上的醫(yī)院都在開展PCR技術(shù)的各種臨床應(yīng)用，PCR實驗室是承載PCR技術(shù)應(yīng)用的設(shè)施，實驗室的合理設(shè)計才能確保檢測結(jié)果的可靠性，因此，PCR實驗室的設(shè)計和建設(shè)越來越受到建設(shè)單位的重視。

從PCR實驗室平面布局、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩個方面進行設(shè)計要點分析，供設(shè)計同行和建設(shè)單位的相關(guān)人員參考。

PCR實驗室平面布局設(shè)計要點分析

1、平面功能分區(qū)要點分析

根據(jù)《臨床基因擴增檢驗實驗室基本設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)》1.1條的要求，PCR實驗室一般由試劑儲備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)、擴增區(qū)、擴增分析區(qū)4個區(qū)域組成。

PCR實驗室區(qū)域的設(shè)置并不是一成不變的，以下幾種情況需要說明：

①如果樣本在擴增之前需要粉碎處理，則需要增加一個區(qū)域用于樣品的粉碎;

②如果采用實時熒光PCR法，則擴增區(qū)和分析區(qū)可以合并為一個區(qū);

③如果采用全自動化PCR分析儀，則標(biāo)本制備區(qū)、擴增區(qū)和分析區(qū)可以合并為一個區(qū)。

以4個區(qū)域的實驗室設(shè)置進行設(shè)計要點分析，如圖1所示。

▲圖1 典型PCR 實驗室工藝平面圖

2、實驗室功能與設(shè)備設(shè)計要點分析

(1)試劑儲備區(qū)

該區(qū)域主要完成試劑和主反應(yīng)混合液的儲存、配制和封裝工作。所有運送到該區(qū)域的試劑和材料不應(yīng)經(jīng)過其他區(qū)域，試劑和原材料應(yīng)在本區(qū)內(nèi)儲存和制備。本區(qū)域的氣壓應(yīng)相對外界保持正壓。該區(qū)域的設(shè)備主要是冰箱、天平、混勻器、低速離心機、加樣器、可移動紫外燈等。由于該區(qū)域有多種試劑，所以“安全”應(yīng)是平面設(shè)計首要考慮因素，平面設(shè)計時應(yīng)保持通風(fēng)流暢、逃生暢通。首先，實驗臺布置在房間的兩側(cè)，中間的過道全部通向走廊便于疏散。同時根據(jù)國際人體工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，實驗臺與實驗臺通道設(shè)計為1500mm，中間的通道可滿足兩邊坐人中間過人的要求。

(2)標(biāo)本制備區(qū)

該區(qū)域的功能是樣本的保存、核酸提取和貯存、樣本加入擴增反應(yīng)管和測定DNA的合成。樣本應(yīng)直接運送至該區(qū)并儲存在本區(qū)內(nèi)，不得經(jīng)過其他區(qū)域。對于氣流壓力的控制，由于在本區(qū)內(nèi)加樣操作可能產(chǎn)生氣溶膠，為避免氣溶膠擴散出去對外界造成污染，本區(qū)應(yīng)對外界保持負壓;同時本區(qū)相對于擴增反應(yīng)混合物配制和擴增區(qū)以及擴增產(chǎn)物分析區(qū)為正壓，以避免從鄰近區(qū)進入本區(qū)的氣溶膠污染。

該區(qū)域的設(shè)備主要是生物安全柜、加樣器、臺式高速離心機、臺式低速離心機、水浴鍋、冰箱、混勻器和可移動紫外燈等。其中需要注意的是，生物安全柜最好選用B2型，這種生物安全柜所有的吸入氣流和垂直氣流都經(jīng)過高效過濾器過濾后排到室外，不再進入生物安全柜循環(huán)或者返回該區(qū)域，這種生物安全柜可避免提取核酸在柜內(nèi)反復(fù)循環(huán)，造成標(biāo)本之間交叉“污染”，出現(xiàn)假陽性結(jié)果。

(3)擴增區(qū)

該區(qū)域的功能是DNA擴增和擴增片段的測定。此外，反應(yīng)混合液(來自試劑貯存和制備區(qū))制備成反應(yīng)混合液和已制備的DNA模板(來自標(biāo)本制備區(qū))的加入等也可在本區(qū)內(nèi)進行。對于氣流壓力的控制，相對于鄰近區(qū)域為負壓，以避免氣溶膠從本區(qū)漏出。為避免氣溶膠所致的污染，應(yīng)盡量減少在本區(qū)內(nèi)不必要的走動。個別操作如加樣等應(yīng)在超凈臺內(nèi)進行。

該區(qū)域的設(shè)備主要是核酸擴增熱循環(huán)儀、加樣器、超凈臺等。其中熱循環(huán)儀的電源應(yīng)專用，并配備一個穩(wěn)壓電源或UPS，以防止由于電壓的波動對擴增測定的影響。

(4)分析區(qū)

該區(qū)域的功能是擴增產(chǎn)物的分析。該區(qū)域可能會用到某些可致基因突變的有毒物質(zhì)，應(yīng)特別注意實驗人員的安全防護。對于氣流壓力的控制，該區(qū)域是PCR實驗的最后一步，壓力應(yīng)為最低，相對于鄰近區(qū)域為負壓，以避免氣溶膠從本區(qū)漏出。為避免氣溶膠所致的污染，應(yīng)盡量減少在本區(qū)內(nèi)的不必要的走動。

該區(qū)域的設(shè)備主要是加樣器、電泳儀(槽)、電轉(zhuǎn)印儀、雜交爐或雜交箱、水浴箱、DNA測序儀、酶標(biāo)儀和洗板機等。

3、人流與物料流線設(shè)計要點分析

進入實驗室區(qū)域工作人員應(yīng)該按照以下路徑：

走道→緩沖間→實驗區(qū)

工作人員退出實驗室的路徑為：

實驗區(qū)→緩沖間→走道

進入各個區(qū)域必須嚴格按照單一方向進行，不同的工作區(qū)域使用不同的工作服(例如不同的顏色)。工作人員離開時，不得將工作服帶出。這種人員的單向流動可以降低因人員的流動帶來的交叉污染風(fēng)險。

所有的物品進入實驗區(qū)必須經(jīng)過雙扉互鎖傳遞窗，利用傳遞窗消毒后才可進入，實驗室內(nèi)所有物品也必須經(jīng)過傳遞窗才可以傳遞到實驗室以外的清潔公共區(qū)。這種物品有組織的單向流動可以降低物品的差錯和混淆的風(fēng)險。

PCR實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要點分析

1、溫濕度需求分析

不同于血液制品、疫苗等有低溫低濕潔凈區(qū)域的需求(如2~8℃，≤35%，C級/D級)，PCR實驗室一般來說對溫濕度沒有嚴格要求，考慮實驗人員的人體舒適性，環(huán)境溫濕度的設(shè)計參數(shù)控制在表1所示的范圍內(nèi)。

2、空氣過濾及氣流組織分析

由于PCR實驗室在加樣操作過程中可能產(chǎn)生氣溶膠，為避免氣溶膠擴散出去對外界造成污染，同時為了避免各房間之間通過風(fēng)管系統(tǒng)交叉污染，實驗室建議采用全新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)經(jīng)熱濕處理及三級(初效+中效+高效/亞高效)過濾后送入室內(nèi);各房間排風(fēng)口單獨設(shè)置高效或亞高效過濾器。

風(fēng)量計算上，通常我們采用縫隙法來計算房間維持一定壓差時所需要的排風(fēng)量或送風(fēng)量?？p隙法計算公式如下：

式中 ΔP——壓差，Pa ；

        ρ ——空氣密度，取1.2 kg/m3；

        V ——風(fēng)量，m3/h ；

        A ——根據(jù)縫隙寬度計算的泄漏面積，m2 ；

        μ——常數(shù)，取0.72。

      由風(fēng)量守恒可知：

                       V送風(fēng) -ΔV = V排風(fēng)

式中 ΔV —— 壓差滲透風(fēng)量，

                      當(dāng)房間維持正壓時，該值為正值，

                      當(dāng)房間維持負壓時，該值為負值。

當(dāng)房間無工藝設(shè)備排風(fēng)時，可通過換氣次數(shù)(工藝操作間換氣次數(shù)為12~15次/h，緩沖間6~8次/h)計算得出房間送風(fēng)量，然后根據(jù)縫隙法得出房間排風(fēng)量;當(dāng)房間有工藝設(shè)備(如生物安全柜)排風(fēng)時，比較設(shè)備排風(fēng)量與滿足換氣次數(shù)所需送風(fēng)量，取兩者之間的較大值(一般情況下，設(shè)備排風(fēng)量較大)，然后可根據(jù)縫隙法得出房間送風(fēng)量。根據(jù)以上計算風(fēng)量為設(shè)計依據(jù)，由此可對新風(fēng)機組、排風(fēng)機組及附屬的風(fēng)管風(fēng)口進行選型和計算。

氣流組織上，PCR實驗室空調(diào)系統(tǒng)通常采用上送下排式的非單向流送風(fēng)方式。房間上部送風(fēng)口盡量均勻布置，且與生物安全柜操作面或其他有氣溶膠操作地點的正上方保持一定距離;房間下部利用室內(nèi)排風(fēng)夾道上設(shè)置的排風(fēng)口排風(fēng)，排風(fēng)口底部距地面0.1m，排風(fēng)夾道需設(shè)置于室內(nèi)被污染風(fēng)險最高的區(qū)域，排風(fēng)口前面不應(yīng)有障礙物遮擋。

3、壓力需求及控制分析

根據(jù)實驗流程，PCR實驗室一般設(shè)有試劑儲存和試劑準(zhǔn)備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)、擴增反應(yīng)混合物配制和擴增區(qū)、擴增產(chǎn)物分析區(qū)等4個區(qū)域，每個區(qū)域均設(shè)置有獨立的緩沖間。

根據(jù)《臨床基因擴增檢驗實驗室工作規(guī)范》，為滿足潔污分流和防止交叉感染等要求，PCR實驗室空氣流向需遵循單一方向進行，即只能從試劑儲存和試劑準(zhǔn)備區(qū)→標(biāo)本制備區(qū)→擴增反應(yīng)混合物配制和擴增區(qū)→擴增產(chǎn)物分析區(qū)進行，PCR實驗室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計要點即在于此：通過對房間的送回(排)風(fēng)量進行控制，使房間按照工藝設(shè)計要求建立相應(yīng)的壓力梯度，從而防止污染物的進入或擴散。

另外，PCR實驗室內(nèi)通常有生物安全柜、通風(fēng)柜等生產(chǎn)設(shè)備，這類設(shè)備排風(fēng)量大且使用時間有間隔性，并不與空調(diào)系統(tǒng)運行時間一致，這就導(dǎo)致有這些設(shè)備的房間在設(shè)備啟停的時候很容易失壓，原本正常的壓力梯度瞬間就破壞了。這正是PCR實驗室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的難點所在。

4、典型空調(diào)原理圖分析

基于文中PCR實驗室的工藝布局，設(shè)計出該類實驗室的典型原理圖，如圖2所示。

▲圖2 典型PCR實驗室全空氣新風(fēng)系統(tǒng)控制原理圖

PCR實驗室全空氣新風(fēng)系統(tǒng)控制說明：

(1)溫濕度控制

夏季：調(diào)節(jié)表冷盤管動態(tài)壓差平衡調(diào)節(jié)閥的開度以控制室內(nèi)溫濕度，濕度優(yōu)先;當(dāng)為了調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度而造成溫度過低時，開啟加熱盤管以控制室內(nèi)溫度。

冬季：調(diào)節(jié)加熱盤管動態(tài)壓差平衡電動調(diào)節(jié)閥的開度以控制室內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)加濕器的開度以控制濕度。

(2)壓力及變頻控制

在空調(diào)系統(tǒng)各房間送風(fēng)支管上設(shè)置壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥，無工藝設(shè)備排風(fēng)房間的排風(fēng)支管上設(shè)置壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥，從而恒定房間的風(fēng)量以控制房間壓力;在有工藝設(shè)備排風(fēng)房間的排風(fēng)支管上設(shè)變風(fēng)量閥，根據(jù)房間內(nèi)壓差動作，以控制房間壓力。需排風(fēng)的工藝設(shè)備(如生物安全柜)排風(fēng)支管上設(shè)變風(fēng)量閥，根據(jù)設(shè)備開啟度調(diào)節(jié)設(shè)備排風(fēng)量。

根據(jù)重要房間送風(fēng)管上定風(fēng)量閥前后壓差調(diào)節(jié)送風(fēng)機變頻器，保持壓差恒定值。此恒定值須由現(xiàn)場實調(diào)確認，以保證所有定風(fēng)量閥正常工作為準(zhǔn)。

由以上原理圖可知，PCR實驗室壓差控制難點在于有生物安全柜房間的壓差控制以及維持生物安全柜負壓環(huán)境以保證設(shè)備正常運行使用，這就要求系統(tǒng)采用的變風(fēng)量閥有快速的反應(yīng)能力。根據(jù)相關(guān)實驗證明，當(dāng)生物安全柜變風(fēng)量閥響應(yīng)時間≤1s且房間排風(fēng)支管變風(fēng)量閥響應(yīng)時間≤3s時，不會對生物安全柜內(nèi)的負壓環(huán)境產(chǎn)生影響。同時，為了防止實驗室房間開關(guān)門的瞬間失壓導(dǎo)致房間壓差為零，房間各定、變風(fēng)量閥應(yīng)預(yù)設(shè)風(fēng)量偏移限制，以避免房間失壓時引起送風(fēng)量過小的情況發(fā)生