集中式PCR實驗室設(shè)計與建造關(guān)鍵技術(shù)分析

中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司 楊九祥

江蘇省疾病預(yù)防控制中心 謝景欣

中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司 陶 剛 董連東

0 引言

截至2021年6月8日，全球累計報告新型冠狀病毒感染的肺炎(COVID-19)病例超過1.73億例，累計死亡超過373萬例[1]，嚴(yán)重危脅人民生命安全，給世界經(jīng)濟造成極大損失。

聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction，PCR)技術(shù)，通過將病毒內(nèi)所含基因進行擴增，測出一些病毒含量不高的感染者體內(nèi)是否含有特定的病毒，快速、精準(zhǔn)診斷出感染者，在COVID-19疫情防控中起到重要作用。PCR實驗室是PCR技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，只有PCR實驗室的合理設(shè)計和建造，才能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和生物安全性。因此，國家和相關(guān)部門均非常重視PCR實驗室的規(guī)劃與建設(shè)。

COVID-19疫情期間，國務(wù)院、國家衛(wèi)生健康委相繼發(fā)文，要求“三級綜合醫(yī)院均應(yīng)當(dāng)建立符合生物安全二級及以上標(biāo)準(zhǔn)的臨床檢驗實驗室，具備獨立開展新型冠狀病毒檢測的能力”[2]。

2020年4月26日，國家衛(wèi)生健康委召開電視電話會議，部署抓緊抓實抓細常態(tài)化疫情防控工作，并指出“所有縣級以上疾控機構(gòu)、二級以上綜合醫(yī)院要抓緊改造，在短時間內(nèi)形成核酸檢測能力”[3]。

本文主要依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合筆者所在研發(fā)團隊在生物安全實驗室方面的成果，針對COVID-19核酸檢測PCR實驗室設(shè)計與建造關(guān)鍵技術(shù)進行分析，為PCR實驗室建設(shè)提出合理性建議。

1 工藝設(shè)計

1.1 設(shè)計依據(jù)

GB 19489—2008《實驗室 生物安全通用要求》；GB 50346—2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》；WS 233—2017《病原微生物實驗室生物安全通用準(zhǔn)則》；《醫(yī)療機構(gòu)臨床基因擴增檢驗實驗室管理辦法》(衛(wèi)辦醫(yī)政發(fā)〔2010〕194號)；《新型冠狀病毒實驗室生物安全指南》(第二版)；《新型冠狀病毒肺炎實驗室檢測技術(shù)指南》(第六版)。

1.2 分區(qū)設(shè)計要點

PCR實驗室設(shè)計的關(guān)鍵是2個控制：控制病原污染，保證生物安全；控制核酸污染，保證結(jié)果準(zhǔn)確?？茖W(xué)合理的工藝平面規(guī)劃，是保證試劑、樣本不受污染和防止病毒污染人員、環(huán)境的基礎(chǔ)條件。

1) 傳統(tǒng)的PCR實驗設(shè)置4個工作區(qū)：試劑準(zhǔn)備區(qū)、樣本制備區(qū)、核酸擴增區(qū)、產(chǎn)物分析區(qū)。

如果使用實時熒光定量PCR儀(RT-PCR)，核酸擴增與產(chǎn)物分析在該PCR儀上一次完成，則核酸擴增區(qū)與產(chǎn)物分析區(qū)合并為一個工作區(qū)。因此，PCR實驗可設(shè)置3個工作區(qū)：試劑準(zhǔn)備區(qū)、樣本制備區(qū)、擴增分析區(qū)。

如果使用“一體機”，即核酸提取、擴增、分析在1臺儀器上完成，則PCR實驗可設(shè)2個工作區(qū)：試劑準(zhǔn)備區(qū)、提取擴增分析區(qū)。

2) 《新型冠狀病毒肺炎實驗室檢測技術(shù)指南》(第六版)規(guī)定，“新型冠狀病毒感染的常規(guī)檢測方法是通過實時熒光RT-PCR鑒定”。因此，COVID-19核酸檢測實驗可按3個工作區(qū)設(shè)計。模型如圖1所示。

圖1 三分區(qū)模型圖

3) 各工作區(qū)之間必須完全相互獨立，不能有空氣直接相通。

1.3 緩沖間設(shè)置必要性分析

1) 影響空氣在不同區(qū)域之間傳播污染的主要因素包括壓差、溫差及門的卷吸作用和人的裹帶作用[4]。

2) 壓差是空氣從高壓一側(cè)通過門窗縫隙流向低壓一側(cè)時的阻力，其隔離作用在房間的門、窗等開口處于關(guān)閉狀態(tài)時有效，一旦門打開，2個房間之間的壓差將瞬間降為零。因此，壓差屬于靜態(tài)隔離的一種措施，在開門狀態(tài)下起不到隔離作用。

3) 門開啟時，由于溫差、門的卷吸作用和人的裹帶作用，會引起短時間、大風(fēng)量的室內(nèi)外空氣交換，產(chǎn)生交叉污染。

4) 實驗室門開啟時，必然會產(chǎn)生實驗室內(nèi)空氣外泄。因此，對于PCR實驗室，各分區(qū)之前應(yīng)分別設(shè)置獨立的緩沖間，保證緩沖間的門不同時開啟，同時可進一步設(shè)計合理的壓差梯度控制措施，進行全過程的“動態(tài)隔離”[5]。

在建筑設(shè)施上，緩沖間是阻隔室內(nèi)外空氣流通即交叉污染的首要措施。因此，各工作區(qū)均需設(shè)置緩沖間。緩沖間布置如圖2所示。

圖2 獨立緩沖間布置示意圖

1.4 PCR專用走廊設(shè)置必要性分析

1) PCR專用走廊作用主要是將PCR實驗區(qū)與其他區(qū)域分開，而這種分開并無實質(zhì)性意義，對控制病原污染和核酸污染均無積極作用。如果空間不夠，則應(yīng)以保證足夠?qū)嶒灻娣e為前提，設(shè)置核心工作間和緩沖間；如果空間允許，可設(shè)置PCR專用走廊。

2) PCR專用走廊屬于清潔區(qū)，可作為幾個工作區(qū)的共用前室，設(shè)置更衣柜、物品柜和洗手盆等，用于穿戴個人防護用品(PPE)和擴增分析區(qū)專用清潔工作衣褲鞋帽。

3) 如果設(shè)置PCR專用走廊，可通過合理設(shè)計PCR專用走廊內(nèi)氣流組織，將送風(fēng)口設(shè)于試劑準(zhǔn)備區(qū)一端，排風(fēng)口設(shè)于擴增分析區(qū)一端，實現(xiàn)走廊內(nèi)從試劑儲存區(qū)端到擴增分析區(qū)端的定向氣流，可進一步降低因空氣倒流或亂流導(dǎo)致核酸交叉污染的風(fēng)險。

1.5 關(guān)鍵房間技術(shù)指標(biāo)

樣本制備間是生物安全二級(BSL-2)實驗室，應(yīng)有通風(fēng)換氣的條件；擴增分析間有核酸污染的隱患，需設(shè)置排風(fēng)裝置。設(shè)計機械通風(fēng)系統(tǒng)時，應(yīng)控制送排風(fēng)比例，維持各房間的負壓要求，保證空氣按要求定向流動。

PCR實驗各工作區(qū)均無潔凈度要求，但有潔凈度的設(shè)計對延長生物安全柜等排風(fēng)裝置高效過濾器壽命是有益的。對于采用集中空調(diào)系統(tǒng)(全空氣系統(tǒng))嚴(yán)格進行壓力控制的實驗室(如“負壓BSL-2/BSL-2”)，可按空氣潔凈度級別7～8級[6]、全新風(fēng)直流式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，集中送風(fēng)，分區(qū)獨立排風(fēng)。

根據(jù)《病原微生物核酸擴增實驗室能力通用要求》(征求意見稿)第5.3.3條“……樣本制備區(qū)的壓力應(yīng)不高于相鄰工作區(qū)”，第5.3.4條“采取集中布置形式的，核酸擴增區(qū)的壓力宜與樣本制備區(qū)持平；……”，建議樣本制備區(qū)和擴增分析區(qū)設(shè)計壓力均為-20 Pa，同時保證圍護結(jié)構(gòu)的氣密性，兩區(qū)之間隔墻設(shè)置雙門互鎖傳遞窗，避免出現(xiàn)交叉感染。

關(guān)鍵房間技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.6 分區(qū)功能及設(shè)備配置

以三分區(qū)為例，介紹各房間功能和設(shè)備配置，如表2所示。

表1 關(guān)鍵房間技術(shù)指標(biāo)

①溫度宜為23 ℃左右，或18～26 ℃可調(diào)，穿防護服時超過23 ℃人會感到很熱。

表2 分區(qū)功能及設(shè)備配置

2 實驗室變風(fēng)量壓差控制技術(shù)

PCR實驗室通常采用全新風(fēng)直流系統(tǒng)，根據(jù)實驗室的需求，存在生物安全柜開啟和關(guān)閉2種工況，工況之間的轉(zhuǎn)換需要采用變風(fēng)量控制技術(shù)。由于2種工況下管網(wǎng)的阻力不一樣，建議設(shè)計采用壓力無關(guān)型變風(fēng)量閥門。

2.1 壓差控制的軟件和硬件基礎(chǔ)

1) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要包括送風(fēng)機、排風(fēng)機組、定/變風(fēng)量文丘里風(fēng)閥、高效送風(fēng)口和排風(fēng)口、高效排風(fēng)過濾裝置。其中，送、排風(fēng)機變頻可調(diào)是關(guān)鍵，它是壓差控制的最基本條件。定/變風(fēng)量壓力無關(guān)型風(fēng)閥是調(diào)節(jié)房間絕對壓力的重要手段。

2) 通常設(shè)置1套空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)、3套排風(fēng)系統(tǒng)。排風(fēng)系統(tǒng)具體分區(qū)：樣本制備區(qū)屬于BSL-2實驗室，應(yīng)獨立設(shè)置1套排風(fēng)系統(tǒng)；PCR走廊、試劑存儲和準(zhǔn)備及其緩沖間屬于清潔區(qū)，而擴增及產(chǎn)物分析區(qū)及其緩沖間屬于污染區(qū)，為避免各區(qū)之間產(chǎn)生交叉感染，同時也為了方便后期的調(diào)試和控制，宜分別設(shè)置1套排風(fēng)系統(tǒng)。詳見圖3。

3) 自動控制系統(tǒng)主要包含控制器、中央管理軟件、風(fēng)閥執(zhí)行機構(gòu)及現(xiàn)場壓力和風(fēng)速傳感器等。通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)：壓力監(jiān)控功能、顯示功能、操作功能、控制功能、數(shù)據(jù)管理功能、安全保障功能、歷史數(shù)據(jù)記錄功能、多種警報處理功能、趨勢記錄分析功能、控制器控制邏輯下載、自診斷自適應(yīng)功能及簡單實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的通信集成等方面的功能。

2.2 壓差控制的要求

1) 在靜態(tài)下，對于PCR實驗室的主要功能區(qū)的壓力要設(shè)置滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求，同時相關(guān)壓力梯度滿足要求；

2) 實驗室HVAC系統(tǒng)在開啟和關(guān)閉的動態(tài)過程，實驗室的壓力波動控制應(yīng)平穩(wěn)，不能出現(xiàn)異常壓力，盡量控制在圍護結(jié)構(gòu)安全承壓能力內(nèi)；

3) 當(dāng)生物安全柜排風(fēng)排至實驗室外時，生物安全柜開啟和關(guān)閉的動態(tài)過程同樣需要控制實驗室的壓力波動，不能出現(xiàn)異常壓力，控制在實驗室圍護結(jié)構(gòu)安全承壓能力內(nèi)。

圖3 PCR實驗室通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

3 氣流組織分析

氣流是影響實驗室內(nèi)空氣傳播感染的重要因素，設(shè)計人員應(yīng)通過科學(xué)選擇送、回(排)風(fēng)口的類型，合理設(shè)置送、回(排)風(fēng)口的位置和風(fēng)速，充分發(fā)揮送風(fēng)的冷卻或升溫作用，以實現(xiàn)快速排除有害氣體的效果。

3.1 氣流組織設(shè)計要點

1) 氣流的整體流向應(yīng)遵循與污染物重力沉降方向保持一致的原則。通常采用上送下排的風(fēng)口布置形式。

2) 氣流應(yīng)能實現(xiàn)從清潔區(qū)(送風(fēng)口附近)到污染區(qū)(生物安全柜或操作臺)的定向氣流。排風(fēng)口設(shè)于污染源附近，使污染區(qū)產(chǎn)生負壓，將污染氣體快速排出。

3) 送、回(排)風(fēng)口的位置應(yīng)使?jié)崈艨諝庀冉?jīng)過操作人員，再流向污染區(qū)，保護人員的安全。

4) 應(yīng)避免潔凈氣流從操作人員身后吹來，這樣可能會在其正面呼吸區(qū)形成局部負壓區(qū)(見圖4)，對操作人員造成危害。

圖4 人員正面形成負壓區(qū)示意圖

3.2 氣流模擬分析

房間氣流模擬分析如圖5所示。由圖5可以看出，實驗室最優(yōu)的氣流組織方式為上送側(cè)下排，送風(fēng)口設(shè)于操作臺對面上方吊頂，排風(fēng)口設(shè)于操作臺一側(cè)墻面，排風(fēng)口底邊高于操作臺臺面100 mm，形成定向流，使操作人員處于潔凈氣流的主流區(qū)內(nèi)，保護人員安全，同時將污染氣體以最短距離快速排出。

圖5 房間氣流模擬分析

4 生物安全柜通風(fēng)系統(tǒng)模式分析

生物安全柜作為一級屏障，是PCR實驗室的關(guān)鍵核心設(shè)備。A2和B2型生物安全柜是實驗室常用的2種類型。由于A2型生物安全柜通風(fēng)系統(tǒng)簡單，對系統(tǒng)要求低，本文不作分析。

本文以B2型生物安全柜(雙人型)為例，從排風(fēng)機組設(shè)計和房間風(fēng)量及閥門設(shè)計兩部分來分析其通風(fēng)系統(tǒng)的模式控制。

4.1 排風(fēng)機組的設(shè)計

B2型生物安全柜通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管一般采用密閉連接方式，設(shè)備是否能夠正常運行與其通風(fēng)系統(tǒng)控制直接相關(guān)，故通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。如圖6所示，有3種B2型生物安全柜的通風(fēng)系統(tǒng)方案。

圖6 生物安全柜通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案圖

方案1：B2型生物安全柜排風(fēng)和實驗室通風(fēng)系統(tǒng)公用(當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)不考慮生物安全柜時，排風(fēng)機組壓頭為1 100 Pa滿足要求；當(dāng)生物安全柜排風(fēng)和實驗室通風(fēng)系統(tǒng)公用時，排風(fēng)機組壓頭調(diào)整為1 600 Pa)。其不足之處：生物安全柜局部阻力大，排風(fēng)機組壓頭按最不利環(huán)路計算為1 600 Pa，系統(tǒng)運行時噪聲大，安全性差。

方案2：在生物安全柜排風(fēng)支路上增設(shè)生物全柜助力風(fēng)機(生物全柜助力風(fēng)機用于克服生物安全柜局部阻力，實驗室通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機組壓頭調(diào)整為1 100 Pa)。其不足之處：生物安全柜關(guān)閉時，助力風(fēng)機對系統(tǒng)阻力和干擾大；助力風(fēng)機運行時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

方案3：為B2型生物安全柜單獨設(shè)置專用風(fēng)機(生物安全柜專用風(fēng)機建議一用一備)。實驗室通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機組單獨設(shè)置，壓頭1 100 Pa；生物安全柜專用風(fēng)機單獨設(shè)置，壓頭600 Pa。該方案彌補了方案1和2的不足，現(xiàn)場實際測試表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全性高。其不足之處：生物安全柜、主風(fēng)機和安全柜專用風(fēng)機三者的啟停及故障停機的控制順序要結(jié)合房間壓力控制合理設(shè)置，避免因三者的啟停順序和故障后的應(yīng)急程序設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致實驗室出現(xiàn)壓力異常波動。

4.2 房間風(fēng)量及閥門的設(shè)計

B2型生物安全柜與房間的風(fēng)量及閥門的設(shè)計，是其通風(fēng)系統(tǒng)模式的重要組成部分，也是實現(xiàn)B2型生物安全柜開啟和關(guān)閉2種工況的關(guān)鍵點。

以圖7為例：PCR實驗室中標(biāo)本制備區(qū)面積約30 m2，若不考慮生物安全柜運行，滿足房間技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)本制備區(qū)送風(fēng)量和排風(fēng)量分別為1 326 m3/h和1 482 m3/h，房間壓力為-15 Pa。

圖7 實驗室房間風(fēng)量及閥門設(shè)計方案圖

方案1工況1：生物安全柜關(guān)閉，房間送風(fēng)量1 326 m3/h，房間排風(fēng)量1 482 m3/h；工況2：生物安全柜開啟，房間送風(fēng)量1 800 m3/h,房間排風(fēng)量156 m3/h，生物安全柜排風(fēng)量1 800 m3/h。

可見方案1中工況1轉(zhuǎn)變?yōu)楣r2出現(xiàn)了3處風(fēng)量變化：即房間送風(fēng)量由1 326 m3/h增至1 800 m3/h；房間排風(fēng)量由1 482 m3/h減至156 m3/h；生物安全柜排風(fēng)量由0 m3/h增至1 800 m3/h。過程中變量太多，控制復(fù)雜，房間壓力不易控制，穩(wěn)定性差。

方案2工況1：生物安全柜關(guān)閉，房間送風(fēng)量1 800 m3/h，房間排風(fēng)量156 m3/h，補償風(fēng)口排風(fēng)量1 800 m3/h；工況2：生物安全柜開啟，房間送風(fēng)量1 800 m3/h，房間排風(fēng)量156 m3/h，生物安全柜排風(fēng)量1 800 m3/h。

可見方案2中工況1轉(zhuǎn)變?yōu)楣r2系統(tǒng)的響應(yīng)情況：房間送風(fēng)量1 800 m3/h不變，生物安全柜排風(fēng)和增設(shè)的補償風(fēng)口的支干管排風(fēng)量1 800 m3/h不變，房間風(fēng)口(排風(fēng)量156 m3/h)為變風(fēng)量閥門進行PID調(diào)節(jié)，維持房間負壓。該方案在工況轉(zhuǎn)換時變量少，能有效控制房間壓力的波動，穩(wěn)定性好。設(shè)計時建議選用方案2。

方案2相對方案1的變化：1) 送風(fēng)改為定風(fēng)量閥門，減少系統(tǒng)變量；2) 排風(fēng)系統(tǒng)增設(shè)補償風(fēng)口，其排風(fēng)量和局部阻力與B2生物安全柜相當(dāng)，支路同時設(shè)置模擬量電動調(diào)節(jié)閥門。

5 實驗室節(jié)能技術(shù)

5.1 能耗分析

空調(diào)系統(tǒng)能耗主要有三部分：1) 風(fēng)機送、排風(fēng)耗電量；2) 空調(diào)機組處理空氣消耗的冷熱量(即冷熱源的耗電量和電加熱耗電量)和空氣加濕耗電量；3) 空調(diào)水系統(tǒng)輸送能耗。COVID-19核酸檢測PCR實驗室一般采用全新風(fēng)直流式凈化空調(diào)系統(tǒng)，其具有風(fēng)量大、新風(fēng)負荷高、風(fēng)機壓頭大等特點，必然導(dǎo)致整個空調(diào)系統(tǒng)能耗極大。

5.2 節(jié)能措施

1) 合理確定潔凈室的溫度和相對濕度。相關(guān)資料表明，環(huán)境溫度每降低1 ℃冷量多耗4%，環(huán)境相對濕度降低5%冷量多耗4%[7]。

2) 合理選用末端送、排風(fēng)口和空調(diào)機組內(nèi)的各級過濾器，合理布置風(fēng)管，降低系統(tǒng)阻力，降低風(fēng)機能耗。

3) 排風(fēng)熱回收技術(shù)：排風(fēng)熱回收，按能量回收方式不同，分為全熱回收和顯熱回收。對于COVID-19核酸檢測PCR實驗室，其送排風(fēng)嚴(yán)格不能接觸。同時，由于空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)送、排風(fēng)都處于常溫狀態(tài)，溫差較小，因此建議選用熱管式顯熱回收裝置(見圖8、9)。其特性如下：1) 熱管是蒸發(fā)冷凝器型的換熱設(shè)備，管內(nèi)經(jīng)抽真空后充填環(huán)保制冷劑，制冷劑在毛細管壓力作用下實現(xiàn)循環(huán)，不斷將熱量從熱管的一端傳向另一端，其屬于二次間壁換熱，新風(fēng)和排風(fēng)不會接觸，同時應(yīng)嚴(yán)格做好隔板的密封，以確保不會出現(xiàn)交叉污染。2) 換熱效率高，屬于相變傳熱，非常適合于空調(diào)送排風(fēng)這種小溫差換熱，節(jié)能效果明顯[8-11]。

1.送風(fēng)機；2.加濕器；3.加熱器；4.中效過濾器；5.新風(fēng)過濾器；6.熱管式換熱器；7.排風(fēng)機；8.排風(fēng)過濾器；9.表冷器。圖9 熱管式換熱器空調(diào)機組

6 結(jié)語

從政策法規(guī)、工藝平面、分區(qū)功能、設(shè)備配置、技術(shù)指標(biāo)、壓差控制、氣流組織分析及節(jié)能技術(shù)等方面對集中式PCR實驗室進行了設(shè)計和建造的要點分析，提出了COVID-19核酸檢測PCR實驗室宜按3個分區(qū)設(shè)計的方案，各分區(qū)應(yīng)設(shè)置獨立緩沖間，根據(jù)工藝及實際需求設(shè)置PCR專用走廊。

此外，還提出了COVID-19核酸檢測PCR實驗室宜設(shè)置全新風(fēng)凈化空調(diào)系統(tǒng)，采用全送全排的氣流組織。著重介紹了B2型生物安全柜通風(fēng)系統(tǒng)模式控制，從排風(fēng)機組設(shè)計和房間風(fēng)量及閥門設(shè)計兩部分分析了B2型生物安全柜開啟和關(guān)閉2種工況轉(zhuǎn)化的連鎖控制的復(fù)雜性，建議在實驗工藝不涉及有機溶劑或無特殊氣體需要全排情況下，PCR實驗室優(yōu)先選擇A2型生物安全柜。