多功能納米生物實驗室建設探索與實踐

王義成，高 宇，汪聯輝

（南京郵電大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

納米生物技術是納米技術和生物學的交叉融合，國際生物技術領域的前沿，在醫藥衛生領域有廣泛的應用前景。美國、德國、日本等國家均將納米生物技術作為21世紀重點研究的科研領域[1]。南京郵電大學江蘇省生物傳感材料與技術重點實驗室聚焦“光電傳感材料”“生物光電子學”“生物傳感與影像技術”三個新興的交叉前沿學科，設計合成新型生物光電材料，經微納加工制備成生物醫學探針、生物傳感器等生物醫學光電器件，應用于生物醫學檢測、生物醫學成像、重大疾病診斷及藥物傳遞系統等。

因納米生物技術的多學科交叉的特性，在建設納米生物實驗室時，需涉及化學、材料學、電子學、生物學和醫學等多個實驗種類，且潔凈程度要求較高。然而目前高校科研實驗室空間普遍緊張，建設多功能納米生物實驗室刻不容緩。本文通過我院重點實驗室建設的多功能納米生物實驗室為例，參照實驗室生物安全、化學安全等標準，結合科研實驗的實用性，列出建設過程中的注意事項，期望對新建同類型實驗室的國內同仁提供參照。

1 多功能納米生物實驗室設計

本文介紹的多功能納米生物實驗室建設方案，是基于重點實驗室的科研需求設計完成。按照實驗室實際用途，分為材料制備和細胞培養兩個功能，如圖 1所示，實驗室長12 m，寬7.8 m，實際使用面積93.6 m2，凈層高3.8 m，實驗室平面圖如圖1所示，分別用于生物光電材料制備和細胞培養及測試，以及配套的設備間、風淋室和更衣室。

圖1 多功能納米生物實驗室平面圖

細胞培養需要保持無菌操作，避免其他有害因素的影響。目前超凈工作臺的廣泛使用，很大程度上方便了細胞或微生物的培養工作，因此實驗室應最大程度上保持潔凈的環境[2]，所以實驗室采用超凈室的設計方案，按照潔凈度需要級別，生物光電材料制備間、風淋室和更衣室潔凈等級設計為十萬級，細胞間潔凈等級設計為萬級。

2 圍護結構

原實驗室圍護為混凝土框架結構，墻體為加氣多孔磚，窗戶為雙層中層玻璃。本次改造不改變原有外圍結構和窗戶，主要對實驗室內部裝修和內墻體進行改造，增加頂棚、部分門窗和地面。

圍護結構方面，采用耐火等級A級的防火彩鋼巖棉板作為實驗室的壁板、頂板，壁板安裝在10 cm的調整龍骨上；頂板安裝高度 2.4 m，并用加強筋做強化處理；地面選用2 mm厚進口同質透心PVC地板。PVC地板安裝需保證地面平整、干燥，與壁板連接處需處理平整，壁板和地板、頂板連接處用R50噴塑鋁型材圓弧收邊，板縫用中性抗菌防霉硅膠密封，確保實驗室內頂面、墻面、地面平整、光滑、無死角，不藏污納垢。

3 潔凈室風量計算

3.1 潔凈室送風量計算

潔凈室氣流方式通常分為層流式、亂流式、復合式三大類，因該實驗室潔凈度需求分別是100 000級和10 000級，按照相關設計標準及實際使用設備需求，采用亂流式的凈化方式[3]。

《潔凈廠房設計規范》（GB50073-2013）建議的動態級別下換氣次數的經驗值分別為：

在本凈化實驗室的設計中，對各個亂流房間的換氣次數是如下規定的：10 000級30次/h，100 000級20次/h，以確保達到潔凈度等級的要求。如表1所示，潔凈室各房間的理論送風量合計約為4029 m3/h。

表1 潔凈室各房間送風量

3.2 系統總風量

制作安裝風管系統和空調設備嚴格按《潔凈室施工及驗收規范》執行，系統漏風率低于0.6%，且送風量在計算中尚有較大余量，所以最后確定系統總的送風量為4100 m3/h。

3.3 新風風量設計

為保證室內師生的舒適度及潔凈區的正壓環境，按照《潔凈廠房設計規范》（GB50073-2001）中的規定，并按照經驗值估算，按照總循環風量的約10%（可調）設計新風并配初效過濾器。

潔凈室內的新風量應滿足以下兩個條件：

1）潔凈室內每人每小時的新鮮空氣量不小于40 m3。

2）補償室內排風量+ 保持室內正壓所需的新鮮空氣量。

在潔凈實驗室中，不同潔凈室之間以及潔凈區與非潔凈區之間的壓差控制在 10 Pa以內，但不小于5 Pa。根據《潔凈廠房設計規范》以及正常狀況下室內人員情況，最后確定系統總的新風量為400 m3/h。

4 空調系統選擇

4.1 氣流方式和風機箱的選擇

空調系統根據實驗室內的環境要求，氣流組織采用頂送風側下回風的方式，即室內污染空氣自壁板下方回風口，利用回風管道與新風混合（經初效過濾器）經風管空調處理后，回到吊頂中的帶中效過濾器的風機箱中，如圖2所示[4]。

圖2 多功能納米生物實驗室平面圖

實驗室凈層高3.8 m，頂板安裝高度2.4 m，風機箱安裝最大高度為 1.4 m，空間較為狹窄，所以選用兩組同規格的風機箱，一組用于細胞房的凈化，一組用于材料制備間的凈化，主要考慮以下兩個因素：

（1）兩個區域相互獨立，避免污染；

（2）風機箱體積較小，確保可以順利安裝，亦便于后期中效過濾器的更換。

風機箱安裝在吊頂中，選型時應考慮震動和噪音兩個因素，保證師生實驗的舒適性[5]。

4.2 空調機組的選擇

細胞培養的溫度和濕度，基本由細胞培養箱來控制，凈化系統主要的目的是保證室內環境的潔凈度，對溫濕度的要求不高，況且南京地區夏季溫度 35 ℃左右，冬季在–2 ℃左右，常年濕度均較大，所以我們著重考慮制冷和除濕的問題。恒溫恒濕機組，適用于環境要求較為嚴格，費用充足的課題組。相對普通柜式空調恒溫恒濕機組價格及后期維護成本均較高，綜合以上因素，我們采用在設備間安裝兩臺 5P柜式空調機組，分別經管道與兩個風機箱進風管道相連，如圖2所示，中間采用電動閥門控制進風量大小，來控制實驗室內的溫度；夏季濕度較大時，室內輔以除濕機進行除濕，基本可以控制溫度在 26 ℃左右，濕度50%~60%。

5 實驗室的分區設計

5.1 材料制備間的布局設計

材料制備間主要用于無機納米材料的制備，比如金納米顆粒、銀納米顆粒、四氧化三鐵納米顆粒等，有機溶劑使用較少，實驗室布局設計和一般的無機類實驗室布局類似[6]，如圖 1所示，設計的主要原則是規劃合理、取用方便。實驗室內常用的儀器設備包括常溫烘箱、冰箱、搖床、試劑柜、鋼瓶架等靠墻落地擺放；中間實驗臺上放置磁力攪拌器、天平、超聲清洗機、分散機等常用設備；水池旁放置純水機組，便于取水和廢水排放；超低溫冰箱單獨設計放置在更衣室旁。

5.2 細胞培養實驗室的布局設計

細胞培養實驗室，應具備無菌操作、孵育、制備、清洗、消毒滅菌處理和儲藏功能[7]。實驗室布局如圖3所示，不銹鋼工作臺靠墻擺放，臺面上放置倒置熒光顯微鏡、小型離心機、小型搖床、移液器等常用設備；生物安全柜和不銹鋼工作臺相鄰，便于取樣觀察；鋼瓶放置在設備門旁，便于更換；CO2培養箱放在鋼瓶旁，便于管線連接；為減少細胞培養室受外部環境的影響，通過傳遞窗傳遞物品；培養室內的耗材較多，需配備多組鐵皮柜用于存儲[8]。

圖3 細胞培養室設備布局圖

6 實驗室的安全管理

6.1 消防安全

該房間通過對實驗室內部裝修和內墻體進行改造，增加頂棚、部分門窗和地面。在消防安全方面：①考慮到消防通道寬度，雙人不低于 1.2 m，單人不低于1 m，保證在緊急情況下便于人員疏散；②延長原房間應急噴淋管道和煙霧報警器至房間內，確保正常使用；③在每個實驗室出口處，加裝消防應急燈和出口指示牌[9-10]。

6.2 實驗室廢棄物處理

按照實驗室實際用途，分為材料制備和生物實驗兩個功能，產生的實驗室廢棄物主要包括有機廢液、無機廢液、固體廢棄物等。有機廢液和無機廢液，在實驗室內使用25 L專用廢液桶暫存，廢液桶放置在進門口通風處，放在PP材質的托盤中；固體廢液物中，醫用針頭使用專用醫用垃圾回收箱。廢液桶和專用醫用垃圾回收箱，均交由專業處理公司，掃碼預約上門回收[11-12]。

6.3 實驗室用氣安全

實驗室內主要使用的氣體種類有高純氮氣、氧氣和 CO2，均使用鋼瓶架或鋼瓶柜加鎖存放。CO2因放置在細胞培養間內，較為密閉，避免因意外泄漏，威脅師生安全，加裝氧濃度報警器，當氧濃度低于19.5%時，報警提醒。

6.4 易制爆易制毒藥品管理

易制爆易制毒藥品，作為公安部門重點檢查的對象，在科研實驗室存在使用種類多、用量小的特點。在實驗室暫存時，購置易制爆化學品專用存儲柜，因實驗室空間有限，選擇體積32 L存儲柜；在使用上，嚴格按照國家規定，實行雙人雙管，實驗室存儲量，每個種類低于500 g，用完及時登記。

7 結語

在高校實驗室空間日趨緊張的前提下，根據科研使用需求，該納米生物實驗室在建設過程中，綜合考慮了化學、材料學和生物學等多個實驗種類要求。通過圍護結構、潔凈室風量計算、空調系統選擇等基礎改造，優化設備布局及增設實驗室安全防護，提高實驗室使用的便利性及安全性。最終建成材料合成和生物表征兩個特性實驗區間相互融合的新型實驗室，并期望對國內建設相似類型實驗室的同仁具有一定的借鑒意義。