集中式PCR實驗室設計與建造關鍵技術分析

中國電子系統工程第二建設有限公司 楊九祥

江蘇省疾病預防控制中心 謝景欣

中國電子系統工程第二建設有限公司 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]，嚴重危脅人民生命安全，給世界經濟造成極大損失。

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

COVID-19疫情期間，國務院、國家衛生健康委相繼發文，要求“三級綜合醫院均應當建立符合生物安全二級及以上標準的臨床檢驗實驗室，具備獨立開展新型冠狀病毒檢測的能力”[2]。

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

本文主要依據國家相關規范和標準，結合筆者所在研發團隊在生物安全實驗室方面的成果，針對COVID-19核酸檢測PCR實驗室設計與建造關鍵技術進行分析，為PCR實驗室建設提出合理性建議。

1 工藝設計

1.1 設計依據

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規范》；WS 233—2017《病原微生物實驗室生物安全通用準則》；《醫療機構臨床基因擴增檢驗實驗室管理辦法》(衛辦醫政發〔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指南》(第六版)。

1.2 分區設計要點

PCR實驗室設計的關鍵是2個控制：控制病原污染，保證生物安全；控制核酸污染，保證結果準確?？茖W合理的工藝平面規劃，是保證試劑、樣本不受污染和防止病毒污染人員、環境的基礎條件。

1) 傳統的PCR實驗設置4個工作區：試劑準備區、樣本制備區、核酸擴增區、產物分析區。

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

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2個工作區：試劑準備區、提取擴增分析區。

2) 《新型冠狀病毒肺炎實驗室檢測技術指南》(第六版)規定，“新型冠狀病毒感染的常規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個工作區設計。模型如圖1所示。

圖1 三分區模型圖

3) 各工作區之間必須完全相互獨立，不能有空氣直接相通。

1.3 緩沖間設置必要性分析

1) 影響空氣在不同區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通過門窗縫隙流向低壓一側時的阻力，其隔離作用在房間的門、窗等開口處于關閉狀態時有效，一旦門打開，2個房間之間的壓差將瞬間降為零。因此，壓差屬于靜態隔離的一種措施，在開門狀態下起不到隔離作用。

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、大風量的室內外空氣交換，產生交叉污染。

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

在建筑設施上，緩沖間是阻隔室內外空氣流通即交叉污染的首要措施。因此，各工作區均需設置緩沖間。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專用走廊設置必要性分析

1) PCR專用走廊作用主要是將PCR實驗區與其他區域分開，而這種分開并無實質性意義，對控制病原污染和核酸污染均無積極作用。如果空間不夠，則應以保證足夠實驗面積為前提，設置核心工作間和緩沖間；如果空間允許，可設置PCR專用走廊。

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

3) 如果設置PCR專用走廊，可通過合理設計PCR專用走廊內氣流組織，將送風口設于試劑準備區一端，排風口設于擴增分析區一端，實現走廊內從試劑儲存區端到擴增分析區端的定向氣流，可進一步降低因空氣倒流或亂流導致核酸交叉污染的風險。

1.5 關鍵房間技術指標

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

PCR實驗各工作區均無潔凈度要求，但有潔凈度的設計對延長生物安全柜等排風裝置高效過濾器壽命是有益的。對于采用集中空調系統(全空氣系統)嚴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]、全新風直流式空調系統設計，集中送風，分區獨立排風。

根據《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“……樣本制備區的壓力應不高于相鄰工作區”，第5.3.4條“采取集中布置形式的，核酸擴增區的壓力宜與樣本制備區持平；……”，建議樣本制備區和擴增分析區設計壓力均為-20 Pa，同時保證圍護結構的氣密性，兩區之間隔墻設置雙門互鎖傳遞窗，避免出現交叉感染。

關鍵房間技術指標見表1。

1.6 分區功能及設備配置

以三分區為例，介紹各房間功能和設備配置，如表2所示。

表1 關鍵房間技術指標

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

表2 分區功能及設備配置

2 實驗室變風量壓差控制技術

PCR實驗室通常采用全新風直流系統，根據實驗室的需求，存在生物安全柜開啟和關閉2種工況，工況之間的轉換需要采用變風量控制技術。由于2種工況下管網的阻力不一樣，建議設計采用壓力無關型變風量閥門。

2.1 壓差控制的軟件和硬件基礎

1) 通風空調系統主要包括送風機、排風機組、定/變風量文丘里風閥、高效送風口和排風口、高效排風過濾裝置。其中，送、排風機變頻可調是關鍵，它是壓差控制的最基本條件。定/變風量壓力無關型風閥是調節房間絕對壓力的重要手段。

2) 通常設置1套空調送風系統、3套排風系統。排風系統具體分區：樣本制備區屬于BSL-2實驗室，應獨立設置1套排風系統；PCR走廊、試劑存儲和準備及其緩沖間屬于清潔區，而擴增及產物分析區及其緩沖間屬于污染區，為避免各區之間產生交叉感染，同時也為了方便后期的調試和控制，宜分別設置1套排風系統。詳見圖3。

3) 自動控制系統主要包含控制器、中央管理軟件、風閥執行機構及現場壓力和風速傳感器等。通過自動控制系統實現：壓力監控功能、顯示功能、操作功能、控制功能、數據管理功能、安全保障功能、歷史數據記錄功能、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、自診斷自適應功能及簡單實現與其他系統之間的通信集成等方面的功能。

2.2 壓差控制的要求

1) 在靜態下，對于PCR實驗室的主要功能區的壓力要設置滿足設計技術指標要求，同時相關壓力梯度滿足要求；

2) 實驗室HVAC系統在開啟和關閉的動態過程，實驗室的壓力波動控制應平穩，不能出現異常壓力，盡量控制在圍護結構安全承壓能力內；

3) 當生物安全柜排風排至實驗室外時，生物安全柜開啟和關閉的動態過程同樣需要控制實驗室的壓力波動，不能出現異常壓力，控制在實驗室圍護結構安全承壓能力內。

圖3 PCR實驗室通風系統原理圖

3 氣流組織分析

氣流是影響實驗室內空氣傳播感染的重要因素，設計人員應通過科學選擇送、回(排)風口的類型，合理設置送、回(排)風口的位置和風速，充分發揮送風的冷卻或升溫作用，以實現快速排除有害氣體的效果。

3.1 氣流組織設計要點

1) 氣流的整體流向應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口布置形式。

2) 氣流應能實現從清潔區(送風口附近)到污染區(生物安全柜或操作臺)的定向氣流。排風口設于污染源附近，使污染區產生負壓，將污染氣體快速排出。

3) 送、回(排)風口的位置應使潔凈空氣先經過操作人員，再流向污染區，保護人員的安全。

4) 應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形成局部負壓區(見圖4)，對操作人員造成危害。

圖4 人員正面形成負壓區示意圖

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，實驗室最優的氣流組織方式為上送側下排，送風口設于操作臺對面上方吊頂，排風口設于操作臺一側墻面，排風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內，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 生物安全柜通風系統模式分析

生物安全柜作為一級屏障，是PCR實驗室的關鍵核心設備。A2和B2型生物安全柜是實驗室常用的2種類型。由于A2型生物安全柜通風系統簡單，對系統要求低，本文不作分析。

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

4.1 排風機組的設計

B2型生物安全柜通風系統的風管一般采用密閉連接方式，設備是否能夠正常運行與其通風系統控制直接相關，故通風系統設計至關重要。如圖6所示，有3種B2型生物安全柜的通風系統方案。

圖6 生物安全柜通風系統設計方案圖

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

方案2：在生物安全柜排風支路上增設生物全柜助力風機(生物全柜助力風機用于克服生物安全柜局部阻力，實驗室通風系統排風機組壓頭調整為1 100 Pa)。其不足之處：生物安全柜關閉時，助力風機對系統阻力和干擾大；助力風機運行時，系統的穩定性差。

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

4.2 房間風量及閥門的設計

B2型生物安全柜與房間的風量及閥門的設計，是其通風系統模式的重要組成部分，也是實現B2型生物安全柜開啟和關閉2種工況的關鍵點。

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

圖7 實驗室房間風量及閥門設計方案圖

方案1工況1：生物安全柜關閉，房間送風量1 326 m3/h，房間排風量1 482 m3/h；工況2：生物安全柜開啟，房間送風量1 800 m3/h,房間排風量156 m3/h，生物安全柜排風量1 800 m3/h。

可見方案1中工況1轉變為工況2出現了3處風量變化：即房間送風量由1 326 m3/h增至1 800 m3/h；房間排風量由1 482 m3/h減至156 m3/h；生物安全柜排風量由0 m3/h增至1 800 m3/h。過程中變量太多，控制復雜，房間壓力不易控制，穩定性差。

方案2工況1：生物安全柜關閉，房間送風量1 800 m3/h，房間排風量156 m3/h，補償風口排風量1 800 m3/h；工況2：生物安全柜開啟，房間送風量1 800 m3/h，房間排風量156 m3/h，生物安全柜排風量1 800 m3/h。

可見方案2中工況1轉變為工況2系統的響應情況：房間送風量1 800 m3/h不變，生物安全柜排風和增設的補償風口的支干管排風量1 800 m3/h不變，房間風口(排風量156 m3/h)為變風量閥門進行PID調節，維持房間負壓。該方案在工況轉換時變量少，能有效控制房間壓力的波動，穩定性好。設計時建議選用方案2。

方案2相對方案1的變化：1) 送風改為定風量閥門，減少系統變量；2) 排風系統增設補償風口，其排風量和局部阻力與B2生物安全柜相當，支路同時設置模擬量電動調節閥門。

5 實驗室節能技術

5.1 能耗分析

空調系統能耗主要有三部分：1) 風機送、排風耗電量；2) 空調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) 空調水系統輸送能耗。COVID-19核酸檢測PCR實驗室一般采用全新風直流式凈化空調系統，其具有風量大、新風負荷高、風機壓頭大等特點，必然導致整個空調系統能耗極大。

5.2 節能措施

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

2) 合理選用末端送、排風口和空調機組內的各級過濾器，合理布置風管，降低系統阻力，降低風機能耗。

3) 排風熱回收技術：排風熱回收，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，其送排風嚴格不能接觸。同時，由于空調系統內送、排風都處于常溫狀態，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) 熱管是蒸發冷凝器型的換熱設備，管內經抽真空后充填環保制冷劑，制冷劑在毛細管壓力作用下實現循環，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，新風和排風不會接觸，同時應嚴格做好隔板的密封，以確保不會出現交叉污染。2) 換熱效率高，屬于相變傳熱，非常適合于空調送排風這種小溫差換熱，節能效果明顯[8-11]。

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

6 結語

從政策法規、工藝平面、分區功能、設備配置、技術指標、壓差控制、氣流組織分析及節能技術等方面對集中式PCR實驗室進行了設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個分區設計的方案，各分區應設置獨立緩沖間，根據工藝及實際需求設置PCR專用走廊。

此外，還提出了COVID-19核酸檢測PCR實驗室宜設置全新風凈化空調系統，采用全送全排的氣流組織。著重介紹了B2型生物安全柜通風系統模式控制，從排風機組設計和房間風量及閥門設計兩部分分析了B2型生物安全柜開啟和關閉2種工況轉化的連鎖控制的復雜性，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實驗室優先選擇A2型生物安全柜。