某腫瘤醫院NGS、PCR實驗室空調系統設計淺析

王 瑋

中冶長天國際工程有限責任公司

0 引言

NGS（Next-generation sequencing）下一代測序技術又稱高通量測序技術，以高輸出量和高解析度為主要特色，一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA 分子進行序列測定，在提供豐富的遺傳學信息同時，還大大降低了測序費用，縮短了測序時間。PCR（Polymerase Chain Reaction）聚合酶鏈式反應又稱多聚酶鏈式反應，是利用模板DNA 在93 ℃高溫時變性為單鏈DNA，55 ℃低溫時引物與單鏈DNA 按堿基互補序列配對結合，72 ℃最適反應溫度下DNA 聚合酶合成復制鏈的過程。PCR 是一種用于放大擴增特定DNA片段的分子生物學技術，是生物體外特殊DNA的復制，其最大特點是將微量的DNA 大幅增加。NGS、PCR 用于疾病篩查、診斷、基因突變檢測等，在臨床應用中越來越廣泛。本文以某實驗室空調系統設計為例，對NGS、PCR 實驗室的空氣凈化作了簡要闡述。

1 實驗室主要功能分區

1.1 NGS高通量測序功能分區

NGS高通量測序功能分區包括[1］：

1)試劑準備區

實驗過程中所需的試劑、試劑的分類和保存、一些主要反應混合液的分裝和儲存。

2)標本與文庫制備區

血液處理、血漿制備、DNA 提取、片段化、純化及構建樣本。

如果標本量少，標本制備區每天僅使用一次的話，可將標本制備區和文庫制備區合并，否則分開，以避免前次建庫可能存在的、已帶標簽的核酸樣本氣溶膠交叉污染。

3)文庫檢測區

濃度檢測、混合后的質檢分析，檢查濃度、片段大小是否符合要求。

4)文庫擴增區

DNA 片段末端修復與純化、文庫混合、缺口平移。

文庫擴增會涉及PCR 過程，產生高濃度的擴增產物和氣溶膠，故需自成一區。

5)測序區

測序模板制備、上級測序、數據分析，檢查測序后下機的數據是否符合要求。

擴增和定量后的文庫在此區進行芯片加載、測序過程和數據產生。由于測序儀對室內溫濕度要求較高，且受周圍環境振動影響較大，故測序區需單獨設置。

6)電泳區

DNA 制備及濃度測定、目的DNA 片段分離，是一代測序擴增產物電泳純化和二代測序判斷DNA提取質量、片段分析的公共區域。

1.2 PCR功能分區

PCR功能分區包括[2］：

1)試劑儲存和準備區

試劑的制備和分裝、主反應混合液的制備。

2)標本、文庫制備區

RNA、DNA 的提取和貯存。

3)擴增區

cDNA的合成、DNA擴增及檢測。

4)擴增產物分析區

擴增片段的進一步分析測定。

NGS、PCR 實驗室按上述分區分成了獨立的實驗區，每個實驗區之間設置緩沖間，實驗室與其他科室之間設置緩沖走廊，以控制空氣流向，防止實驗室內外空氣互通。緩沖間本身是靜態的安全屏障，如在緩沖間內部增設機械通風，便形成了靜態+動態的安全屏障[3］。試劑、標本通過傳遞窗傳遞，傳遞窗采用雙開門形式，以避免封閉不嚴或物品傳遞過程中造成交叉污染，同時，壓力梯度也使整個檢測過程中試劑、標本不受到污染。

2 實驗室壓力梯度要求

實驗室空氣流向為試劑儲存和準備區→標本制備區→擴增區→擴增產物分析區，禁止反向流動[4］。實驗室各區域，物理上都應永久分隔，各區域間不能有空氣直接流通。試劑儲存和準備區為最潔凈的區域，從標本制備到測序反應需要的試劑都在此配置和儲存，若該區域被污染，整個流程乃至最終測序結果都將受到影響，因此，維持各區間的壓力梯度非常重要。實驗室壓力梯度是通過控制該區域內的送風量和排風量來實現的，送、排風機均為變頻風機，送風系統與排風系統互為聯鎖，根據各區域壓力梯度要求進行控制。通過調節風機頻率及送風、排風管道上的文丘里變風量閥實時匹配送風及排風量，排風風機先于送風機啟動，后于送風機停止。該項目實驗室平面布置及壓力梯度設置見圖1。

圖1 實驗室平面布置及壓力梯度示意圖

3 空調系統設計

3.1 室內參數要求

實驗室設備均有溫濕度要求，溫濕度過高會影響設備的使用壽命。此外，溫濕度還應滿足工作人員舒適性要求，如樣本制備區工作人員需穿實驗服、戴口罩、戴護目鏡等不利散熱設備，室內溫度應控制在22～24 ℃，而放置測序儀的房間濕度應在20%～60%之間，以便儀器獲得最佳性能。

3.2 送風系統

NGS、PCR 實驗室沒有嚴格的凈化要求，但為避免交叉污染，該項目采用了全新風系統，潔凈級別按十萬級考慮，氣流組織采用上送側下回形式。NGS、PCR 分別設置一套無級變量新風機組對實驗室各區域進行送風，承擔室內熱濕負荷。新風機組功能段包括初中效段、加熱段、表冷段、加濕段、風機段等，其冷熱水由大樓四管制風冷熱泵提供，各區域末端送風口均設置高效過濾器。各實驗區域及緩沖間送風支管上均設置文丘里變風量閥，調節室內壓力。各房間設有送風和排風進行通風換氣，稀釋有害物濃度。送風具體布置見圖2。

3.3 排風系統

實驗室各區域內的通風換氣對減少實驗室前一次檢測過程中遺留或擴增產物的污染非常重要，各區域通風換氣大于10 次/h。樣本制備間、擴增區內設生物安全柜，該項目由于空間受限，生物安全柜與房間排風共用一套系統。排風支管上設文丘里變風量閥，廢氣高空排放至屋頂，經初效、活性炭吸附、高效過濾后排至大氣。排風量根據各區域壓力要求、設備要求、送風量等匹配設置。排風機組變頻運行，調節室內風量及壓力。排風具體布置見圖3。

4 結語

NGS、PCR 實驗室是目前臨床檢測的重要手段，其空調系統設計重點是根據建筑功能的分區設置壓力梯度。標本制備區由于靈敏性高，極其微量的氣溶膠污染也會造成假陽性的檢測結果，因此相對于鄰室區域，房間需維持正壓；分析區可能會用到一些有毒物質，因此廢氣排風系統必須經過吸附、過濾處理后方可高空排至室外。結合建筑平面、工藝流程，通過設置緩沖走廊、緩沖間、傳遞窗，及配置合理的空調、通風系統，才能保證實驗室可靠、安全地運行。