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        PCR實驗室平面布局、通風空調系統設計要點分析

        2022-04-06 11:16 來源:互聯網  

        摘要:在PCR實驗室的設計和建造越來越受到建設單位重視的情況下,從PCR實驗室平面布局、通風空調系統兩個方面進行設計要點分析,提出了PCR實驗室按照四個區域設計為宜,實驗室設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,同時在房間內設定、變風量閥應對生物安全柜開啟和關閉時房間的壓差擾動,供PCR實驗室的建設單位和設計同行的相關人員參考。

        PCR聚合酶鏈式反應(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,是基因擴增技術的一次重大革新。

        PCR技術憑借特異性強、靈敏度高、對檢測樣品要求低、方便快捷等優點,廣泛應用于各種臨床診斷。目前國內二級以上的醫院都在開展PCR技術的各種臨床應用,PCR實驗室是承載PCR技術應用的設施,實驗室的合理設計才能確保檢測結果的可靠性,因此,PCR實驗室的設計和建設越來越受到建設單位的重視。

        從PCR實驗室平面布局、通風空調系統兩個方面進行設計要點分析,供設計同行和建設單位的相關人員參考。

        PCR實驗室平面布局設計要點分析

        1、平面功能分區要點分析

        根據《臨床基因擴增檢驗實驗室基本設置標準》1.1條的要求,PCR實驗室一般由試劑儲備區、標本制備區、擴增區、擴增分析區4個區域組成。

        PCR實驗室區域的設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,則需要增加一個區域用于樣品的粉碎;

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

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

        以4個區域的實驗室設置進行設計要點分析,如圖1所示。

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        ▲圖1 典型PCR 實驗室工藝平面圖

        2、實驗室功能與設備設計要點分析

        (1)試劑儲備區

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

        (2)標本制備區

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

        該區域的設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過高效過濾器過濾后排到室外,不再進入生物安全柜循環或者返回該區域,這種生物安全柜可避免提取核酸在柜內反復循環,造成標本之間交叉“污染”,出現假陽性結果。

        (3)擴增區

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

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

        (4)分析區

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

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

        3、人流與物料流線設計要點分析

        進入實驗室區域工作人員應該按照以下路徑:

        走道→緩沖間→實驗區

        工作人員退出實驗室的路徑為:

        實驗區→緩沖間→走道

        進入各個區域必須嚴格按照單一方向進行,不同的工作區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險。

        所有的物品進入實驗區必須經過雙扉互鎖傳遞窗,利用傳遞窗消毒后才可進入,實驗室內所有物品也必須經過傳遞窗才可以傳遞到實驗室以外的清潔公共區。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險。

        PCR實驗室通風空調系統設計要點分析

        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,環境溫濕度的設計參數控制在表1所示的范圍內。

        表1 空氣調節環境溫濕度設計參數

        參數

        冬季

        夏季

        溫度/℃

        18 ~ 24

        25~ 28

        濕度/%

        -

        40 ~ 70

        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管系統交叉污染,實驗室建議采用全新風系統。新風經熱濕處理及三級(初效+中效+高效/亞高效)過濾后送入室內;各房間排風口單獨設置高效或亞高效過濾器。

        風量計算上,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量或送風量??p隙法計算公式如下:

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        式中 ΔP——壓差,Pa ;

                ρ ——空氣密度,取1.2 kg/m³;

                V ——風量,m³/h ;

                A ——根據縫隙寬度計算的泄漏面積,m² ;

                μ——常數,取0.72。

              由風量守恒可知:

                               V送風 -ΔV = V排風

        式中 ΔV —— 壓差滲透風量,

                              當房間維持正壓時,該值為正值,

                              當房間維持負壓時,該值為負值。

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

        氣流組織上,PCR實驗室空調系統通常采用上送下排式的非單向流送風方式。房間上部送風口盡量均勻布置,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;房間下部利用室內排風夾道上設置的排風口排風,排風口底部距地面0.1m,排風夾道需設置于室內被污染風險最高的區域,排風口前面不應有障礙物遮擋。

        3、壓力需求及控制分析

        根據實驗流程,PCR實驗室一般設有試劑儲存和試劑準備區、標本制備區、擴增反應混合物配制和擴增區、擴增產物分析區等4個區域,每個區域均設置有獨立的緩沖間。

        根據《臨床基因擴增檢驗實驗室工作規范》,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備區→標本制備區→擴增反應混合物配制和擴增區→擴增產物分析區進行,PCR實驗室通風空調設計要點即在于此:通過對房間的送回(排)風量進行控制,使房間按照工藝設計要求建立相應的壓力梯度,從而防止污染物的進入或擴散。

        另外,PCR實驗室內通常有生物安全柜、通風柜等生產設備,這類設備排風量大且使用時間有間隔性,并不與空調系統運行時間一致,這就導致有這些設備的房間在設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實驗室空調系統設計的難點所在。

        4、典型空調原理圖分析

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

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        ▲圖2 典型PCR實驗室全空氣新風系統控制原理圖

        PCR實驗室全空氣新風系統控制說明:

        (1)溫濕度控制

        夏季:調節表冷盤管動態壓差平衡調節閥的開度以控制室內溫濕度,濕度優先;當為了調節室內濕度而造成溫度過低時,開啟加熱盤管以控制室內溫度。

        冬季:調節加熱盤管動態壓差平衡電動調節閥的開度以控制室內溫度,調節加濕器的開度以控制濕度。

        (2)壓力及變頻控制

        在空調系統各房間送風支管上設置壓力無關型定風量閥,無工藝設備排風房間的排風支管上設置壓力無關型定風量閥,從而恒定房間的風量以控制房間壓力;在有工藝設備排風房間的排風支管上設變風量閥,根據房間內壓差動作,以控制房間壓力。需排風的工藝設備(如生物安全柜)排風支管上設變風量閥,根據設備開啟度調節設備排風量。

        根據重要房間送風管上定風量閥前后壓差調節送風機變頻器,保持壓差恒定值。此恒定值須由現場實調確認,以保證所有定風量閥正常工作為準。

        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境以保證設備正常運行使用,這就要求系統采用的變風量閥有快速的反應能力。根據相關實驗證明,當生物安全柜變風量閥響應時間≤1s且房間排風支管變風量閥響應時間≤3s時,不會對生物安全柜內的負壓環境產生影響。同時,為了防止實驗室房間開關門的瞬間失壓導致房間壓差為零,房間各定、變風量閥應預設風量偏移限制,以避免房間失壓時引起送風量過小的情況發生。

        結束語

        從PCR實驗室平面功能分區、試驗室設備、人物流線、溫濕度、氣流組織、壓力控制以及典型空調原理圖進行了設計要點分析,提出了PCR實驗室按照四個區域設計為宜,實驗室設備的布置不僅考慮實用,同時要兼顧疏散,人物流要單向流動,溫濕度滿足人員舒適度即可,氣流組織和壓力控制保證氣流單向流動防止氣溶膠污染,同時在房間內設定、變風量閥應對生物安全柜開啟和關閉時房間的壓差擾動,供PCR實驗室的建設單位和設計同行的相關人員參考。
        文章來源:分子診斷平臺

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