集中式PCR实验室设计与建造关键技术分析

中国电子系统工程第二建设有限公司 杨九祥

江苏省疾病预防控制中心 谢景欣

中国电子系统工程第二建设有限公司 陶 刚 董连东

0 引言

截至2021年6月8日，全球累计报告新型冠状病毒感染的肺炎(COVID-19)病例超过1.73亿例，累计死亡超过373万例[1]，严重危胁人民生命安全，给世界经济造成极大损失。

聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR)技术，通过将病毒内所含基因进行扩增，测出一些病毒含量不高的感染者体内是否含有特定的病毒，快速、精准诊断出感染者，在COVID-19疫情防控中起到重要作用。PCR实验室是PCR技术应用的基础，只有PCR实验室的合理设计和建造，才能保证检测结果的准确性和生物安全性。因此，国家和相关部门均非常重视PCR实验室的规划与建设。

COVID-19疫情期间，国务院、国家卫生健康委相继发文，要求“三级综合医院均应当建立符合生物安全二级及以上标准的临床检验实验室，具备独立开展新型冠状病毒检测的能力”[2]。

2020年4月26日，国家卫生健康委召开电视电话会议，部署抓紧抓实抓细常态化疫情防控工作，并指出“所有县级以上疾控机构、二级以上综合医院要抓紧改造，在短时间内形成核酸检测能力”[3]。

本文主要依据国家相关规范和标准，结合笔者所在研发团队在生物安全实验室方面的成果，针对COVID-19核酸检测PCR实验室设计与建造关键技术进行分析，为PCR实验室建设提出合理性建议。

1 工艺设计

1.1 设计依据

GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》；GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》；WS 233—2017《病原微生物实验室生物安全通用准则》；《医疗机构临床基因扩增检验实验室管理办法》(卫办医政发〔2010〕194号)；《新型冠状病毒实验室生物安全指南》(第二版)；《新型冠状病毒肺炎实验室检测技术指南》(第六版)。

1.2 分区设计要点

PCR实验室设计的关键是2个控制：控制病原污染，保证生物安全；控制核酸污染，保证结果准确。科学合理的工艺平面规划，是保证试剂、样本不受污染和防止病毒污染人员、环境的基础条件。

1) 传统的PCR实验设置4个工作区：试剂准备区、样本制备区、核酸扩增区、产物分析区。

如果使用实时荧光定量PCR仪(RT-PCR)，核酸扩增与产物分析在该PCR仪上一次完成，则核酸扩增区与产物分析区合并为一个工作区。因此，PCR实验可设置3个工作区：试剂准备区、样本制备区、扩增分析区。

如果使用“一体机”，即核酸提取、扩增、分析在1台仪器上完成，则PCR实验可设2个工作区：试剂准备区、提取扩增分析区。

2) 《新型冠状病毒肺炎实验室检测技术指南》(第六版)规定，“新型冠状病毒感染的常规检测方法是通过实时荧光RT-PCR鉴定”。因此，COVID-19核酸检测实验可按3个工作区设计。模型如图1所示。

图1 三分区模型图

3) 各工作区之间必须完全相互独立，不能有空气直接相通。

1.3 缓冲间设置必要性分析

1) 影响空气在不同区域之间传播污染的主要因素包括压差、温差及门的卷吸作用和人的裹带作用[4]。

2) 压差是空气从高压一侧通过门窗缝隙流向低压一侧时的阻力，其隔离作用在房间的门、窗等开口处于关闭状态时有效，一旦门打开，2个房间之间的压差将瞬间降为零。因此，压差属于静态隔离的一种措施，在开门状态下起不到隔离作用。

3) 门开启时，由于温差、门的卷吸作用和人的裹带作用，会引起短时间、大风量的室内外空气交换，产生交叉污染。

4) 实验室门开启时，必然会产生实验室内空气外泄。因此，对于PCR实验室，各分区之前应分别设置独立的缓冲间，保证缓冲间的门不同时开启，同时可进一步设计合理的压差梯度控制措施，进行全过程的“动态隔离”[5]。

在建筑设施上，缓冲间是阻隔室内外空气流通即交叉污染的首要措施。因此，各工作区均需设置缓冲间。缓冲间布置如图2所示。

图2 独立缓冲间布置示意图

1.4 PCR专用走廊设置必要性分析

1) PCR专用走廊作用主要是将PCR实验区与其他区域分开，而这种分开并无实质性意义，对控制病原污染和核酸污染均无积极作用。如果空间不够，则应以保证足够实验面积为前提，设置核心工作间和缓冲间；如果空间允许，可设置PCR专用走廊。

2) PCR专用走廊属于清洁区，可作为几个工作区的共用前室，设置更衣柜、物品柜和洗手盆等，用于穿戴个人防护用品(PPE)和扩增分析区专用清洁工作衣裤鞋帽。

3) 如果设置PCR专用走廊，可通过合理设计PCR专用走廊内气流组织，将送风口设于试剂准备区一端，排风口设于扩增分析区一端，实现走廊内从试剂储存区端到扩增分析区端的定向气流，可进一步降低因空气倒流或乱流导致核酸交叉污染的风险。

1.5 关键房间技术指标

样本制备间是生物安全二级(BSL-2)实验室，应有通风换气的条件；扩增分析间有核酸污染的隐患，需设置排风装置。设计机械通风系统时，应控制送排风比例，维持各房间的负压要求，保证空气按要求定向流动。

PCR实验各工作区均无洁净度要求，但有洁净度的设计对延长生物安全柜等排风装置高效过滤器寿命是有益的。对于采用集中空调系统(全空气系统)严格进行压力控制的实验室(如“负压BSL-2/BSL-2”)，可按空气洁净度级别7～8级[6]、全新风直流式空调系统设计，集中送风，分区独立排风。

根据《病原微生物核酸扩增实验室能力通用要求》(征求意见稿)第5.3.3条“……样本制备区的压力应不高于相邻工作区”，第5.3.4条“采取集中布置形式的，核酸扩增区的压力宜与样本制备区持平；……”，建议样本制备区和扩增分析区设计压力均为-20 Pa，同时保证围护结构的气密性，两区之间隔墙设置双门互锁传递窗，避免出现交叉感染。

关键房间技术指标见表1。

1.6 分区功能及设备配置

以三分区为例，介绍各房间功能和设备配置，如表2所示。

表1 关键房间技术指标

①温度宜为23 ℃左右，或18～26 ℃可调，穿防护服时超过23 ℃人会感到很热。

表2 分区功能及设备配置

2 实验室变风量压差控制技术

PCR实验室通常采用全新风直流系统，根据实验室的需求，存在生物安全柜开启和关闭2种工况，工况之间的转换需要采用变风量控制技术。由于2种工况下管网的阻力不一样，建议设计采用压力无关型变风量阀门。

2.1 压差控制的软件和硬件基础

1) 通风空调系统主要包括送风机、排风机组、定/变风量文丘里风阀、高效送风口和排风口、高效排风过滤装置。其中，送、排风机变频可调是关键，它是压差控制的最基本条件。定/变风量压力无关型风阀是调节房间绝对压力的重要手段。

2) 通常设置1套空调送风系统、3套排风系统。排风系统具体分区：样本制备区属于BSL-2实验室，应独立设置1套排风系统；PCR走廊、试剂存储和准备及其缓冲间属于清洁区，而扩增及产物分析区及其缓冲间属于污染区，为避免各区之间产生交叉感染，同时也为了方便后期的调试和控制，宜分别设置1套排风系统。详见图3。

3) 自动控制系统主要包含控制器、中央管理软件、风阀执行机构及现场压力和风速传感器等。通过自动控制系统实现：压力监控功能、显示功能、操作功能、控制功能、数据管理功能、安全保障功能、历史数据记录功能、多种警报处理功能、趋势记录分析功能、控制器控制逻辑下载、自诊断自适应功能及简单实现与其他系统之间的通信集成等方面的功能。

2.2 压差控制的要求

1) 在静态下，对于PCR实验室的主要功能区的压力要设置满足设计技术指标要求，同时相关压力梯度满足要求；

2) 实验室HVAC系统在开启和关闭的动态过程，实验室的压力波动控制应平稳，不能出现异常压力，尽量控制在围护结构安全承压能力内；

3) 当生物安全柜排风排至实验室外时，生物安全柜开启和关闭的动态过程同样需要控制实验室的压力波动，不能出现异常压力，控制在实验室围护结构安全承压能力内。

图3 PCR实验室通风系统原理图

3 气流组织分析

气流是影响实验室内空气传播感染的重要因素，设计人员应通过科学选择送、回(排)风口的类型，合理设置送、回(排)风口的位置和风速，充分发挥送风的冷却或升温作用，以实现快速排除有害气体的效果。

3.1 气流组织设计要点

1) 气流的整体流向应遵循与污染物重力沉降方向保持一致的原则。通常采用上送下排的风口布置形式。

2) 气流应能实现从清洁区(送风口附近)到污染区(生物安全柜或操作台)的定向气流。排风口设于污染源附近，使污染区产生负压，将污染气体快速排出。

3) 送、回(排)风口的位置应使洁净空气先经过操作人员，再流向污染区，保护人员的安全。

4) 应避免洁净气流从操作人员身后吹来，这样可能会在其正面呼吸区形成局部负压区(见图4)，对操作人员造成危害。

图4 人员正面形成负压区示意图

3.2 气流模拟分析

房间气流模拟分析如图5所示。由图5可以看出，实验室最优的气流组织方式为上送侧下排，送风口设于操作台对面上方吊顶，排风口设于操作台一侧墙面，排风口底边高于操作台台面100 mm，形成定向流，使操作人员处于洁净气流的主流区内，保护人员安全，同时将污染气体以最短距离快速排出。

图5 房间气流模拟分析

4 生物安全柜通风系统模式分析

生物安全柜作为一级屏障，是PCR实验室的关键核心设备。A2和B2型生物安全柜是实验室常用的2种类型。由于A2型生物安全柜通风系统简单，对系统要求低，本文不作分析。

本文以B2型生物安全柜(双人型)为例，从排风机组设计和房间风量及阀门设计两部分来分析其通风系统的模式控制。

4.1 排风机组的设计

B2型生物安全柜通风系统的风管一般采用密闭连接方式，设备是否能够正常运行与其通风系统控制直接相关，故通风系统设计至关重要。如图6所示，有3种B2型生物安全柜的通风系统方案。

图6 生物安全柜通风系统设计方案图

方案1：B2型生物安全柜排风和实验室通风系统公用(当通风系统不考虑生物安全柜时，排风机组压头为1 100 Pa满足要求；当生物安全柜排风和实验室通风系统公用时，排风机组压头调整为1 600 Pa)。其不足之处：生物安全柜局部阻力大，排风机组压头按最不利环路计算为1 600 Pa，系统运行时噪声大，安全性差。

方案2：在生物安全柜排风支路上增设生物全柜助力风机(生物全柜助力风机用于克服生物安全柜局部阻力，实验室通风系统排风机组压头调整为1 100 Pa)。其不足之处：生物安全柜关闭时，助力风机对系统阻力和干扰大；助力风机运行时，系统的稳定性差。

方案3：为B2型生物安全柜单独设置专用风机(生物安全柜专用风机建议一用一备)。实验室通风系统排风机组单独设置，压头1 100 Pa；生物安全柜专用风机单独设置，压头600 Pa。该方案弥补了方案1和2的不足，现场实际测试表明系统运行稳定，安全性高。其不足之处：生物安全柜、主风机和安全柜专用风机三者的启停及故障停机的控制顺序要结合房间压力控制合理设置，避免因三者的启停顺序和故障后的应急程序设置不当导致实验室出现压力异常波动。

4.2 房间风量及阀门的设计

B2型生物安全柜与房间的风量及阀门的设计，是其通风系统模式的重要组成部分，也是实现B2型生物安全柜开启和关闭2种工况的关键点。

以图7为例：PCR实验室中标本制备区面积约30 m2，若不考虑生物安全柜运行，满足房间技术指标，标本制备区送风量和排风量分别为1 326 m3/h和1 482 m3/h，房间压力为-15 Pa。

图7 实验室房间风量及阀门设计方案图

方案1工况1：生物安全柜关闭，房间送风量1 326 m3/h，房间排风量1 482 m3/h；工况2：生物安全柜开启，房间送风量1 800 m3/h,房间排风量156 m3/h，生物安全柜排风量1 800 m3/h。

可见方案1中工况1转变为工况2出现了3处风量变化：即房间送风量由1 326 m3/h增至1 800 m3/h；房间排风量由1 482 m3/h减至156 m3/h；生物安全柜排风量由0 m3/h增至1 800 m3/h。过程中变量太多，控制复杂，房间压力不易控制，稳定性差。

方案2工况1：生物安全柜关闭，房间送风量1 800 m3/h，房间排风量156 m3/h，补偿风口排风量1 800 m3/h；工况2：生物安全柜开启，房间送风量1 800 m3/h，房间排风量156 m3/h，生物安全柜排风量1 800 m3/h。

可见方案2中工况1转变为工况2系统的响应情况：房间送风量1 800 m3/h不变，生物安全柜排风和增设的补偿风口的支干管排风量1 800 m3/h不变，房间风口(排风量156 m3/h)为变风量阀门进行PID调节，维持房间负压。该方案在工况转换时变量少，能有效控制房间压力的波动，稳定性好。设计时建议选用方案2。

方案2相对方案1的变化：1) 送风改为定风量阀门，减少系统变量；2) 排风系统增设补偿风口，其排风量和局部阻力与B2生物安全柜相当，支路同时设置模拟量电动调节阀门。

5 实验室节能技术

5.1 能耗分析

空调系统能耗主要有三部分：1) 风机送、排风耗电量；2) 空调机组处理空气消耗的冷热量(即冷热源的耗电量和电加热耗电量)和空气加湿耗电量；3) 空调水系统输送能耗。COVID-19核酸检测PCR实验室一般采用全新风直流式净化空调系统，其具有风量大、新风负荷高、风机压头大等特点，必然导致整个空调系统能耗极大。

5.2 节能措施

1) 合理确定洁净室的温度和相对湿度。相关资料表明，环境温度每降低1 ℃冷量多耗4%，环境相对湿度降低5%冷量多耗4%[7]。

2) 合理选用末端送、排风口和空调机组内的各级过滤器，合理布置风管，降低系统阻力，降低风机能耗。

3) 排风热回收技术：排风热回收，按能量回收方式不同，分为全热回收和显热回收。对于COVID-19核酸检测PCR实验室，其送排风严格不能接触。同时，由于空调系统内送、排风都处于常温状态，温差较小，因此建议选用热管式显热回收装置(见图8、9)。其特性如下：1) 热管是蒸发冷凝器型的换热设备，管内经抽真空后充填环保制冷剂，制冷剂在毛细管压力作用下实现循环，不断将热量从热管的一端传向另一端，其属于二次间壁换热，新风和排风不会接触，同时应严格做好隔板的密封，以确保不会出现交叉污染。2) 换热效率高，属于相变传热，非常适合于空调送排风这种小温差换热，节能效果明显[8-11]。

1.送风机；2.加湿器；3.加热器；4.中效过滤器；5.新风过滤器；6.热管式换热器；7.排风机；8.排风过滤器；9.表冷器。图9 热管式换热器空调机组

6 结语

从政策法规、工艺平面、分区功能、设备配置、技术指标、压差控制、气流组织分析及节能技术等方面对集中式PCR实验室进行了设计和建造的要点分析，提出了COVID-19核酸检测PCR实验室宜按3个分区设计的方案，各分区应设置独立缓冲间，根据工艺及实际需求设置PCR专用走廊。

此外，还提出了COVID-19核酸检测PCR实验室宜设置全新风净化空调系统，采用全送全排的气流组织。着重介绍了B2型生物安全柜通风系统模式控制，从排风机组设计和房间风量及阀门设计两部分分析了B2型生物安全柜开启和关闭2种工况转化的连锁控制的复杂性，建议在实验工艺不涉及有机溶剂或无特殊气体需要全排情况下，PCR实验室优先选择A2型生物安全柜。