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PCR技術(shù)憑借特異性強(qiáng)、靈敏度高、對檢測樣品要求低、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種臨床診斷。目前國內(nèi)二級以上的醫(yī)院都在開展PCR技術(shù)的各種臨床應(yīng)用，PCR實驗室是承載PCR技術(shù)應(yīng)用的設(shè)施，實驗室的合理設(shè)計才能確保檢測結(jié)果的可靠性，因此，PCR實驗室的設(shè)計和建設(shè)越來越受到建設(shè)單位的重視。

從PCR實驗室平面布局、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩個方面進(jìn)行設(shè)計要點(diǎn)分析，供設(shè)計同行和建設(shè)單位的相關(guān)人員參考。

01

平面功能分區(qū)要點(diǎn)分析

根據(jù)《臨床基因擴(kuò)增檢驗實驗室基本設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)》1.1條的要求，PCR實驗室一般由試劑儲備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)、擴(kuò)增區(qū)、擴(kuò)增分析區(qū)4個區(qū)域組成。

PCR實驗室區(qū)域的設(shè)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(kuò)增之前需要粉碎處理，則需要增加一個區(qū)域用于樣品的粉碎;

2、如果采用實時熒光PCR法，則擴(kuò)增區(qū)和分析區(qū)可以合并為一個區(qū);

3、如果采用全自動化PCR分析儀，則標(biāo)本制備區(qū)、擴(kuò)增區(qū)和分析區(qū)可以合并為一個區(qū)。

以4個區(qū)域的實驗室設(shè)置進(jìn)行設(shè)計要點(diǎn)分析，如圖所示。

02

實驗室功能與設(shè)備設(shè)計要點(diǎn)分析

1、試劑儲備區(qū)
該區(qū)域主要完成試劑和主反應(yīng)混合液的儲存、配制和封裝工作。所有運(yùn)送到該區(qū)域的試劑和材料不應(yīng)經(jīng)過其他區(qū)域，試劑和原材料應(yīng)在本區(qū)內(nèi)儲存和制備。本區(qū)域的氣壓應(yīng)相對外界保持正壓。該區(qū)域的設(shè)備主要是冰箱、天平、混勻器、低速離心機(jī)、加樣器、可移動紫外燈等。由于該區(qū)域有多種試劑，所以“安全”應(yīng)是平面設(shè)計首要考慮因素，平面設(shè)計時應(yīng)保持通風(fēng)流暢、逃生暢通。首先，實驗臺布置在房間的兩側(cè)，中間的過道全部通向走廊便于疏散。同時根據(jù)國際人體工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，實驗臺與實驗臺通道設(shè)計為1500mm，中間的通道可滿足兩邊坐人中間過人的要求。

2、標(biāo)本制備區(qū)
該區(qū)域的功能是樣本的保存、核酸提取和貯存、樣本加入擴(kuò)增反應(yīng)管和測定DNA的合成。樣本應(yīng)直接運(yùn)送至該區(qū)并儲存在本區(qū)內(nèi)，不得經(jīng)過其他區(qū)域。對于氣流壓力的控制，由于在本區(qū)內(nèi)加樣操作可能產(chǎn)生氣溶膠，為避免氣溶膠擴(kuò)散出去對外界造成污染，本區(qū)應(yīng)對外界保持負(fù)壓;同時本區(qū)相對于擴(kuò)增反應(yīng)混合物配制和擴(kuò)增區(qū)以及擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)為正壓，以避免從鄰近區(qū)進(jìn)入本區(qū)的氣溶膠污染。

該區(qū)域的設(shè)備主要是生物安全柜、加樣器、臺式高速離心機(jī)、臺式低速離心機(jī)、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(jīng)過高效過濾器過濾后排到室外，不再進(jìn)入生物安全柜循環(huán)或者返回該區(qū)域，這種生物安全柜可避免提取核酸在柜內(nèi)反復(fù)循環(huán)，造成標(biāo)本之間交叉“污染”，出現(xiàn)假陽性結(jié)果。

3、擴(kuò)增區(qū)
該區(qū)域的功能是DNA擴(kuò)增和擴(kuò)增片段的測定。此外，反應(yīng)混合液(來自試劑貯存和制備區(qū))制備成反應(yīng)混合液和已制備的DNA模板(來自標(biāo)本制備區(qū))的加入等也可在本區(qū)內(nèi)進(jìn)行。對于氣流壓力的控制，相對于鄰近區(qū)域為負(fù)壓，以避免氣溶膠從本區(qū)漏出。為避免氣溶膠所致的污染，應(yīng)盡量減少在本區(qū)內(nèi)不必要的走動。個別操作如加樣等應(yīng)在超凈臺內(nèi)進(jìn)行。

該區(qū)域的設(shè)備主要是核酸擴(kuò)增熱循環(huán)儀、加樣器、超凈臺等。其中熱循環(huán)儀的電源應(yīng)專用，并配備一個穩(wěn)壓電源或UPS，以防止由于電壓的波動對擴(kuò)增測定的影響。

4、分析區(qū)
該區(qū)域的功能是擴(kuò)增產(chǎn)物的分析。該區(qū)域可能會用到某些可致基因突變的有毒物質(zhì)，應(yīng)特別注意實驗人員的安全防護(hù)。對于氣流壓力的控制，該區(qū)域是PCR實驗的最后一步，壓力應(yīng)為最低，相對于鄰近區(qū)域為負(fù)壓，以避免氣溶膠從本區(qū)漏出。為避免氣溶膠所致的污染，應(yīng)盡量減少在本區(qū)內(nèi)的不必要的走動。

該區(qū)域的設(shè)備主要是加樣器、電泳儀(槽)、電轉(zhuǎn)印儀、雜交爐或雜交箱、水浴箱、DNA測序儀、酶標(biāo)儀和洗板機(jī)等。

03

人流與物料線設(shè)計要點(diǎn)分析

進(jìn)入實驗室區(qū)域工作人員應(yīng)該按照以下路徑：走道→緩沖間→實驗區(qū)

工作人員退出實驗室的路徑為：實驗區(qū)→緩沖間→走道

進(jìn)入各個區(qū)域必須嚴(yán)格按照單一方向進(jìn)行，不同的工作區(qū)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(fēng)險。

所有的物品進(jìn)入實驗區(qū)必須經(jīng)過雙扉互鎖傳遞窗，利用傳遞窗消毒后才可進(jìn)入，實驗室內(nèi)所有物品也必須經(jīng)過傳遞窗才可以傳遞到實驗室以外的清潔公共區(qū)。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(fēng)險。

04

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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(qū)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(yán)格要求，考慮實驗人員的人體舒適性，環(huán)境溫濕度的設(shè)計參數(shù)控制在下圖所示的范圍內(nèi)。

05

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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(chǎn)生氣溶膠，為避免氣溶膠擴(kuò)散出去對外界造成污染，同時為了避免各房間之間通過風(fēng)管系統(tǒng)交叉污染，實驗室建議采用全新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)經(jīng)熱濕處理及三級(初效+中效+高效/亞高效)過濾后送入室內(nèi);各房間排風(fēng)口單獨(dú)設(shè)置高效或亞高效過濾器。

風(fēng)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(fēng)量或送風(fēng)量。縫隙法計算公式如下：
式中 ΔP——壓差，Pa ；
       ρ ——空氣密度，取1.2 kg/m3；
       V ——風(fēng)量，m3/h ；
       A ——根據(jù)縫隙寬度計算的泄漏面積，m2 ；
       μ ——常數(shù)，取0.72。

由風(fēng)量守恒可知：
V送風(fēng) -ΔV = V排風(fēng)
式中 ΔV —— 壓差滲透風(fēng)量

當(dāng)房間維持正壓時，該值為正值，
當(dāng)房間維持負(fù)壓時，該值為負(fù)值。

當(dāng)房間無工藝設(shè)備排風(fēng)時，可通過換氣次數(shù)(工藝操作間換氣次數(shù)為12~15次/h，緩沖間6~8次/h)計算得出房間送風(fēng)量，然后根據(jù)縫隙法得出房間排風(fēng)量;當(dāng)房間有工藝設(shè)備(如生物安全柜)排風(fēng)時，比較設(shè)備排風(fēng)量與滿足換氣次數(shù)所需送風(fēng)量，取兩者之間的較大值(一般情況下，設(shè)備排風(fēng)量較大)，然后可根據(jù)縫隙法得出房間送風(fēng)量。根據(jù)以上計算風(fēng)量為設(shè)計依據(jù)，由此可對新風(fēng)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)組及附屬的風(fēng)管風(fēng)口進(jìn)行選型和計算。

氣流組織上，PCR實驗室空調(diào)系統(tǒng)通常采用上送下排式的非單向流送風(fēng)方式。房間上部送風(fēng)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(diǎn)的正上方保持一定距離;房間下部利用室內(nèi)排風(fēng)夾道上設(shè)置的排風(fēng)口排風(fēng)，排風(fēng)口底部距地面0.1m，排風(fēng)夾道需設(shè)置于室內(nèi)被污染風(fēng)險最高的區(qū)域，排風(fēng)口前面不應(yīng)有障礙物遮擋。

06

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)壓力需求及控制分析

根據(jù)實驗流程，PCR實驗室一般設(shè)有試劑儲存和試劑準(zhǔn)備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)、擴(kuò)增反應(yīng)混合物配制和擴(kuò)增區(qū)、擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)等4個區(qū)域，每個區(qū)域均設(shè)置有獨(dú)立的緩沖間。

根據(jù)《臨床基因擴(kuò)增檢驗實驗室工作規(guī)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(jìn)行，即只能從試劑儲存和試劑準(zhǔn)備區(qū)→標(biāo)本制備區(qū)→擴(kuò)增反應(yīng)混合物配制和擴(kuò)增區(qū)→擴(kuò)增產(chǎn)物分析區(qū)進(jìn)行，PCR實驗室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計要點(diǎn)即在于此：通過對房間的送回(排)風(fēng)量進(jìn)行控制，使房間按照工藝設(shè)計要求建立相應(yīng)的壓力梯度，從而防止污染物的進(jìn)入或擴(kuò)散。

另外，PCR實驗室內(nèi)通常有生物安全柜、通風(fēng)柜等生產(chǎn)設(shè)備，這類設(shè)備排風(fēng)量大且使用時間有間隔性，并不與空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時間一致，這就導(dǎo)致有這些設(shè)備的房間在設(shè)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(diào)系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)所在。

07

典型空調(diào)原理圖分析

基于文中PCR實驗室的工藝布局，設(shè)計出該類實驗室的典型原理圖，如圖所示。

PCR實驗室全空氣新風(fēng)系統(tǒng)控制說明：

(1)溫濕度控制
夏季：調(diào)節(jié)表冷盤管動態(tài)壓差平衡調(diào)節(jié)閥的開度以控制室內(nèi)溫濕度，濕度優(yōu)先;當(dāng)為了調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度而造成溫度過低時，開啟加熱盤管以控制室內(nèi)溫度。

冬季：調(diào)節(jié)加熱盤管動態(tài)壓差平衡電動調(diào)節(jié)閥的開度以控制室內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)加濕器的開度以控制濕度。

(2)壓力及變頻控制
在空調(diào)系統(tǒng)各房間送風(fēng)支管上設(shè)置壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥，無工藝設(shè)備排風(fēng)房間的排風(fēng)支管上設(shè)置壓力無關(guān)型定風(fēng)量閥，從而恒定房間的風(fēng)量以控制房間壓力;在有工藝設(shè)備排風(fēng)房間的排風(fēng)支管上設(shè)變風(fēng)量閥，根據(jù)房間內(nèi)壓差動作，以控制房間壓力。需排風(fēng)的工藝設(shè)備(如生物安全柜)排風(fēng)支管上設(shè)變風(fēng)量閥，根據(jù)設(shè)備開啟度調(diào)節(jié)設(shè)備排風(fēng)量。

根據(jù)重要房間送風(fēng)管上定風(fēng)量閥前后壓差調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)變頻器，保持壓差恒定值。此恒定值須由現(xiàn)場實調(diào)確認(rèn)，以保證所有定風(fēng)量閥正常工作為準(zhǔn)。

由以上原理圖可知，PCR實驗室壓差控制難點(diǎn)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(fù)壓環(huán)境以保證設(shè)備正常運(yùn)行使用，這就要求系統(tǒng)采用的變風(fēng)量閥有快速的反應(yīng)能力。根據(jù)相關(guān)實驗證明，當(dāng)生物安全柜變風(fēng)量閥響應(yīng)時間≤1s且房間排風(fēng)支管變風(fēng)量閥響應(yīng)時間≤3s時，不會對生物安全柜內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境產(chǎn)生影響。同時，為了防止實驗室房間開關(guān)門的瞬間失壓導(dǎo)致房間壓差為零，房間各定、變風(fēng)量閥應(yīng)預(yù)設(shè)風(fēng)量偏移限制，以避免房間失壓時引起送風(fēng)量過小的情況發(fā)生