PCR实验室的设计与施工

目前,国内二级以上的医院都广泛开展了临床基因扩增检验项目,随之而来的是PCR实验室的设计与建造也越来越受到重视。

要完成一组PCR实验,通常需要经过试剂配制、样品处理、核酸扩增和产物分析四个实验过程。这四个实验过程的实验用房应相邻布置,组成一个独立的PCR实验区。标准的PCR实验区包括:试剂准备区、标本制备区、扩增区、产物分析区、各区配套的缓冲区及公共走廊。

平面布局

某医院PCR实验室平面布局如图1所示,整个区域有一个公用走廊,每个独立实验区设置有专门的缓冲区。通过压差控制,使整个PCR实验过程中试剂和标本免受气溶胶的污染,并且降低扩增产物对人员和环境的污染。

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压力梯度控制

试剂准备区和标本制备区呈相对正压状态,以防止外界含核酸气溶胶的空气进入,造成污染。

核酸扩增室及产物分析区应呈相对负压状态,以防止含核酸的气溶胶扩散出去污染试剂与样品。建议采用5~10Pa压差,在控制上比较容易实现。

正负压区域缓冲室的设置

根据压力梯度的要求,试剂配制室和样品处理室为相对正压,扩增室和产物分析室为相对负压,要求正压的区域和要求负压的区域的缓冲室内的压力设计大不相同。

正压缓冲室符合一般正压洁净室的缓冲原则,主要是防止室外环境空气中的气溶胶进入室内。正压缓冲室的布置如图2所示。

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负压缓冲室则是要求缓冲室对核酸扩增室及产物分析区保持正压,对缓冲室外也保持正压(主要是满足室内净化需要,如室内无洁净要求,此处可以为0压)。负压缓冲室的布置如图3所示。

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PCR实验室内主要设备及房间面积要求

在PCR实验室内有大量的实验仪器,其中一些仪器和实验室建造有很大关系。

试剂准备区

试剂准备区配备有2~8℃冰箱和-80℃冰箱,计算冷负荷时,需要将它们计算在内。房间的面积宜控制在15~20㎡。

标本制备区

标本制备区配备有2~8℃冰箱和-20℃冰箱,计算冷负荷时,需要将它们计算在内。在标本制备区,还需要配备生物安全柜,用于进行提取核酸的操作。为避免提取的核酸在柜内反复循环,造成标本之间的交叉污染,出现假阳性结果,该区域配备的生物安全柜必须是B2型的。生物安全柜工作区垂直气流全部来自实验室,排风经过高效过滤器过滤后直接排至室外,不允许回到安全柜和实验室中。

根据我们的经验,如果实验室内配备生物安全柜,每配备一台,实验室的面积增加10㎡;标本制备区的面积宜在25~30㎡之间。

扩增室

扩增室主要配备PCR实验室的核心仪器PCR仪,本文实例中使用了ABI7500和ABI9700两种PCR仪。在实验室建造过程中,需要给PCR仪配备专门的UPS电源,保证它的正常工作。该区面积控制在15~20㎡。

产物分析区

在室内配备通风橱,保证房间内的相对负压,空气从室外流向室内。该区面积控制在15~20㎡。

PCR实验室对空调系统的要求

首先,要求四个区域的空调系统完全独立,前两个区域相对正压,后两个区域相对负压。标本制备区配备有B2型生物安全柜,需要在安全柜进行操作时,要有相应数量的新风补充。产物分析区配备有排风橱,也需要有一定数量的新风补充。

其次,实验室内的温度、湿度都有一定的要求。尤其是湿度,PCR实验室内一般要求相对湿度在65%以下。南方地区空气湿度大,而标本制备区和产物分析区需要大量的新风补充,这些新风如果处理不好,会造成实验室内湿度过高。

第三,很多PCR实验室都要求室内达到ISO7级洁净标准。

综上所述,我们可以总结出PCR实验室在空调系统方面的主要要求:四区必须完全独立、大量的新风补充、不同区域的不同压力梯度、较严格的湿度控制要求、较高的洁净度要求。对于这些要求,简单的、经济的空调系统方案很难满足。

常用的PCR实验室空调系统方案

壁挂式或吊顶嵌入式空调(独立制冷剂)+新风过滤系统+排风系统

这是目前一些中小医院的PCR实验室经常使用的空调方式,在每个区域内安装独立的壁挂式空调,新风系统集中过滤处理(初效+中效+高中效),然后根据需求将新风送入每一个区域内,配套的排风系统和新风系统联锁控制。如图4所示。

这样的空调系统控制简单、成本低廉,四个区域的空调系统独立,房间内的压差也可控。缺点是室内达不到净化要求,房间内的湿度不可控。在笔者接触的某项目中,夏季开启生物安全柜后,整个房间内充满雾气,房间内的湿度非常高;实验室内的很多仪器出现锈蚀,仪器的寿命和精度都有所降低,造成很大的损失。

自带冷热源(直膨式)全新风空调机组+排风系统

该方案主要用于有洁净度要求的PCR实验室,由自带冷热源(直膨式)全新风空调机组进行空气处理,然后将新风送入四个不同区域,四个区域采用独立的排风系统来控制房间内的压力平衡。如图5所示。

该方案的优点是控制简单,能够满足净化、压力梯度、四区隔离的基本要求,房间内的温度也可控。

方案的不足之处主要在于房间的湿度控制。主流的空调设备厂家一般都不生产直膨式全新风恒温恒湿机组,主要原因是机组的控制麻烦、故障率高,尤其是在夏季,室外高温高湿,新风通过机组后要达到温度湿度要求,对直膨式机组来说有很大的难度。因此,只能通过一些小厂家来进行定制,设备质量无法得到保障。

独立热泵机组+全新风空调机组+排风系统

该方案使用独立的风冷热泵机组,冬季提供热源,其它季节提供冷源。空气处理则采用组合式新风处理机组,通过表冷段和再热段来控制新风湿度,保证房间内的温度、湿度都达到要求。如图6所示。

该方案的优点在于可以满足PCR实验室对空调系统的全部要求(温度、湿度、压差、洁净度等)。

方案的缺点是系统控制相对前2个方案更复杂,初期投资较大,设备占用空间也比较大。

结论

我们发现,实验室四区隔离、达到一定洁净度都不难实现,高湿季节房间内的湿度控制是个大问题,在这方面需要花费较多的资源。

PCR实验室建设的决策者一般都是科研人员,他们对洁净度、正负压比较了解,但对于房间内的新风处理、湿度控制的重要性估计不足。施工单位出于成本考虑,常常忽略这些问题。

对于PCR实验室的建设,只有从方案初期、设计的源头开始对上述要点进行控制,才有可能做出优质的、全面满足医疗实验要求的项目。