2020年初新冠肺炎疫情爆发并迅速在全国蔓延,全国很多医院急需进行负压环境改造,本文将就江苏某院PCR负压实验室改造项目中暖通和装饰技术设计及施工要点进行阐述。

PCR是聚合酶链式反应简称,是一种分子生物学技术,用于放大特定的DN**段,可看作生物体外的特殊DNA复制。PCR负压实验室新冠病毒检测过程中,从样本制备、产物扩增、产物分析等操作过程中会产生大量气溶胶,并且PCR技术要求高、影响因素多,任何一处细微失误都会造成新冠病毒检测结果偏差,出现样品假阳性和假阴性。

一、项目概况

江苏某院PCR始建于2018年,为实验室设备厂家承建,存在压差偏离实际规范要求、气流组织不稳定等缺陷。疫情期间,考虑新冠病毒检测环境不达标会导致检测出现假性结果,同时检测过程会对医护工作人员造成巨大风险,因此面临紧急的改造需求。

本项目改造共设置1间试剂准备区、1间标本制备区、1间产物扩增区、1间产物分析区以及相关缓冲及走廊等。为保证环境安全,通过科学严谨的流程规划设计,将实验室内部主要工作区域独立设置,各区域之间设置单向的实验工艺流、物流、人流与气流,避免实验之间的相互干扰,防止核酸气溶胶对实验过程造成污染产生假性结果,同时保障了新冠病毒检测抗疫一线医护工作人员的健康。

二、设计依据

*《实验室生物安全通用要求》国家标准GB 19489-2008

*《临床基因扩增检验实验室工作规范》卫医发【2002】8号文

*《基因检验实验室技术要求》国家质监检验总局SN/T 1193-2003

*《生物安全实验室建筑技术规范》国家标准GB 50346-2011

*《病原微生物实验室生物安全管理条例》卫生部(2004-11-12)

*《临床诊断中聚合酶链反应(PCR)技术的应用》(WS/T203-2002)

*《微生物和生物医学实验室生物通用准则》

*《洁净室及相关受控环境-生物污染控制》国际标准 IOS 14698

*《医学生物安全二级实验室建筑技术标准》CECS662-2020 

三、功能分区

本项目PCR负压实验室按照工作流程及工艺需求划分为4个区域:试剂准备区、标本制备区、产物扩增区、产物分析区,以及相关缓冲及走廊等,详见图1。按照规范要求,各实验区域必须相互独立,不能直通,每个独立实验区设有专门的缓冲室供医护工作人员更换工作服和鞋。各工作区域设置单向不锈钢传递窗,试剂样本传递必须严格遵循单一方向顺序,即只能从试剂准备区、样本制备区、产物扩增区到产物分析区,避免发生交叉污染。


图1 PCR负压实验室各功能区(疫情状态)

四、暖通装饰设计要求

为避免样本间的交叉污染,PCR负压实验室采用十万级净化系统设计。PCR走廊为-5Pa区域,缓冲设置为-10 Pa,各试验区-15Pa,确保与外界环境隔离,隔离从临近区域进入本区域的气溶胶污染,同时杜绝室内空气外流。

实验室墙体,包括顶棚,必须结构牢固、气密性好;所有阴角宜采用圆弧形线条过渡;墙体内壁光洁、不吸附、耐腐蚀、易清洗消毒;地面材料应满足无缝隙、无渗漏、光洁、耐腐蚀的要求。 

1、试剂准备区

主要进行试剂的制备、分装和主反应混合液的制备。试剂和用于样品制作的材料应直接运送至该区,不得经过其它区域。试剂原材料必须贮存在本区内,并在本区内制备成所需的试剂。本区主要设备有天平、冰箱、离心机、加样器、振荡器等。

1) PCR实验室中最为“洁净”区域,不应有任何核酸存在,包括试剂中所带的标准品和阳性对照,以及实验用洁净物品如离心管、吸头等的存放和准备处。

2) 商品试剂盒:75%乙醇、焦碳酸二乙酯(DEPC)处理水等需要自配。

3) 自制试剂:一次较大量配制,然后分装成小瓶保存,每次检测时,取出一小瓶使用,未用完的即弃掉,不再使用。 

2、标本制备区

主要进行样品保存、核酸(RNA、DNA)提取、贮存及其加入至扩增反应管和测定DNA的合成。本区主要设备有生物安全柜、超净台、高速台式(冷冻)离心机、加样器、振荡器、冰箱、恒温水浴等。

1) 生物安全柜不应放在实验室门口等易受人员走动影响的地方,也不应直对分体式空调。

2) 用于核酸样本的提取,标本的制备应在生物安全柜内进行,可防止标本气溶胶的扩散。加样器吸头必须带滤芯。

3) 使用加热模块时,如在模块孔中填入二氧化硅细砂,然后将标本管置于细砂中温育,可得到较为一致的温育温度。

4) 经高温温育后的标本,应冷至室温后再离心。

5) 标本制备的全过程中都应戴一次性手套,并经常更换(感觉有污染时)。

6) 设备都应定期或在有明显污染后,使用中性消毒剂如异丙醇、戊二醇或10%次氯酸钠溶液消毒,使用10%次氯酸钠溶液消毒后,应再用70%乙醇洗涤去除残留的次氯酸钠。

7) 生物安全:洗眼器,并配备一个急救箱,箱内可放置75%酒精、络合碘、棉签、创可贴等必要的急用药具。

3、产物扩增区

主要进行DNA扩增,已制备的DNA模板 (来自样品制备区)的加入和主反应混合液(来自试剂准备区)制备成反应混合液等也可在本区内进行。本区主要设备有:扩增仪、冰箱、离心机、加样器等。

1) 采用“巢式”PCR方法的第二轮扩增的加样,必须在本区进行。

2) 加样时,先加提取的核酸模板样本,每加完一个即盖好盖子,然后加阳性质控核酸模板,再就是标本制备阴性质控和仅含按样本一样稀释的主反应混合液的扩增阴性质控,最大可能测出以前扩增产物的交叉污染。

3) 热循环仪的电源应专用,并配备一个不间断电源(UPS)或稳压电源。

4) 每次扩增后,可使用可移动紫外灯对扩增热循环仪进行照射。

5) 扩增仪应定期进行校准。

4、 产物分析区

主要用于扩增产物测定。本区主要设备:电泳仪、凝胶成像系统、测序仪、(酶标仪和洗板机)、核酸杂交仪、恒温设备等。产物分析区是临床基因扩增检验的最后一个工作区域,需要打开扩增后反应管进行扩增产物分析检测,是PCR实验室“最不洁净”的区域。

五、暖通装饰设计要点

1、空调设计选型

1) 核酸检测负压洁净实验室工艺性净化空调系统采用直接膨胀式吊顶全新风恒温恒湿净化空调机组+高效送风口的空调系统形式。

2) 新风经过全新风恒温恒湿净化空调机组热湿处理、初效(G4)、中效(F9)、高效(H14)送风口的空调三级过滤后直接送至洁净房间,达到排除室内热、湿负荷的效果,以保证房间的洁净度和房间温湿度要求。气流组织为上送、下排。

3) 排风经过三级过滤后排至室外屋顶;排风系统设计时已考虑生物安全柜排风,确保实验室的负压恒定不变。

4) 充分考虑空调机、通风机等设备面积,对噪音和震动进行处理,机组漏风率小于1%。

2、负压压差设计

PCR实验室设计成负压洁净室,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污染,同时降低扩增产物对人员和环境的污染。

具体气体流向为:

1) 公共走廊 —> PCR走廊(公共走廊为0Pa,PCR走廊为-5 Pa)

2) PCR走廊 —> 各实验区域缓冲间(PCR走廊为-5 Pa,缓冲间为-10 Pa)

3) 各缓冲间 —> 各实验区域(缓冲间为-10 Pa,各实验区域为-15 Pa)

新冠病毒疫情期间,上述压差设计形成气流组织单向负压压力梯度,避免病毒样本污染周边环境。疫情过后,PCR实验室可以通过调节试剂准备区、样本制备区、产物扩增区排风量使这两个实验区域达到正压,详见图2,既可以满足疫情期间PCR负压实验室临时性使用需求,也能满足后期PCR实验室正常检测运作需求。


图2 PCR负压实验室各功能区(正常状态)

3、人物分流设计

整个区域设置一个公用走廊,工作区域之间设置试剂物品传递专用窗。

人流:人员通过缓冲间分别进入各自实验区域,进出各实验区域需要在缓冲间更换洁净工作服,手消毒等。

物流:在试剂准备区与样本制备区、样本制备区与产物扩增区、产物扩增区与产物分析区之间设置不锈钢传递窗,以单向进行试剂、标本等物品传送。

4、互锁门设计

各实验室及其缓冲室设置电子互锁,同一时间只能打开其中一扇门,避免空气外流,详见图3。此外,门开启方向与气流组织方向一致。

图3 实验室-缓冲间互锁门

5、密封设计

为确保排出室外的气体进行有效过滤,防止气体泄露对室外造成污染,需要对中间管道进行密封处理,详见图4。



图4 风管密封实物照片

6、紫外灭菌

实验室内需要安装紫外灭菌设备,在三个实验区、三个缓冲区顶部以及传送窗内部安装紫外灯;在试剂准备区和标本制备区设置移动紫外线灯,对实验桌消毒。

7、不锈钢传递窗

试剂和标本通过机械连锁不锈钢传递窗传递,保证试剂和标本在传递过程中不受污染。配置的试剂通过单向传递窗由试剂准备区传递到样本制备区,处理过的标本通过单向传递窗由样本制备区传递到产物扩增区,按照工艺流程逐次传递,避免反流。单向物品传送系统既保障标本试剂不受污染,同时保障标本试剂不污染环境。

8、排风三级过滤

排出室外的空气需要进行初效、中效、亚高效三级过滤,过滤器按照规范定期更换,详见图5。

图5 排风三级过滤控制

9、废水处理

实验室废水处理设置污水处理装置,具备有效去除酸、碱、重金属、有机溶剂及杀灭致病微生物的功能,水质达到污水排放标准。

结语

本项目为江苏某院负压改造工程,原建筑结构拆改工程量较大,需要对改造现场反复多次进行结构复核;施工期间异地务工人员较多,施工区域人员活动密集、结构复杂,容易引发人员交叉感染风险。

疫情就是命令,防控就是责任。项目改造过程中,项目团队时刻将疫情防控放在首位,将现场项目管理及施工人员安全防护升级至一级最高等级。时间紧任务重,为保证本次改造项目按时交付,现场项目施工团队24小时加班加点抢进度,最终在全体参建者共同努力下完成整个改造设计施工任务,为江苏某院在抗疫期间PCR新冠病毒检测营造了一个安全、舒适、高效、实用的医护工作环境。


策 划:陆建南

撰 文:刘志强、刘胜、谈彬、王纯燕、张晨、许杰、董田平、胥加成 

江苏环亚医疗系统设计研究院有限公司