帐篷式移动生物安全实验室设计及在新型冠状病毒检测中的应用

张宗兴，衣 颖，吴金辉，郝丽梅，张恩雷，张金明，祁建城

（军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，国家生物防护装备工程技术研究中心，天津300161）

0 引言

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）于2019 年12 月在我国武汉市首次被发现，其传播途径主要为呼吸道飞沫传播、接触传播等[1]，是一种类似于中东呼吸综合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）和严重急性呼吸综合征（sever acute respiratory syndrome，SARS）的β 冠状病毒[2]，其在人与人之间的传染性很强，并可导致人员死亡[3]。国家卫生健康委发布的《新型冠状病毒感染的肺炎防控方案（第三版）》[4]指出，根据目前掌握的新型冠状病毒的特性信息，实验活动暂按照病原微生物危害程度分类中第二类病原微生物进行管理，即病毒分离培养、动物实验等活动应在生物安全三级（bio-safety level 3，BSL-3）实验室开展，未经培养的感染性材料在采用可靠的方法灭活前进行的相关检测等应在生物安全二级（bio-safety level 2，BSL-2）实验室开展。由于新型冠状病毒经呼吸道飞沫传播，且存在经气溶胶传播的可能，未灭活病原体的检测实验活动宜在加强型BSL-2 实验室中进行。加强型BSL-2 实验室应设置入口缓冲间，房间能够密闭消毒，采用全新风直流式通风空调系统，形成负压及压力梯度，排风经过高效过滤处理，配备生物安全柜和压力蒸汽灭菌器[5]，其安全防护水平几乎相当于BSL-3 实验室。

随着新型冠状病毒肺炎疫情的发展，武汉地区的样本检测需求量剧增，多数医院缺乏符合感染性样本检测要求的生物安全实验室，且不具备快速改造条件，但包括新型冠状病毒检测、检测试剂和疫苗抗体等在内的更多研究都对防护级别提出了要求，为此，笔者单位研制的新型帐篷式移动生物安全实验室应疫情防控急需运抵武汉，就地开展了新型冠状病毒检测等相关工作。本文主要介绍帐篷式移动生物安全实验室的系统构成及主要性能，分析讨论帐篷式移动生物安全实验室在现场展开后的实际应用方案，以期为后续新型移动生物安全实验室的设计以及新发突发传染病疫情防控工作的开展提供借鉴。

1 国内外移动式生物安全实验室设计与应用情况

作为新发突发传染病防控的应急病原检定关键技术平台，移动式生物安全实验室可以充分发挥其快速机动的特点，能够及时就地展开病原微生物检测等相关工作，有效解决因疫情现场实验条件不足、固定实验室距疫情现场过远等制约疫情防控开展的难题。

目前，欧美发达国家已相继研发了多种可快速部署的移动式生物安全实验室，构建了较为完善的国家生物防御体系，可有效应对各种新发突发传染病疫情和生物威胁。此类可快速部署的生物安全实验室技术形式和功能多样，结构形式从轻型便携式箱组到重型帐篷、方舱，功能定位从早前微生物鉴别到标准化检验确认，如法国研制了采用箱组模块化设计的便携式微生物实验室[6]（如图1 所示），捷克国防大学军队卫生学院研发了配备有生命支持系统的大型帐篷式生物安全实验室[6]（如图2 所示），美国也研发了可扩展式加强型移动生物安全实验室[6]（如图3 所示）。

图1 法国便携式微生物实验室[6]

图2 捷克帐篷式生物安全实验室[6]

2005 年，在国家科技攻关课题支持下，笔者单位研制出我国首台具有自主知识产权的移动BSL-3实验室[7]。该型移动BSL-3 实验室采用方舱结构性组合技术，在2 台长度为9 m 的方舱内综合集成水、电、气、空调等系统，满足了BSL-3 实验室设施设备要求，展开后可实施对可疑病原微生物的分离、培养和检定等作业[8]。该型移动BSL-3 实验室于2014 年9 月远赴塞拉利昂，执行“援非抗埃”任务，共完成了近5 000 份埃博拉病毒样本的灭活和核酸分离提取相关工作，在西非埃博拉疫情防控中发挥了重要支撑作用。经过实战检验后，研究人员认识到其在设计上存在一些不足之处：（1）其由2 台9 m 方舱组成，体积大，总质量达到25 t，不能满足伊尔76 运输机的运输要求，可远程运输性严重受限；（2）受方舱结构和尺寸限制，仅设一间核心实验间，且操作空间狭小；（3）系统复杂，操作烦琐，技术保障负担重[9]。针对该方舱式移动生物安全实验室存在的问题，笔者单位设计了一种新型移动生物安全实验室，即帐篷式移动生物安全实验室，采用方舱和帐篷组合的技术形式，具有快速部署、大空间、防护级别高、造价低的特点。

图3 美国可扩展式加强型移动生物安全实验室[6]

图4 帐篷式移动生物安全实验室

2 帐篷式移动生物安全实验室设计

2.1 总体设计

帐篷式移动生物安全实验室由帐篷实验室与技术保障方舱组合而成，如图4 所示。帐篷实验室与技术保障方舱通过通风管路、电气管路进行密封连接，从而实现两者的有机组合。帐篷实验室主要用于开展病原样本检测以及其他病原微生物操作活动。技术保障方舱主要为帐篷实验室提供全方位的技术保障，包括通风空调、自动控制与报警、视频监控、供电接入等。整套实验室可在4 人作业下6 h 内完成现场安装与运行调试，快速构建检测技术平台。

2.2 平面布局

帐篷实验室由准备间、样品接收间、缓冲间和核心工作间组成，准备间与样品接收间为辅助工作区，缓冲间与核心工作间为防护区，满足BSL-3 实验室的平面工艺布局要求，如图5 所示。整个帐篷实验室使用面积达到50 m2，其中，准备间与核心工作间面积约为20 m2，核心工作间可安装2 台隔离操作设备，可容纳4 名工作人员同时开展作业。在样品接收间与外环境之间设置有传递窗，在传递物品时递送样品人员无需进入帐篷即可完成样本传递。

图5 帐篷式移动生物安全实验室结构示意图

2.3 关键结构

2.3.1 帐篷实验室

帐篷实验室整体采用充气气柱支撑结构，帐篷篷体采用双层结构，分为内篷与外篷，内外篷均通过拉点与充气气柱进行拉紧固定。实验操作在内篷进行，相邻功能间之间设置密封拉链门。帐篷内篷材料采用高频热合连接方式，并通过使用密封拉链实现严格的物理密封，形成有效的物理防护屏障。

充气气柱设置有安全泄压阀，并配备有实时压力监测补偿装置，当因外环境温度升高造成气柱内的压力超过限值时，安全泄压阀会自动打开进行排气，以将气柱内压力降至安全范围；当因外环境温度降低或轻微渗漏造成气柱内压力过低时，及时进行充气补压，从而有效维持气柱内的压力稳定。

2.3.2 技术保障方舱

技术保障方舱采用车载方舱结构，外形尺寸同标准6 m 集装箱，结构和外形尺寸符合GB/T 1413—2008《系列1 集装箱 分类、尺寸和额定质量》[10]的要求。根据功能区域划分，技术保障方舱分为空气处理间和中控间。空气处理间内主要设置有空调和通风过滤系统；中控间内设置有自控系统、视频监控系统和供电系统，同时设置有装载区，如图5 所示。技术保障方舱兼作装载运输方舱，可一次将帐篷实验室、排风高效过滤装置、压力蒸汽灭菌器、负压柔性手套箱式生物隔离器等防护设施和设备全部收纳到装载区内。由于其运输状态体积小，可通过公路、铁路、轮船或航空进行运输，能够快速运抵新发突发传染病疫情现场展开作业。

2.3.3 通风过滤系统

通风过滤系统主要用于实现实验室空气调节与净化、污染空气安全排放与空气定向流动控制功能，是实验室与环境以及功能间之间安全防护的关键。整个系统包括送风处理系统和排风处理系统两部分。

帐篷实验室送风采用全新风空气处理系统，送风处理系统主要包括初效过滤器、中效过滤器、空调机、风机、送风高效过滤单元、风量调节阀、生物密闭阀、送风管路等部分组成，如图6 所示。实验室通过送风管道上的定风量调节阀与风机变频共同作用进行送风量控制调节。经过以上空调系统处理的空气通过送风高效过滤单元过滤处理后送入静压箱，再通过管道将新风分别送至帐篷实验室核心工作间与缓冲间，以满足实验室防护区内的环境控制要求。实验室防护区排风处理系统采用模块化排风高效过滤单元对防护区内的空气进行高效过滤后安全排放至室外环境，确保了实验室外环境的安全。排风处理系统主要由排风高效过滤单元、生物密闭阀、排风机等部分组成，其中排风机一用一备。实验室防护区的送风高效过滤器和排风高效过滤器均可原位扫描检漏，可确保送、排风高效过滤安全可靠。

2.3.4 负压控制系统

负压控制是保障实验室安全的重要手段，可有效实现防护区外的空气只能向防护区内流动，室内相邻区域的空气只能由污染概率低的区域流向污染概率最高的区域，从而确保实验室防护区外环境的安全。帐篷实验室压差控制采用定送变排的控制措施，核心工作间与缓冲间均通过压差传感器测量其与室外的相对压差，控制器根据压差测量值实时调整排风机频率以调节排风风量，从而达到各功能间压差稳定控制的目的。核心工作间的负压设定值为-30 Pa，相邻缓冲间的负压设定值为-10 Pa，当压力偏离上述设定值且无法通过调节排风量稳定压差时，监控报警系统将启动声光报警，并自动启动关闭送风等应急控制措施。

帐篷式移动生物安全实验室依靠合理的功能布局、严格的物理密封结构、稳定的负压控制、安全高效的空气排放处置，达到生物安全三级防护水平，满足GB 27421—2015《移动式实验室 生物安全要求》[11]的相关要求，可为实验人员和周围环境提供安全的物理防护屏障。

图6 空气处理系统原理图

3 实际应用情况

新型冠状病毒感染样本的首要检测方法是实时荧光逆转录-聚合酶链反应（reverse transcriptionpolymerase chain reaction，RT-PCR），包括RNA 的逆转录和cDNA 的聚合酶链式扩增，RT-PCR 也是生物学、医学临床等领域广泛应用的实验技术。根据《临床基因扩增检验实验室基本设置标准》[12]要求，标准的PCR 实验室通常分为4 个独立的实验区：试剂储存和准备区、标本制备区、扩增反应混合物配置和扩增区、扩增产物分析区。目前，PCR 检测实验室多使用全自动分析仪，可将扩增反应混合物配置和扩增区与扩增产物分析区合并为核酸扩增检测区，进而由4 个区减为3 个区。

此次，在帐篷式移动生物安全实验室开展新型冠状病毒样本检测的实际应用过程中，相应将实验室系统也分成了3 个独立功能区域，具体见表1。这3 个区中，标本制备区是唯一存在病原微生物暴露风险的区域，根据《新型冠状病毒感染的肺炎防控方案（第三版）》要求，由于新型冠状病毒暂时被列为第二类病原微生物，其样本在未经可靠灭活前的处理操作应至少在BSL-2 实验室内进行，所以将防护水平最高的帐篷实验室核心工作间作为标本制备区。待检样本直接通过传递窗传递至样品接收间，然后经缓冲间送至核心工作间进行样本灭活、核酸提取等工作。其中，样本灭活前的操作全部在负压柔性手套箱式隔离器或Ⅱ级A2 型生物安全柜内完成，有效保证实验室内环境的安全。待样本核酸提取完成并封装后，经过表面消毒处理，由核心工作间送至核酸扩增检测区。由于帐篷实验室只有两间可进行实验操作的功能间，所以将核酸全自动分析仪放置在方舱工作区内，以作为核酸扩增检测区。

根据帐篷式移动生物安全实验室现有人员、仪器等配备情况，该实验室单日最大样本检测量达到300份，一套帐篷式移动生物安全实验室即可满足一家具有500 张床位的传染病员定点收治医院的检测需求。帐篷式移动生物安全实验室于2020 年1 月29 日完成现场安装和运行调试工作，并于2020 年1 月30 日接收样本正式开展检测工作。截止到2020 年2 月13日，帐篷式移动生物安全实验室安全运行15 d，检测人员已在实验室内完成2 000 余份样本的检测工作。

表1 帐篷式移动生物安全实验室功能区对照表

4 结语

此次武汉新型冠状病毒肺炎疫情发展迅猛，样本检测能力成为了制约疫情有效防控的一个“瓶颈”因素。由于待检测样本量过大，远超出各定点收治医院、疾病预防控制中心等机构检测实验室的检测能力，导致样本积压过多，疑似患者无法快速确诊，进一步增加了疫情防控的难度。在这种情况下，部署移动生物安全实验室就成为了快速提升样本检测能力的重要手段。

帐篷式移动生物安全实验室是一种新型移动生物安全实验室模式，具有部署快、作业空间大、防护级别高、建造成本低的特点，可快速实施对病原体的分离、鉴定、检测等作业，为移动生物安全实验室研制提供了一种全新的设计理念。

虽然帐篷式移动生物安全实验室在实际应用中发挥了重要作用，但还需在以下3 个方面进一步改进：（1）在功能分区布局方面，帐篷实验室内缺少核酸扩增检测区，未独立形成标准的PCR 检测实验室，需进一步优化空间布局；（2）在实验室展收过程中，搭建和拆卸依然需要人力，在自动化、机械化方面需要进一步提升；（3）帐篷采用充气气柱结构，存在较高的门槛，大型仪器设备进出不便，需进一步优化帐篷结构设计。