某肿瘤医院NGS、PCR实验室空调系统设计浅析

王 玮

中冶长天国际工程有限责任公司

0 引言

NGS（Next-generation sequencing）下一代测序技术又称高通量测序技术，以高输出量和高解析度为主要特色，一次并行对几十万到几百万条DNA 分子进行序列测定，在提供丰富的遗传学信息同时，还大大降低了测序费用，缩短了测序时间。PCR（Polymerase Chain Reaction）聚合酶链式反应又称多聚酶链式反应，是利用模板DNA 在93 ℃高温时变性为单链DNA，55 ℃低温时引物与单链DNA 按碱基互补序列配对结合，72 ℃最适反应温度下DNA 聚合酶合成复制链的过程。PCR 是一种用于放大扩增特定DNA片段的分子生物学技术，是生物体外特殊DNA的复制，其最大特点是将微量的DNA 大幅增加。NGS、PCR 用于疾病筛查、诊断、基因突变检测等，在临床应用中越来越广泛。本文以某实验室空调系统设计为例，对NGS、PCR 实验室的空气净化作了简要阐述。

1 实验室主要功能分区

1.1 NGS高通量测序功能分区

NGS高通量测序功能分区包括[1］：

1)试剂准备区

实验过程中所需的试剂、试剂的分类和保存、一些主要反应混合液的分装和储存。

2)标本与文库制备区

血液处理、血浆制备、DNA 提取、片段化、纯化及构建样本。

如果标本量少，标本制备区每天仅使用一次的话，可将标本制备区和文库制备区合并，否则分开，以避免前次建库可能存在的、已带标签的核酸样本气溶胶交叉污染。

3)文库检测区

浓度检测、混合后的质检分析，检查浓度、片段大小是否符合要求。

4)文库扩增区

DNA 片段末端修复与纯化、文库混合、缺口平移。

文库扩增会涉及PCR 过程，产生高浓度的扩增产物和气溶胶，故需自成一区。

5)测序区

测序模板制备、上级测序、数据分析，检查测序后下机的数据是否符合要求。

扩增和定量后的文库在此区进行芯片加载、测序过程和数据产生。由于测序仪对室内温湿度要求较高，且受周围环境振动影响较大，故测序区需单独设置。

6)电泳区

DNA 制备及浓度测定、目的DNA 片段分离，是一代测序扩增产物电泳纯化和二代测序判断DNA提取质量、片段分析的公共区域。

1.2 PCR功能分区

PCR功能分区包括[2］：

1)试剂储存和准备区

试剂的制备和分装、主反应混合液的制备。

2)标本、文库制备区

RNA、DNA 的提取和贮存。

3)扩增区

cDNA的合成、DNA扩增及检测。

4)扩增产物分析区

扩增片段的进一步分析测定。

NGS、PCR 实验室按上述分区分成了独立的实验区，每个实验区之间设置缓冲间，实验室与其他科室之间设置缓冲走廊，以控制空气流向，防止实验室内外空气互通。缓冲间本身是静态的安全屏障，如在缓冲间内部增设机械通风，便形成了静态+动态的安全屏障[3］。试剂、标本通过传递窗传递，传递窗采用双开门形式，以避免封闭不严或物品传递过程中造成交叉污染，同时，压力梯度也使整个检测过程中试剂、标本不受到污染。

2 实验室压力梯度要求

实验室空气流向为试剂储存和准备区→标本制备区→扩增区→扩增产物分析区，禁止反向流动[4］。实验室各区域，物理上都应永久分隔，各区域间不能有空气直接流通。试剂储存和准备区为最洁净的区域，从标本制备到测序反应需要的试剂都在此配置和储存，若该区域被污染，整个流程乃至最终测序结果都将受到影响，因此，维持各区间的压力梯度非常重要。实验室压力梯度是通过控制该区域内的送风量和排风量来实现的，送、排风机均为变频风机，送风系统与排风系统互为联锁，根据各区域压力梯度要求进行控制。通过调节风机频率及送风、排风管道上的文丘里变风量阀实时匹配送风及排风量，排风风机先于送风机启动，后于送风机停止。该项目实验室平面布置及压力梯度设置见图1。

图1 实验室平面布置及压力梯度示意图

3 空调系统设计

3.1 室内参数要求

实验室设备均有温湿度要求，温湿度过高会影响设备的使用寿命。此外，温湿度还应满足工作人员舒适性要求，如样本制备区工作人员需穿实验服、戴口罩、戴护目镜等不利散热设备，室内温度应控制在22～24 ℃，而放置测序仪的房间湿度应在20%～60%之间，以便仪器获得最佳性能。

3.2 送风系统

NGS、PCR 实验室没有严格的净化要求，但为避免交叉污染，该项目采用了全新风系统，洁净级别按十万级考虑，气流组织采用上送侧下回形式。NGS、PCR 分别设置一套无级变量新风机组对实验室各区域进行送风，承担室内热湿负荷。新风机组功能段包括初中效段、加热段、表冷段、加湿段、风机段等，其冷热水由大楼四管制风冷热泵提供，各区域末端送风口均设置高效过滤器。各实验区域及缓冲间送风支管上均设置文丘里变风量阀，调节室内压力。各房间设有送风和排风进行通风换气，稀释有害物浓度。送风具体布置见图2。

3.3 排风系统

实验室各区域内的通风换气对减少实验室前一次检测过程中遗留或扩增产物的污染非常重要，各区域通风换气大于10 次/h。样本制备间、扩增区内设生物安全柜，该项目由于空间受限，生物安全柜与房间排风共用一套系统。排风支管上设文丘里变风量阀，废气高空排放至屋顶，经初效、活性炭吸附、高效过滤后排至大气。排风量根据各区域压力要求、设备要求、送风量等匹配设置。排风机组变频运行，调节室内风量及压力。排风具体布置见图3。

4 结语

NGS、PCR 实验室是目前临床检测的重要手段，其空调系统设计重点是根据建筑功能的分区设置压力梯度。标本制备区由于灵敏性高，极其微量的气溶胶污染也会造成假阳性的检测结果，因此相对于邻室区域，房间需维持正压；分析区可能会用到一些有毒物质，因此废气排风系统必须经过吸附、过滤处理后方可高空排至室外。结合建筑平面、工艺流程，通过设置缓冲走廊、缓冲间、传递窗，及配置合理的空调、通风系统，才能保证实验室可靠、安全地运行。