多功能納米生物實驗室建設探索與實踐

王義成，高 宇，汪聯(lián)輝

（南京郵電大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

納米生物技術是納米技術和生物學的交叉融合，國際生物技術領域的前沿，在醫(yī)藥衛(wèi)生領域有廣泛的應用前景。美國、德國、日本等國家均將納米生物技術作為21世紀重點研究的科研領域[1]。南京郵電大學江蘇省生物傳感材料與技術重點實驗室聚焦“光電傳感材料”“生物光電子學”“生物傳感與影像技術”三個新興的交叉前沿學科，設計合成新型生物光電材料，經(jīng)微納加工制備成生物醫(yī)學探針、生物傳感器等生物醫(yī)學光電器件，應用于生物醫(yī)學檢測、生物醫(yī)學成像、重大疾病診斷及藥物傳遞系統(tǒng)等。

因納米生物技術的多學科交叉的特性，在建設納米生物實驗室時，需涉及化學、材料學、電子學、生物學和醫(yī)學等多個實驗種類，且潔凈程度要求較高。然而目前高校科研實驗室空間普遍緊張，建設多功能納米生物實驗室刻不容緩。本文通過我院重點實驗室建設的多功能納米生物實驗室為例，參照實驗室生物安全、化學安全等標準，結(jié)合科研實驗的實用性，列出建設過程中的注意事項，期望對新建同類型實驗室的國內(nèi)同仁提供參照。

1 多功能納米生物實驗室設計

本文介紹的多功能納米生物實驗室建設方案，是基于重點實驗室的科研需求設計完成。按照實驗室實際用途，分為材料制備和細胞培養(yǎng)兩個功能，如圖 1所示，實驗室長12 m，寬7.8 m，實際使用面積93.6 m2，凈層高3.8 m，實驗室平面圖如圖1所示，分別用于生物光電材料制備和細胞培養(yǎng)及測試，以及配套的設備間、風淋室和更衣室。

圖1 多功能納米生物實驗室平面圖

細胞培養(yǎng)需要保持無菌操作，避免其他有害因素的影響。目前超凈工作臺的廣泛使用，很大程度上方便了細胞或微生物的培養(yǎng)工作，因此實驗室應最大程度上保持潔凈的環(huán)境[2]，所以實驗室采用超凈室的設計方案，按照潔凈度需要級別，生物光電材料制備間、風淋室和更衣室潔凈等級設計為十萬級，細胞間潔凈等級設計為萬級。

2 圍護結(jié)構(gòu)

原實驗室圍護為混凝土框架結(jié)構(gòu)，墻體為加氣多孔磚，窗戶為雙層中層玻璃。本次改造不改變原有外圍結(jié)構(gòu)和窗戶，主要對實驗室內(nèi)部裝修和內(nèi)墻體進行改造，增加頂棚、部分門窗和地面。

圍護結(jié)構(gòu)方面，采用耐火等級A級的防火彩鋼巖棉板作為實驗室的壁板、頂板，壁板安裝在10 cm的調(diào)整龍骨上；頂板安裝高度 2.4 m，并用加強筋做強化處理；地面選用2 mm厚進口同質(zhì)透心PVC地板。PVC地板安裝需保證地面平整、干燥，與壁板連接處需處理平整，壁板和地板、頂板連接處用R50噴塑鋁型材圓弧收邊，板縫用中性抗菌防霉硅膠密封，確保實驗室內(nèi)頂面、墻面、地面平整、光滑、無死角，不藏污納垢。

3 潔凈室風量計算

3.1 潔凈室送風量計算

潔凈室氣流方式通常分為層流式、亂流式、復合式三大類，因該實驗室潔凈度需求分別是100 000級和10 000級，按照相關設計標準及實際使用設備需求，采用亂流式的凈化方式[3]。

《潔凈廠房設計規(guī)范》（GB50073-2013）建議的動態(tài)級別下?lián)Q氣次數(shù)的經(jīng)驗值分別為：

在本凈化實驗室的設計中，對各個亂流房間的換氣次數(shù)是如下規(guī)定的：10 000級30次/h，100 000級20次/h，以確保達到潔凈度等級的要求。如表1所示，潔凈室各房間的理論送風量合計約為4029 m3/h。

表1 潔凈室各房間送風量

3.2 系統(tǒng)總風量

制作安裝風管系統(tǒng)和空調(diào)設備嚴格按《潔凈室施工及驗收規(guī)范》執(zhí)行，系統(tǒng)漏風率低于0.6%，且送風量在計算中尚有較大余量，所以最后確定系統(tǒng)總的送風量為4100 m3/h。

3.3 新風風量設計

為保證室內(nèi)師生的舒適度及潔凈區(qū)的正壓環(huán)境，按照《潔凈廠房設計規(guī)范》（GB50073-2001）中的規(guī)定，并按照經(jīng)驗值估算，按照總循環(huán)風量的約10%（可調(diào)）設計新風并配初效過濾器。

潔凈室內(nèi)的新風量應滿足以下兩個條件：

1）潔凈室內(nèi)每人每小時的新鮮空氣量不小于40 m3。

2）補償室內(nèi)排風量+ 保持室內(nèi)正壓所需的新鮮空氣量。

在潔凈實驗室中，不同潔凈室之間以及潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間的壓差控制在 10 Pa以內(nèi)，但不小于5 Pa。根據(jù)《潔凈廠房設計規(guī)范》以及正常狀況下室內(nèi)人員情況，最后確定系統(tǒng)總的新風量為400 m3/h。

4 空調(diào)系統(tǒng)選擇

4.1 氣流方式和風機箱的選擇

空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)實驗室內(nèi)的環(huán)境要求，氣流組織采用頂送風側(cè)下回風的方式，即室內(nèi)污染空氣自壁板下方回風口，利用回風管道與新風混合（經(jīng)初效過濾器）經(jīng)風管空調(diào)處理后，回到吊頂中的帶中效過濾器的風機箱中，如圖2所示[4]。

圖2 多功能納米生物實驗室平面圖

實驗室凈層高3.8 m，頂板安裝高度2.4 m，風機箱安裝最大高度為 1.4 m，空間較為狹窄，所以選用兩組同規(guī)格的風機箱，一組用于細胞房的凈化，一組用于材料制備間的凈化，主要考慮以下兩個因素：

（1）兩個區(qū)域相互獨立，避免污染；

（2）風機箱體積較小，確保可以順利安裝，亦便于后期中效過濾器的更換。

風機箱安裝在吊頂中，選型時應考慮震動和噪音兩個因素，保證師生實驗的舒適性[5]。

4.2 空調(diào)機組的選擇

細胞培養(yǎng)的溫度和濕度，基本由細胞培養(yǎng)箱來控制，凈化系統(tǒng)主要的目的是保證室內(nèi)環(huán)境的潔凈度，對溫濕度的要求不高，況且南京地區(qū)夏季溫度 35 ℃左右，冬季在–2 ℃左右，常年濕度均較大，所以我們著重考慮制冷和除濕的問題。恒溫恒濕機組，適用于環(huán)境要求較為嚴格，費用充足的課題組。相對普通柜式空調(diào)恒溫恒濕機組價格及后期維護成本均較高，綜合以上因素，我們采用在設備間安裝兩臺 5P柜式空調(diào)機組，分別經(jīng)管道與兩個風機箱進風管道相連，如圖2所示，中間采用電動閥門控制進風量大小，來控制實驗室內(nèi)的溫度；夏季濕度較大時，室內(nèi)輔以除濕機進行除濕，基本可以控制溫度在 26 ℃左右，濕度50%~60%。

5 實驗室的分區(qū)設計

5.1 材料制備間的布局設計

材料制備間主要用于無機納米材料的制備，比如金納米顆粒、銀納米顆粒、四氧化三鐵納米顆粒等，有機溶劑使用較少，實驗室布局設計和一般的無機類實驗室布局類似[6]，如圖 1所示，設計的主要原則是規(guī)劃合理、取用方便。實驗室內(nèi)常用的儀器設備包括常溫烘箱、冰箱、搖床、試劑柜、鋼瓶架等靠墻落地擺放；中間實驗臺上放置磁力攪拌器、天平、超聲清洗機、分散機等常用設備；水池旁放置純水機組，便于取水和廢水排放；超低溫冰箱單獨設計放置在更衣室旁。

5.2 細胞培養(yǎng)實驗室的布局設計

細胞培養(yǎng)實驗室，應具備無菌操作、孵育、制備、清洗、消毒滅菌處理和儲藏功能[7]。實驗室布局如圖3所示，不銹鋼工作臺靠墻擺放，臺面上放置倒置熒光顯微鏡、小型離心機、小型搖床、移液器等常用設備；生物安全柜和不銹鋼工作臺相鄰，便于取樣觀察；鋼瓶放置在設備門旁，便于更換；CO2培養(yǎng)箱放在鋼瓶旁，便于管線連接；為減少細胞培養(yǎng)室受外部環(huán)境的影響，通過傳遞窗傳遞物品；培養(yǎng)室內(nèi)的耗材較多，需配備多組鐵皮柜用于存儲[8]。

圖3 細胞培養(yǎng)室設備布局圖

6 實驗室的安全管理

6.1 消防安全

該房間通過對實驗室內(nèi)部裝修和內(nèi)墻體進行改造，增加頂棚、部分門窗和地面。在消防安全方面：①考慮到消防通道寬度，雙人不低于 1.2 m，單人不低于1 m，保證在緊急情況下便于人員疏散；②延長原房間應急噴淋管道和煙霧報警器至房間內(nèi)，確保正常使用；③在每個實驗室出口處，加裝消防應急燈和出口指示牌[9-10]。

6.2 實驗室廢棄物處理

按照實驗室實際用途，分為材料制備和生物實驗兩個功能，產(chǎn)生的實驗室廢棄物主要包括有機廢液、無機廢液、固體廢棄物等。有機廢液和無機廢液，在實驗室內(nèi)使用25 L專用廢液桶暫存，廢液桶放置在進門口通風處，放在PP材質(zhì)的托盤中；固體廢液物中，醫(yī)用針頭使用專用醫(yī)用垃圾回收箱。廢液桶和專用醫(yī)用垃圾回收箱，均交由專業(yè)處理公司，掃碼預約上門回收[11-12]。

6.3 實驗室用氣安全

實驗室內(nèi)主要使用的氣體種類有高純氮氣、氧氣和 CO2，均使用鋼瓶架或鋼瓶柜加鎖存放。CO2因放置在細胞培養(yǎng)間內(nèi)，較為密閉，避免因意外泄漏，威脅師生安全，加裝氧濃度報警器，當氧濃度低于19.5%時，報警提醒。

6.4 易制爆易制毒藥品管理

易制爆易制毒藥品，作為公安部門重點檢查的對象，在科研實驗室存在使用種類多、用量小的特點。在實驗室暫存時，購置易制爆化學品專用存儲柜，因?qū)嶒炇铱臻g有限，選擇體積32 L存儲柜；在使用上，嚴格按照國家規(guī)定，實行雙人雙管，實驗室存儲量，每個種類低于500 g，用完及時登記。

7 結(jié)語

在高校實驗室空間日趨緊張的前提下，根據(jù)科研使用需求，該納米生物實驗室在建設過程中，綜合考慮了化學、材料學和生物學等多個實驗種類要求。通過圍護結(jié)構(gòu)、潔凈室風量計算、空調(diào)系統(tǒng)選擇等基礎改造，優(yōu)化設備布局及增設實驗室安全防護，提高實驗室使用的便利性及安全性。最終建成材料合成和生物表征兩個特性實驗區(qū)間相互融合的新型實驗室，并期望對國內(nèi)建設相似類型實驗室的同仁具有一定的借鑒意義。