多功能纳米生物实验室建设探索与实践

王义成，高 宇，汪联辉

（南京邮电大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210023）

纳米生物技术是纳米技术和生物学的交叉融合，国际生物技术领域的前沿，在医药卫生领域有广泛的应用前景。美国、德国、日本等国家均将纳米生物技术作为21世纪重点研究的科研领域[1]。南京邮电大学江苏省生物传感材料与技术重点实验室聚焦“光电传感材料”“生物光电子学”“生物传感与影像技术”三个新兴的交叉前沿学科，设计合成新型生物光电材料，经微纳加工制备成生物医学探针、生物传感器等生物医学光电器件，应用于生物医学检测、生物医学成像、重大疾病诊断及药物传递系统等。

因纳米生物技术的多学科交叉的特性，在建设纳米生物实验室时，需涉及化学、材料学、电子学、生物学和医学等多个实验种类，且洁净程度要求较高。然而目前高校科研实验室空间普遍紧张，建设多功能纳米生物实验室刻不容缓。本文通过我院重点实验室建设的多功能纳米生物实验室为例，参照实验室生物安全、化学安全等标准，结合科研实验的实用性，列出建设过程中的注意事项，期望对新建同类型实验室的国内同仁提供参照。

1 多功能纳米生物实验室设计

本文介绍的多功能纳米生物实验室建设方案，是基于重点实验室的科研需求设计完成。按照实验室实际用途，分为材料制备和细胞培养两个功能，如图 1所示，实验室长12 m，宽7.8 m，实际使用面积93.6 m2，净层高3.8 m，实验室平面图如图1所示，分别用于生物光电材料制备和细胞培养及测试，以及配套的设备间、风淋室和更衣室。

图1 多功能纳米生物实验室平面图

细胞培养需要保持无菌操作，避免其他有害因素的影响。目前超净工作台的广泛使用，很大程度上方便了细胞或微生物的培养工作，因此实验室应最大程度上保持洁净的环境[2]，所以实验室采用超净室的设计方案，按照洁净度需要级别，生物光电材料制备间、风淋室和更衣室洁净等级设计为十万级，细胞间洁净等级设计为万级。

2 围护结构

原实验室围护为混凝土框架结构，墙体为加气多孔砖，窗户为双层中层玻璃。本次改造不改变原有外围结构和窗户，主要对实验室内部装修和内墙体进行改造，增加顶棚、部分门窗和地面。

围护结构方面，采用耐火等级A级的防火彩钢岩棉板作为实验室的壁板、顶板，壁板安装在10 cm的调整龙骨上；顶板安装高度 2.4 m，并用加强筋做强化处理；地面选用2 mm厚进口同质透心PVC地板。PVC地板安装需保证地面平整、干燥，与壁板连接处需处理平整，壁板和地板、顶板连接处用R50喷塑铝型材圆弧收边，板缝用中性抗菌防霉硅胶密封，确保实验室内顶面、墙面、地面平整、光滑、无死角，不藏污纳垢。

3 洁净室风量计算

3.1 洁净室送风量计算

洁净室气流方式通常分为层流式、乱流式、复合式三大类，因该实验室洁净度需求分别是100 000级和10 000级，按照相关设计标准及实际使用设备需求，采用乱流式的净化方式[3]。

《洁净厂房设计规范》（GB50073-2013）建议的动态级别下换气次数的经验值分别为：

在本净化实验室的设计中，对各个乱流房间的换气次数是如下规定的：10 000级30次/h，100 000级20次/h，以确保达到洁净度等级的要求。如表1所示，洁净室各房间的理论送风量合计约为4029 m3/h。

表1 洁净室各房间送风量

3.2 系统总风量

制作安装风管系统和空调设备严格按《洁净室施工及验收规范》执行，系统漏风率低于0.6%，且送风量在计算中尚有较大余量，所以最后确定系统总的送风量为4100 m3/h。

3.3 新风风量设计

为保证室内师生的舒适度及洁净区的正压环境，按照《洁净厂房设计规范》（GB50073-2001）中的规定，并按照经验值估算，按照总循环风量的约10%（可调）设计新风并配初效过滤器。

洁净室内的新风量应满足以下两个条件：

1）洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40 m3。

2）补偿室内排风量+ 保持室内正压所需的新鲜空气量。

在洁净实验室中，不同洁净室之间以及洁净区与非洁净区之间的压差控制在 10 Pa以内，但不小于5 Pa。根据《洁净厂房设计规范》以及正常状况下室内人员情况，最后确定系统总的新风量为400 m3/h。

4 空调系统选择

4.1 气流方式和风机箱的选择

空调系统根据实验室内的环境要求，气流组织采用顶送风侧下回风的方式，即室内污染空气自壁板下方回风口，利用回风管道与新风混合（经初效过滤器）经风管空调处理后，回到吊顶中的带中效过滤器的风机箱中，如图2所示[4]。

图2 多功能纳米生物实验室平面图

实验室净层高3.8 m，顶板安装高度2.4 m，风机箱安装最大高度为 1.4 m，空间较为狭窄，所以选用两组同规格的风机箱，一组用于细胞房的净化，一组用于材料制备间的净化，主要考虑以下两个因素：

（1）两个区域相互独立，避免污染；

（2）风机箱体积较小，确保可以顺利安装，亦便于后期中效过滤器的更换。

风机箱安装在吊顶中，选型时应考虑震动和噪音两个因素，保证师生实验的舒适性[5]。

4.2 空调机组的选择

细胞培养的温度和湿度，基本由细胞培养箱来控制，净化系统主要的目的是保证室内环境的洁净度，对温湿度的要求不高，况且南京地区夏季温度 35 ℃左右，冬季在–2 ℃左右，常年湿度均较大，所以我们着重考虑制冷和除湿的问题。恒温恒湿机组，适用于环境要求较为严格，费用充足的课题组。相对普通柜式空调恒温恒湿机组价格及后期维护成本均较高，综合以上因素，我们采用在设备间安装两台 5P柜式空调机组，分别经管道与两个风机箱进风管道相连，如图2所示，中间采用电动阀门控制进风量大小，来控制实验室内的温度；夏季湿度较大时，室内辅以除湿机进行除湿，基本可以控制温度在 26 ℃左右，湿度50%~60%。

5 实验室的分区设计

5.1 材料制备间的布局设计

材料制备间主要用于无机纳米材料的制备，比如金纳米颗粒、银纳米颗粒、四氧化三铁纳米颗粒等，有机溶剂使用较少，实验室布局设计和一般的无机类实验室布局类似[6]，如图 1所示，设计的主要原则是规划合理、取用方便。实验室内常用的仪器设备包括常温烘箱、冰箱、摇床、试剂柜、钢瓶架等靠墙落地摆放；中间实验台上放置磁力搅拌器、天平、超声清洗机、分散机等常用设备；水池旁放置纯水机组，便于取水和废水排放；超低温冰箱单独设计放置在更衣室旁。

5.2 细胞培养实验室的布局设计

细胞培养实验室，应具备无菌操作、孵育、制备、清洗、消毒灭菌处理和储藏功能[7]。实验室布局如图3所示，不锈钢工作台靠墙摆放，台面上放置倒置荧光显微镜、小型离心机、小型摇床、移液器等常用设备；生物安全柜和不锈钢工作台相邻，便于取样观察；钢瓶放置在设备门旁，便于更换；CO2培养箱放在钢瓶旁，便于管线连接；为减少细胞培养室受外部环境的影响，通过传递窗传递物品；培养室内的耗材较多，需配备多组铁皮柜用于存储[8]。

图3 细胞培养室设备布局图

6 实验室的安全管理

6.1 消防安全

该房间通过对实验室内部装修和内墙体进行改造，增加顶棚、部分门窗和地面。在消防安全方面：①考虑到消防通道宽度，双人不低于 1.2 m，单人不低于1 m，保证在紧急情况下便于人员疏散；②延长原房间应急喷淋管道和烟雾报警器至房间内，确保正常使用；③在每个实验室出口处，加装消防应急灯和出口指示牌[9-10]。

6.2 实验室废弃物处理

按照实验室实际用途，分为材料制备和生物实验两个功能，产生的实验室废弃物主要包括有机废液、无机废液、固体废弃物等。有机废液和无机废液，在实验室内使用25 L专用废液桶暂存，废液桶放置在进门口通风处，放在PP材质的托盘中；固体废液物中，医用针头使用专用医用垃圾回收箱。废液桶和专用医用垃圾回收箱，均交由专业处理公司，扫码预约上门回收[11-12]。

6.3 实验室用气安全

实验室内主要使用的气体种类有高纯氮气、氧气和 CO2，均使用钢瓶架或钢瓶柜加锁存放。CO2因放置在细胞培养间内，较为密闭，避免因意外泄漏，威胁师生安全，加装氧浓度报警器，当氧浓度低于19.5%时，报警提醒。

6.4 易制爆易制毒药品管理

易制爆易制毒药品，作为公安部门重点检查的对象，在科研实验室存在使用种类多、用量小的特点。在实验室暂存时，购置易制爆化学品专用存储柜，因实验室空间有限，选择体积32 L存储柜；在使用上，严格按照国家规定，实行双人双管，实验室存储量，每个种类低于500 g，用完及时登记。

7 结语

在高校实验室空间日趋紧张的前提下，根据科研使用需求，该纳米生物实验室在建设过程中，综合考虑了化学、材料学和生物学等多个实验种类要求。通过围护结构、洁净室风量计算、空调系统选择等基础改造，优化设备布局及增设实验室安全防护，提高实验室使用的便利性及安全性。最终建成材料合成和生物表征两个特性实验区间相互融合的新型实验室，并期望对国内建设相似类型实验室的同仁具有一定的借鉴意义。