張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，張恩雷，張金明，祁建城

（軍事科學院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術研究所，國家生物防護裝備工程技術研究中心，天津300161）

0 引言

新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）于2019 年12 月在我國武漢市首次被發(fā)現(xiàn)，其傳播途徑主要為呼吸道飛沫傳播、接觸傳播等[1]，是一種類似于中東呼吸綜合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）和嚴重急性呼吸綜合征（sever acute respiratory syndrome，SARS）的β 冠狀病毒[2]，其在人與人之間的傳染性很強，并可導致人員死亡[3]。國家衛(wèi)生健康委發(fā)布的《新型冠狀病毒感染的肺炎防控方案（第三版）》[4]指出，根據(jù)目前掌握的新型冠狀病毒的特性信息，實驗活動暫按照病原微生物危害程度分類中第二類病原微生物進行管理，即病毒分離培養(yǎng)、動物實驗等活動應在生物安全三級（bio-safety level 3，BSL-3）實驗室開展，未經(jīng)培養(yǎng)的感染性材料在采用可靠的方法滅活前進行的相關檢測等應在生物安全二級（bio-safety level 2，BSL-2）實驗室開展。由于新型冠狀病毒經(jīng)呼吸道飛沫傳播，且存在經(jīng)氣溶膠傳播的可能，未滅活病原體的檢測實驗活動宜在加強型BSL-2 實驗室中進行。加強型BSL-2 實驗室應設置入口緩沖間，房間能夠密閉消毒，采用全新風直流式通風空調(diào)系統(tǒng)，形成負壓及壓力梯度，排風經(jīng)過高效過濾處理，配備生物安全柜和壓力蒸汽滅菌器[5]，其安全防護水平幾乎相當于BSL-3 實驗室。

隨著新型冠狀病毒肺炎疫情的發(fā)展，武漢地區(qū)的樣本檢測需求量劇增，多數(shù)醫(yī)院缺乏符合感染性樣本檢測要求的生物安全實驗室，且不具備快速改造條件，但包括新型冠狀病毒檢測、檢測試劑和疫苗抗體等在內(nèi)的更多研究都對防護級別提出了要求，為此，筆者單位研制的新型帳篷式移動生物安全實驗室應疫情防控急需運抵武漢，就地開展了新型冠狀病毒檢測等相關工作。本文主要介紹帳篷式移動生物安全實驗室的系統(tǒng)構(gòu)成及主要性能，分析討論帳篷式移動生物安全實驗室在現(xiàn)場展開后的實際應用方案，以期為后續(xù)新型移動生物安全實驗室的設計以及新發(fā)突發(fā)傳染病疫情防控工作的開展提供借鑒。

1 國內(nèi)外移動式生物安全實驗室設計與應用情況

作為新發(fā)突發(fā)傳染病防控的應急病原檢定關鍵技術平臺，移動式生物安全實驗室可以充分發(fā)揮其快速機動的特點，能夠及時就地展開病原微生物檢測等相關工作，有效解決因疫情現(xiàn)場實驗條件不足、固定實驗室距疫情現(xiàn)場過遠等制約疫情防控開展的難題。

目前，歐美發(fā)達國家已相繼研發(fā)了多種可快速部署的移動式生物安全實驗室，構(gòu)建了較為完善的國家生物防御體系，可有效應對各種新發(fā)突發(fā)傳染病疫情和生物威脅。此類可快速部署的生物安全實驗室技術形式和功能多樣，結(jié)構(gòu)形式從輕型便攜式箱組到重型帳篷、方艙，功能定位從早前微生物鑒別到標準化檢驗確認，如法國研制了采用箱組模塊化設計的便攜式微生物實驗室[6]（如圖1 所示），捷克國防大學軍隊衛(wèi)生學院研發(fā)了配備有生命支持系統(tǒng)的大型帳篷式生物安全實驗室[6]（如圖2 所示），美國也研發(fā)了可擴展式加強型移動生物安全實驗室[6]（如圖3 所示）。

圖1 法國便攜式微生物實驗室[6]

圖2 捷克帳篷式生物安全實驗室[6]

2005 年，在國家科技攻關課題支持下，筆者單位研制出我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的移動BSL-3實驗室[7]。該型移動BSL-3 實驗室采用方艙結(jié)構(gòu)性組合技術，在2 臺長度為9 m 的方艙內(nèi)綜合集成水、電、氣、空調(diào)等系統(tǒng)，滿足了BSL-3 實驗室設施設備要求，展開后可實施對可疑病原微生物的分離、培養(yǎng)和檢定等作業(yè)[8]。該型移動BSL-3 實驗室于2014 年9 月遠赴塞拉利昂，執(zhí)行“援非抗?！比蝿?，共完成了近5 000 份埃博拉病毒樣本的滅活和核酸分離提取相關工作，在西非埃博拉疫情防控中發(fā)揮了重要支撐作用。經(jīng)過實戰(zhàn)檢驗后，研究人員認識到其在設計上存在一些不足之處：（1）其由2 臺9 m 方艙組成，體積大，總質(zhì)量達到25 t，不能滿足伊爾76 運輸機的運輸要求，可遠程運輸性嚴重受限；（2）受方艙結(jié)構(gòu)和尺寸限制，僅設一間核心實驗間，且操作空間狹??；（3）系統(tǒng)復雜，操作煩瑣，技術保障負擔重[9]。針對該方艙式移動生物安全實驗室存在的問題，筆者單位設計了一種新型移動生物安全實驗室，即帳篷式移動生物安全實驗室，采用方艙和帳篷組合的技術形式，具有快速部署、大空間、防護級別高、造價低的特點。

圖3 美國可擴展式加強型移動生物安全實驗室[6]

圖4 帳篷式移動生物安全實驗室

2 帳篷式移動生物安全實驗室設計

2.1 總體設計

帳篷式移動生物安全實驗室由帳篷實驗室與技術保障方艙組合而成，如圖4 所示。帳篷實驗室與技術保障方艙通過通風管路、電氣管路進行密封連接，從而實現(xiàn)兩者的有機組合。帳篷實驗室主要用于開展病原樣本檢測以及其他病原微生物操作活動。技術保障方艙主要為帳篷實驗室提供全方位的技術保障，包括通風空調(diào)、自動控制與報警、視頻監(jiān)控、供電接入等。整套實驗室可在4 人作業(yè)下6 h 內(nèi)完成現(xiàn)場安裝與運行調(diào)試，快速構(gòu)建檢測技術平臺。

2.2 平面布局

帳篷實驗室由準備間、樣品接收間、緩沖間和核心工作間組成，準備間與樣品接收間為輔助工作區(qū)，緩沖間與核心工作間為防護區(qū)，滿足BSL-3 實驗室的平面工藝布局要求，如圖5 所示。整個帳篷實驗室使用面積達到50 m2，其中，準備間與核心工作間面積約為20 m2，核心工作間可安裝2 臺隔離操作設備，可容納4 名工作人員同時開展作業(yè)。在樣品接收間與外環(huán)境之間設置有傳遞窗，在傳遞物品時遞送樣品人員無需進入帳篷即可完成樣本傳遞。

圖5 帳篷式移動生物安全實驗室結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 關鍵結(jié)構(gòu)

2.3.1 帳篷實驗室

帳篷實驗室整體采用充氣氣柱支撐結(jié)構(gòu)，帳篷篷體采用雙層結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)篷與外篷，內(nèi)外篷均通過拉點與充氣氣柱進行拉緊固定。實驗操作在內(nèi)篷進行，相鄰功能間之間設置密封拉鏈門。帳篷內(nèi)篷材料采用高頻熱合連接方式，并通過使用密封拉鏈實現(xiàn)嚴格的物理密封，形成有效的物理防護屏障。

充氣氣柱設置有安全泄壓閥，并配備有實時壓力監(jiān)測補償裝置，當因外環(huán)境溫度升高造成氣柱內(nèi)的壓力超過限值時，安全泄壓閥會自動打開進行排氣，以將氣柱內(nèi)壓力降至安全范圍；當因外環(huán)境溫度降低或輕微滲漏造成氣柱內(nèi)壓力過低時，及時進行充氣補壓，從而有效維持氣柱內(nèi)的壓力穩(wěn)定。

2.3.2 技術保障方艙

技術保障方艙采用車載方艙結(jié)構(gòu)，外形尺寸同標準6 m 集裝箱，結(jié)構(gòu)和外形尺寸符合GB/T 1413—2008《系列1 集裝箱 分類、尺寸和額定質(zhì)量》[10]的要求。根據(jù)功能區(qū)域劃分，技術保障方艙分為空氣處理間和中控間。空氣處理間內(nèi)主要設置有空調(diào)和通風過濾系統(tǒng)；中控間內(nèi)設置有自控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，同時設置有裝載區(qū)，如圖5 所示。技術保障方艙兼作裝載運輸方艙，可一次將帳篷實驗室、排風高效過濾裝置、壓力蒸汽滅菌器、負壓柔性手套箱式生物隔離器等防護設施和設備全部收納到裝載區(qū)內(nèi)。由于其運輸狀態(tài)體積小，可通過公路、鐵路、輪船或航空進行運輸，能夠快速運抵新發(fā)突發(fā)傳染病疫情現(xiàn)場展開作業(yè)。

2.3.3 通風過濾系統(tǒng)

通風過濾系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)實驗室空氣調(diào)節(jié)與凈化、污染空氣安全排放與空氣定向流動控制功能，是實驗室與環(huán)境以及功能間之間安全防護的關鍵。整個系統(tǒng)包括送風處理系統(tǒng)和排風處理系統(tǒng)兩部分。

帳篷實驗室送風采用全新風空氣處理系統(tǒng)，送風處理系統(tǒng)主要包括初效過濾器、中效過濾器、空調(diào)機、風機、送風高效過濾單元、風量調(diào)節(jié)閥、生物密閉閥、送風管路等部分組成，如圖6 所示。實驗室通過送風管道上的定風量調(diào)節(jié)閥與風機變頻共同作用進行送風量控制調(diào)節(jié)。經(jīng)過以上空調(diào)系統(tǒng)處理的空氣通過送風高效過濾單元過濾處理后送入靜壓箱，再通過管道將新風分別送至帳篷實驗室核心工作間與緩沖間，以滿足實驗室防護區(qū)內(nèi)的環(huán)境控制要求。實驗室防護區(qū)排風處理系統(tǒng)采用模塊化排風高效過濾單元對防護區(qū)內(nèi)的空氣進行高效過濾后安全排放至室外環(huán)境，確保了實驗室外環(huán)境的安全。排風處理系統(tǒng)主要由排風高效過濾單元、生物密閉閥、排風機等部分組成，其中排風機一用一備。實驗室防護區(qū)的送風高效過濾器和排風高效過濾器均可原位掃描檢漏，可確保送、排風高效過濾安全可靠。

2.3.4 負壓控制系統(tǒng)

負壓控制是保障實驗室安全的重要手段，可有效實現(xiàn)防護區(qū)外的空氣只能向防護區(qū)內(nèi)流動，室內(nèi)相鄰區(qū)域的空氣只能由污染概率低的區(qū)域流向污染概率最高的區(qū)域，從而確保實驗室防護區(qū)外環(huán)境的安全。帳篷實驗室壓差控制采用定送變排的控制措施，核心工作間與緩沖間均通過壓差傳感器測量其與室外的相對壓差，控制器根據(jù)壓差測量值實時調(diào)整排風機頻率以調(diào)節(jié)排風風量，從而達到各功能間壓差穩(wěn)定控制的目的。核心工作間的負壓設定值為-30 Pa，相鄰緩沖間的負壓設定值為-10 Pa，當壓力偏離上述設定值且無法通過調(diào)節(jié)排風量穩(wěn)定壓差時，監(jiān)控報警系統(tǒng)將啟動聲光報警，并自動啟動關閉送風等應急控制措施。

帳篷式移動生物安全實驗室依靠合理的功能布局、嚴格的物理密封結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的負壓控制、安全高效的空氣排放處置，達到生物安全三級防護水平，滿足GB 27421—2015《移動式實驗室 生物安全要求》[11]的相關要求，可為實驗人員和周圍環(huán)境提供安全的物理防護屏障。

圖6 空氣處理系統(tǒng)原理圖

3 實際應用情況

新型冠狀病毒感染樣本的首要檢測方法是實時熒光逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應（reverse transcriptionpolymerase chain reaction，RT-PCR），包括RNA 的逆轉(zhuǎn)錄和cDNA 的聚合酶鏈式擴增，RT-PCR 也是生物學、醫(yī)學臨床等領域廣泛應用的實驗技術。根據(jù)《臨床基因擴增檢驗實驗室基本設置標準》[12]要求，標準的PCR 實驗室通常分為4 個獨立的實驗區(qū)：試劑儲存和準備區(qū)、標本制備區(qū)、擴增反應混合物配置和擴增區(qū)、擴增產(chǎn)物分析區(qū)。目前，PCR 檢測實驗室多使用全自動分析儀，可將擴增反應混合物配置和擴增區(qū)與擴增產(chǎn)物分析區(qū)合并為核酸擴增檢測區(qū)，進而由4 個區(qū)減為3 個區(qū)。

此次，在帳篷式移動生物安全實驗室開展新型冠狀病毒樣本檢測的實際應用過程中，相應將實驗室系統(tǒng)也分成了3 個獨立功能區(qū)域，具體見表1。這3 個區(qū)中，標本制備區(qū)是唯一存在病原微生物暴露風險的區(qū)域，根據(jù)《新型冠狀病毒感染的肺炎防控方案（第三版）》要求，由于新型冠狀病毒暫時被列為第二類病原微生物，其樣本在未經(jīng)可靠滅活前的處理操作應至少在BSL-2 實驗室內(nèi)進行，所以將防護水平最高的帳篷實驗室核心工作間作為標本制備區(qū)。待檢樣本直接通過傳遞窗傳遞至樣品接收間，然后經(jīng)緩沖間送至核心工作間進行樣本滅活、核酸提取等工作。其中，樣本滅活前的操作全部在負壓柔性手套箱式隔離器或Ⅱ級A2 型生物安全柜內(nèi)完成，有效保證實驗室內(nèi)環(huán)境的安全。待樣本核酸提取完成并封裝后，經(jīng)過表面消毒處理，由核心工作間送至核酸擴增檢測區(qū)。由于帳篷實驗室只有兩間可進行實驗操作的功能間，所以將核酸全自動分析儀放置在方艙工作區(qū)內(nèi)，以作為核酸擴增檢測區(qū)。

根據(jù)帳篷式移動生物安全實驗室現(xiàn)有人員、儀器等配備情況，該實驗室單日最大樣本檢測量達到300份，一套帳篷式移動生物安全實驗室即可滿足一家具有500 張床位的傳染病員定點收治醫(yī)院的檢測需求。帳篷式移動生物安全實驗室于2020 年1 月29 日完成現(xiàn)場安裝和運行調(diào)試工作，并于2020 年1 月30 日接收樣本正式開展檢測工作。截止到2020 年2 月13日，帳篷式移動生物安全實驗室安全運行15 d，檢測人員已在實驗室內(nèi)完成2 000 余份樣本的檢測工作。

表1 帳篷式移動生物安全實驗室功能區(qū)對照表

4 結(jié)語

此次武漢新型冠狀病毒肺炎疫情發(fā)展迅猛，樣本檢測能力成為了制約疫情有效防控的一個“瓶頸”因素。由于待檢測樣本量過大，遠超出各定點收治醫(yī)院、疾病預防控制中心等機構(gòu)檢測實驗室的檢測能力，導致樣本積壓過多，疑似患者無法快速確診，進一步增加了疫情防控的難度。在這種情況下，部署移動生物安全實驗室就成為了快速提升樣本檢測能力的重要手段。

帳篷式移動生物安全實驗室是一種新型移動生物安全實驗室模式，具有部署快、作業(yè)空間大、防護級別高、建造成本低的特點，可快速實施對病原體的分離、鑒定、檢測等作業(yè)，為移動生物安全實驗室研制提供了一種全新的設計理念。

雖然帳篷式移動生物安全實驗室在實際應用中發(fā)揮了重要作用，但還需在以下3 個方面進一步改進：（1）在功能分區(qū)布局方面，帳篷實驗室內(nèi)缺少核酸擴增檢測區(qū)，未獨立形成標準的PCR 檢測實驗室，需進一步優(yōu)化空間布局；（2）在實驗室展收過程中，搭建和拆卸依然需要人力，在自動化、機械化方面需要進一步提升；（3）帳篷采用充氣氣柱結(jié)構(gòu)，存在較高的門檻，大型儀器設備進出不便，需進一步優(yōu)化帳篷結(jié)構(gòu)設計。