疾病预防控制中心洁净实验室设计实例

ICP-MS，全称Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer，指电感耦合等离子体质谱仪，由ICP焰炬、接口装置、质谱仪组成，如图9-1所示。

图9-1　电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)

首先，需要了解一下ICP-MS的构成及原理。ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体(ICP)，其主体是一个由三层石英套管组成的炬管。三层管从里到外分别通载气、辅助气和冷却气。炬管上端绕有负载线圈。负载线圈由高频电源耦合供电，产生垂直于线圈平面的磁场。如果通过高频装置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁场作用下又会与其他氩原子碰撞产生更多的离子和电子，形成涡流。强大的电流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达10000K的等离子焰炬。样品由载气带入等离子体，焰炬会发生蒸发、分解、激发和电离。辅助气用来维持等离子体，需要量大约为1L/min。冷却气以切线方向引入外管，产生螺旋形气流，使负载线圈处外管的内壁得到冷却。冷却气的流量为10~15L/min。最常用的进样方式是利用气动雾化器产生气溶胶，在载气的载带下喷入焰炬。样品进样量大约为1m L/min，是靠蠕动泵送入雾化器的。在负载线圈上面约10mm处，焰炬温度大约为8000K。在这么高的温度下，电离能低于7eV的元素完全电离，电离能低于10.5eV的元素电离度大于20%。由于大部分重要的元素电离能低于10.5e V，因此具有很高的灵敏度，少数电离能较高的元素，如C、O、Cl、Br等也能检测，只是灵敏度较低。

对于仪器分析室，设计师需要对ICP-MS仪器的安装要求有足够的认识。ICP-MS仪器分析室一般需设置独立的空调系统并保证一定的洁净度。本例中的ICP-MS按ISO 6级进行净化空调系统的设计(注:并非所有的ICP-MS都需要如此高的净化等级，需结合使用方及设备供应商的要求确定)。ICPMS主仪器室室内温度为20~25℃，气温变化率每小时不超过2℃，室内湿度为35%~50%。ICP-MS实验室平面如图9-2所示，主分析室、更衣室、单人风淋室、缓冲室面积总计约70m2。主分析室设有4台ICP-MS，根据使用方要求每台另加设独立排气罩。设备间35m2，设置有UPS设备、ICP-MS配套水冷机组以及机械泵等。

图9-2　ICP-MS仪器分析室平面

1.空调负荷计算

ICP-MS实验室的热湿负荷主要包括围护结构的冷热负荷、人员的热湿负荷、新风的热湿负荷以及室内照明设备的冷热负荷。其围护结构负荷的计算根据洁净实验室要求可按照内围护结构进行负荷计算。仪器分析室设备散热量较大，ICP-MS散热量约为4~5k W/台，可要求仪器配套水冷冷却机组，贴临主机房设置，与主机距离一般不超过5m。设置水冷机组的设备间应设置空调机组，以保证其工作温度稳定，不超过25℃。水冷机组的散热量约为2~3k W/台。主分析室在无特殊资料的情况下，可按100W/m2计算设备及照明的负荷。人员负荷同一般办公室，本例人员密度按0.1人/m2计算，取轻劳动密度。新风量按照补偿实验室内排风量和保持室内正压值所需要的新风量之和进行计算，且保证供给实验室内每人每小时的新风量不小于40m3。本例新风量为4750m3/h。

按照如上要求，本例中的ICP-MS主实验室空调冷负荷指标约为1050W/m2，空调热负荷指标约为820W/m2，其中新风负荷占比最大，新风冷负荷指标约为920W/m2，新风热负荷约为790W/m2。

2.风量计算

对于净化空调系统，尤其是高级别净化空调系统，根据热湿负荷计算的送风量通常小于净化负荷所需的送风量，通过按照净化负荷计算风量，根据计算热湿负荷反推送风状态点、再热负荷及加湿负荷等。根据使用方要求，本例中主分析室按ISO 6级进行设计，换气次数为50~60次/h，缓冲室按照ISO 7级进行设计，换气次数为15~25次/h，主分析室压力要求20Pa，缓冲室压力要求10Pa，更衣室换气次数为15~25次/h，压力按0Pa计，房间级压差为10Pa，按换气次数或缝隙法计算房间送回风量差，如表9-2所示。

表9-2　各房间送、回风量

此时空调机组总送风量为9900m3/h，总回风量为9150m3/h，新风量为750m3/h。ICP-MS还需考虑仪器排风量，用于排除仪器工作时产生的热量和由样品产生的有毒有害气体。不同品牌的仪器排风要求略有不同。如赛默飞世尔的ICP-MS，仪器自带两个排风口，如图9-3所示，外径约6.3cm，分别为等离子体排风口和电路热量排风口，仪器排风口风速不小于10m/s。而安捷伦ICP-MS则为单个排风口，排风口直径15cm，风速一般要求为10~15m/s。本例中单台ICP-MS仪器排风量按600m3/h计算，另根据使用方要求加设独立排风罩400m3/(h·个)，共计4000m3/h。因此，当仪器全部运行时，总排风量为4000m3/h，主仪器室的回风量降低到5150m3/h，新风量为4750m3/h。

图9-3　带两个排风管的ICP-MS

3.系统平面布置

由于仪器分析室通常要求独立于大楼系统启用，因此本例中的ICP-MS仪器分析室采用分体式风冷直膨型洁净组合空调机组(可实现恒温恒湿，可根据业主需求配置双冷源机型)，室内机组设置在专用机房内，室外机组设置于设备平台，室内外机组之间采用铜管连接，距离控制在35m以内。采用“初效+中效+高效”空气过滤器三级过滤，中效空气过滤器设置在空调箱风机正压段。空调系统采用上送下回的气流组织方式，送风口均匀布置，风口及风管平面布置如图9-4到图9-6所示。

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图9-4　高效风口平面

需要注意的是，对于湿热地区，ICP-MS仪器排风管内可能会形成冷凝水，需要考虑风管冷凝水回流的问题，一旦冷凝水回流至仪器，可能会造成巨大损失。当管道水平安装时，可将风管向外侧倾斜，同时排风管处也可制作冷凝水收集槽并用导管排出。

图9-5　送风管平面

4.系统控制原理

此类空调机组一般可配套采用PLC/DDC控制系统，以满足实验室的控制要求。机组配置手动或自动功能，实现对环境的可靠、精确的控制，同时还能接入楼宇自控系统(BA)，其系统控制原理如图9-7所示。

图9-6　回风管及排风管平面

(1)监测

房间内设置温度、湿度、压力传感器。监测空调机组送、排风的空气温度、湿度计压力参数;监测所有空调通风系统送、排风设备的运行状态。所有空气过滤器均设有超压报警装置(粗效空气过滤器压差大于100Pa时报警，中效空气过滤器压差大于160Pa时报警，高效空气过滤器大于500Pa时报警)。

图9-7　ICP-MS仪器分析室系统控制原理

(2)温、湿度控制

根据室内温、湿度传感器检测到的室内温度和湿度，对表冷电动阀、加热盘管电动阀、加湿器电动阀进行比例积分运算调节，使得室内保持在要求的范围内。

(3)压力控制

送风管道设置定风量阀，保证各功能分区送风量恒定不变。回风管设置变风量阀，根据各房间及上级区域的压差调节回风量，保证房间的压力梯度。送风机设置变频器，根据总送风管的压力传感器控制空调送风机频率，满足风量调节要求。此外，当ICP-MS分析仪开启数量不同时，仪器专用排风机设置变频器可变频运行，同时改变空调回风管电动调节阀调整室内回风量，使得室内送风量与回(排)量的余风量差满足压力梯度控制要求，新风阀控制净化空调系统的新风量同步变化。

(4)电加热

电加热要求有无风断电、超温断电保护装置。电加热器的金属风管要有接地设施。