光譜分析實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)布局

文/杜葉紅 吳云芳

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)合理布局為實(shí)驗(yàn)室安全保駕護(hù)航// 本文從儀器存放、空間設(shè)計(jì)、水電氣等管路設(shè)計(jì)、通風(fēng)及廢氣處理等方面全面介紹了光譜實(shí)驗(yàn)室的布局思路?？梢詾樾陆ǖ墓庾V類實(shí)驗(yàn)室提供設(shè)計(jì)思路。

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展和規(guī)劃綱要（2006～2020年）》和《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》中明確提出：在未來五年,組建30多個國家科學(xué)中心和國家實(shí)驗(yàn)室。在這樣的背景下，提出了對實(shí)驗(yàn)室建設(shè)新的要求，布局合理，安全高效是對實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本要求。本文從以下幾個方面介紹光譜實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)布局的總體思路。

儀器的存放

首先是關(guān)于儀器存放位置的設(shè)定，大型儀器設(shè)備存放位置需要關(guān)注運(yùn)行及環(huán)境。一般情況下，質(zhì)量較大的儀器應(yīng)選擇在較低樓層的房間，從而方便運(yùn)輸及后期的運(yùn)行維護(hù)。實(shí)驗(yàn)室溫度、空氣濕度、潔凈度都應(yīng)該滿足相應(yīng)的要求，實(shí)現(xiàn)儀器自身性能的完美展現(xiàn)。此外，樓層承重、外界震動、噪聲共振等方面都應(yīng)納入環(huán)境考察范圍。采用雙空調(diào)交替控溫，將室內(nèi)溫度控制在15～30 ℃內(nèi)，保證氣溫變化率每小時(shí)不超過2.8 ℃。同時(shí)，采用除濕機(jī)控濕，實(shí)現(xiàn)相對濕度35% RH～50% RH，使儀器達(dá)到良好的測試運(yùn)行狀態(tài)。采用溫濕度監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境條件。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)超痕量分析時(shí)，則需盡可能減少儀器污染，使制樣、樣品前處理及測試過程均處于超凈環(huán)境中。

制樣、測試及數(shù)據(jù)處理等工序的空間設(shè)計(jì)

在光譜實(shí)驗(yàn)室測試樣品的制備過程，由于涉及到強(qiáng)酸、揮發(fā)性濃酸的使用，因此需在隔離的空間內(nèi)操作，且通風(fēng)櫥及通風(fēng)管道應(yīng)采用防酸堿腐蝕類材質(zhì)。此外，光譜實(shí)驗(yàn)室涉及到原子吸收分光光度計(jì)、原子熒光光度計(jì)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀及X射線熒光分析儀。其中電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的運(yùn)行需要用到多種類型氣體，適宜的氣壓，大量的氣源供應(yīng)，從而考慮設(shè)計(jì)專業(yè)的氣體儲存空間以及二級減壓管路，實(shí)現(xiàn)安全、便捷的氣體供應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)氣路供應(yīng)系統(tǒng)最好將各種類型的氣體統(tǒng)一放在實(shí)驗(yàn)樓外有防爆、及漏氣警報(bào)的隔離間。通過不銹鋼氣路送入各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。原子吸收分光光度計(jì)、原子熒光光度計(jì)所在的實(shí)驗(yàn)室需要?dú)鍤饧耙胰?，要在儀器桌面上設(shè)計(jì)二級減壓閥用以控制氬氣及乙炔流量。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀需要?dú)鍤?、氦氣、氨氣。根?jù)實(shí)驗(yàn)室安全的相關(guān)管理規(guī)定：氣體存儲地應(yīng)避免陽光直射，遠(yuǎn)離易燃易爆物品。此外，存儲地應(yīng)當(dāng)具備良好的通風(fēng)環(huán)境及設(shè)施，包括通風(fēng)口及萬向排氣罩等設(shè)計(jì)。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的空間結(jié)構(gòu)，氣體存儲地應(yīng)盡量靠近通風(fēng)口，并將樣品制備操作間與儀器間進(jìn)行隔離，避免酸堿對于主機(jī)及相關(guān)設(shè)備的腐蝕。原子吸收分光光度計(jì)的反應(yīng)氣體涉及易燃易爆乙炔使用，因而實(shí)驗(yàn)室需要設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的防爆裝置。且乙炔氣體需要單獨(dú)存放。

水、電、氣的管路鋪陳及維護(hù)考慮

無論是房屋的簡單裝修布局還是大型儀器室的設(shè)計(jì)，水、電、氣的管路鋪設(shè)與后期維護(hù)問題歷來是各項(xiàng)工程前期的重點(diǎn)。結(jié)合房屋本身的建筑布局，包括原有消防管道、上下水設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施、煙霧報(bào)警器、風(fēng)管通道設(shè)計(jì)等，從自身需求出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃安全性放在首要位置。

水管布局

由于儀器的使用需要配備相應(yīng)的純水/超純水系統(tǒng)，因而涉及到進(jìn)出水位點(diǎn)，包括通風(fēng)櫥及水槽，而水槽的三通式龍頭也要滿足純水/超純水系統(tǒng)的進(jìn)水需求。為減少地面排水管路的長度，方便后期的疏通及維護(hù)，排水裝置應(yīng)盡可能接近原有的集中下水通道。當(dāng)然，除了進(jìn)出水之外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部空間上層的防水、排水設(shè)計(jì)也必須考慮，以避免上層排水系統(tǒng)爆管或冷凝水聚集造成大型儀器設(shè)備損壞。事實(shí)上，由于控溫控濕的需要以及操作空間的分割，空調(diào)及除濕機(jī)的排水也必須設(shè)計(jì)，因而需要在室內(nèi)鋪設(shè)相應(yīng)的封閉式排水管路，實(shí)現(xiàn)完善的水管布局。此外光譜類實(shí)驗(yàn)室水管及下水管需要耐酸堿腐蝕。

電路的設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)主要涉及電路電線的種類、開關(guān)的類型、用電位點(diǎn)的布局三部分。一般來講，針對具體的大型儀器，儀器本身及附件都是固定數(shù)量及類型的用電點(diǎn)，但除儀器設(shè)備之外，還需考慮操作臺面、通風(fēng)櫥、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、照明、除濕機(jī)、純水/超純水系統(tǒng)以及后期會陸續(xù)配備的設(shè)施，因而用電位點(diǎn)的排布遵循“寧多勿少”的原則，避免存在安全隱患的排插被使用。通常，大型儀器需要穩(wěn)定的供電，因此采用不間斷電源(UPS)設(shè)備實(shí)現(xiàn)儀器及配套儀器的供電，防止突發(fā)斷電造成的儀器損壞及安全性問題。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等大型儀器主機(jī)負(fù)荷較大，且進(jìn)口設(shè)施在配套電源插座方面較難匹配，因此通常采用獨(dú)立的空氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)主機(jī)供/斷電的控制?？照{(diào)等設(shè)備區(qū)別于照明，需進(jìn)行專屬線路的鋪設(shè)，并配備專業(yè)的防漏電插座，并且根據(jù)各類設(shè)備耗電功率的不同，鋪陳線路的型號也會進(jìn)行相應(yīng)的選定，完成科學(xué)合理的電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室耗電設(shè)施設(shè)備的總功率必須在房屋的安全耗電限度之內(nèi)。

氣路設(shè)計(jì)

氣路的設(shè)計(jì)對光譜實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行尤為重要。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀及電感耦合等離子體質(zhì)譜儀采用氬氣作為等離子氣體源，儀器運(yùn)行狀態(tài)下氬氣的消耗較大，通常使用量在14～20 L/min，因而采用4瓶鋼瓶氬氣同時(shí)供氣，氣體輸送方面也有相應(yīng)的要求，包括管路的防爆、防漏、遠(yuǎn)離明火等。為了便捷、實(shí)時(shí)操作，更好地控制氣體流量，可通過二級減壓來完成終端氣體的調(diào)控。

此外，在水、電、氣的管路維護(hù)方面，規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本原則便是安全、便捷，減少維修過程中可能導(dǎo)致的周圍環(huán)境變化，最大限度保障大型儀器的正常運(yùn)行。

通風(fēng)設(shè)計(jì)及廢氣處理

原子吸收分光光度計(jì)、原子熒光分光光度計(jì)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀需要使用原子吸收罩。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀需要單獨(dú)的排風(fēng)，風(fēng)速要求10 m/s以上。光譜檢測室前處理需要通風(fēng)櫥，通風(fēng)櫥將酸性廢氣抽到堿性吸收塔里吸收后排往大氣中。光譜檢測室的通風(fēng)系統(tǒng)必須與有機(jī)前處理的通風(fēng)系統(tǒng)分開，以免酸性廢氣與有機(jī)類廢氣混合后發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃安全須知

實(shí)驗(yàn)室安全歷來是實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理的重點(diǎn)。近年來，各大高校及科研院所實(shí)驗(yàn)室時(shí)發(fā)火災(zāi)、爆炸、毒害、機(jī)電傷人等事件，而造成事故的原因多為以下幾類：

■ 使用和管理電源不當(dāng)，操作錯誤或電路老化、超負(fù)荷用電等問題；

■ 易燃易爆化學(xué)品的存儲、使用或管理不當(dāng)；

■ 高壓容器的存放、操作存在安全問題；

■ 氣體管道的老化、氣體泄漏以及人為的錯誤操作等因素；

■ 實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品及實(shí)驗(yàn)操作管理規(guī)范化不到位。

因此，針對以上造成事故的主要原因，在前期的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)布局及實(shí)驗(yàn)室后期操作運(yùn)行過程中都需要進(jìn)行詳細(xì)、正確、規(guī)范的管理。建立健全實(shí)驗(yàn)室安全管理制度與操作規(guī)程、落實(shí)實(shí)驗(yàn)室安全管理責(zé)任、加強(qiáng)安全知識普及教育、提高實(shí)驗(yàn)室安全防范意識、規(guī)范化學(xué)試劑取用流程，也是非常必要的。

光譜實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)合理有利于高效安全的開展工作。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)還存在許多不足，例如，沒有設(shè)計(jì)廢液處理系統(tǒng)，有可能會對環(huán)境造成污染。光譜實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)未來的發(fā)展方向會趨于智能化、人性化。使檢測人員與大型儀器有效的分離，從而保護(hù)檢測人員的身體健康。光譜實(shí)驗(yàn)室的無機(jī)前處理室也會采用更加智能化、自動化的設(shè)備從而降低人力成本?？傊?，未來的光譜實(shí)驗(yàn)室必將是更加合理、安全、高效、人性化的智能化實(shí)驗(yàn)室。