移动实验室及其发展 基础篇(上)

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  基础篇(上)
  近年来,食品、环境、疾病等事关人类安全健康的重大问题已经成为全球领域内的热点和焦点。作为紧急突发事件应急处理的有效手段,移动实验室的应用越来越受到社会、政府的关注和重视。
  在突发事件处理、行政执法、在线实时监测和科学实验中,有些检测活动必须在现场完成。这是因为,一是有些检测项目要求在尽可能短的时间内出具检测结果,如果按照传统的检测程序,先抽取样品再送到固定的实验室中进行检测,那样,检测周期会相对较长,影响事件处理;二是有些重大的装备或设施需要检测时,无法将其搬入固定实验室,必须在现场实施检测;三是实时在线检测必须在现场完成。因此,研究和完善现场检测技术已成当务之急。
  当前,在现场检测中,我国主要应用快速检测仪器设备或快速检测车来进行,大多用于定性筛查。有的虽然也能出具定量数据,但由于没有进行计量认证和实验室认可,其出具的数据不够准确,也不具法律效力,直接影响了有关事件的处理。因此,在这样的背景下,尽快开发应用移动实验室来满足这些检测活动的需要,无疑具有重大意义。
  实验室是进行检测、校准或科学实验的场所,通常所说的实验室是指固定实验室。相对于固定实验室而言,移动实验室具备移动的功能,可直接转运到现场进行检测、校准和科学实验等活动,其主要功能是固定实验室的延伸或是一个独立的检验机构。由于移动实验室的这些特点,它在满足行政执法的需求、为公共安全事件解决提供技术支持、实现重大装备的现场检测、确保生产和科研的在线监控、促进移动实验技术的发展等方面都发挥着不可替代的作用。
  1 移动实验室的基本概念
  1.1 术语与定义
  移动实验室(mobile laboratory)定义为“满足特定目的和要求,由成套装置组成的,在可移动的设施和环境中进行检测、校准或科学实验等活动的实验室”。移动实验室不仅包括仪器设备等装置,还包括人员、管理等,它是一个机构的概念。
  1.2 移动实验室分类
  移动实验室可根据功能类别、运载方式和内部实际使用面积不同,对其进行分类。
  1.2.1 功能类别划分
  根据移动实验室使用的功能不同,可将其分为物理移动实验室、化学移动实验室、生物移动实验室和综合移动实验室四类。
  物理移动实验室(physical mobile laboratory)即装载物理实验用仪器、设备、设施满足物理实验要求的移动实验室。
  由于许多物理检测试验的检测对象无法或不便运到实验室内检测,必须要进行现场检测。实际工作中此类移动实验室应用领域非常广泛,如:桥梁检测、公路检测、计量检衡、流量检测等。
  化学移动实验室(chemical mobile laboratory)即装载化学实验用仪器、设备、设施,满足化学实验要求的移动实验室。化学移动实验室主要分析检测被测对象中各种化学测定指标的含量。由于我国社会突发事件越来越受到关注,近年来此类移动实验室在环境保护、农业、食药安全方面应用越来越广泛。
  生物移动实验室(biological mobile laboratory)即装载生物实验用仪器、设备、设施,满足生物实验要求的移动实验室。生物移动实验室多用于微生物的检测及安全防护领域,从常见的食品中细菌的检测到鼠疫、SARS、禽流感等重大疫情预防控制的现场都有它的身影。
  综合移动实验室(comprehensive mobile laboratory)即能够满足两种以上实验要求,或具有其他特殊功能的移动实验室。一些领域的现场检测会涉及到多项学科的检测指标。为扩展移动实验室的检测功能,提高系列检测的整体性,这需要一台移动实验室具备多种不同类别的检测功能,如:具备理化检测的移动实验室、化学和生物兼备的食品安全移动实验室等。
  1.2.2 运载方式划分
  根据移动实验室移动过程中运载方式的不同,可将其分为自行式移动实验室、拖挂式移动实验室和方舱式移动实验室三类。
  所谓自行式(self-propelled)为自带动力并依靠自身的运行机构沿有轨或无轨通道移动的方式。自行式移动实验室载具与实验舱为一体,实验室本身自带运行能力。因为它的特点是多为车身较短小、配置人员较少、方便快速到达城市拥挤狭窄街道的各个角落。
  所谓拖挂式(trailer)即无动力系统具备行走机构依靠其他动力牵引移动的方式。拖挂式移动实验室的实验舱本身没有动力系统,陆地上主要需拖挂车或者卡车牵引移动。其特点是空间大,部分空间能拓展,能容纳更多人的实验团队,而且其电力等资源能自给自足。
  所谓方舱式(shelter)即具有方舱特征的结构形式。方舱式移动实验室的实验舱可通过汽车、火车、轮船、飞机等运输工具转运到相应工作地点。方舱式移动实验室为使实验室空间最大化,并且使机械部分以及加热、噪声和震动等干扰从实验室分离开而设计的,独特的模块化设计使组建大型的移动实验站成为可能。各组方舱均是一个独立的模块,在需要时可快速模块化安装以满足更复杂、协作化程度更高的实验检测目的。这类移动实验室主要用于相对长期固定场所的移动实验室,并可以与当地已有的固定实验室进行组合,节约检测成本。
  1.2.3 内部实际使用面积划分
  根据移动实验室内部实际使用面积大小,可将移动实验室分为小型移动实验室、中型移动实验室、大型移动实验室和特殊移动实验室。
  小型移动实验室为使用面积≤8m2的移动实验室。
  中型移动实验室为8m2<使用面积<16m2的移动实验室。
  大型移动实验室为使用面积≥16m2的移动实验室。
  特殊移动实验室为特殊定制并符合国家相关规定的移动实验室。
  1.3 移动实验室分等分级   移动实验室根据使用功能、环境条件和仪器设备的不同而分为若干等级,以便在满足检测需求的前提下,合理配置检测资源,尽可能降低制造和使用成本。如装备精密仪器的化学移动实验室,其检测环境在抗震性能、恒温恒湿方面要求较高,但在生物安全防护方面要求不高,在开发和生产过程中只需将前两项要求作为重点,而后一项只要符合要求即可。
  1.4 移动实验室代号及标记
  为了使人们能够简单、清楚地辨别、认识移动实验室的相关信息,设置移动实验室代号和标记是非常必要的。移动实验室代号是由9位拼音字母、罗马数字、英文字母和阿拉伯数字共同组成,包含了移动实验室的三种分类信息及产品的顺序号信息。移动实验室代号首先由移动实验室的中文“移”和“实”拼音首字母YS开头,后面依次为移动实验室功能类别代号、型号、运载方式代号和产品顺序号(产品顺序号从0000~9999,由企业自行安排顺序编制)共五部分,其排列顺序见图1。
  移动实验室物理、化学、生物、综合4项功能类别代号分别由罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表。移动实验室型号按照移动实验室内部实际使用面积分为小型、中型、大型、特殊四种,其代号分别由英文字母A、B、C、D 代表。移动实验室运载方式分为自行式、拖挂式、方舱式三种,其代号为运载名称第一个汉字汉语拼音首字母Z、T、F。
  2 移动实验室的构成
  2.1 移动实验室的构成
  前述移动实验室是一个机构的概念。它由两大部分组成:一是成套装置,它是移动实验室的技术支撑部分,包括实验舱、载具、仪器设备和支撑系统。其中,支撑系统还包括温湿度控制系统、通风系统、配电系统、供排水系统、信息传输系统、内部装饰材料等;二是管理部分,作为一个机构,移动实验室除了包括实验舱、载具、仪器设备及支撑系统外,还包括法律地位、人员及管理等要素,它是保证移动实验室正常运行的基础(见图2)。由于移动实验室的这些特点,它决定了移动实验室是固定实验室的延伸,或是一个独立的检测机构。
  2.2 实验舱
  移动实验室的实验舱是移动实验室的重要组成部分,他是检测人员的具体工作地点,并为检测人员、仪器设备及检测工作提供稳定可靠的检测环境。实验舱可以由现有的客车进行改装,也可以重新设计与制造,这主要视移动实验室的应用功能而定。
  2.2.1 实验舱分类
  根据移动实验室的使用功能,实验舱可大致分为三大类:自行式移动实验室实验舱、拖挂式移动实验室实验舱及方舱式移动实验室实验舱。自行式移动实验室实验舱与一般载具称为一体(如图3所示)。拖挂式移动实验室实验舱一般是一个独立的单元,通过载具移动到工作现场(如图4所示)。方舱式移动实验室实验舱一般是通过载具转运到工作现场,安装固定使用,这类实验舱一般工作面积较大,多用于较长时间使用(如图5所示)。为了扩大实验舱的使用面积和满足交通管理规定,有时实验舱还可以制成扩展仓型式(如图6所示)。
  2.2.2 功能分区
  实验舱可根据使用功能划分为单区实验舱和多区实验舱。前者为使用功能比较单一或使用环境条件要求不高时使用;后者为使用功能比较多,环境条件要求比较高,如生物安全三级移动实验室实验舱由辅助工作区和防护区构成。
  几种实验舱功能分区图示如下:
  2.3 载具
  载具是将移动实验室运送到检测现场的必不可少的运载工具,它使得移动实验室现场检测得以实现。目前,陆地上使用的移动实验室主要以汽车作为载具。载具分为自行式载具、拖挂式载具和方舱式载具,如图10、图11所示。
  2.4 仪器设备
  移动实验室的仪器设备为出具检测数据的直接载体,在移动实验室的检测中发挥重要的作用。目前,用于移动实验室的仪器设备大致分为两类:一类是部分固定实验室的仪器设备;另一类是近年来国内外研究开发的现场快速检测仪器设备,其中也包括专门为移动实验室开发的仪器设备。移动实验室的仪器设备检测的精密度和精确度应满足检测需求,其本身环境适应性要求应比固定实验室用仪器设备要高,以适应多变的移动实验室检测环境。
  近年来,国内外一些企业在移动实验室用仪器设备开发方面也取得了重要进展,如北京普析通用仪器有限责任公司研发的T3系列便携分光光度计产品(见图12)已正式在移动实验室上使用。T3系列便携分光光度计,是普析公司最新推出的便携式可见分光光度计(通过CMC计量认证)。仪器具有小巧便携、精准快速、方便灵活等特点,可同时满足实验室操作及现场、野外操作等多种测量需求。该系列分光光度计可广泛应用于质检、卫生、环保、水利、市政、科研、粮食、农业等行业,并成功用于“十二运”食品安全检测移动实验室上。
  北京智云达科技有限公司研发的多功能食品安全快速检测仪(见图13)可检测农药残留、二氧化硫、甲醛、各种色素等50多种食品检测指标,还可以检测余氯、铅、六价铬、砷、汞、镉等多种水质检测指标。
  欧普图斯(苏州)光学纳米科技有限公司研制的RamTracer?–200纳米增强拉曼检测系统(见图14)可实现对常量固态、粉末、薄膜、纤维、胶体、液态危险、有毒、有害、易燃、易爆化学和生化物质检测,还可对微量液态有害、有毒、危险化学和生化物质检测(如:微痕量食品非法添加剂、农兽药激素残留、掺假有害物质、有害食品包材等的检测等),检测限可达ppb水平。基于其检测特点,该系统适用于食品安全、药品安全、环境监测、工业生产、医疗诊断、反恐刑侦等领域,已用于“十二运”食品安全检测移动实验室上。
  安捷伦科技有限公司研发的5975T LTM GC/MSD(见图15)是第一款真正具备实验室车载性能,分析速度快,与固定实验室同样品质车载式气质联用仪。LTM是安捷伦的专利技术,加热丝直接加热色谱柱,升温、降温速度更快,省去了大的柱温箱,能耗少一半,体积和重量都减少超过1/3,专用的减震底座设计和一体化的专门抗震机械结构,抗震性能达到美军标810F的标准。此仪器是一体化的、紧凑的、高性能、高可靠性的GC/MS系统,也已配置在“十二运”食品安全移动实验室上,主要检测食品中农药残留等项目。
  2.5 支撑系统
  移动实验室除了载具、实验舱和仪器设备外,还有相关设施为检测环境提供保障,如供电系统、温湿度控制系统、通风系统、供排水系统、内部装饰材料、信息系统等。图16为工作台,图17为空气过滤系统和电站,图18为水处理系统,图19为信息传输系统。
  2.6 管理
  移动实验室作为出具检测数据的机构,其本身或所在组织应是一个能够承担法律责任的实体,人力资源、设施设备、环境安全等方面是保证移动实验室体系运行的基础。 (未完待续)
  作者简介:
  张瀚闻,全国移动实验室标准化技术委员会第一届主任委员,教授级高工;苏锡辉,全国移动实验室标准化技术委员会第一届副主任委员兼秘书长,教授级高工;那宏坤,沈阳产品质量监督检验院,工程师。
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