تنظيم درجة الحرارة في المختبر: حفظ العينات باستخدام التبريد

يُعد حفظ العينات المخبرية والعينات البيولوجية والكواشف متطلباً أساسياً في المختبرات البحثية حول العالم. وتعتبر المحافظة عليها في درجات حرارة منخفضة وسيلة فعالة للحفاظ على سلامة العينات وحيويتها بمرور الوقت.

سواء كنت تعمل على عينة في المختبر أو تقوم بتخزين عينة في نهاية التجربة، يمكن استخدام طرق تبريد مختلفة. سيوضح هذا الفيديو أنواع عوامل التبريد والأجهزة الموجودة عادةً في المختبر، وسيساعدك على فهم أنواع العينات التي يتم تخزينها في كل درجة حرارة.

يعتمد اختيار عامل التبريد على طبيعة الإجراء التجريبي الذي يتم تنفيذه.

يُعد الجليد التقليدي الخيار المنطقي لحفظ العينات على المدى القصير. من المحتمل أن تعلم أن الجليد هو ماء متجمد، وله نقطة انصهار تبلغ 0 °C عند الضغط الجوي العادي كما يتضح في مخطط الطور هذا. قد لا تعلم أنه يُشار إليه أحياناً باسم "الجليد الرطب"، لأنه يتحول إلى سائل عندما يسخن في درجة حرارة الغرفة.

يُعد "الجليد الرطب" مثالياً للحفاظ على برودة العينات والكواشف أثناء العمل بها أو نقلها.

بينما يمثل "الجليد الرطب" H2O في حالته الصلبة، فإن "الجليد الجاف" هو الشكل الصلب لثاني أكسيد الكربون، الذي تبلغ نقطة انصهاره -78.5 ˚C. لا ينصهر الجليد الجاف إلى سائل عند الضغط الجوي، بل يتحول مباشرة إلى غاز ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية تسمى التسامي. يشير التسامي إلى تحول في طور المادة من الحالة الصلبة مباشرة إلى الحالة الغازية، ويحدث ذلك تحت النقطة الثلاثية في مخطط الطور.

استخدم الجليد الجاف عندما تعمل مع عينات بيولوجية مثل الخلايا البكتيرية أو الثديية المجمدة أو الأنسجة، والتي تُخزن عموماً في درجات حرارة أقل بكثير من 0˚C.

يتميز الجليد الجاف أيضاً بأنه لا يترك أي بقايا عند تغير حالته، مما يجعله مثالياً لإنشاء حمام تجميد عن طريق صب السائل فوق الجليد الجاف.

النيتروجين السائل هو غاز نيتروجين مكثف، ويُكتب عادةً على شكل "LN2". عند الضغط الجوي، يغلي النيتروجين السائل، أو ينتقل من الحالة السائلة إلى الغازية، عند -196 °C، وهو ما يمكنك رؤيته من خلال مخطط الطور الخاص به.

عندما تحتاج إلى تخزين عينات بيولوجية في درجات حرارة أقل مما يمكن أن توفره معظم مجمدات المختبرات، يتم استخدام النيتروجين السائل.

يمكن تخزين النيتروجين السائل في وعاء ديوار، أو قارورة مفرغة من الهواء، ذات غطاء فضفاض، أو في خزان ديوار كبير مجهز بصمام تنفيس لمنع تراكم الضغط داخل النظام.

على الرغم من كون الجليد الجاف والنيتروجين السائل غير سامين، إلا أنهما مادتان خطيرتان ولا ينبغي التعامل معهما حتى يتم تدريبك من قبل عضو خبير في المختبر.

بسبب درجات الحرارة المنخفضة للغاية للنيتروجين السائل والجليد الجاف، قد يحدث تلف شديد في الأنسجة عند ملامستهما للجلد. ارتدِ دائماً وسائل الحماية المناسبة، بما في ذلك القفازات المخصصة لدرجات الحرارة فائقة البرودة ومعطف المختبر. استخدم الأدوات لنقل العينات لتجنب ملامسة الجلد.

كذلك، يجب عدم استخدام الحاويات المحكمة الإغلاق أبداً لتخزين الجليد الجاف أو النيتروجين السائل، لأن عوامل التبريد هذه تتغير حالتها إلى غاز. وفي الظروف المحكمة الإغلاق، يمكن أن يتراكم الضغط مما قد يؤدي إلى حدوث انفجار.

وننتقل الآن إلى الأجهزة التي تحافظ على برودة العينات... تعمل الثلاجات والمجمدات المختبرية على تنظيم درجة الحرارة بدقة أكبر من تلك الموجودة في المنازل لضمان توحيد درجة الحرارة في جميع أنحاء الوحدة.

وهي مجهزة عموماً بأنظمة مراقبة درجة الحرارة وإنذارات تطلق عند حدوث تغير ملحوظ في درجة الحرارة.

يُمنع منعاً باتاً تخزين الأطعمة أو المشروبات في الثلاجات أو المجمدات المختبرية، لأن ذلك قد يؤدي إلى التلوث بمواد كيميائية سامة أو بكتيريا. لذا، سيتعين عليك إيجاد مكان آخر لتخزين وجبتك.

يتم الحفاظ على الثلاجات عند درجة حرارة 4°C، وتُستخدم عموماً للتخزين المؤقت للعينات، خاصة عندما يؤثر التجميد على سلامة العينة.

تُخزن العديد من الكواشف والمحاليل عند درجة حرارة 4°C لإطالة مدة صلاحيتها، بما في ذلك أوساط زراعة الأنسجة وأطباق زراعة الخلايا المصبوبة، والتي يتم تدفئتها قبل الاستخدام.

تعد الغرف الباردة مثالية لتخزين المعدات الكبيرة التي يجب أن تعمل في درجات حرارة منخفضة، مثل وحدات الكروماتوغرافيا السائلة.

تتراوح درجات حرارة المجمدات المختبرية من -20° C إلى -196 °C بالنسبة للمجمدات المبردة بالسوائل (cryogenic freezers).

يعد الخيار الأنسب لتخزين الأحماض النووية والكواشف، مثل إنزيمات التقييد، هو درجة حرارة -20 °C. وعند إخراج العينات والكواشف من المجمد، يجب الاحتفاظ بها على الثلج.

تعد المجمدات التي تصل درجتها إلى -80°C والمجمدات المبردة بالسوائل مناسبة لتخزين الأنسجة والخلايا المجمدة لفترات طويلة بعد الحفظ بالتجميد في النيتروجين السائل. وعادة ما يُستخدم الثلج الجاف لنقل العينات المستخرجة من مجمدات -80 ˚C.

الحفظ بالتجميد (Cryopreservation) هو مصطلح يشير إلى التخزين طويل الأمد للأنسجة، أو حتى الخلايا الحية. ففي درجات الحرارة التي تقل عن الصفر، يتوقف جميع النشاط البيولوجي بشكل فعال، بما في ذلك التفاعلات التي تؤدي إلى تحلل العينة.

عند تجميد الخلايا والأنسجة الحية، قد تتشكل بلورات جليدية، مما يؤدي إلى جفاف الخلايا وتلفها، فضلاً عن تراكم جزيئات المذاب بتركيزات ضارة.

التجميد السريع (Snap- or flash-freezing) هو العملية التي يتم من خلالها غمر العينات البيولوجية بسرعة في النيتروجين السائل، أو خليط من الثلج الجاف والإيثانول، وذلك لمنع تشكل بلورات جليدية كبيرة قد تتلف الخلايا. كما يمكن استخدام المواد الواقية من التجمد (Cryoprotectants) كمواد مضافة لتقليل تكوين الجليد.

وكبديل للتجميد السريع، يمكن استخدام أجهزة للتحكم في عملية التجميد ببطء، وهو أمر ضروري لحفظ أجنة الأغنام التي ترونها هنا بالتجميد.

مؤخراً، تم تقديم التزجج (vitrification) كطريقة لحفظ الخلايا والأنسجة بالتجميد دون حدوث أي تلف ناتج عن بلورات الجليد. تقوم هذه العملية بتحويل السائل الموجود في العينة إلى مادة صلبة زجاجية غير متبلورة من خلال التبريد السريع في وجود مواد واقية معينة من التجمد.

لقد شاهدتم للتو مقدمة JoVE حول تبريد العينات والكواشف المختبرية.

لقد استعرضنا في هذا الفيديو أنواعاً مختلفة من عوامل ومعدات التبريد، وأمثلة على حالات استخدام كل طريقة تبريد. كما قدمنا عدة طرق للحفظ بالتجميد للعينات البيولوجية. شكراً للمشاهدة.