Temperaturregulation im Labor: Proben mit Kälte konservieren

Das Erhalten von Proben, Präparaten und Reagenzien ist in allen Forschungslaboren weltweit erforderlich. Ein effizienter Weg um die Probe langfristig zu erhalten ist sie bei kühlen Temperaturen zu lagern.

Egal ob man mit einer Probe auf der Laborbank arbeitet, oder ob sie nach Ende des Experiments aufbewahrt werden soll, können verschiedene Methoden zur Kühlung verwendet werden. In diesem Video beschreiben wir die verschiedenen Kühlungsmittel und Instrumente, die man normalerweise in einem Labor findet. Wir beschreiben außerdem welche Proben bei welchen Temperaturen gelagert werden müssen.

Die Wahl des richtigen Kühlungsmittels ist abhängig von dem Experiment das gemacht wird.

Normales Eis ist die logische Wahl um Proben kurzfristig zu erhalten. Wie ihr sicherlich wisst ist Eis gefrorenes Wasser, das einen Schmelzpunkt von 0°C bei normalem atmosphärischem Luftdruck hat, wie ihr hier in diesem Phasendiagramm seht. Was ihr vielleicht nicht wisst ist das es manchmal als « nasses Eis » bezeichnet wird, da es flüssig wird wenn es auf Raumtemperatur erwärmt wird.

„Nasses Eis“ ist ideal um Proben und Reagenzien kalt zu halten während man mit ihnen arbeitet und sie transportiert.

„Nasses Eis“ ist Wasser im festen Aggregatszustand. „Trockeneis“ hingegen ist der feste Aggregatszustand von Kohlenstoffdioxid, das einen Schmelzpunk von -78.5°C hat. Trockeneis schmilzt nicht unter atmosphärischen Luftdruck, sondern wird unmittelbar zu Kohlenstoffdioxid Gas; ein Prozess der auch Sublimation genannt wird. Sublimation ist also der Aggregatszustandswechsel von fest direkt zu gasförmig, und findet unterhalb des Tripelpunktes in dem Phasendiagramm statt.

Trockeneis sollte man benutzen wenn man mit biologischen Proben wie zum Beispiel gefrorenen Bakterien Säugerzellen und Gewebe arbeitet, die normalerweise bei Temperaturen weit unter 0°C aufbewahrt werden.

Trockeneis ist außerdem vorteilhaft, da es keine Überstände hinterlässt wenn es den Aggregatszustand ändert. Deshalb ist es ideal um ein Gefrierbad herzustellen, bei dem man eine Flüssigkeit über Trockeneis gießt.

Flüssiger Stickstoff ist kondensiertes Stickstoffgas und wird oft als LN2 notiert. Bei atmosphärischem Luftdruck kocht flüssiger Stickstoff, oder geht von dem flüssigen in den gasförmig Zustand bei -196°C über, wie man hier in diesem Phasendiagramm sehen kann.

Wenn man biologische Proben bei Temperaturen unterhalb dessen was normale Gefrierschränke erreichen können lagern muss, wird meistens flüssiger Stickstoff benutzt.

Flüssiger Stickstoff wird in einem Dewar-Gefäß oder einer Vakuumflasche gelagert, die mit einem locker passendem Deckel und einem Ablassventil ausgestattet ist um Druckaufbau im System zu vermeiden.

Auch wenn Trockeneis und flüssiger Stockstoff nicht giftig sind, sind sie trotzdem gefährliche Materialien und sollten deshalb nicht benutzt werden, bevor man von Labormitgliedern mit mehr Erfahrung eingewiesen worden ist.

Wegen der extrem niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff und Trockeneis kann eine gefährliche Gewebeschädigung stattfinden wenn diese Stoffe mit der Haut in Berührung kommen. Deshalb sollte man immer Laborschutzkleidung tragen, wie Gefrierhandschuhe and Laborkittel. Außerdem sollte man auch spezielle Werkzeuge benutzen um Hautkontakt zu vermeiden.

Außerdem sollten nie luftdichte Behältnisse verwendet werden um Trockeneis oder flüssigen Stickstoff zu lagern, da diese Kühlmittel in den gasförmigen Zustand übergehen. Unter luftdichten Bedingungen kann es zu Druckaufbau kommen, was zu einer Explosion führen.

Und nun zu den Instrumenten die Proben kalt halten… Laborkühlschränke und Gefrierschränke regulieren Temperaturen genauer als zu Hause, um eine gleichmäßige Temperatur in der ganzen Einheit zu gewährleisten.

Sie sind normalerweise mit Temperaturüberwachungssystemen ausgestattet, bei denen ein Alarm angeht wenn die Temperatur sich schnell ändert.

Man sollte niemals Essen und Trinken in Laborkühlschränken und Gefrierschränken aufbewahren, da diese sonst mit toxischen Chemikalien oder Bakterien kontaminiert werden könnten. Das heißt ihr müsst euch einen anderen Ort suchen um euer Mittagessen aufzubewahren.

Kühlschränke werden auf 4°C gehalten und werden normalerweise für die kurzfristige Aufbewahrung von Proben genutzt, speziell dann wenn Gefrieren die Intaktheit der Probe beeinträchtigen kann.

Viele Reagenzien und Lösungen werden bei 4°C aufgehoben um ihre Haltbarkeit zu verlängern, einschließlich von Zellkulturmedium und Zellkulturplatten die vor dem Gebrauch einfach aufgewärmt werden.

Kalträume sind ideal um größeres Gerät aufzubewahren, das bei niedrigen Temperaturen bedient werden soll, wie zum Beispiel flüssige Chromatographie Einheiten.

Laborgefrierschränke erreichen Temperaturen von -20°C bis hin zu -196°C für kryogene Gefrierschränke.

Für das Aufbewahren von Nukleinsäuren und Reagenzien, wie zum Beispiel Restriktionsenzyme ist -20°C die richtige Wahl. Nach dem Entnehmen der Probe aus dem Gefrierschrank sollten diese auf Eis aufbewahrt werden.

-80°C Gefrierschränke und kryogene Gefrierschränke werden für das langfristige Aufbewahren von gefrorenen Geweben und Zellen benutzt, nachdem diese in flüssigem Stickstoff kryokonserviert worden. Trockeneis wird normalerweise benutzt um Proben aus einem -80˚C Gefrierschrank zu transportieren.

Kryokonservierung ist ein Wort das sich auf die langfristige Aufbewahrung von Geweben oder sogar lebenden Zellen bezieht. Bei Temperaturen unter 0˚C, wird jegliche biologische Aktivität, einschließlich Degradierungsreaktionen in der Probe, effizient angehalten.

Beim Einfrieren von lebenden Zellen und Geweben bilden sich Eiskristalle die zur Entwässerung und damit Schaden führen können. Außerdem kann es zu einer Ansammlung von gefährlichen Konzentrationen von gelösten Molekülen kommen.

Schockgefrieren ist der Prozess, bei dem biologische Proben sehr schnell in flüssigen Stickstoff oder einer Mischung von Trockeneis und Ethanol gehalten werden, so dass sich keine Eiskristalle bilden, welche die Zellen beschädigen könnten. Frostschutzmittel können auch als Zusatz benutzt werden um die Bildung von Eiskristallen zu verhindern.

Als Alternative zu Schockgefrieren können Maschinen benutzt werden, die langsam den Gefrierprozess kontrollieren, der notwendig ist damit zum Beispiel Schafembryonen wie hier zu sehen ist, kryokonserviert werden können.

Kürzlich wurde die Vitrifizierung als Methode eingeführt, um Zellen und Gewebe ohne schädliche Eiskristalle zu kryokonservieren. Dieser Prozess wandelt Flüssigkeiten in der Probe in einen nichtkristallinen, glasigen Festigkeitszustand um, durch schnelles Kühlen mit speziellen Frostschutzmitteln.

Das war die Einführung in das Kühlen von Proben und Reagenzien von JoVE. In diesem Video haben wir verschiedene Arten von Kühlmitteln behandelt und Beispiele wenn man welche Kühlmethode anwendet gegeben. Wir haben auch verschiedene Wege gezeigt, wie man biologische Proben kryokonserviert. Danke für eure Aufmerksamkeit.