Regulacja temperatury w laboratorium: przechowywanie próbek w niskich temperaturach

Przechowywanie próbek laboratoryjnych, preparatów oraz odczynników jest wymogiem w laboratoriach badawczych na całym świecie. Efektywnym sposobem zachowania integralności i żywotności próbek w czasie jest utrzymywanie ich w niskich temperaturach.

Niezależnie od tego, czy pracujemy z próbką przy stole laboratoryjnym, czy przechowujemy ją po zakończeniu eksperymentu, można zastosować różne metody chłodzenia. W niniejszym filmie zaprezentowano rodzaje czynników chłodzących i urządzeń typowo spotykanych w laboratorium oraz wyjaśniono, jakie rodzaje próbek przechowuje się w określonych temperaturach.

Wybór czynnika chłodzącego zależy od charakteru wykonywanej procedury eksperymentalnej.

Zwyczajny lód jest logicznym wyborem do krótkotrwałego przechowywania próbek. Prawdopodobnie wiedzą Państwo, że lód to zamarznięta woda, której temperatura topnienia wynosi 0 °C przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, co można zobaczyć na tym wykreśle fazowym. Być może nie wiedzą Państwo, że czasami określa się go mianem „mokrego lodu”, ponieważ w temperaturze pokojowej ulega on upłynnieniu.

„Mokry lód” jest idealny do utrzymywania próbek i odczynników w niskiej temperaturze podczas pracy z nimi lub ich transportu.

Podczas gdy „mokry lód” jest stałą postacią H2O, „suchy lód” to stała forma dwutlenku węgla, której temperatura topnienia wynosi -78.5 ˚C. Suchy lód w ciśnieniu atmosferycznym nie topi się do postaci cieczy, lecz przekształca się bezpośrednio w gazowy dwutlenek węgla w procesie zwanym sublimacją. Sublimacja odnosi się do zmiany stanu skupienia materii bezpośrednio z ciała stałego w gaz i zachodzi poniżej punktu potrójnego na wykreśle fazowym.

Należy stosować suchy lód podczas pracy z materiałem biologicznym, takim jak zamrożone komórki bakteryjne, ssacze lub tkanki, które są zazwyczaj przechowywane w temperaturach znacznie poniżej 0˚C.

Suchy lód jest również korzystny, ponieważ nie pozostawia osadów po zmianie stanu skupienia, co czyni go idealnym do tworzenia łaźni mrożącej poprzez wlewanie cieczy na suchy lód.

Ciekły azot to skroplony gazowy azot, powszechnie zapisywany jako „LN2”. W ciśnieniu atmosferycznym ciekły azot wrze, czyli przechodzi z fazy ciekłej w gazową, w temperaturze -196 °C, co można zauważyć na jego wykreśle fazowym.

Ciekły azot jest stosowany, gdy istnieje potrzeba przechowywania materiałów biologicznych w temperaturach niższych niż te, które mogą zapewnić większość zamrażarek laboratoryjnych.

Ciekły azot można przechowywać w naczyniu Dewara, czyli kolbie próżniowej z luźno dopasowaną pokrywką, lub w dużym zbiorniku Dewara wyposażonym w zawór bezpieczeństwa, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia w systemie.

Mimo że są nietoksyczne, suchy lód i ciekły azot są materiałami niebezpiecznymi i nie należy z nimi pracować do czasu przejścia szkolenia przeprowadzonego przez doświadczonego członka zespołu laboratoryjnego.

Ze względu na ekstremalnie niskie temperatury ciekłego azotu i suchego lodu, kontakt ze skórą może spowodować poważne uszkodzenia tkanek. Zawsze należy stosować odpowiednią ochronę, w tym rękawice kriogeniczne i fartuch laboratoryjny. Do manipulowania próbkami należy używać narzędzi, aby uniknąć kontaktu ze skórą.

Ponadto do przechowywania suchego lodu lub ciekłego azotu nigdy nie należy używać szczelnych pojemników, ponieważ czynniki chłodzące te zmieniają stan skupienia w gaz. W warunkach pełnej szczelności może dojść do wzrostu ciśnienia, co może prowadzić do wybuchu.

Przejdźmy teraz do urządzeń służących do chłodzenia próbek… Lodówki i zamrażarki laboratoryjne regulują temperaturę dokładniej niż urządzenia domowe, aby zapewnić jednolity rozkład temperatury w całej komorze.

Są one zazwyczaj wyposażone w systemy monitorowania temperatury oraz alarmy, które aktywują się w przypadku znaczącej zmiany temperatury.

Nigdy nie przechowuj żywności ani napojów w lodówkach lub zamrażarkach laboratoryjnych, ponieważ mogłoby to doprowadzić do skażenia toksycznymi chemikaliami lub bakteriami. Na swój lunch musisz znaleźć inne miejsce.

Lodówki są utrzymywane w temperaturze 4°C i zazwyczaj służą do tymczasowego przechowywania próbek, szczególnie gdy zamrażanie mogłoby naruszyć ich integralność.

Wiele odczynników i roztworów przechowuje się w 4°C w celu przedłużenia ich trwałości, w tym pożywki do hodowli tkankowych oraz wylane płytki do hodowli komórkowych, które ogrzewa się przed użyciem.

Chłodnie są idealne do przechowywania większych urządzeń, które powinny pracować w niskich temperaturach, takich jak jednostki do chromatografii cieczowej.

Zamrażarki klasy laboratoryjnej oferują zakres temperatur od -20°C do -196 °C w przypadku zamrażarek kriogenicznych.

Do przechowywania kwasów nukleinowych i odczynników, takich jak enzymy restrykcyjne, odpowiednim wyborem jest -20 °C. Po wyjęciu z zamrażarki próbki i odczynniki powinny być przechowywane w lodzie.

Zamrażarki -80°C oraz kriogeniczne nadają się do długotrwałego przechowywania zamrożonych tkanek i komórek po kriokonserwacji w ciekłym azocie. Do transportu próbek wyjętych z zamrażarek -80 ˚C zazwyczaj wykorzystuje się suchy lód.

Kriokonserwacja to termin odnoszący się do długotrwałego przechowywania tkanek, a nawet żywych komórek. W temperaturach poniżej zera stopni wszystkie procesy biologiczne, w tym reakcje degradujące próbkę, zostają skutecznie zatrzymane.

Podczas zamrażania żywych komórek i tkanek mogą tworzyć się kryształy lodu, co prowadzi do odwodnienia i uszkodzenia komórek, a także do kumulacji cząsteczek substancji rozpuszczonych do stężeń szkodliwych.

Szybkie zamrażanie (snap-freezing lub flash-freezing) to proces, w którym próbki biologiczne są gwałtownie zanurzane w ciekłym azocie lub mieszaninie suchego lodu i etanolu, aby zapobiec tworzeniu się dużych kryształów lodu i uszkadzaniu komórek. Jako dodatek w celu ograniczenia tworzenia się lodu można stosować również krioprotektanty.

Alternatywą dla szybkiego zamrażania jest zastosowanie urządzeń do powolnego kontrolowania procesu mrożenia, co jest niezbędne do kriokonserwacji embrionów owczego, które widzicie tutaj.

Niedawno wprowadzono witryfikację jako metodę kriokonserwacji komórek i tkanek bez uszkodzeń spowodowanych kryształkami lodu. Proces ten przekształca ciecz w próbce w niekrystaliczną, szklistą ciało stałe poprzez szybkie chłodzenie w obecności określonych krioprotektantów.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do chłodzenia preparatów i odczynników laboratoryjnych.

W tym filmie omówiliśmy różne rodzaje czynników i urządzeń chłodzących oraz przykłady zastosowania poszczególnych metod chłodzenia. Przedstawiliśmy również kilka sposobów kriokonserwacji preparatów biologicznych. Dziękujemy za uwagę.