Регулировка температуры в лаборатории: сохранение образцов с помощью охлаждения

Сохранение лабораторных образцов, проб и реагентов является обязательным требованием для исследовательских лабораторий по всему миру. Эффективным способом сохранения целостности и жизнеспособности образцов с течением времени является их содержание при низких температурах.

В зависимости от того, работаете ли вы с образцом непосредственно на лабораторном столе или помещаете его на хранение по окончании эксперимента, могут использоваться различные методы охлаждения. В данном видео будут продемонстрированы типы охлаждающих агентов и инструментов, обычно используемых в лаборатории, что поможет вам понять, какие типы образцов хранятся при определенных температурах.

Выбор охлаждающего агента зависит от характера выполняемой экспериментальной процедуры.

Обычный лед является логичным выбором для краткосрочного сохранения образцов. Вы, вероятно, знаете, что лед — это замороженная вода, точка плавления которой при нормальном атмосферном давлении составляет 0 °C, как видно на данной фазовой диаграмме. Возможно, вам неизвестно, что его иногда называют «влажным льдом», поскольку при нагревании до комнатной температуры он превращается в жидкость.

«Влажный лед» идеально подходит для поддержания низкой температуры образцов и реагентов во время работы с ними или их транспортировки.

Если «влажный лед» представляет собой твердую H2O, то «сухой лед» — это твердая форма диоксида углерода, точка плавления которой составляет -78.5 ˚C. Сухой лед не плавится с образованием жидкости при атмосферном давлении, а напрямую превращается в газ диоксид углерода в процессе, называемом сублимацией. Сублимация представляет собой переход вещества из твердого состояния непосредственно в газообразное и происходит ниже тройной точки на фазовой диаграмме.

Используйте сухой лед при работе с биологическими образцами, такими как замороженные бактериальные или клетки млекопитающих, а также ткани, которые обычно хранятся при температурах значительно ниже 0˚C.

Сухой лед также удобен тем, что при изменении агрегатного состояния он не оставляет осадка, что делает его идеальным для создания охлаждающей бани путем залива жидкости поверх сухого льда.

Жидкий азот представляет собой конденсированный газообразный азот и обычно обозначается как «LN2». При атмосферном давлении жидкий азот кипит, то есть переходит из жидкого состояния в газообразное, при температуре -196 °C, что видно из его фазовой диаграммы.

Жидкий азот используется, когда необходимо хранить биологические образцы при температурах ниже тех, которые могут обеспечить большинство лабораторных морозильников.

Жидкий азот может храниться в сосуде Дьюара или вакуумном колбе с неплотно прилегающей крышкой, либо в большом резервуаре Дьюара, оснащенном предохранительным клапаном для предотвращения повышения давления в системе.

Несмотря на нетоксичность, сухой лед и жидкий азот являются опасными материалами, и работа с ними не допускается до прохождения инструктажа у опытного сотрудника лаборатории.

Из-за крайне низких температур жидкого азота и сухого льда при контакте с кожей могут возникнуть серьезные повреждения тканей. Всегда используйте соответствующие средства защиты, включая криогенные перчатки и лабораторный халат. Используйте инструменты для манипуляций с образцами, чтобы избежать контакта с кожей.

Кроме того, для хранения сухого льда или жидкого азота никогда не следует использовать герметичные контейнеры, так как эти охлаждающие агенты переходят в газообразное состояние. В герметичных условиях может возникнуть избыточное давление, что приведет к взрыву.

Теперь перейдем к приборам для охлаждения образцов… Лабораторные холодильники и морозильники регулируют температуру более точно, чем бытовые приборы, чтобы обеспечить равномерный температурный режим во всем объеме устройства.

Обычно они оснащены системами мониторинга температуры и сигнализацией, которая срабатывает при значительном изменении температуры.

Никогда не храните продукты питания или напитки в лабораторных холодильниках и морозильниках, так как это может привести к загрязнению их токсичными химикатами или бактериями. Для хранения вашего обеда придется найти другое место.

Холодильники поддерживают температуру 4°C и обычно используются для временного хранения образцов, особенно когда замораживание может нарушить их целостность.

Многие реагенты и растворы хранятся при 4°C для продления срока их годности, включая среды для культивирования тканей и разлитые чашки с клеточными культурами, которые перед использованием подогревают.

Холодильные камеры идеально подходят для размещения крупного оборудования, которое должно работать при низких температурах, например, установок для жидкостной хроматографии.

Температурный диапазон лабораторных морозильников варьируется от -20°C до -196°C для криогенных морозильников.

Для хранения нуклеиновых кислот и реагентов, таких как рестриктазы, подходящим выбором является температура -20°C. После извлечения из морозильника образцы и реагенты следует держать на льду.

Морозильники с температурой -80°C и криогенные морозильники подходят для длительного хранения замороженных тканей и клеток после криоконсервации в жидком азоте. Сухой лед обычно используется для транспортировки образцов, извлеченных из морозильников -80˚C.

Криоконсервация — это термин, который относится к длительному хранению тканей или даже живых клеток. При отрицательных температурах вся биологическая активность, включая реакции, приводящие к деградации образца, фактически прекращается.

При замораживании живых клеток и тканей могут образовываться кристаллы льда, что приводит к дегидратации и повреждению клеток, а также к накоплению молекул растворенного вещества до вредных концентраций.

Мгновенное или шоковое замораживание представляет собой процесс, при котором биологические образцы быстро погружают в жидкий азот или смесь сухого льда с этанолом, чтобы предотвратить образование крупных кристаллов льда, способных повредить клетки. В качестве добавок для снижения образования льда также могут использоваться криопротекторы.

В качестве альтернативы шоковому замораживанию могут использоваться установки для медленного контролируемого замораживания, что необходимо для криоконсервации эмбрионов овец, которые вы видите здесь.

Недавно в качестве метода криоконсервации клеток и тканей без повреждений, вызванных кристаллами льда, была внедрена витрификация. Этот процесс превращает жидкость в образце в некристаллический стеклообразный твердый агрегат посредством быстрого охлаждения в присутствии определенных криопротекторов.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE по охлаждению лабораторных образцов и реагентов.

В этом видео мы рассмотрели различные типы охлаждающих агентов и оборудования, а также примеры применения каждого метода охлаждения. Мы также представили несколько способов криоконсервации биологических образцов. Спасибо за просмотр.