干冰保存低溫樣品造成的更快升溫和細胞活力損失的原因

為了避免變質，低溫樣品通常儲存在溫度約為-170°C的液氮或其氣相中。在運輸過程中，一些科學家將這些樣本放在干冰上。然而，研究表明，將低溫樣品放在干冰上比暴露在室溫下更快地升溫。
 

罪魁禍首：對流和傳導。
 

基于真核細胞的治療劑等低溫樣品需要在低于水玻璃化轉變相閾值（Tg-H2O，約-135°C）的溫度下儲存。在這些條件下儲存可避免生物活性，并最大限度地減少解凍后細胞活力的損失。
 

將真核細胞溶液保存在高于Tg-H2O的溫度下會帶來嚴重風險。當封裝的肝細胞球體在-80°C下儲存時，與在-170°C下存儲的相同細胞相比，僅儲存一個月后就檢測到活細胞數(shù)量和細胞功能下降。

液氮（LN2）及其氣相為此類樣品提供了一個安全的環(huán)境，將溫度保持在-170℃或更低。LN2最早由波蘭物理學家于1883年生產(chǎn)，現(xiàn)在被用作許多工業(yè)環(huán)境中的冷卻劑，從計算機到相機，從超導體到真空泵。它在任何涉及低溫樣品的研究中都是不可或缺的。

生物醫(yī)學和分子生物學研究中經(jīng)常使用的一種替代介質是干冰，即二氧化碳的固體形式。這種材料在-78°C下升華，其用途與液氮一樣多種多樣。許多實驗室在運輸生物材料的過程中依靠干冰來維持寒冷的環(huán)境。然而，在干冰上運輸生物樣品有一些令人驚訝的重要缺點。研究表明，干冰會導致儲存在螺旋蓋管中的樣品溶液酸化，并可能影響蛋白質的穩(wěn)定性。

與LN2氣相運輸相比，用干冰運輸時，懸浮在10%二甲基亞砜中的人類淋巴細胞解凍后的存活力顯著降低。

將2ml小瓶的低溫樣品從液氮環(huán)境轉移到干冰中，并持續(xù)監(jiān)測溫度。這些樣品在放入干冰后的15到25秒內達到并超過了水的玻璃化轉變溫度。

令人驚訝的是，這比這些樣品暴露在周圍環(huán)境中的速度快了大約兩倍。這怎么可能呢？
 

解釋在于兩種物理現(xiàn)象：對流和傳導。
 

首先:干冰的二氧化碳升華產(chǎn)生了一個對流增強的微環(huán)境，即分子在氣體等流體中的定向運動。就像在對流烤箱中一樣，這種效果可以增加熱量傳遞到放置在這種環(huán)境中的任何物質。結果是低溫樣品加速升溫至干冰溫度（-78°C）。這種升溫是實質性的，因為干冰比這些樣本的LN2蒸汽儲存環(huán)境高約90°C。

 

其次:低溫管壁與干冰的直接接觸通過分子與低溫樣品管的直接碰撞增強了傳導熱傳遞。5因此，試圖通過在短時間內將低溫材料放入干冰中來保護其低溫材料不受熱的研究人員實現(xiàn)了完全相反的結果：更快地升溫到Tg-H2O以上的溫度。
 

如何避免這種變暖事件？

易于理解的切勿將低溫樣品放入溫度高于-135°C的環(huán)境中。幸運的是，存在能夠在這些溫度下運輸?shù)蜏貥悠返慕鉀Q方案。
 

Azenta Life Sciences提供經(jīng)濟高效的CryoPod™載體，這是一種便攜式LN2蒸汽基輕質設備，可在-150°C或更低溫度下可靠地保存樣本四個多小時。有了這個裝置，科學家們可以有效地避免寶貴的低溫樣品在處理或運輸過程中的熱偏移。