二氧化碳培养箱应急断电后如何处理样品的研究与实践

一、引言

二氧化碳培养箱（CO₂ Incubator）是现代实验室用于细胞、组织及微生物培养的重要设备之一。它通过精确控制温度、湿度及CO₂浓度，模拟生物体内的生理环境，从而保障样品的正常生长与反应。在细胞治疗、生物制药、基础研究等领域，培养箱内样品往往具有高度敏感性与不可替代性。

然而，在设备运行过程中，突发性断电（如市电故障、供电不稳、系统过载等）难以完全避免。断电所造成的温控失衡、气体供应中断、湿度骤降等问题，极易导致培养环境紊乱，进而影响样品生理状态乃至实验结论的可靠性。因此，培养箱应急断电后的样品处理策略是实验室质量管理体系中不可或缺的重要环节。

二、二氧化碳培养箱的工作环境与样品依赖性

2.1 关键运行参数

CO₂培养箱主要维持以下环境参数：

• 温度：恒定在37℃左右，模拟哺乳动物体温；

• CO₂浓度：常设为5%，维持培养液pH稳定；

• 湿度：≥90%，防止培养基蒸发与细胞脱水；

• 氧浓度（部分设备）：用于特定低氧实验，如干细胞分化。

样品对这些条件高度依赖，任何短时间内的剧烈波动都可能导致：

• 细胞凋亡或代谢失衡；

• 菌落增殖异常；

• 培养基pH失调或浓缩；

• 实验数据失真。

三、断电对培养环境及样品的影响机制

3.1 温度骤降

断电后，箱体加热系统立即停止。水套式设备因热容大降温较慢，但气套式设备在数十分钟内温度可降至室温，造成细胞热休克或生长停滞。

3.2 CO₂供应中断

CO₂控制系统关闭将导致气体浓度下降，尤其在密封不良或频繁开门情况下更为严重，影响碳酸缓冲体系，培养液pH偏碱，破坏细胞代谢平衡。

3.3 湿度降低

加湿系统停工，加上箱门开启操作频繁，湿度会迅速下降。高湿度依赖型细胞极易干裂或代谢紊乱。

3.4 细胞活性丧失风险

断电时间越长，环境偏离理想状态越严重。常见风险包括：

• 胚胎发育异常；

• 干细胞去分化或死亡；

• 微生物培养失控；

• 菌体污染。

四、应急断电后的响应流程建议

4.1 第一阶段：突发停电时的快速反应

1. 立即通知实验负责人与设备管理人员；

2. 记录断电时间与样品状态；

3. 避免频繁开启箱门，防止热量、湿气迅速散失；

4. 若培养箱具备备用电源（UPS），优先保障其供电维持；

5. 检查CO₂钢瓶阀门是否关闭，防止无控制排气；

6. 若停电时间短（<30分钟），可等待恢复供电后恢复培养；

7. 若预计断电时间较长（>1小时），需迅速进入样品处理阶段。

4.2 第二阶段：根据断电时长判断处理策略

五、断电后样品的处理策略详解

5.1 样品状态初步评估

1. 肉眼观察：是否有培养液颜色改变（pH变化）、液面下降（蒸发）、污染（浑浊或漂浮物）；

2. 显微镜下观察：细胞附着状态、形态变化、死亡比例；

3. 培养液pH检测：判断CO₂缺失对缓冲体系的影响；

4. 活性染色法：如台盼蓝排除染色、Calcein-AM标记；

5. 微生物培养验证：若为菌种样本，判断其活性与污染情况。

5.2 细胞类样品的处理方案

• 若细胞形态基本正常、pH波动不大，可补充新鲜培养基继续培养；

• 若死亡比例高或污染严重，需终止实验并报废样本；

• 对于胚胎类、诱导分化中的样品，应终止实验并记录损失；

• 条件允许下，可尝试低温短时冻存以等待恢复培养条件。

5.3 微生物样品处理

• 可适当延长培养周期以弥补断电期；

• 若发现污染迹象，立即更换培养基并重种菌株；

• 对重要菌株或药敏实验，建议重新开展以确保数据可靠性。

5.4 样品数据与实验记录处理

• 详细记录断电时间、处理时间、样品变化、补救措施；

• 对已收集的数据进行标注“可能受影响”状态，避免混入正式成果；

• 若数据用于临床或质量审计，必须说明该批次操作存在偏差风险。

六、案例分析：典型处理流程实录

案例一：大学实验室突发停电90分钟

实验内容为人类干细胞诱导分化实验，使用气套式CO₂培养箱。实验人员发现断电后第一时间封闭培养箱门。供电恢复后发现温度降至26℃，CO₂浓度消失。

处理措施：

1. 立即补充CO₂并恢复设定参数；

2. 检查细胞状态，部分样本表现出附着减少；

3. 更换培养基，继续培养；

4. 数据记录标注异常，未用于后续分析。

案例二：GMP生产车间夜间断电4小时

使用水套式培养箱，储存中间产品级别的CHO细胞。断电发生在无人值守时段，UPS维持电力1小时，随后环境温度下降至28℃。

处理措施：

1. 隔日启动样品状态审查，发现pH波动、细胞形态改变；

2. 全批次样本丢弃，记录批次编号与损失；

3. 启动CAPA流程调查断电原因；

4. 修订SOP文件，加强夜间监控与备用电源配置。

七、制度建设与防患机制

7.1 制定样品应急断电处理SOP

应包括：

• 事件应急响应责任人；

• 不同断电时间下的处理分级标准；

• 样品优先保护原则；

• 实验记录与数据标注要求；

• 报损程序与事故分析流程。

7.2 配置UPS与备用培养箱

• UPS至少支持1小时运转时间；

• 条件允许时配备一台备用小容量培养箱用于应急转移；

• 对于贵重样本，可考虑液氮短时保存替代方案。

7.3 建立实时断电报警系统

• 培养箱接入远程监控平台；

• 一旦断电立即通过短信或APP通知实验负责人；

• 某些设备还支持自动记录断电开始与恢复时间，利于溯源。

八、未来发展方向与改进建议

1. 智能自救机制：培养箱具备内置蓄电池，至少可维持核心参数2小时；

2. 远程样品保护操作：如远程气体补充、温度维持模块；

3. 环境参数“缓降”算法：模拟生理温度下降，减少细胞应激；

4. AI分析模型：结合断电时间、样品类型，智能判断是否建议报废；

5. 冷链接力平台：与低温保存设备无缝切换，保障生物材料连续保存。

九、结论

二氧化碳培养箱突发断电事件对实验样品构成显著威胁。温度骤降、CO₂消失、湿度降低将严重干扰细胞与微生物的生理状态。科学有效的样品处理策略，不仅可最大限度降低实验损失，还能提升实验室管理的规范性与风险抵御能力。

当前，应对断电事件的关键在于：

• 快速响应；

• 科学评估；

• 分级处理；

• 完善记录；

• 持续改进设备与制度。

未来，在设备智能化发展与实验室数字化管理的推动下，断电不再是不可控的意外，而是可预警、可应对、可溯源的系统性风险之一。