文/Kerstin Hermut-Kleinschmidt
高效管理冰柜與樣本建議 // 實(shí)驗(yàn)室中最大的耗能設(shè)備是冰柜,需要為此付出的成本相當(dāng)高,采取合理化建議后,能夠降低該部分費(fèi)用;2018年,將會(huì)有一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室節(jié)能項(xiàng)目大競(jìng)賽。
實(shí)驗(yàn)室消耗資源巨大,尤其是電力能源系統(tǒng),其中,冰箱或冰柜占據(jù)較大比重;冰柜,尤其是老型號(hào)冰柜每天耗能比單戶住宅高出30千瓦時(shí)。同時(shí),實(shí)驗(yàn)室,特別是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的許多樣本必須在低溫下保存。在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中,能耗成本占據(jù)實(shí)驗(yàn)室總成本的5%左右,但是,如果采用一些非常簡(jiǎn)單的方法則能夠降低該筆費(fèi)用。
圖 樣品的儲(chǔ)存和冷卻需要大量能量,節(jié)能行業(yè)潛力巨大圖片來源:paul_burns - stock.adobe.com
出于節(jié)能減耗考慮,近幾年來,美國(guó)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)“冰箱挑戰(zhàn)賽”運(yùn)動(dòng),推廣“最佳實(shí)踐方法”、鼓勵(lì)模仿節(jié)能的最佳實(shí)踐方法。
2017年,由“我的綠色實(shí)驗(yàn)室”和“I2SL-國(guó)際可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)室”兩大組織在美國(guó)組織了一場(chǎng)“冰箱挑戰(zhàn)賽”;200多家實(shí)驗(yàn)室參與了該項(xiàng)節(jié)能挑戰(zhàn)賽、節(jié)約的電力能源大約270萬(wàn)千瓦時(shí)——相當(dāng)于減少二氧化碳排放1900噸。處置的廢棄樣本超過20萬(wàn)件,需要廢棄低效的冷凍機(jī),同時(shí),也需要避免購(gòu)買新的冷凍機(jī)。2017~2018年,該廠競(jìng)賽已成為國(guó)際性競(jìng)賽:來自世界各地的公共機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司實(shí)驗(yàn)室均參與到綠色實(shí)驗(yàn)室競(jìng)賽中,平衡自身的能源利用狀況并通過各種措施贏得獎(jiǎng)品。歐洲一級(jí)可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)Egnaton同樣積極支持該競(jìng)賽活動(dòng)。除獲得國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)外,歐洲的三大最佳實(shí)驗(yàn)室獲得了Egnaton歐洲實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)獎(jiǎng)(參見本刊提示)。
通過冷凍設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)能夠節(jié)約12%至25%的電力能源,不僅在生態(tài)環(huán)境方面為實(shí)驗(yàn)室?guī)砹撕锰?,也在?jīng)濟(jì)上為實(shí)驗(yàn)室?guī)砹撕锰帲好绹?guó)每個(gè)冰箱的平均節(jié)約潛力高達(dá)280美元。
什么樣的冷凍設(shè)備管理方式最佳?首先,定期除霜有助于降低能耗、延長(zhǎng)冰柜和冰箱的使用壽命。冰箱、冰柜中的冰層能夠增加能源消耗10%至50%,制冷壓縮機(jī)必須更積極運(yùn)行才能保持冰箱設(shè)定的溫度,加重了壓縮機(jī)的工作負(fù)荷、縮短壓縮機(jī)使用壽命;在最糟糕的情況下,冰會(huì)損傷冰箱門,進(jìn)一步降低制冷能力,同樣危害到冰箱內(nèi)保存的樣本。
首先,應(yīng)定期檢查過濾灰塵過濾器,最好一個(gè)月檢查一次并進(jìn)行清潔,必要時(shí)更換濾芯。密封性能好的過濾器一方面需要防止空氣進(jìn)入冷凝器,從而避免從冷藏箱內(nèi)部空氣散發(fā)出去;其次,密封性能好的過濾器能夠避免將沉積的污垢送入冷凝器內(nèi)并積留。該層灰塵能夠阻礙高效散熱——冷凝器必須更加努力工作,從而消耗更多能源并縮短冷凝器的使用壽命。
其它節(jié)能措施同樣包括冰箱內(nèi)樣本庫(kù)存的盤點(diǎn)與良好的樣本分類管理方式。始終保持冰箱內(nèi)的存儲(chǔ)量是最新采集到的樣本能夠有效避免不必要的樣本占據(jù)冰箱內(nèi)空間。利用小型試管、微孔板或深孔板(高密度存儲(chǔ))等緊湊性樣本存儲(chǔ)方法也能確保最佳的空間利用率;最后,無論是Excel文件還是條形碼系統(tǒng),樣本庫(kù)存盤點(diǎn)都能夠幫助您快速確定樣本位置,既能夠節(jié)約時(shí)間也可以節(jié)省冰箱。因?yàn)?,每打開冰箱一分鐘,冰箱壓縮機(jī)就需要工作十分鐘來降溫,達(dá)到冰箱門開啟前設(shè)定的溫度。
許多樣本和試劑盒都要在零下80攝氏度的環(huán)境中存放。大多數(shù)蛋白質(zhì)、細(xì)菌、酵母和真菌能夠在-70攝氏度的環(huán)境中保存數(shù)年。試劑盒的生產(chǎn)廠家也建議在-70攝氏度的環(huán)境中保存某些試劑盒。根據(jù)冷凍設(shè)備的具體型號(hào),將溫度提高到-70攝氏度能夠節(jié)約高達(dá)40%的電力能源。許多大學(xué)已經(jīng)改變了冰箱溫度設(shè)置:例如,Boulder大學(xué)50%的冰箱能夠在-70攝氏度環(huán)境中工作;疾病控制和防治中心也因改變冰箱溫度而節(jié)約40%的電力能源;另外,無論是分子生物學(xué)還是蛋白質(zhì),許多種樣本都不一定必須在-70攝氏度環(huán)境中存放,只需-20攝氏度就足夠,尤其是只需短時(shí)間存放的樣本。正如標(biāo)準(zhǔn)的基因組DNA與核糖核酸RNA的穩(wěn)定性檢驗(yàn):在-20攝氏度和在-80攝氏度環(huán)境中保存的樣本檢驗(yàn)結(jié)果沒有區(qū)別。無論是在-20攝氏度還是在-80攝氏度環(huán)境,保存一個(gè)月的樣本RNA核糖核酸樣本均具有相同的穩(wěn)定性。該想法同樣適用于DNA檢測(cè):在上述兩個(gè)溫度環(huán)境中保存24個(gè)月的樣本具有相同的穩(wěn)定性。
按照傳統(tǒng)觀念,DNA基因樣本和RNA核糖核酸樣本需要在低溫環(huán)境中保存。多年來,新發(fā)明的方法能夠在室溫下保存DNA基因樣本與RNA核糖核酸樣本,例如,將DNA固化在特殊浸漬處理的纖維素卡片上,保存在特殊的專業(yè)基質(zhì)或保存在特殊的玻璃-金屬管中。將DNA保存在特殊浸漬處理的纖維素卡FTA上的方法非常簡(jiǎn)單、快捷。所謂的FTA就是經(jīng)過特殊處理的纖維素,能夠用來保存被測(cè)樣本,例如,血液、植物或細(xì)菌細(xì)胞。將它們滴在該纖維素卡片上,然后進(jìn)行干燥就能夠長(zhǎng)期存放。細(xì)胞表面開裂后,釋放的DNA能夠固定在纖維素基質(zhì)中??赡艹霈F(xiàn)的核酸酶不會(huì)因基質(zhì)保護(hù)層改變其性質(zhì),并且,存儲(chǔ)階段中的微生物生長(zhǎng)同樣受到抑制。據(jù)纖維素卡生產(chǎn)廠家GE Healthcare公司介紹:FTA卡的樣本保存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17年。在DNA分析時(shí),只需從整張纖維素卡上裁剪下一小塊就能夠按照常規(guī)洗脫方法檢查DNA,而洗脫出來的DNA能夠在后續(xù)的許多檢測(cè)試驗(yàn)中使用,例如,在PCR特異性DNA序列體外引物定向酶促擴(kuò)增法或SNP單核苷酸多態(tài)性基因型分型中使用;另一種方法采用源于自然界低濕休眠機(jī)制,例如,緩步動(dòng)物門(緩步類動(dòng)物)和鹽田蟹。這些動(dòng)物能夠在極度干旱的時(shí)期存活下來并幾乎完全干燥,一旦遇到水就能夠重新復(fù)活,保持原有的生命力。該存儲(chǔ)技術(shù)基于干燥過程中在DNA及RNA表面形成的一層熱穩(wěn)定玻璃狀保護(hù)層,從而,防止其在室溫下降解。需要存儲(chǔ)的被測(cè)樣本需要放置在Gentegra公司專門研發(fā)的特種化學(xué)基質(zhì)中,將DNA嵌入到“繭”中。Biomatrica公司研發(fā)生產(chǎn)的試劑盒則是將DNA封裝到一種被他們稱之為“收縮包裝膜”薄膜中,但是,在使用收縮包裝膜時(shí),被測(cè)樣本完全脫水并在存儲(chǔ)過程中絕對(duì)不能接觸水。在檢測(cè)分析這些脫水樣本時(shí),只需簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單加點(diǎn)水就可以:基質(zhì)遇水后即可溶解,釋放出DNA以及RNA,無需進(jìn)一步處理即可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析研究。在存儲(chǔ)RNA樣本時(shí),試劑盒中還需要存放一些RNA抑制劑。
DNA與RNA的保存方法由法國(guó)Imagene公司研發(fā)成功。該種方法能夠?qū)⒈粶y(cè)樣本送入外部有金屬套管的玻璃管中并進(jìn)行干燥并在絕對(duì)無水與無氧的條件下密封起來。該種方法能夠保證被保存的DNA和RNA絕不會(huì)受到大氣中潮氣影響而水解,也不會(huì)受到空氣中氧自由基的影響。這些方法除能夠減少能源消耗之外,所占用空間極少,樣本保存成本更低、安全性更高,在意外停電時(shí),保存在冰箱中的寶貴樣本不會(huì)受損。
最后,需要獲得能夠在室溫環(huán)境中保存分子生物學(xué)樣本的試劑與試劑盒套件。多年來,市場(chǎng)上就有名為RTG Bead產(chǎn)品,例如,該種試劑盒中具有適用于PCR聚合酶鏈反應(yīng)的全部試劑,除DNA模板和引物外,還有必不可少的、凍干形式的專用基質(zhì)。這些基質(zhì)以小球的形式存放于PCR聚合酶反應(yīng)試管中;使用時(shí),只需將一定量的水加入到模板和引物中就可以按照常規(guī)習(xí)慣的方法開始反應(yīng)與進(jìn)行下一步處理。
通過采取這些措施,可能會(huì)使現(xiàn)有的冰箱或冰柜多余,淘汰年代最久遠(yuǎn)的“耗電大戶”。手頭上有足夠的錢購(gòu)買新的冷凍設(shè)備嗎?理所當(dāng)然,需要注意能源利用效率。當(dāng)前較高的采購(gòu)成本可以通過長(zhǎng)期的節(jié)約電力能源得到補(bǔ)償。在評(píng)判是否節(jié)能時(shí)可以注意生產(chǎn)廠家給出的信息;因?yàn)?,到目前為止,只有美?guó)才能在高效節(jié)能型冰箱上加蓋“能源之星”封條。當(dāng)前,歐洲可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)制定了一整套可用于各種實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備(包括:制冷設(shè)備),降低可持續(xù)發(fā)展績(jī)效評(píng)估認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于大學(xué)來講,可以幾個(gè)系共用一個(gè)大型冰柜或冰箱;首先,因?yàn)榘凑諉挝荒芎挠?jì)算大型冷凍設(shè)備能源消耗比小型冷凍設(shè)備少;其次,占地面積要小;第三,降低平均到各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的采購(gòu)成本。
有些實(shí)驗(yàn)室采用其它節(jié)能措施,其中之一就是按照樣本存儲(chǔ)期限長(zhǎng)短將樣本分為長(zhǎng)期樣本和短期樣本并分別存放在不同的冷凍設(shè)備中,另一種措施需要在蛋白質(zhì)純化過程中采用。所有的色譜檢測(cè)過程不一定必須在低溫環(huán)境中進(jìn)行,許多蛋白質(zhì)在室溫環(huán)境中非常穩(wěn)定,能夠在室溫條件下純化。
總之,節(jié)約能源具有很多種可能性,但是,不是所有的節(jié)能措施都適用于每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)室,但是,其中的一些方法、樣本管理方法和儀器設(shè)備管理方法。徹底搞清楚自己實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況必然會(huì)在這方面或那方面給實(shí)驗(yàn)室?guī)砀倪M(jìn)和完善;在“冰箱挑戰(zhàn)賽”中,每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都需要有資格在2018年4月底前通過貫徹落實(shí)各種節(jié)能措施并成為最佳實(shí)踐榜樣,以贏得獎(jiǎng)金。 ■