华西生物样本库低温储存系统安全管理

王亚曦，杨宗泽，谭维维，席佳蕾，胡迅，黄伟，徐艳

·生物样本库建设·

华西生物样本库低温储存系统安全管理

王亚曦，杨宗泽，谭维维，席佳蕾，胡迅，黄伟，徐艳

610041 成都，四川大学华西医院临床研究管理部生物样本库/国家老年疾病临床医学研究中心

转化医学和精准医学的快速发展带来了大量的生物样本资源需求，也促进了生物样本库的高速发展[1-2]。高质量的生物样本是基础和临床研究的重要来源，也是实现转化医学与精准医学的物质基础[3]。生物样本库建设及管理过程中的规范化、标准化日益受到重视，其中，安全管理是样本库常规工作能够正常运行并为研究者提供高质量样本的最基本保障，涉及样本库工作的各个层面及所有流程。四川大学华西生物样本库（以下简称“华西样本库”）于 2009 年正式运行，建成空间 2000 m2，现有专职人员 19 名、科研助理 2 名。华西样本库现阶段已配备超低温冰箱 72 台及大型气相液氮系统，样本低温储存能力可达 1000 万份。华西样本库建库以来获得多项国家专项经费的支持，与全国各大样本库联合建立中国人类遗传资源样本库建设标准、质控体系和共享服务机制；发挥自身优势，在西部地区牵头建立有区域特色的、统一规范的实体样本库集群；为多项科研项目的开展及高影响力 SCI 论文的发表提供了大量高质量的样本。本文将结合华西样本库的实际工作经验，针对生物样本库的“心脏”——低温储存系统的安全管理进行探讨。

1 安全设计

样本库的建设、运行及维护都需要耗费巨大的财力，在建库之初就应设计、优化建库模式。《GB/T 37864-2019/ISO 20387: 2018 生物样本库质量和能力通用要求》从环境条件、设备管理及人员管理各方面均提出了相应的安全要求[4]。低温储存系统的安全设计应遵循通用安全设计的基本原则，同时根据不同系统的特色展开。

1.1 通用安全设计

1.1.1 承重 样本库的低温储存设备多数是大型设备，工作区域承重能力一般不能低于 1 t/m2[5]，而一些常用设备

自重加上满载样本的冻存架后单体重量可能接近甚至超过 1 吨，表 1 中分别列举了某个型号的–86 ℃超低温冰箱及气相液氮罐进行说明。华西样本库的样本储存区位于建筑的第2 层，因此在建设之初就充分考虑承重问题并进行了楼板加固。若在建设初期未加固楼板，后期可通过增加散力承重架法、碳纤维加固法和植筋法等常用的方式来进行楼板补救加固。通常简便易行的方法是制作散力承重支架，通过扩大仪器设备与楼板的接触面积来将楼板的集中受力转换为分散受力，从而满足楼板承重的设计需求[6]。

1.1.2 电力设施 超低温冰箱目前仍是多数生物样本库常规使用的重要储存设备，应保证足够的电力负荷能力以满足样本库建设及发展的需求。超低温冰箱等重要设备应使用单独回路配电[7]，避免因一台设备故障而引起整条电路设备的瘫痪。发生停电或电路故障等情况时，应自动启用备用供电设备，华西医院即配备柴油发电机以保障样本库储存设备的正常运行。样本库还应配备不间断电源（UPS），UPS 能有效地几乎瞬间实现电源间的自动切换，从而能在断电后到备用发电机启用这一过渡期提供持续的电力[8]。同时，在电路铺设前应多方考量，包括插座及线路需有一定的离地高度并应增加插座防水盖等细节。

表 1 华西样本库部分–86 ℃超低温冰箱及气相液氮罐承重详表

1.1.3 视频监控系统 24 小时视频监控能实时监控并记录人员活动情况以及设备状况，监控系统硬盘容量建议至少可存储 30 天的视频录像。华西样本库目前采用视频监控系统实现了气相液氮系统的全方位监控，包括储存区及储存区外的卧式液氮储罐（液氮塔）均在监控范围，如图 1 所示。

1.1.4 消防设施 样本库应配备完善的消防设施，包括张贴消防标识牌、警示牌、消防通道指示标识、安全出路指示灯箱、应急疏散图，设置应急灯、安全防火门、消防栓、消防斧头、灭火器、烟雾传感器、喷淋系统等，如图 2 所示。而消防设施的配备应充分考虑不同设备区域的特点，如气相液氮区禁止使用喷淋灭火器，建议使用干粉灭火器[9]；冰箱区则建议配备非腐蚀性灭火器，因为干粉具有一定程度的腐蚀性，可对冰箱的压缩机造成损害。

1.1.5 防护用具 为防止样本存取时发生人员冻伤，样本库应配备齐全的个人防护用品，包括：防护面罩、护目镜、长袖工作服、束腿裤、闭趾鞋、耐低温围裙以及耐低温手套，如图 3 所示。

图 1 华西生物样本库视频监控系统

图 2 华西生物样本库消防疏散示意图

1.2 有热源低温储存系统安全设计

样本库的有热源低温储存设备主要为超低温冰箱。安全设计主要考虑环境温湿度以及对压缩机的保护，同时应配备冷链监控系统。

1.2.1 温湿度 冰箱区总体温度宜控制在 15 ~ 25 ℃，湿度应控制在 40% ~ 60%[10]，不同品牌冰箱对环境温湿度的要求是不同的，环境温度过低会导致排水管道冻结，温度过高会使冰箱压缩机超负荷运转，增加能耗的同时也降低了压缩机的使用寿命，还会降低冰箱的冷却性能。华西样本库在低温储存区配备了通风及制冷系统（中央空调及立式空调），空调位置的排布根据冰箱的分布而定。

1.2.2 冷链监控系统 每台超低温冰箱均安装温度探头，实时采集温度，发射并存储在服务器或者云平台，可随时通过手机或电脑远程登录系统查看冰箱的运行状态；当温度超过所设定阈值时系统将启动声光报警，同时向设定的联系人通过邮件、短信、微信、电话等形式发送报警信息，以便样本库工作人员能及时反应并做出相应的处理。冷链监控系统可自行设置人员帐号及权限，防止软件被改动并产生无效结果[4]。

图 3 华西生物样本库个人防护用具

1.3 无热源低温储存系统安全设计

需长期保藏的样本使用液氮是最为有效的储存方式，华西样本库使用的无热源低温储存设备为气相液氮系统。气相液氮系统的安全设计主要考虑空气湿度、地板、通风以及远程监控系统。

1.3.1 湿度 气相液氮系统储存区的空气湿度应严格控制在 40% 左右[10]。较高的湿度可造成气相液氮罐表面形成冷凝水，易滋生细菌及真菌，影响样本库人员的健康及样本质量，应做必要的除湿措施，可通过增设除湿机等方式解决。

1.3.2 地板 气相液氮区地板不应使用乙烯基瓷砖，一旦液氮溅至地面，将会导致瓷砖爆裂[7]，建议选用PVC 材质。样本取用过程地面常会出现水渍，气相液氮系统灌注后，罐口结霜融化也会导致地面积水，应对地面增加防滑设施。

1.3.3 通风 常压下，液氮在–196 ℃沸腾，汽化比为 1:696，氮气含量的不断增加，导致液氮区的氧浓度下降，进而可能导致该区域工作人员呼吸困难甚至窒息[9-11]。为确保人员安全，气相液氮区应保证良好的通风条件。华西样本库配备了自动换风系统，每 2 小时自动换风一次（换风频率可自行设定）；同时，配备氧浓度监控系统，在气相液氮区多点布设氧浓度监测探头，一旦超过设定阈值立即同时启动声光报警及换风系统，以确保人员的安全。未配备氧浓度监控系统的样本库可配备便携式氧浓度传感器，进入液氮区的工作人员可随身携带[12]。图 4 为华西样本库氧浓度监控系统界面，界面显示了气相液氮区中布设的每个氧浓度探头所监测到的实时氧浓度值以及历史报警记录。

1.3.4 温度及液位远程监控系统 加设温度及液位传感器来测定罐体内的温度及液位值，可直接读取气相液氮罐控制器的液位和温度值，同时可实时远程查看相关数据。当温度或液位超过设定阈值时，系统会通过短信、邮件或者电话等方式来告知工作人员，便于工作人员及时响应并处理问题。

2 安全管理

生物样本库低温储存设备的安全管理包括人员安全管理、日常安全管理以及应急管理。华西样本库已参照《GB/ T 37864-2019/ ISO 20387: 2018 生物样本库质量和能力通用要求》中资源要求的内容修正并完善了安全管理各个环节[4]。

2.1 人员安全管理

2.1.1 岗位责任制 样本库应设置安全负责人、空间及设备管理员，并且签订责任书，将责任落实到具体岗位的工作人员。

2.1.2 安全培训 新进人员入室前应参加生物安全及消防安全培训，合格者方可入室。入室后应接受相关岗位的专业培训，培训内容包括生物样本库相关伦理法规，仪器设备的使用、维护及应急故障处置，防护用具的使用，人员受伤的应急处置等，培训合格并签订保密协议方可在相应岗位工作。

2.1.3 权限管理 华西样本库目前使用门禁卡授权准入制度，后续会启用人脸识别和刷卡一体闸机。样本库应设置专员定期审核和更新访问权限，删除不再需要访问的人员权限[12]。

2.1.4 特殊岗位管理 对于特殊岗位的工作人员应取得相关岗位资质后方可正式工作，例如操作压力容器（气相液氮系统液氮储罐、液氮塔）的工作人员须经过质量技术监督部门的培训考核，取得特种设备作业人员证后方可作业。

2.2 日常管理

2.2.1 检查及记录 样本库应设置轮值制度，值日人员定时巡检消防安全、仪器设备运行状态并做好相关记录。华西样本库现采用了监控系统电子记录以及人工纸质记录同时监测仪器运行状态，保证数据的真实性及完整性。

2.2.2 设备安全管理 样本库应建立完整的设备档案，包括设备安装、调试、验收、安全操作、运输、储存、故障、维修、计划性维护和报废，必要时还应包括校准记录[4]。设备的重要参数有调整时应及时组织相关仪器使用人员参加培训。设备状态有所改变时，应及时张贴标识（如：未启用/正在使用/备用/故障待修/报废）。样本库应制定以操作人员为主，对设备以保养为主、保修并重、强制维修的维护保养计划，严格执行维保计划并出具相关设备的运行及维护报告，用于存档。表 2 所列举的为华西样本库制定的–80 ℃超低温冰箱及气相液氮系统的维护计划。

图 4 华西生物样本库氧浓度监控系统

表 2 华西生物样本库超低温冰箱及气相液氮系统维护计划表

2.3 应急管理

生物样本库应建立一套完整的安全应急预案，做好危险源与风险分析，制定完整的应急处置措施，充分考虑到停电、电力故障、设备故障、火灾、地震等一系列可能发生的事故的应急处置及灾后重建[4]。

2.3.1 应急通讯录 完整并实时更新的应急通讯录能保障在遇到突发情况时，及时有效地通知并调度人员处理紧急情况。通讯录人员应包括生物样本库工作人员、设备管理员、样本所属项目负责人、医院安全保卫部及基建运行科人员、设备售后人员及工程师、紧急用品（干冰、液氮、移动发电机、发电机燃料）供货商等。生物样本库安全负责人手机保持 24 小时开机，保证应急处理工作的信息畅通。

2.3.2 备用空间及设备 低温储存设备故障时大都需进行样本的转移，所以要保证样本库有足够的备用储存空间，并且要保证备用设备的正常运行。在气相液氮系统储存样本时，备用的空间容量应达总容量的 1.5% ~ 3%，在超低温冰箱存储样本时，备用的空间容量应达冰箱总容量的 10%[13]。对于有条件的样本库应该做好储存设备和样本的异地备份（建议至少距样本库 8 km），避免区域化的灾害事故导致设备及样本的毁灭性损失[12-15]。

2.3.3 电力故障应急处置 生物样本库比较常见的电力问题就是停电。发生停电或电路故障等情况时，应自动启用备用供电设备。

2.3.4 低温储存设备故障 华西样本库制定了《超低温冰箱故障快查表》及《气相液氮系统故障快查表》，具体内容涉及了现有设备可能出现的故障、故障原因及处置办法，可帮助工作人员在发现故障时及时并正确地找到应急对策。故障设备内样本转移至备用设备后，应及时在样本库信息管理系统更新样本的位置信息，并做好记录说明。

2.3.5 火灾 样本库工作人员应定期参加消防安全培训以及消防演练，增强消防安全意识。在发生火势较小事故时，应立即就近选取可用的消防器材进行扑救，阻止火势的蔓延，并及时上报有关部门，并对灾后的设备设施进行全方面检查。火情较大时，应立即组织人员撤离，并封锁现场，第一时间通知上级部门以及消防部门，报告起火部位、燃烧物质、火势大小及蔓延方向。待消防部门扑灭明火，确认现场安全后，样本库工作人员应立即检查设备及设施的情况，必要时做好样本转移工作。

2.3.6 地震 生物样本库应制定完整的地震应急预案。本着人员安全第一位的原则，一旦发生震感较为明显的地震，所有人员应马上撤离，直到地震结束。地震应急工作的重点是事故发生后系统状况是否正常的判断和恢复。震后，在确认楼层结构安全后，方可进入样本库进行安全性排查。超低温冰箱区主要排查震后设备是否正常运行。气相液氮系统区因涉及液氮储罐、样本储罐以及液氮管路，发生震级较大的地震后极有可能破坏液氮管路的完整性，造成液氮的泄漏。首先，重点检查液氮管路的完整性及液氮储罐、样本储罐运行情况；其次，观察液氮罐是否有位移，是否与周边有碰撞，如有此现象，需做好记录，在后续的使用中进行重点监控和性能确认；最后，还需对样本储罐的电气以及数据传输部分进行检查确认。在华西样本库的气相液氮区建成之后，经历了较严重的 2017 年九寨沟 7.0 级地震以及 2019 年宜宾 6.0 级地震，在地震发生后的第一时间内，应急小组迅速做出反应，第一时间联系值班人员了解现场情况，同时安全负责人在 20 分钟内到达现场进一步确认样本库设备及样本的安全。

2.3.7 洪涝 华西样本库样本储存区位于建筑的二层，洪水危害的可能性较小，位于建筑物底层的卧式液氮储罐则有此类风险。在发生洪水危害时，应立即联系相关部门做好泄洪处理，在洪水退去后应及时联系设备售后维护人员来检查液氮储罐的情况。

3 结语

低温储存设备的安全管理是生物样本库能够合理、高效运转，为科研工作者提供高质量样本，产出高水平成果的重要保证。生物样本库应重视低温储存设备的安全管理，在建设之初就应完善安全设计，在通用安全设计和低温储存系统的安全设计上寻求优化的建库模式，在实际运行中不断完善安全管理规范，建立完备的应急体系，保证生物样本库在运营和管理中有效避免安全事故的发生。

[1] Leng J, Wu YQ. Building of biobank and its application situation and countermeasure. J Medi Inform, 2018, 39(9):54-58. (in Chinese)

冷静, 吴亚琴. 生物样本库建设与应用现状及其对策. 医学信息学杂志, 2018, 39(9):54-58.

[2] Lu Y. Translational medicine and biobank. Chem Life, 2012, 32(3): 287-293. (in Chinese)

陆怡. 转化医学与生物样本库现状. 生命的化学, 2012, 32(3):287- 293.

[3] Gao HJ, Du LL, Zhang XY, et al. Status, opportunities and challenges of biobanks. Med J Peking Union Med Coll Hosp, 2018, 9(2):172-176. (in Chinese)

郜恒骏, 杜莉利, 张小燕, 等. 生物样本库发展的现状、机遇与挑战. 协和医学杂志, 2018, 9(2):172-176.

[4] State Administration of Market Supervision, China National Standardization Management Committee. GB/T 37864-2019 General requirements of quality and competence for biobank. Beijing: Standards Press of China, 2019. (in Chinese)

国家市场监督管理总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 37864-2019 生物样本库质量和能力通用要求. 北京: 中国标准出版社, 2019.

[5] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of People 's Republic of China. GB 50346-2011 Architcctural and technical code for biosafcty laboratorie. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012. (in Chinese)

中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 50346-2011 生物安全实验室建筑技术规范. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[6] Li YD. Load bearing and reinforcement calculation in the design of communication room. Telecommunications Technol, 2018, (4):61-62. (in Chinese)

李耀东. 通信机房设计中的承重及加固计算. 电信技术, 2018, (4):61-62.

[7] Ge ML, Ding J, Hu Y, et al. Establishment and improvement of safety management system of biobank. Chin Med Biotechnol, 2018, 13(2): 185-188. (in Chinese)

葛美玲, 丁杰, 胡月, 等. 生物样本库安全管理体系的建立与完善. 中国医药生物技术, 2018, 13(2):185-188.

[8] Biobank Branch, China Medicinal Biotech Association. ISBER best practices: recommendations for repositories. 4th ed. Chin Med Biotechnol, 2018, 13(Suppl). (in Chinese)

中国医药生物技术协会组织生物样本库分会. ISBER最佳实践:适用于生物样本库. 4版. 中国医药生物技术, 2018 ,13(增刊).

[9] Cui MW. High standard construction of biobank. Chin J Fam Plann, 2016, 24(10):719-720. (in Chinese)

崔明文. 高标准建造生物样本库. 中国计划生育学杂志, 2016, 24(10):719-720.

[10] Gao HJ. China biobank: theories and practice. Beijing: Science Press, 2017. (in Chinese)

郜恒骏. 中国生物样本库: 理论与实践. 北京: 科学出版社, 2017.

[11] Yu YG, Zhou XX, Guo AH, et al, Safety management measures of biobank. Translational Med J, 2013, 2(2):103-105. (in Chinese)

余永国, 周学迅, 郭爱华, 等. 生物样本库的安全管理措施. 转化医学杂志, 2013, 2(2):103-105.

[12] Eng CB, Tan WL. Disaster prevention and recovery. Methods Mol Biol, 2019, 1897:31-41.

[13] Wang XM, Gao HJ. Exploration and practice of clinical biobank. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2017:41-43. (in Chinese)

王晓民, 郜恒骏. 临床生物样本库的探索与实践. 上海: 上海交通大学出版社, 2017:41-43.

[14] Williams RR, Gupta D, Yong WH. Orientation and training of new biobank personnel. Methods Mol Biol, 2019, 1897:51-62.

[15] Mintzer JL, Kronenthal CJ, Kelly V, et al. Preparedness for a natural disaster: how coriell planned for hurricane sandy. Biopreserv Biobank, 2013, 11(4):216-220.

四川省科技计划重点研发项目（2019YFS0039）；国家老年疾病临床研究中心（四川大学华西医院）立项资助课题（Z2018C02）

徐艳，Email：xuyan@wchscu.cn

2019-12-24

10.3969/j.issn.1673-713X.2020.04.002