基于冷链监控系统规划生物样本库的建设与管理

熊伟，黄玉钗

作者单位：430000 武汉，华中科技大学公共卫生学院环境与健康教育部重点实验室/国家环境保护环境与健康重点实验室（武汉）/省部共建国家重点实验室培育基地—湖北省环境卫生学重点实验室

疾病预防控制、临床诊治、基础医学和计算机管理的 有机结合已成为当今医学发展的重要趋势。2019年8月30日国家标准化管理委员会发布了《生物样本库质量和能力通用要求》（GB/T 37864-2019），对推动我国生物样本库的标准化构建和学科建设与发展具有重要的意义，也标志着国内生物样本库建设进入了全面实施标准化发展的新时代。

生物样本及相关数据和信息的采集、制备、保存、测试、分析和分发的合法实体称为生物样本库（biobank）[1]。生物样本对提升人类健康医疗水平和推动生物技术的发展具有重要的意义。生物样本的质量是科研水平及生物制品研发的基础保障，科学规范的实体样本库是样本得以安全有效保存的必要条件[2-4]。生物样本库的发展已不断趋向大型化、自动化、智能化和信息化。但是，国际上尚缺乏统一的建设标准[5]。近年来，我国生物样本库的建设备受重视，虽已建成多个实体库，但规划设计和管理模式各不相同。

-86 ℃ 超低温冰箱是国内外储存生物样本的常选设备[6]，对其所处环境进行系统化管理有助于提高样本保藏的质量和安全性。目前，有关 -86 ℃ 超低温冰箱存放基础设施、专用场地和环境建设，以及相关技术要求、布局、运行安全和冷链监控管理的研究报道不多，在应急管理方面尚缺少正式的应急预案、样本转移方案等[7]。我院通过 10 余年的努力，以约 300 台 -86 ℃ 超低温冰箱为主要保存设备，现已建成五个生物样本库，并探索出生物样本库的数字化监控与科学管理办法，为相关科研工作的可持续性发展奠定了重要基础。

本研究意在交流我院基于管理 -86 ℃ 超低温冰箱而建设生物样本库的实践经验，以期为我国生物样本库管理及其标准体系的建设提供参考。

1 环境建设与规划体系

生物样本库标准化体系的构建不仅需考虑样本、设备和人员配备这三大要素，还应科学规划生物样本库的基础设施、场地布局、低温保藏设备的安全监管和规范维护[8]。通过建立含门禁视频监控的安全管理技术体系，可实现生物样本库的标准化、信息化、安全化的管理。

生物样本库的基础设施、专用场地和环境应符合一定标准，既要便于保藏样本，又不易影响样本质量。在保障人员安全和样本数据质量的前提下，还应测量、监测、控制和记录生物样本的环境条件，制定应急预案，应对环境风险，确保生物样本库的正常运行。

根据样本特性，为保证其质量及安全，自样本的采集到其利用始终保持低温状态的全流程称为冷链[9]。生物样本取出、保藏运输以及存入样本库的各环节均应保证低温，这一低温操作流程即一条冷链。生物样本库的环境监控系统应覆盖整条冷链，对样本的采集、分放、归类、入库和出库等各环节实施监控。此外，保存生物样本的超低温冰箱等设备是否正常运行，低温冷藏设备运行环境参数（如温度、通风等）也应在监控范围内。

1.1 环境建设

目前国内建立的生物样本库大多类似于样本“库房”，只具备简单的存储功能[10]，往往忽视对生物样本库的环境建设、安全管理、冷链监控系统的要求。因此，全面加强对生物样本库环境的安全建设和科学管理十分必要。样本库建设必须首先对场地进行规划，并保障地面、通风系统、温湿度调节系统、电源配备、照明设施、清洁配套设施等基础设施配置齐全。

对于大部分生物样本库而言，适宜的环境温度为 15 ～ 22 ℃。为防止机械冷柜和冷冻机压缩机系统的负荷过大，避免机器过度磨损和过早出现故障，必须在生物样本库中配备功率足够的空气调节设备，以确保环境温度控制在限值范围，生物样本库内，尤其是低温保藏设备处，应保障充足的空气循环空间，防止多余的热量积聚，对压缩机的功能产生不利影响；应保证液氮和干冰使用区域具有良好的通风条件，以维持充足的氧气浓度。

1.2 设备布局

以 -86 ℃ 超低温冰箱为例，距离墙面或超低温冰箱彼此的最小间距为 20 cm，以方便开门取样及保证设备间有 足够的通风空间，每台设备实际占地面积约为 2.54 m2。合理布局可避免因压缩机系统在高温环境下运行负荷过大导致低温保藏设备损坏，从而延长设备使用年限；集中分散 放置的低温保藏设备并加以规范管理和维护，可节约空间和资源。

1.3 人员配备与责任

生物样本库的责任人必须切实履行管理工作职责，最好具备类似的管理经验，经培训考核通过后方可上岗。从事生物样本库的工作人员应具有中国医药生物技术协会组织生物样本库分会颁发的上岗证书。

1.4 低温保藏设备的选用

生物样本库设备的选择和使用，包括设备的状态都会对采集、接收、处理、储存、运输和检测的样本及相关信息的质量产生影响。根据生物样本库中保存的生物样本类型的不同，应该选择相应的设备，具体的保存设备如图 1 所示。对于组织蜡块切片样本采用常温保存或 -20 ℃ 低温冰箱保存；短期血液适用 4 ℃ 冰箱保存；保存血浆/DNA 等样本可选用 -40 ℃ 冰箱；如果要长期保存 DNA、血清、血浆和组织等样本，推荐 -86 ℃ 超低温冰箱（我院采用的主要保藏设备）；需要长期保存的 RNA、组织、细胞、蛋白等样本在条件允许的情况下可选用 -150 ℃ 超低温冰箱和 -190 ℃ 液氮罐。

1.5 环境参数的评估

生物样本库中应配置足够的空调和通风设施，以使机械制冷设备能达到其理想寿命。由于低温保藏设备运行时释放大量热量，在空调配置设计中，应在普通居家或一般库房用途估算空调负荷的基础上，增补设备运行散热所需的空调负荷。此外，还应结合地域的气象特点，对生物样本库的空调设计负荷进行概算，提出生物样本库应配套的空调配置参数和数量需求。

1.5.1 一般用途库房空调负荷的估算 一般用途库房的空调负荷受到楼层、窗户、墙体、照明装置及其他电器设备的影响，以库房单位空调负荷 100 W/m2计算，普通库房总负荷 W = S（房间面积）× 100。

1.5.2 冰箱散热所需空调负荷的估算 -86 ℃ 超低温冰箱正常运行时的平均输入功率为 1200 W。考虑设备在设 定工作温度下有开停机，是非持续的运行，其放热量拟按 1000 W/台计算。设备总负荷 W = n（设备台数）× 1000。 这部分热量将成为主要空调负荷。

综上，该设备间在设计房间温度下（32 ℃ 以下）正常运行时，空调总负荷 W =普通库房总负荷 + 设备总负荷。

2 冷链监控系统

环境因素可影响低温保藏设备的工作状态，从而间接影响生物样本质量，因此，需要通过建立冷链监控系统对生物样本库的温度、湿度等环境因素实施监控。传统环境监控模式下用户存在以下困扰，无法及时查看和分析冷链设备使用状况和性能、无法及时了解并解决冷链设备出现的温度波 动[11]，并可能由此造成样本损坏。环境监控的系统应尽量考虑到完整的冷链系统，并因地制宜、有所取舍地进行配置。对于从事样本长期保藏和处理的中心样本库，需尽量采用较为全面的环境监控措施，这种全方位的监控手段可保证某项监控出现故障时能及时发现并加以排除。

冷链监控解决方案如图 2。智能采集器通过局域网将采集的环境和设备温度数据传输至相应的中继器模块；客户端服务器则通过向中继器传输请求指令以接收中继器模块获取的温湿度数据；可以通过客户端软件查看、分析和处理接收到的温湿度数据。当冷链设备温度超过设定值，冷链监控系统将通过三种报警方式提醒指定管理人员：响声报警、手机短信报警、语音电话报警。在客户端可通过声音报警和信息滚动报警两种方式实现对超温信息的预警，客户端服务器也可同时将超温信息以短信的方式发送到指定的手机，或拨打固定电话进行语音报警。

通过已建立的冷链监控及监控报警系统对环境及超低温冰箱的温湿度数据自动分析，设定启动报警系统的温湿度阈值。数据异常监控报警系统以响声、短信和电话三种报警方式提醒指定管理人员。

通过已建立的冷链监控系统对低温保藏设备供电系统进行远程监控。一旦出现停电、跳闸、电源松脱等故障，局域网中继器模块接收并保存故障超低温冰箱的智能采集模块所采集的电源通、断数据，随后及时将异常数据通过短信 模块以短信和电话两种方式报警。

图2 冷链监控解决方案

通过已建成的冷链监控系统可远程监控样本库的环境，以确保生物样本库的湿度在 35% ～ 75% 范围。如生物样本环境湿度超出该范围时，冷链监控系统管理端的短信模块和电话本模块即以短信和电话两种方式报警，提醒管理人员开启除湿机。

通过对冷链设备温度超温短信报警和有线监控，让用户随时了解低温保藏设备的运行状况，保证样本的安全，真正实现全日无忧。此外，用冷链监控系统的报表统计分析功能可替代手工记录相关信息的方法，不仅降低了相关人力成本，还保证了管理数据的及时性和准确性。

3 安全监管系统

局域网已广泛用于各行各业共享软件或硬件资源，形成的多台计算机与设备设施的网络连接为实现生物样本库的远程实时监管起到了关键作用。安全监管系统充分利用了局域网的优势用于生物样本库的安全管理[12-14]。建立智能逻辑鉴权门禁功能、视频监控录像功能于一体的全数字化管理系统，在保障生物样本库设备设施安全的同时为全时段方便取样提供有效保障。采用授权进出可避免闲杂人员进入，保证设施设备和生物样本的安全，方便了授权用户全天 24 小时的随时取样，保障生物样本库低温保藏设备在适宜环境中在 24 小时监控下的运行，通过局域网安装视频监控摄像头以便管理人员远程查看生物样本库设备运行以及人员入库、出库情况，协助管理员监控在存取样品过程中是否有违规操作现象，为教学和科研工作保驾护航。

4 生物样本库的应急管理

4.1 配备应急供电装置

建立电源实时监控系统，及时通过短信/电话方式向用户报警设备因停电或插头插座松脱断电信息，由此降低影响生物样本保藏质量的风险。

对重要的冷链监控设备，如电脑应配备不间断应急电源，从而可确保在断电时能持续供电 15 ～ 30 min，从而降低监控设备因断电无法正常工作而影响保藏生物样本质量的风险。建议有条件的样本库配备双路供电系统，并能在停电时短期内自动启用线路切换供电；小规模生物样本库可配备用发电机在停电时作为替代电源，从而降低因长时间断电对样本库低温保藏设备的损坏及其对保存的生物样本质量的不利影响的风险。

4.2 制定样本转移应急预案

机械制冷保藏设备与公用电源系统相连，因此应当制定相关的备用电源计划和应急响应计划。保藏材料显著升温 的所需时长与材料的性质、机械制冷保藏设备中所保藏材料的温度（热负荷）、环境温度以及装置的设计和维护情况有关。机械制冷保藏设备必须配备低温保藏设备作为紧急设备，以便在设备出现故障和较长时间断电时及时转移设备中的样本。

应急处置预案要结合样本库的实际情况，样本库管理员需负责预案的制定和落实。制定预案时考虑各种可能的处理方案，以便紧急情况下选用。如考虑冰箱钥匙的存放位置、密码的设置，以及转运样本时需要的低温保藏设备如转运盒、冰袋等。应根据样本库的规模配置备用保藏设备，建议每 10 台超低温冰箱配备 1 台备用设备。以备某台超低温冰箱故障时有足够的空间应急转移样本。备用冰箱须全空保持正常运行状态，否则发生需要转移样本的情况再开机启用就来不及正常使用了。制定样本库低温保藏设备应急处置预案，最大程度降低样本安全风险。

结合已建立的远程自动报警系统，当停电或其他故障致冻存设备温度升到设定阈值时，此报警系统将发送短信和（或）电话通知管理人员，以便及时查看设备状态、查找故障原因，并根据实际情况判断是否转移样本，同时做好报警信息记录和生物样本转移信息记录，及时通知生物样本的负责人。事后及时对故障设备进行检修和维护。

5 小结

以冷链监控系统为主导，结合局域网技术实现对生物样本库的远程实时监控，不仅利于生物样本库的规范化、标准化的科学管理，而且对生物样本的安全性给予根本保障，尤其适于独立单元建设的生物样本库，可为生物样本的安全性和可持续性科学价值提供保障，同时也是培养高水平医学专业人才队伍，提升医疗卫生科研水平的战略储备的重要基础。