实验室设置和无菌技术精通：全球指南

在科学研究与开发领域，实验结果的完整性取决于两个基本支柱：适当的实验室设置和严格遵守无菌技术。本综合指南专为全球受众设计，提供了最佳实践和可操作的见解，以建立可靠且可重复的实验室环境，无论地理位置或研究重点如何。能够最大限度地减少污染和维持受控环境对于获得准确的数据、确保研究结果的有效性以及最终推进科学知识至关重要。

I. 实验室设置的基础原则

A. 位置和设计注意事项

实验室的位置和物理设计对其功能和对污染的敏感性有重大影响。理想情况下，实验室应位于人流量较低的区域，远离振动源、过度的噪音以及灰尘和花粉等潜在污染物。主要注意事项包括：

• 专用空间：分配一个专门用于实验室活动的专用房间或区域。这可以最大限度地减少与其他区域的交叉污染。
• 环境控制：实施措施来调节温度、湿度和通风。考虑在通风系统中安装 HEPA 过滤器以去除空气中的颗粒物。
• 表面材料：为工作台面、地板和墙壁选择无孔、易于清洁的表面。环氧树脂或不锈钢是工作表面的绝佳选择。
• 人体工程学：设计实验室布局以促进人体工程学实践，最大限度地减少研究人员的劳损和不适。可调节高度的工作站、舒适的座椅和适当的照明至关重要。
• 废物处理：建立一个专门的废物处理系统，该系统符合当地和国际关于危险和非危险材料的法规。颜色编码的垃圾箱和适当的标签至关重要。
• 应急设备：确保应急设备易于取用，包括洗眼器、安全淋浴器、灭火器和急救箱。定期检查和维护此设备。

示例：日本东京一家以其一丝不苟的方法而闻名的分子生物学实验室，可能会设立一个仅用于 PCR 准备的独立房间，以避免扩增 DNA 的污染。该实验室可能会采用正压系统，以确保空气从房间流出，进一步降低污染风险。

B. 基本设备和仪器

设备齐全的实验室对于高效准确地进行实验至关重要。核心设备包括：

• 高压灭菌器：用于通过高压蒸汽灭菌设备和培养基。正确的验证和定期维护至关重要。
• 培养箱：用于维持细胞培养和微生物生长的受控温度和湿度条件。
• 显微镜：用于观察显微样本。根据研究需求选择适当的放大倍数和照明选项。
• 离心机：用于根据密度分离混合物的组分。根据您的应用选择具有适当速度和容量的型号。
• 移液器和分液器：用于精确的液体处理。定期校准和维护移液器以确保精度。
• 分光光度计：用于测量样品的光吸收和透射率。用于定量 DNA、RNA 和蛋白质。
• 层流罩/生物安全柜：用于提供无菌工作环境。正确使用和定期认证至关重要。
• 冰箱和冰柜：用于在适当的温度下储存样品和试剂。定期监测温度并维护库存记录。

示例：瑞士日内瓦的细胞培养设施通常会有多个培养箱，每个培养箱专门用于特定的细胞系或实验条件。这些培养箱经过一丝不苟的监测和验证，以确保一致的温度、湿度和 CO2 水平，这对于细胞活力和可重复性至关重要。

C. 实验室安全法规和规程

遵守安全法规对于保护研究人员和环境至关重要。全面的安全计划的关键要素包括：

• 生物安全等级 (BSL)：了解并遵守所进行研究类型的适当 BSL。BSL 从 BSL-1（最低风险）到 BSL-4（高风险）。
• 个人防护装备 (PPE)：提供并强制使用适当的 PPE，包括实验服、手套、眼部防护和呼吸器。
• 化学品安全规程：制定并实施全面的化学品安全规程，解决化学品危害、处理程序、储存要求和泄漏响应规程。
• 危害沟通：确保化学品正确标记并提供易于访问的安全数据表 (SDS)。
• 应急程序：制定明确的泄漏、事故和其他潜在危害的应急程序。定期进行演习以确保准备就绪。
• 培训和教育：为所有实验室人员提供有关安全法规、程序和设备使用的全面培训。

示例：新加坡一家从事传染性病原体研究的实验室必须严格遵守国家传染病中心 (NCID) 和其他相关监管机构制定的指南。这些指南规定了特定的遏制措施、废物处理规程和人员培训要求。

II. 精通无菌技术：无菌术的艺术

A. 无菌技术原则

无菌技术，也称为无菌操作，旨在防止培养物、培养基和其他材料被不需要的微生物污染。核心原则包括：

• 灭菌：使用高压灭菌、过滤或化学灭菌等方法消除设备、培养基和其他材料中的所有微生物。
• 消毒：使用消毒剂减少表面和设备上的微生物数量。
• 手部卫生：在处理无菌材料之前和之后，用肥皂和水彻底洗手或使用酒精基手部消毒剂。
• 在无菌环境中工作：在层流罩或生物安全柜中进行操作，以最大限度地减少空气传播的污染。
• 使用无菌设备和用品：仅使用无菌移液器、试管、烧瓶和其他材料。
• 最大限度地减少暴露于空气：限制无菌材料暴露于空气的时间。
• 正确处理无菌材料：避免用非无菌物品接触无菌表面。

示例：阿根廷布宜诺斯艾利斯的一名科研人员在为一项实验准备细胞培养物时，会仔细洗手、戴手套，并在经过适当消毒的层流罩内进行操作。他们还将使用无菌移液器和培养基以防止污染。

B. 灭菌方法：高压灭菌、过滤和化学灭菌

不同的灭菌方法适用于不同的材料和应用：

• 高压灭菌：使用高压蒸汽杀死微生物。适用于对热稳定的设备、培养基和溶液的灭菌。标准条件为 121°C (250°F)，15 psi，15-30 分钟。
• 过滤：使用孔径足够小的过滤器来捕获微生物。适用于热敏液体和气体的灭菌。通常使用孔径为 0.22 μm 的过滤器。
• 化学灭菌：使用化学剂杀死微生物。例如，环氧乙烷气体灭菌（用于热敏设备）和液体消毒剂，如漂白剂或乙醇（用于表面消毒）。

示例：印度孟买的一家制药公司使用高压灭菌器对用于疫苗生产的大量培养基进行灭菌。对高压灭菌器性能的定期验证对于确保培养基的无菌性至关重要。

C. 在层流罩和生物安全柜中工作

层流罩和生物安全柜通过过滤空气并以层流方式引导空气，提供无菌工作环境。有两种主要类型：

• 层流罩：通过提供无菌气流来保护产品免受污染。水平层流罩将气流导向用户，而垂直层流罩将气流导向工作台面。
• 生物安全柜 (BSC)：保护产品和用户免受有害生物制剂的侵害。BSC 根据其保护级别分为三类（I 类、II 类和 III 类）。II 类 BSC 是研究实验室中最常见的类型。

层流罩和生物安全柜的正确使用：

• 准备罩：每次使用前后用 70% 乙醇清洁工作台面。
• 让气流稳定：在使用前 15-30 分钟打开罩，让气流稳定。
• 正确排列材料：将材料按逻辑顺序放置在罩内，以尽量减少伸手去拿无菌物品。
• 在气流中工作：避免通过快速移动或堵塞通风口来干扰气流。
• 使用正确的技术：在罩内处理材料时使用无菌技术。

示例：澳大利亚墨尔本的一家病毒学实验室在处理病毒培养物时使用 II 类生物安全柜，以保护研究人员和环境免受潜在感染。对 BSC 的定期认证可确保其正常运行和遏制。

D. 细胞培养无菌操作的最佳实践

在细胞培养中保持无菌状态对于获得可靠的结果至关重要。主要实践包括：

• 使用无菌培养基和补充剂：购买市售无菌培养基和补充剂或通过过滤进行灭菌。
• 使用无菌塑料制品：仅使用无菌细胞培养烧瓶、培养皿和移液器。
• 在层流罩中工作：在层流罩内进行所有细胞培养操作。
• 使用抗生素（谨慎使用）：抗生素可以帮助防止细菌污染，但也会掩盖潜在问题并选择耐药菌株。谨慎使用它们。
• 定期监测培养物：目视检查培养物是否有污染迹象（例如，浑浊、pH 值变化）。
• 隔离新细胞系：隔离新细胞系，直到对其进行支原体和其他污染物的测试。

示例：美国波士顿一家从事再生医学研究的生物医学工程实验室，将实施严格的无菌规程，包括常规的支原体检测，并且仅在绝对必要时使用抗生素。这确保了其研究中使用的细胞培养物的完整性和可靠性。

E. PCR 污染控制策略

聚合酶链式反应 (PCR) 由于 DNA 的指数级扩增而极易受到污染。有效的污染控制策略包括：

• 物理隔离：将 PCR 前和 PCR 后活动分成不同的房间或区域。
• 专用设备：为 PCR 前和 PCR 后活动使用单独的移液器、试剂和设备。
• 使用过滤移液器吸头：使用带过滤器的移液器吸头，以防止气溶胶污染移液器。
• 紫外线照射：使用紫外线照射对表面和试剂进行消毒。
• DNase 处理：用 DNase 处理试剂以降解污染物 DNA。
• 阴性对照：在每次 PCR 运行中包含阴性对照以检测污染。

示例：英国伦敦一家分析犯罪现场样本的法医 DNA 实验室将严格遵守这些污染控制策略。这有助于避免假阳性，并确保用于刑事调查的 DNA 证据的可靠性。

III. 常见污染问题的故障排除

A. 识别污染源

发生污染时，识别污染源对于实施有效的纠正措施至关重要。常见的污染源包括：

• 空气传播污染：灰尘、花粉和其他空气中的颗粒物会携带微生物。
• 受污染的设备：消毒或消毒不当的设备会滋生微生物。
• 受污染的试剂：受污染的培养基、溶液或其他试剂会引入微生物。
• 人为错误：不当的技术或未能遵循无菌程序可能导致污染。

故障排除步骤：

• 检查培养基和试剂：目视检查培养基和试剂是否有浑浊或其他污染迹象。
• 检查设备无菌性：验证高压灭菌器和其他灭菌设备是否正常运行。
• 审查程序：审查无菌技术程序，以识别任何潜在的错误。
• 监测环境：使用空气采样器或沉降平板监测空气中的微生物污染。

B. 实施纠正措施

一旦确定了污染源，请实施适当的纠正措施：

• 更换受污染的材料：丢弃并更换任何受污染的培养基、试剂或耗材。
• 重新对设备进行灭菌：对可能被污染的任何设备重新进行灭菌。
• 改进无菌技术：加强无菌技术程序，并在必要时提供额外的培训。
• 改进环境控制：实施措施以改善空气质量并降低灰尘水平。
• 定期清洁和消毒：制定实验室定期的清洁和消毒计划。

C. 防止污染复发

为防止污染复发，请实施一项全面的预防计划，其中包括：

• 定期监测：定期监测实验室环境和设备是否存在污染。
• 预防性维护：对设备进行定期维护，以确保其正常运行。
• 标准操作规程 (SOP)：制定并实施所有实验室程序的 SOP。
• 培训和教育：为实验室人员提供有关无菌技术和污染控制的持续培训和教育。
• 质量控制：实施质量控制计划以监测污染控制措施的有效性。

示例：韩国首尔一家干细胞疗法开发实验室的细胞培养物发生了一次污染爆发。经调查发现，一批血清受到污染。该实验室立即隔离并丢弃了所有受影响的细胞系和血清批次，对所有培养箱和设备进行了重新灭菌，并对所有进样血清实施了更严格的质量控制测试。他们还重新培训了所有人员掌握正确的无菌技术，以防止未来发生爆发。

IV. 全球标准和资源

A. 国际组织和指南

一些国际组织为实验室设置和无菌技术提供指南和标准：

• 世界卫生组织 (WHO)：提供实验室生物安全和生物安保指南。
• 疾病控制与预防中心 (CDC)：提供有关实验室安全和感染控制的资源和指南。
• 国际标准化组织 (ISO)：制定了测试和校准实验室能力标准。
• 美国国立卫生研究院 (NIH)：为涉及重组 DNA 分子的研究提供指南。

B. 法规遵从和认证

根据进行的研究类型，实验室可能需要遵守法规遵从要求和认证标准：

• 良好实验室规范 (GLP)：一套旨在确保非临床安全研究的质量和完整性的原则。
• 良好生产规范 (GMP)：一套管理药品、医疗器械和其他产品生产的法规。
• ISO 17025：测试和校准实验室能力的国际标准。

C. 开放获取资源和培训计划

有许多开放获取资源和培训计划可用于提高实验室技能和知识：

• 在线课程：Coursera、edX 和 FutureLearn 等平台提供实验室技术和生物安全课程。
• 网络研讨会和工作坊：许多组织提供关于特定实验室主题的网络研讨会和工作坊。
• 科学出版物：查阅科学期刊和数据库，以了解最新的研究和最佳实践。
• 实验室手册：利用实验室手册获取详细的规程和程序。

V. 结论：确保实验室实践的卓越

掌握实验室设置和无菌技术是一个持续的过程，需要奉献精神、对细节的关注和持续改进的承诺。通过遵循本指南中概述的原则和最佳实践，全球研究人员可以建立可靠且可重复的实验室环境，最大限度地减少污染风险，并确保其实验结果的完整性。随着科学知识的不断发展，实验室必须始终处于最佳实践的前沿，以促进创新和发现，最终为更健康、更可持续的世界做出贡献。

本指南为全球实验室奠定了基础。请务必遵守有关实验室安全、废物处理和道德研究实践的所有当地、区域和国家法规。请记住，一致地应用无菌技术和主动进行污染控制是可靠且可重复的科学研究的基石。