混沌若教休凿窍-细胞冻存管外形尺寸差异在不同应用模式下对温控性能的影响-上篇

       60多年前，德国eppendorf公司采用聚丙烯材料为小体积样品实验开发出名为“Eppi”的1.5mL锥形管，大幅减少了实验试剂和珍贵样品的用量。而BD公司则推出了Falcon 50mL、15mL锥形离心管用于培养细胞的离心收集。此后，eppendorf管、Falcon管在离心机产品应用服务和实验人员中成为1.5mL、15mL、50mL锥形管代名词（synonym）。

       有技术图纸资料，人们就能准确、完整了解eppendorf管、Falcon 15mL离心管的外形尺寸、可耐受RCF上限、离心适用转头、冻存管盒兼容性、所适用灭菌方法等与使用有关的全部技术细节。

       细胞冻存管在原代细胞、传代细胞、干细胞等生命科学实验材料低温存储中广泛使用。

       冻存管的管盖有内旋（Internal Thread）、外旋（External Thread）盖之分，管底有平底、尖底之别。星型支脚或裙边可使管在水平台面自立（Self-Standing），无支脚圆底管无法自立。再叠加管壁手书写区或条码与管底二维码样品信息标记功能，基本可以勾勒出常见0.5 –5.0mL细胞冻存管的轮廓来。

       通常，细胞冻存管会标明管额定容量大小，管身与管盖的制造材质、硅橡胶密封垫设置、适用样品储存温度、成品所用灭菌工艺及销售包装规格等基础信息。资料表明，不同品牌冻存管的这类定性指标和描述如出一辙。

       但除管标称容量（nominal capacity，即管身外部最大刻度线标示的容量）外，冻存管外形尺寸，如管身外径与长度、管盖直径、管总长度等量化控制指标，不仅不同品牌产品间有差异，即便同一品牌相同容量而货号不同，管身粗细、长度也不完全一致。可惜，冻存管外形尺寸等量化控制指标在现有商品描述信息中缺失情形普遍存在，目前难以掌握市面各容量冻存管外形尺寸数据。但凭仅有的一点资料，依然可以看出一些端倪。

如标称容量为1mL的细胞冻存管，管外径（注：含管盖、管身在内，取其大者）的跨度为8.8-13.5mm，而管长度（注：通常为管盖旋紧后的总工作长度）更是差出一大截，达到了17.1mm（见表1）。

       产品规格制式繁杂，会增加生产管理各环节的成本和负担。目前多种外形规格尺寸并存的体系，是厂商历史沿革、生产工艺（如热塑模具结构、冻存管形状设计与加工成型条件不同造成冻存管制件实际尺寸与设计规格的偏差）与特定国际规范塑造的结果。

表1. 部分品牌1.0mL冻存管尺寸规格举隅

       8.8mm、12.5mm、12.8mm和13.5mm这些数值的差异，若无卡尺工具辅助，单凭肉眼一般难以有效辨别。实际使用中容易给人一种印象，即相同容量冻存管的尺寸、工作性能表现都差不多。

       2026年5月，基于国内外厂商官方网站信息、正式产品宣传册（brochure）、数据表(Dada sheet)、技术图纸(Technical Drawing)或白皮书 (White Paper)等已公开技术资料，我们对市面流通的品牌冻存管商品进行了专项调研，意在为组织干细胞、类器官实验相关材料合规有序、安全稳定储存的系统解决方案提供清晰指引。在参考部分厂商的产品分类方法基础上，结合目前细胞培养实验常用实验工具的使用要求，将冻存管的外形款式、规格尺寸与管功能应用进行了关联，探讨了管的外型、规格尺寸对管应用的潜在影响，并据此提出了细胞冻存管产品技术创新、产业突围方向的建议。

一、细胞冻存管按储存应用模式的四分类

       调研显示，海尔生物样本库用冻存管分为预制编码冻存管、通用冻存管两类。无锡耐思冻存管分为普通冻存管、二维码冻存管和三码合一冻存管三类。安进特冻存管分为常规冻存管、2D手动开盖冻存管、2D自动开盖盖冻存管、SBS标准自动化站三码合一冻存管。巴罗克冻存管则分为无码冻存管、侧码冻存管、三码合一冻存管、SBS标准2D冻存管及SBS标准自动化系统多码冻存管。

       从应用模式角度看，所有冻存管，无论有无编码、编码数量、制式与位置，均可归入下述4类之一。

1.1 自动生物样本库用SBS标准冻存管

       《医疗卫生机构科研用人类生物样本管理暂行办法》、《人源类器官研究伦理指引》等条规要求，干细胞、组织类器官技术研究应用机构应建立与生物样本存储管理相适应的存储设施、组织管理体系，确保人类生物样本材料全生命周期内有序管理和质量稳定 ^[1] 。而信息编码冻存管是实现生物样本库安全储存、样本信息可追溯的基础。

       自动生物样品库用冻存管，通常具有以下特征：

1）平底预制2D编码

       管平底，通过激光蚀刻手段预制有二维码。2D码耐DMSO等有机溶剂侵蚀、耐刮擦、不易褪色，确保二维码长期可识别。2D码重码率极低，确保同一厂商提供的数以亿计样品管信息的唯一性。

       Nunc Cryobank系列、Bank-It系列2D冻存管系统中，只设置管底一处二维码。国产品牌厂商则普遍采用管底一2D码、管身侧面条形码附加数字码，即所谓“三码合一”信息标记模式。

2）可由机械自动开盖

       编码管的管盖有特殊卡口。开盖器插入管盖并旋转即可将管盖移除。在高通量基因测序实验流程中，借助于样品信息管理系统内集成的自动样品工作站，无需人工介入，系统可自动夹取样品盒、开盖并转移样品，完成细胞裂解和RNA建库、自动进样和自动测序分析。也可用手动开盖器辅助开盖，提高效率并防止手工开盖造成意外冻伤。

3）与配套冻存管盒组合使用

       在大型生物样品库、高通量自动细胞转录组测序平台等实验场景中，样品管需由自动机械臂在不同检测流程间传递、开管取样和检测，实验室信息管理系统则将样品多维度测试数据与样本管信息整合，以便实时监测测试运行和对检测结果筛选分析。

       低温冷冻储存过程中，统一编码的样品管，被批量载入特定格式的冻存管盒中以便集中储存和转运管理。除了管身的“三码”，冻存管盒的侧面和（或）盒底也有预制码。管盒底板常为镂空设计，每只冻存管二维码可从管盒底部识别。利用专门的板底扫码器和侧面扫描器，每次读取整盒冻存管信息的同时完成储存管盒信息识别。生物样本库管理信息系统将样品管信息、管盒在样本库定位信息与样本库储存设备的运行数据整合后，不仅可对任一批次、任意一份入库样品检索、存取操作管理，还实现了测试结果、样品入库时原始信息（如材料捐献者的知情同意伦理学声明、医学诊断信息等）、储存期间温度曲线变化等储存情况的可追溯。

       样品管的三码与冻存管盒编码的组合所构成的冻存管系统，与自动液氮存储管理系统、超低温自动生物样本库系统结合，即可实现样品管存取操作自动管理。而三码合一冻存管系统与全自动核酸提取纯化仪、全自动单细胞测序文库制备系统整合，样品管全程可被自动提取、传送直至自动完成高通量细胞转录组分析、sn-RNA-seq分析。

4）外形尺寸符合SBS标准

       SBS标准，是生物分子筛选标准协会英文名“Society for Biomolecular Screening”的缩写，现属于实验室自动化与筛选学会(Society for Laboratory Automation and Screening, SLAS)。SBS与美国国家标准协会（ANSI）共同提出了现代实验室科学关键框架标准——“SBS标准”，即ANSI/SLAS -2004标准。该标准通过定义精确的尺寸规格，确保不同制造商自动化液体处理系统之间的实验室耗材（包括微孔板、移液器吸头盒和试管架）的相互兼容，实现不同实验室设备无缝集成，促进高通量筛选、药物发现、基因组学研究和临床诊断应用。

       要实现高通量测试平台内部不同工作流程的自动无缝衔接，符合SBS标准尺寸的编码冻存管、带底读功能冻存管盒是前提。

表2. SBS标准冻存管尺寸规格

       国内厂商习惯于将符合SBS标准并预制管身+管底2处编码的“三码合一”冻存管与“SBS标准冻存管”（SBS Format Cryogenic Tube）相联系，以区别于非SBS标准尺寸“2D码冻存管”（Cryogenic Vials with 2D Barcodes）。为表述方便，以下用“三码管”指代“三码合一管”、SBS标准冻存管。

       海尔三码管包括管径8.8mm的0.5mL、0.75mL、1.0mL细管和管径12.8mm的1.0mL、2.0mL粗管。

       SBS标准96孔板工作板的标准尺寸为W127.76×D85.45 mm，相邻样品孔中心间距9.0mm。当多支8.8mm管径的样品管紧密排列、两管管身中轴间距达到9.0mm时，全自动开盖工具开盖或械臂竖直向上提取其中任一支管时，不会触及邻管。故8.8mm管与SBS标准96孔板架（冻存管盒）完美匹配。而使用外径12.8mm的2.0mL、4.0mL和5mL三码管，相邻管中心间距13.5mm时，一个SBS标准冻存管盒能容纳48管（8×6矩阵布局）。

       编码信息准确识别，须确保冻存管保持竖立、管底2D码与盒底开孔视野的中心重合。要实现这一点，管与盒匹配是关键。因此，与三码管通常与管、盒组合以每盒96管、48管的套装形式发售。

       然而，并非所有干细胞、组织类器官研究机构都依赖SBS标准的自动样品管理系统开展工作，何况全自动高通量样本库建设耗资巨大。而SBS标准冻存管盒受尺寸、容量限制，在自动液氮罐储存系统、超低温冰箱标准尺寸冻存架使用，会造成储存空间巨大浪费。因此，将三码管与管容量更大编码冻存管盒相结合，产生了非SBS制式生物样本库的解决方案。

1.2 非SBS标准生物样本库用冻存管

       非SBS标准生物样本库，兼具样品储存密度高和样品信息有效管理之便。核心特征是采用外形尺寸约W133×D133m的非SBS标准冻存管盒储存，管储存密度提高。

       以海尔非标样本库应用方案为例。0.5mL（φ8.78mm）、0.75 mL（φ8.78mm）1.0 mL（φ8.78mm）三码管在常规133mm方形冻存管内，可排列为14×14阵列，实现存储密度最大化。1.0 mL（φ12.8mm）和2.0 mL（φ12.80mm）三码管也可以实现10×10管的容量。

       Nunc、安进特、巴罗克（biologix）、耐思（Nest）等品牌还可提供4.0mL（φ12.85mm）、5.0mL（φ12.85mm）甚至更大容量的编码冻存管及配套非标编码管盒。

       非标样本库的冻存管可使用三码管、单一管底2D码管及配套编码冻存管盒系统（使用配套板式扫描器读码），也兼容管身侧面自制条码标签冻存管及冻存管盒（依托低温标签打印机及扫描器），可降低运行成本。

       非SBS标准管盒与高效液氮储存罐、-150℃深低温冰箱标配W140×D143mm制式冻存架完美兼容。可用于全自动液氮储存系统、Thermo CryoExtra 40高效液氮储存罐、贝纳吉YDD-460-320P智能气相液氮储存罐、海尔YDD-450-326生物样本液氮储存罐系统。特别契合有合规管理要求的中小型干细胞、组织类器官样品库人机互动管理模式需求。

1.3 2D码冻存管

       除了三码管外，Nest、巴罗克等开发出了一种类似于Nunc 374027单一编码冻存管：管底有2D码而管侧面无码，管径12.5mm，手动旋盖，管身侧面预制有白色手写标记区。这类管底单一二维码冻存管，常称2D管。

       Nest的2D管，单管售价与同等容量三码管几乎一致。如既不为获得更高样品信息安全性，又不图更低使用成本，在非SBS制式三码管应用优势广为人知的背景下，注定了其终将被淘汰的命运。巴罗克开发了0.5mL（88-105X）、1.0mL（88-110X）、1.5mL（88-115X）、2.0mL（88-121X）、2.0mL（88-120X）、5.0mL（88-150X）共6款2D管，目前业已停产。

       资料显示，2.0ml外旋盖的三码冻存管（612851）、2D码外旋盖冻存管（607452）和普通无码外旋盖冻存管（607402）外形尺寸一致，且2D管、三码管的管盒有效兼容。由于2D管与三码管间具有很高辨识度，当三码管的数量不足以充满管盒，用纯水装填同等容量的单码管填充管盒的剩余管位建立盒外周热缓冲屏障，可减缓样品存取操作高温暴露条件下样品管升温（参考：关注“无辜样本”保护——在短暂室温下挑管操作后再返回低温环境（-150℃以下）时样品的持续升温）。

       此外，当因条件限制须在同一管盒内存放不同分组的样品时，水装填的单码管可作为不同组间三码管空间分割标识，以防止误操作。

1.4 普通冻存管

       个人常规细胞培养实验中最常接触到的是无预制码普通冻存管。

       《T/ZZB 1653-2020一次性细胞冻存管（聚丙烯）》（浙江省产品质量安全科学研究院牵头组织制定，2020年7月实施）、《T/GDC 205-2023通用冻存管》（广州洁特公司发起编制，2023年1月颁行），是迄今为止已公开的两项生物样本冻存管技术质量团体标准。而两份文件的“规范性引用文件”内容更证明，我国目前细胞冻存管生产领域缺少统一技术标准的现状。

       缺少统一标准，首先表现在市面冻存管容量规格布局差异。譬如：

       安进特普通冻存管容量分为0.5、1.0、1.5、2.0、5.0mL。

       Nest普通冻存管容量分为1.0、1.5、1.8、2.0、4.0、5.0mL。

       巴罗克至尊系列无码冻存管和海尔通用冻存管容量分为0.5、1.0、1.5、2.0、5.0ml。

       Nunc CryoTubes系列冻存管容量分为1.0、1.8、3.6、4.5mL。

       Nalgene冻存管容量分为1.0、1.2、1.5、2.0、5.0、15 mL。

       其次，是不同厂商间同等容量冻存管成品的外形尺寸制式混乱。

表3.  T/ZZB 1653-2020标准下冻存管规格尺寸 ^[2]

       T/ZZB 1653-2020标准中，2.0mL冻存管的管口内径10.6mm（大于市面多数2mL管的管口内径）、壁厚1.1mm。如采用内旋盖设计，管身外径约为12.4mm；如采用外旋盖设计，则管盖直径将达到13.5mm。规定管身高度31.0mm，但管盖有关内容缺失。标准规定冻存管可根据客户需要定制二维码。但预制2D码只能在平底管上进行，而标准中对于管底尺寸、形状的要求是空白的。可见，该专业技术标准制定时对冻存管外形、规格尺寸参数的理解是片面的。标准内容设置合理性、有效性存在缺陷，作为产品设计、生产与质控规范，实际并不具有约束力。

       普通冻存管产品目前的局面是，统一有效的产品标准缺乏，厂商各自为政、闭门造车，造成大量生产资源与社会财富的浪费。冻存管纷乱规格尺寸，还容易给使用者带来不便。

       忽视外形尺寸指标现象的在行业内部普遍、持续存在，反映了冻存管技术质量控制体系的缺陷，更揭示出业内对于冻存管技术尺寸与管合理运用间内在联系认识的不足。

      (后续：细胞冻存管外形尺寸差异在不同应用模式下对温控性能的影响-中篇）