随着辅助生殖技术（ART）的不断进步，液氮冷冻胚胎、卵子、精子等生殖细胞数量的快速增长。这些样本一般都存储在生殖中心的液氮室，细胞可安全存放的时间超过10年，因此对于各家生殖中心来说，都面临冷冻样本和液氮罐不断增多的问题，保证液氮存储安全的压力越来越大。
近年来，全球范围内陆续报导了多起液氮存储事故（参考我们的上一篇文章），给患者和生殖中心都带来了巨大损失，实验室管理人员越来越重视液氮存储的安全。因此本文尝试总结目前已知的一些安全监控技术，比较其优缺点。
在IVF实验室中，除了日常工作流程中的人工观察和测量以外，通常会配备自动化的监控系统来实时监测液氮罐的状态，并在出现异常的时候发出警告。目前常见的自动化监控方法包括：
1.内部温度监控
使用罐体内部温度作为主要的监控指标，如果温度超过设定的阈值（例如，-185°C, -180°C, -175°C），报警系统会被触发。
温度传感器一般采用PT100或PT1000，是一种基于电阻值变化的测温方式。位置可以打孔安装在液氮罐泡沫颈塞底部，这样相对容易固定，但是同时探头离液面会有一定距离，对于液面变化相对没有那么敏感。
因此也可以把传感器探头固定在提篮外壁，与样本高度更接近的地方。这样如果液面下降到一定位置，探头测到的温度会有明显上升。但是这种方法探头固定起来相对比较复杂，安装不到位也容易松动产生误警。
2.罐内液位监控
采用放置到罐内的液位传感器（一般也是固定在泡沫颈塞上）来监测液位高度。常见的是电容式液位计，液位计内会流入一部分液氮。
在大型液氮罐中往往还配置了自动填充系统，，发现液位较低的时候可以自动补充液氮。
3. 重量监控：
重量监测通过不断测量和比较液氮罐的重量来监测液氮的蒸发率和液位，不仅可以实现日常的监测，还能用来评估液氮罐的实际健康状态（真空保持度）。
4. 罐体表面温度监测
通过测量液氮罐外部表面温度来检测真空损失。在一项研究中，通过在罐颈内部制造0.8毫米的孔来模拟真空泄露，发现表面温度探头在平均9分钟内达到报警点，而内部温度传感器平均需要15小时。
监控罐体表面温度，可以通过在每个液氮罐表面放置温度传感器来实现。也可以利用远距离热成像监控来实现。前者需要在每个罐子上设置传感器，后者则可以通过一个摄像头监控多个液氮罐。
技术比较
- 温度监控
- 虽然温度监控是常规做法，但它通常不是液氮水平的良好指标，除非液氮水平极低。温度监控对于维持样本的安全至关重要，但它不能及时预警液氮的缓慢损失。另外日常开盖等操作容易造成温度监控系统触发误警。
- 液位监控
- 通过液位传感器可以更直接地监测液氮的水平面。但液位计探头细长，固定在塞子上对于日常的操作会有一定的影响。另外在低温环境下，电容式液位计的误差较大，可能会达到5%，无法用于高精度的测量。因此其应用范围还不是很广泛。
- 重量监控
- 可以在液氮量下降到一定程度、或者下降速度过快时立即发出警报，而不需要等到液氮几乎耗尽或温度显著上升。这提供了更多的响应时间来采取行动，如补充液氮或转移样本。通过实时重量检测，还有可能计算出液氮的蒸发速度，从而评估液氮罐的健康状态。
在一项液氮泄漏实验中，液氮罐真空失效以后6-8个小时，内部温度传感器才能有效的捕捉到温度上升从而发出告警，而液氮罐重量则在一开始就有了显著的下降[1]
重量监测系统位于液氮罐外部，不会接触到内部样本，也不需要把电子设备放到极端低温环境中，对日常操作也不会产生任何影响，这些特性都提高了安全性，减少了设备维护的需求。重量监测的准确度很高，测重模块可以达到万分之一的精度。即使对于几十公斤的液氮罐，也可以敏锐的捕捉到哪怕是几克的重量变化。
重量监测的难点在于，液氮罐在日常使用中，经常需要放入或取出一些样本、液氮导致重量变化，液氮罐移动过程中也会产生颠簸。因此不能简单的通过其重量变化来判断液位，而是需要一个智能的算法进行分析。另外工作人员时长需要挪动液氮罐，如何设计一个方便移动的测重系统也是一个工程上的挑战。
- 罐体表面温度监测
- 作为一种新的监测方法，可以提供比内部温度传感器更长的反应时间，这对于预防灾难性故障至关重要。可以作为一种有效的补充监控手段。
- 作为一种新的监测方法，可以提供比内部温度传感器更长的反应时间，这对于预防灾难性故障至关重要。可以作为一种有效的补充监控手段。
需要注意的是，自动化监控系统本身也有失效的风险。在2018年美国发生的一次液氮泄漏事故中，就是因为监控系统经常发出误警，因此工作人员在某次操作前关闭了系统监控和告警，但是事后忘了恢复。最后导致自动加注系统失效，液氮耗尽。因此实验室需要考虑类似重量检测这类无感的监控系统，并且考虑多种监控方式独立运作的方式，来提高系统的安全冗余度。
总的来说，液氮罐的日常维护和安全监测需要综合使用多种方法和技术，以确保样本的安全和实验室的合规性。通过定期的维护、监控和测试，可以最大限度地减少液氮罐故障的风险，并确保在发生故障时能够迅速采取行动。
[1] The Anatomy of Liquid Nitrogen (LN2) Cryo Dewar Tank Failures. Ovation Fertility. https://www.ovationfertility.com/research/the-anatomy-of-liquid-nitrogen-ln2-cryo-dewar-tank-failures (accessed 2024-11-21).
[2] Hansen, C. S.; Kuball, A. VACUUM LOSS OF LIQUID NITROGEN TANKS CAN BE RAPIDLY DETECTED BY MEASURING OUTSIDE SURFACE TEMPERATURE. Fertility and Sterility 2021, 116 (3), e89. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2021.07.246.
[3] Pomeroy, K. Liquid Nitrogen Storage Tank Failure: Can We Improve the Current System? Fertility and Sterility 2018.
[4] Operational and performance qualification of 35 liter cryostorage dewar tanks by weight measurement-fluid level correlations – Fertility and Sterility. https://www.fertstert.org/article/S0015-0282(19)30193-1/fulltext (accessed 2024-09-19).
[5] Comprehensive assessment of cryogenic storage risk and quality management concerns: best practice guidelines for ART labs – PMC. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6338590/ (accessed 2024-09-19).
[6] Michaelson, Z. P.; Bondalapati, S. T.; Amrane, S.; Prosser, R. W.; Hill, D. M.; Gaur, P.; Recio, M.; Travassos, D. E.; Wolfkamp, M. D.; Sadowy, S.; Thomas, C.; Forman, E. J.; Williams, Z. Early Detection of Cryostorage Tank Failure Using a Weight-Based Monitoring System. J Assist Reprod Genet 2019, 36 (4), 655–660. https://doi.org/10.1007/s10815-019-01402-3.
[7] Pomeroy, K. O.; Reed, M. L.; LoManto, B.; Harris, S. G.; Hazelrigg, W. B.; Kelk, D. A. Cryostorage Tank Failures: Temperature and Volume Loss over Time after Induced Failure by Removal of Insulative Vacuum. J Assist Reprod Genet2019, 36 (11), 2271–2278. https://doi.org/10.1007/s10815-019-01597-5.