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01 什么是二氧化碳培養(yǎng)箱

二氧化碳培養(yǎng)箱是通過在培養(yǎng)箱箱體內(nèi)模擬形成一個類似細(xì)胞/組織在生物體內(nèi)的生長環(huán)境，用來對細(xì)胞/組織進行體外培養(yǎng)的一種裝置。

二氧化碳培養(yǎng)箱比普通的電熱恒溫培養(yǎng)箱多了二氧化碳濃度控制系統(tǒng)，并對箱內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度進行了嚴(yán)格控制，如穩(wěn)定的CO₂水平（5％）、穩(wěn)定的溫度（37℃）、較高的相對濕度（95％），因此使生物細(xì)胞，組織等的培養(yǎng)成功率、效率都得到改善，是普通的電熱恒溫培養(yǎng)箱無法替代的新型培養(yǎng)箱。

02 為什么要使用二氧化碳培養(yǎng)箱

氣體是哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)生存必需條件之一,所需氣體主要有氧氣和二氧化碳。氧氣參與三羧酸循環(huán),產(chǎn)生供給細(xì)胞生長增殖的能量和合成細(xì)胞生長所需用的各種成分。開放培養(yǎng)時一般把細(xì)胞置于95%空氣加5%二氧化碳混合氣體環(huán)境中。CO₂既是細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也是細(xì)胞所需成分，它主要與維持培養(yǎng)液的pH有直接關(guān)系。動物細(xì)胞多數(shù)需要微堿性環(huán)境，pH為7.2~7.4，以不超出6.8~7.6為宜。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，隨著CO₂釋放量的增多，培養(yǎng)基會變酸，因此常在培養(yǎng)基中加入NaHCO₃（與CO₂溶于水后所形成的H₂CO₃構(gòu)成一個緩沖對）來調(diào)節(jié)pH。NaHCO₃具有釋放CO₂的傾向，加入CO₂可以抑制這個反應(yīng)的進行。培養(yǎng)箱中CO₂濃度應(yīng)與培養(yǎng)液中NaHCO₃濃度相平衡，如果培養(yǎng)箱中CO₂濃度設(shè)定在5%，培養(yǎng)液中NaHCO₃的加入量應(yīng)為1.97 g/L；如果CO₂濃度維持在10%，則NaHCO₃的加入量應(yīng)為3.95 g/L。

03 如何實現(xiàn)CO₂濃度精確控制

二氧化碳培養(yǎng)箱常用熱導(dǎo)（TC）傳感器或紅外（IR）傳感器檢測箱體內(nèi)二氧化碳濃度的變化。當(dāng)二氧化碳培養(yǎng)箱的門被打開時，CO₂從箱體內(nèi)漏出，此時傳感器就會探測到CO₂濃度的降低，并做出及時的反應(yīng)，重新注入CO₂使其恢復(fù)到原先預(yù)設(shè)的水平。

（1）熱導(dǎo)（TC）傳感器

熱傳導(dǎo)傳感器(TC)監(jiān)控CO₂濃度的工作原理是通過測量兩個電熱調(diào)節(jié)器之間的電阻變化來實現(xiàn)的。箱內(nèi)CO₂濃度的變化會改變兩個電熱調(diào)節(jié)器間的電阻，輸入CO₂氣體的低熱導(dǎo)率會使腔內(nèi)空氣的熱導(dǎo)率發(fā)生變化，這樣就會產(chǎn)生一個與CO₂濃度直接成正比的電信號。從而促使傳感器產(chǎn)生反應(yīng)以達(dá)到調(diào)節(jié)CO₂水平的作用。

TC控制系統(tǒng)存在一定的缺點：①TC控制系統(tǒng)檢測結(jié)果會產(chǎn)生漂移；②重新校準(zhǔn)的周期較長；③箱內(nèi)溫度和相對濕度的改變會影響傳感器的精確度。當(dāng)箱門被頻繁打開時，不僅CO₂濃度，溫度和相對濕度也會發(fā)生很大的波動，因而影響了TC傳感器的精度。當(dāng)需要精確的培養(yǎng)條件和頻繁開啟培養(yǎng)箱門時，此控制系統(tǒng)就顯得不太適用了。

（2）紅外（IR）傳感器

紅外傳感器（IR）系統(tǒng)包括一個紅外發(fā)射器和一個接收檢測器，當(dāng)箱體內(nèi)的CO₂吸收了發(fā)射器發(fā)射的部分紅外線之后，接收檢測器就可以檢測出紅外線的減少量，而被吸收紅外線的量正好對應(yīng)于箱體內(nèi)CO₂的水平，從而可以得出箱體內(nèi)CO₂的濃度。IR系統(tǒng)相比TC系統(tǒng)，穩(wěn)定性更高，檢測結(jié)果無漂移，重新校準(zhǔn)更快，因而價格也會有所上升。當(dāng)前市場上出售的二氧化碳培養(yǎng)箱常規(guī)配置的是TC系統(tǒng)，當(dāng)然也有一些生產(chǎn)制造商更為注重CO₂的濃度精確控制，出廠的二氧化碳培養(yǎng)箱均標(biāo)配IR系統(tǒng)，Esco則選用的是該系統(tǒng)。

但也并不是的CO₂濃度紅外傳感器的工作原理都是一樣的，基于非發(fā)散性紅外線氣體檢測原理的測量方法主要有3種：單光束單波長測量、雙光束雙波長測量和單光束雙波長測量。

單光束單波長測量，顧名思義，這種CO₂傳感器只能提供單一波長的光線，由于其穩(wěn)定性極易受到諸如燈泡老化、灰塵污染、溫度變化及光線發(fā)射特性變化等因素的影響，因而其測量的穩(wěn)定性和精度都不夠準(zhǔn)確。

雙光束雙波長測量，這種測量儀器備有2個光波通道，1個探測器和2個濾光鏡，與單光束單波長測的儀器比較，其精度和穩(wěn)定性都有所提高，但在實際應(yīng)用中，2個光波通道受到的影響程度同樣也會給這類測量儀器帶來因非對稱影響而精度失準(zhǔn)的問題。

單光束雙波長測量，保證了二氧化碳濃度控制的高精度性，避免了雙光束衰減干擾不同步引起的誤差，也避免了單光束單波長探頭的不穩(wěn)定性，保護培養(yǎng)材料。Esco直熱式二氧化碳培養(yǎng)箱采用的就是芬蘭維薩拉單光束雙波長IR傳感器。

三氣細(xì)胞培養(yǎng)箱則在二氧化碳培養(yǎng)箱的基礎(chǔ)上增加了氧氣濃度控制系統(tǒng)。