01 什么是二氧化碳培養(yǎng)箱

二氧化碳培養(yǎng)箱是通過(guò)在培養(yǎng)箱箱體內(nèi)模擬形成一個(gè)類(lèi)似細(xì)胞/組織在生物體內(nèi)的生長(zhǎng)環(huán)境，用來(lái)對(duì)細(xì)胞/組織進(jìn)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(duì)箱內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)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(duì)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(wú)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(dòng)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(zhǎng)增殖的能量和合成細(xì)胞生長(zhǎng)所需用的各種成分。開(kāi)放培養(yǎng)時(shí)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(dòng)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(guò)程中，隨著CO₂釋放量的增多，培養(yǎng)基會(huì)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(gè)緩沖對(duì)）來(lái)調(diào)節(jié)pH。NaHCO₃具有釋放CO₂的傾向，加入CO₂可以抑制這個(gè)反應(yīng)的進(jìn)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(shí)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(cè)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(mén)被打開(kāi)時(shí)，CO₂從箱體內(nèi)漏出，此時(shí)傳感器就會(huì)探測(cè)到CO₂濃度的降低，并做出及時(shí)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(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電熱調(diào)節(jié)器之間的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。箱內(nèi)CO₂濃度的變化會(huì)改變兩個(gè)電熱調(diào)節(jié)器間的電阻，輸入CO₂氣體的低熱導(dǎo)率會(huì)使腔內(nèi)空氣的熱導(dǎo)率發(fā)生變化，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與CO₂濃度直接成正比的電信號(hào)。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(diǎn)：①TC控制系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生漂移；②重新校準(zhǔn)的周期較長(zhǎng)；③箱內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的改變會(huì)影響傳感器的精確度。當(dāng)箱門(mén)被頻繁打開(kāi)時(shí)，不僅CO₂濃度，溫度和相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生很大的波動(dòng)，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(kāi)啟培養(yǎng)箱門(mén)時(shí)，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(gè)紅外發(fā)射器和一個(gè)接收檢測(cè)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(cè)器就可以檢測(cè)出紅外線的減少量，而被吸收紅外線的量正好對(duì)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(cè)結(jié)果無(wú)漂移，重新校準(zhǔn)更快，因而價(jià)格也會(huì)有所上升。當(dāng)前市場(chǎng)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(cè)原理的測(cè)量方法主要有3種：?jiǎn)喂馐鴨尾ㄩL(zhǎng)測(cè)量、雙光束雙波長(zhǎng)測(cè)量和單光束雙波長(zhǎng)測(cè)量。

單光束單波長(zhǎng)測(cè)量，顧名思義，這種CO₂傳感器只能提供單一波長(zhǎng)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(cè)量的穩(wěn)定性和精度都不夠準(zhǔn)確。

雙光束雙波長(zhǎng)測(cè)量，這種測(cè)量?jī)x器備有2個(gè)光波通道，1個(gè)探測(cè)器和2個(gè)濾光鏡，與單光束單波長(zhǎng)測(cè)的儀器比較，其精度和穩(wěn)定性都有所提高，但在實(shí)際應(yīng)用中，2個(gè)光波通道受到的影響程度同樣也會(huì)給這類(lèi)測(cè)量?jī)x器帶來(lái)因非對(duì)稱影響而精度失準(zhǔn)的問(wèn)題。

單光束雙波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)探頭的不穩(wěn)定性，保護(hù)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(zhǎng)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)。