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。 控制二氧化碳濃度，這就是為什么二氧化碳培養(yǎng)箱成為細(xì)胞或組織體外培養(yǎng)環(huán)境選擇的重要原因。
如何實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度的控制
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)存在的缺點(diǎn)：1.TC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的濃度控制，出廠的所有二氧化碳培養(yǎng)箱均標(biāo)配IR系統(tǒng)。
但是也并不是所有的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(chēng)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，好的保護(hù)了寶貴的培養(yǎng)材料。
如何實(shí)現(xiàn)溫度的控制
維持培養(yǎng)細(xì)胞旺盛生長(zhǎng),有恒定而適宜的溫度。不同種類(lèi)的細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)溫度要求也不同，例如魚(yú)、昆蟲(chóng)和兩棲類(lèi)細(xì)胞的適宜培養(yǎng)溫度是25-28℃，哺乳動(dòng)物細(xì)胞的適宜培養(yǎng)溫度是35-37℃，發(fā)生轉(zhuǎn)化的細(xì)胞則適合在高于40℃的條件下生長(zhǎng)。人體細(xì)胞培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度為36.5℃±0.5℃,偏離這一溫度范圍,細(xì)胞的正常代謝會(huì)受到影響,甚至死亡。保持培養(yǎng)箱內(nèi)恒定的溫度是維持細(xì)胞健康生長(zhǎng)重要因素。CO2培養(yǎng)箱的溫度是通過(guò)電熱絲加熱的, 主要有水套式加熱和氣套式加熱兩種加熱系統(tǒng)。
（1）水套式加熱 水套式加熱是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的水套層包圍內(nèi)部的箱體來(lái)維持溫度恒定的，其優(yōu)點(diǎn)：水是一種很好的絕熱物質(zhì)，當(dāng)遇到斷電的時(shí)候，水套式系統(tǒng)就可以比較長(zhǎng)時(shí)間的保持培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有利于實(shí)驗(yàn)環(huán)境不太穩(wěn)定（如有用電限制或經(jīng)常停電）的用戶(hù)選用。
（2）氣套式加熱 氣套式加熱是通過(guò)遍布箱體氣套層內(nèi)的加熱器直接對(duì)內(nèi)箱體進(jìn)行加熱的，又叫六面直接加熱。氣套式與水套式相比，具有加熱快，溫度的恢復(fù)比水套式培養(yǎng)箱迅速的特點(diǎn)，有利于短期培養(yǎng)以及需要箱門(mén)頻繁開(kāi)關(guān)取放樣的培養(yǎng)。此外，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)氣套式設(shè)計(jì)比水套式更簡(jiǎn)單化（水套式需要對(duì)水箱進(jìn)行加水、清空和清洗，并要經(jīng)常監(jiān)控水箱運(yùn)作的情況，還有潛在的污染隱患）。
氣套式加熱優(yōu)點(diǎn)總結(jié)：
1.重量更輕、運(yùn)輸或搬運(yùn)更方便；
2.加熱快，溫度的恢復(fù)比水套式培養(yǎng)箱迅速，有利于短期培養(yǎng)以及需要箱門(mén)頻繁開(kāi)關(guān)取放樣的培養(yǎng)；
3.不會(huì)發(fā)生因?yàn)槁┧斐蓸悠肺廴荆?/span>
4.可選擇更多滅菌方式（水套利用水作為傳熱介質(zhì)，高溫加熱滅菌困難）。 為了滿(mǎn)足低溫培養(yǎng)的需求，二氧化碳培養(yǎng)箱廠家勵(lì)精圖治開(kāi)發(fā)出了內(nèi)置制冷系統(tǒng)的產(chǎn)品可供研究者選擇，
5如何滿(mǎn)足細(xì)胞培養(yǎng)濕度的要求 水是細(xì)胞的重要組成部分，在培養(yǎng)箱中對(duì)細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)過(guò)程里，制冷或者制熱直接的影響是細(xì)胞的培養(yǎng)基快速蒸發(fā)失水，蒸發(fā)將導(dǎo)致培養(yǎng)基上的滲透作用增強(qiáng)，產(chǎn)生滲透性脫水；培養(yǎng)基中鹽濃度增加，細(xì)胞中水分跑出細(xì)胞外細(xì)胞收縮，新陳代謝變緩，細(xì)胞死亡。 培養(yǎng)箱內(nèi)相對(duì)濕度的控制室重要的，飽和濕度環(huán)境可以避免培養(yǎng)液中二氧化碳逃逸，保持pH值穩(wěn)定，也能防止由于干燥使培養(yǎng)液中水分蒸發(fā)，滲透壓升高，導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)失敗。大多數(shù)的二氧化碳培養(yǎng)箱是通過(guò)增濕盤(pán)的蒸發(fā)作用產(chǎn)生濕氣的，大型的二氧化碳培養(yǎng)箱是用蒸汽發(fā)生器或噴霧器來(lái)控制相對(duì)濕度水平的。一些培養(yǎng)箱在底部設(shè)置濕度蓄水池，這樣可以增強(qiáng)蒸發(fā)作用，但是，這個(gè)系統(tǒng)也更復(fù)雜，由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增加一些難以預(yù)料的問(wèn)題也會(huì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)。
如何有效控制污染物
體外培養(yǎng)的細(xì)胞缺乏抗感染能力，所以防止污染是決定培養(yǎng)成功或失敗的首要條件，因而需要操作過(guò)程中大可能地保證無(wú)菌。二氧化碳培養(yǎng)箱始終為研究人員著想，制造商們?cè)O(shè)計(jì)了多種不同的裝置去減少和防止污染的發(fā)生，讓用戶(hù)具有多重滅菌選擇。
（1）干熱滅菌 利用干熱空氣使細(xì)菌的原生質(zhì)凝固，并使細(xì)菌的酶系統(tǒng)破壞而殺死細(xì)菌的方法。對(duì)于耐熱芽孢桿菌，干熱滅菌容易形成芽孢，無(wú)法一次滅菌。通常需要在37℃培養(yǎng)，使芽孢復(fù)蘇后進(jìn)行二次滅菌才能達(dá)到滅菌效果。
（2）濕熱滅菌 以高溫高壓水蒸氣為介質(zhì)，由于蒸汽潛熱大，穿透力強(qiáng)，容易使蛋白質(zhì)變性或凝固，終導(dǎo)致微生物的死亡，所以該法的滅菌效率比干熱滅菌法高。且濕熱滅菌溫度較干熱低，對(duì)電子元件是傳感器的損傷小，可以延長(zhǎng)培養(yǎng)箱的使用壽命。
（3）紫外滅菌 紫外線滅菌是用紫外線管照射進(jìn)行的。波長(zhǎng)在220-300nm的紫外線稱(chēng)為“殺生命區(qū)"，紫外線殺菌效果取決于紫外線燈管的功率大小和照射時(shí)間，加上被照空間及面積大小等諸多不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致紫外線殺菌效果不是很理想。此外紫外線對(duì)人體有傷害作用。
（4）過(guò)濾滅菌 所有進(jìn)入培養(yǎng)箱的氣體均經(jīng)過(guò)0.2μm在線過(guò)濾器過(guò)濾，以消除氣體雜質(zhì)和污染物。
如何便捷有效地操作和控制二氧化碳培養(yǎng)箱
微處理控制系統(tǒng)主要包適高溫自動(dòng)調(diào)節(jié)和跟蹤警報(bào)裝置、CO2警報(bào)裝置、密碼保護(hù)設(shè)置、自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)等，有些配置了高效過(guò)濾器的二氧化碳培養(yǎng)箱還設(shè)有過(guò)濾器更換報(bào)警裝置。實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、故障排查和分級(jí)菜單進(jìn)入一體化操作；儀器安全狀態(tài)可清晰顯示，溫度和CO2濃度輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；特制的聲、光報(bào)警提示功能及時(shí)提醒用戶(hù)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題。 還有些二氧化碳培養(yǎng)箱設(shè)有數(shù)據(jù)記錄和輸出功能裝置，方便用戶(hù)監(jiān)控和維護(hù)設(shè)備。二氧化碳培養(yǎng)箱設(shè)置了特定的智能化數(shù)據(jù)和事件檢測(cè)器記錄裝置，智能化記錄培養(yǎng)箱使用過(guò)程中所有運(yùn)行參數(shù)，并可以在LCD顯示屏上通過(guò)程序軟件調(diào)取記錄的數(shù)據(jù)，內(nèi)置的16M閃存保證了運(yùn)行數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。