3分鐘認識二氧化碳培養箱

 

01 什么是二氧化碳培養箱

二氧化碳培養箱是通過在培養箱箱體內模擬形成一個類似細胞/組織在生物體內的生長環境，用來對細胞/組織進行體外培養的一種裝置。

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

 

02 為什么要使用二氧化碳培養箱

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

精確控制二氧化碳濃度，這就是二氧化碳培養箱成為細胞或組織體外培養環境不二之選的重要原因。

 

03 如何實現CO₂濃度精確控制

二氧化碳培養箱常用熱導（TC）傳感器或紅外（IR）傳感器檢測箱體內二氧化碳濃度的變化。當二氧化碳培養箱的門被打開時，CO₂從箱體內漏出，此時傳感器就會探測到CO₂濃度的降低，并做出及時的反應，重新注入CO₂使其恢復到原先預設的水平。

（1）熱導（TC）傳感器

熱傳導傳感器(TC)監控CO₂濃度的工作原理是通過測量兩個電熱調節器之間的電阻變化來實現的。箱內CO₂濃度的變化會改變兩個電熱調節器間的電阻，輸入CO₂氣體的低熱導率會使腔內空氣的熱導率發生變化，這樣就會產生一個與CO₂濃度直接成正比的電信號。從而促使傳感器產生反應以達到調節CO₂水平的作用。

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

（2）紅外（IR）傳感器

紅外傳感器（IR）系統包括一個紅外發射器和一個接收檢測器，當箱體內的CO₂吸收了發射器發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于箱體內CO₂的水平，從而可以得出箱體內CO₂的濃度。IR系統相比TC系統，穩定性更高，檢測結果無漂移，重新校準更快，因而價格也會有所上升。當前市場上出售的二氧化碳培養箱常規配置的是TC系統，當然也有一些生產制造商更為注重CO₂的濃度精確控制，出廠的二氧化碳培養箱均標配IR系統，Esco則選用的是該系統。

 

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，由于其穩定性極易受到諸如燈泡老化、灰塵污染、溫度變化及光線發射特性變化等因素的影響，因而其測量的穩定性和精度都不夠準確。

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，其精度和穩定性都有所提高，但在實際應用中，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定性，保護培養材料。Esco直熱式二氧化碳培養箱采用的就是芬蘭維薩拉單光束雙波長IR傳感器。

三氣細胞培養箱則在二氧化碳培養箱的基礎上增加了氧氣濃度控制系統。

 

04 如何實現溫度精準控制

維持培養細胞旺盛生長,必須有恒定而適宜的溫度。不同種類的細胞對培養溫度要求也不同，例如魚、昆蟲和兩棲類細胞的適宜培養溫度是25-28℃，哺乳動物細胞的適宜培養溫度是35-37℃，發生轉化的細胞則適合在高于40℃的條件下生長。人體細胞培養的標準溫度為36.5℃±0.5℃,偏離這一溫度范圍,細胞的正常代謝會受到影響,甚至死亡。保持培養箱內恒定的溫度是維持細胞健康生長重要因素。CO₂培養箱通過電熱絲加熱, 主要有水套式加熱和氣套式加熱兩種系統。

（1）水套式加熱

水套式加熱通過一個獨立的水套層包圍內部的箱體來維持溫度恒定，其優點：水是一種很好的絕熱物質，斷電情況下，水套式系統可以在較長時間內保持培養箱內的溫度準確性和穩定性，適于實驗環境不太穩定（如有用電限制或經常停電）的用戶選用。

（2）氣套式加熱

 

氣套式加熱是通過遍布箱體氣套層內的加熱器直接對內箱體進行加熱，又叫六面直接加熱。氣套式與水套式相比，具有加熱快、溫度恢復迅速的特點，有利于短期培養以及需要箱門頻繁開關取放樣的培養。此外，對于使用者來說氣套式設計比水套式更簡單化（水套式需要對水箱進行加水、清空和清洗，并要經常監控水箱運作的情況，還有潛在的污染隱患）。

氣套式加熱優點總結：①重量更輕、運輸或搬運更方便；②加熱快，溫度的恢復比水套式培養箱迅速，特別有利于短期培養以及需要箱門頻繁開關取放樣的培養；③不會發生因為漏水造成樣品污染；④可選擇更多滅菌方式（水套利用水作為傳熱介質，高溫加熱滅菌困難）。

為了滿足低溫培養的需求，Esco CelCulture系列內置制冷系統二氧化碳培養箱可供用戶選擇，允許在高/低于室溫的溫度下進行研究。

 

05 如何滿足細胞培養的濕度要求

水是細胞的重要組成部分，在培養箱中對細胞進行培養過程里，制冷或者制熱最直接的影響是細胞的培養基快速蒸發失水，蒸發將導致培養基上的滲透作用增強，產生滲透性脫水；培養基中鹽濃度增加，細胞中水分跑出細胞外細胞收縮，新陳代謝變緩，細胞死亡。

培養箱內相對濕度的控制室非常重要的，飽和濕度環境可以避免培養液中二氧化碳逃逸，保持pH值穩定，也能防止由于干燥使培養液中水分蒸發，滲透壓升高，導致細胞培養失敗。大多數的二氧化碳培養箱是通過增濕盤的蒸發作用產生濕氣的，大型的二氧化碳培養箱是用蒸汽發生器或噴霧器來控制相對濕度水平的。一些培養箱在底部設置濕度蓄水池，這樣可以增強蒸發作用，但是，這個系統也更復雜，由于復雜結構的增加一些難以預料的問題也會在使用過程中出現。

 

06 如何有效控制污染物

體外培養的細胞缺乏抗感染能力，所以防止污染是決定培養成功與否的首要條件，因而需要操作過程中盡可能地保證無菌。二氧化碳培養箱可應用不同的裝置去減少和防止污染的發生，讓用戶具有多重滅菌選擇。

（1）干熱滅菌

利用干熱空氣使細菌的原生質凝固，并使細菌的酶系統破壞而殺死細菌的方法。對于耐熱芽孢桿菌，干熱滅菌容易形成芽孢，無法一次徹底滅菌。通常需要在37℃培養，使芽孢復蘇后進行二次滅菌才能達到徹底滅菌效果。

（2）濕熱滅菌

以高溫高壓水蒸氣為介質，由于蒸汽潛熱大，穿透力強，容易使蛋白質變性或凝固，進而導致微生物的死亡，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，對電子元件特別是傳感器的損傷小，可以延長培養箱的使用壽命。

（3）紫外滅菌

紫外線滅菌是用紫外線管照射進行的。波長在220-300nm的紫外線稱為“殺生命區”，紫外線殺菌效果取決于紫外線燈管的功率大小和照射時間，加上被照空間及面積大小等諸多不穩定因素，導致紫外線殺菌效果不是很理想。此外紫外線對人體有傷害作用。

（4）過濾滅菌

進入培養箱的氣體均經過0.2μm在線過濾器過濾，以消除氣體雜質和污染物。

Esco 二氧化碳培養箱配置ULPA超高效濾器，可持續保持樣品腔內空氣潔凈度達到ISO 5級水晶，有效去除實驗室環境和樣品腔內空氣中的污染物，保證潔凈的氣流循環。

（5）全銅內膽抗菌

長久以來，銅的抗菌性能得到了全球公認并被廣泛使用。Esco CelCulture全銅內膽培養箱，100%全銅內膽能夠對珍貴樣品提供額外的保護。

（6）抗菌涂層抑菌

外部選用抑菌材料主要成份含有銀離子，具有長期抑菌作用，且不會因為表面清洗而被消除。Esco Isocide表面抗菌涂層技術可有效抑制微生物在箱體表面滋生，實驗證明，可在24小時內抑制箱體表面99.9%的細菌滋生。

體會。

07 如何便捷有效地控制二氧化碳培養箱

微處理控制系統主要包適高溫自動調節和跟蹤警報裝置、CO₂警報裝置、密碼保護設置、自動校準系統等，有些配置了高效過濾器的二氧化碳培養箱還設有過濾器更換報警裝置。實現參數設定、故障排查和分級菜單進入一體化操作；儀器安全狀態可清晰顯示，溫度和CO₂濃度輕松實現實時監控；特制的聲、光報警提示功能及時提醒用戶發現和處理問題。

Esco二氧化碳培養箱設置了特定的智能化數據和事件檢測器記錄裝置，智能化記錄培養箱使用過程中運行參數，并可以在LCD顯示屏上通過程序軟件調取記錄的數據，內置的16M閃存保證了運行數據的長期儲存。還有Esco Voyager軟件包，使用Esco總線通訊協議通過RS485與Esco二氧化碳培養箱連接，可實現設備的遠程監控、數據記錄和編程。同一臺電腦可以連接多達18臺裝置設備，并以用戶設定的時間間隔自動發送記錄數據的電子郵件，為用戶的珍貴樣本提供多一層保護。

 

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