了解二氧化碳培養(yǎng)箱的功能

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*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)箱的門被打開時(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測(cè)量?jī)蓚€(gè)電熱調(diào)節(jié)器之間的電阻變化來實(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)箱門被頻繁打開時(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)條件和頻繁開啟培養(yǎng)箱門時(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)給這類測(cè)量?jī)x器帶來因非對(duì)稱影響而精度失準(zhǔn)的問題。 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。不同種類的細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)溫度要求也不同，例如魚、昆蟲和兩棲類細(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 水套式加熱是通過一個(gè)獨(dú)立的水套層包圍內(nèi)部的箱體來維持溫度恒定的，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）的用戶選用。
（2）氣套式加熱 氣套式加熱是通過遍布箱體氣套層內(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)，特別有利于短期培養(yǎng)以及需要箱門頻繁開關(guān)取放樣的培養(yǎng)。此外，對(duì)于使用者來說氣套式設(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）。