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--二氧化碳培养箱
您知道细胞培养为什么要用二氧化碳培养箱吗？
您知道二氧化碳培养箱都有哪些性能优势吗？
您知道现用的二氧化碳培养箱怎样使用才能帮助您轻松实现细胞培养的科研和生产工作吗？
相信很多的使用者都知道二氧化碳培养箱是细胞培养的有利工具，但对其工作原理、性能指标、如何正确高效使用都知之甚少。工欲善其事，必先利其器。本着让诸君更好地研究细胞的功能、代谢以及细胞对环境诸因素影响的宗旨， Esco今天将带您一起走进二氧化碳培养箱的神秘世界。
1什么是二氧化碳培养箱
二氧化碳培养箱是通过在培养箱箱体内模拟形成一个类似细胞/组织在生物体内的生长环境，用来对细胞/组织进行体外培养的一种装置。
二氧化碳培养箱比普通的电热恒温培养箱多了二氧化碳浓度控制系统，并对箱内环境的温度和湿度进行了严格控制，如稳定的CO2水平（5％）、稳定的温度（37℃）、较高的相对湿度（95％），因此使生物细胞，组织等的培养成功率、效率都得到改善，是普通的电热恒温培养箱无法替代的新型培养箱。
2为什么要使用二氧化碳培养箱
气体是哺乳动物细胞培养生存必需条件之一,所需气体主要有氧气和二氧化碳。氧气参与三羧酸循环,产生供给细胞生长增殖的能量和合成细胞生长所需用的各种成分。开放培养时一般把细胞置于95%空气加5%二氧化碳混合气体环境中。CO2既是细胞代谢产物，也是细胞所需成分，它主要与维持培养液的pH有直接关系。动物细胞多数需要微碱性环境，pH为7.2~7.4，以不超出6.8~7.6为宜。在细胞培养过程中，随着CO2释放量的增多，培养基会变酸，因此常在培养基中加入NaHCO3（与CO2溶于水后所形成的H2CO3构成一个缓冲对）来调节pH。NaHCO3具有释放CO2的倾向，加入CO2可以抑制这个反应的进行。培养箱中CO2浓度应与培养液中NaHCO3浓度相平衡，如果培养箱中CO2浓度设定在5%，培养液中NaHCO3的加入量应为1.97 g/L；如果CO2浓度维持在10%，则NaHCO3的加入量应为3.95 g/L。
精确控制二氧化碳浓度，这就是为什么二氧化碳培养箱成为细胞或组织体外培养环境不二之选的重要原因。
3如何实现二氧化碳浓度的精确控制
二氧化碳培养箱常用热导（TC）传感器或红外（IR）传感器检测箱体内二氧化碳浓度的变化。当二氧化碳培养箱的门被打开时，CO2从箱体内漏出，此时传感器就会探测到CO2浓度的降低，并做出及时的反应，重新注入CO2使其恢复到原先预设的水平。
（1）热导（TC）传感器
热传导传感器(TC)监控CO2浓度的工作原理是通过测量两个电热调节器之间的电阻变化来实现的。箱内CO2浓度的变化会改变两个电热调节器间的电阻，输入CO2气体的低热导率会使腔内空气的热导率发生变化，这样就会产生一个与CO2浓度直接成正比的电信号。从而促使传感器产生反应以达到调节CO2水平的作用。
TC控制系统存在一定的缺点：1.TC控制系统检测结果会产生漂移。2.重新校准的周期较长。3.箱内温度和相对湿度的改变会影响传感器的精确度。当箱门被频繁打开时，不仅CO2浓度，温度和相对湿度也会发生很大的波动，因而影响了TC传感器的精度。当需要精确的培养条件和频繁开启培养箱门时，此控制系统就显得不太适用了。
（2）红外（IR）传感器
红外传感器（IR）系统包括一个红外发射器和一个接收检测器，当箱体内的CO2吸收了发射器发射的部分红外线之后，接收检测器就可以检测出红外线的减少量，而被吸收红外线的量正好对应于箱体内CO2的水平，从而可以得出箱体内CO2的浓度。IR系统相比TC系统，稳定性更高，检测结果无漂移，重新校准更快，因而价格也会有所上升。当前市场上出售的二氧化碳培养箱常规配置的是TC系统，当然也有一些生产制造商更为注重CO2的浓度精确控制，出厂的所有二氧化碳培养箱均标配IR系统，例如新加坡Esco。
但是也并不是所有的CO2浓度红外传感器的工作原理都是一样的，基于非发散性红外线气体检测原理的测量方法主要有3种：单光束单波长测量、双光束双波长测量和单光束双波长测量。
单光束单波长测量，顾名思义，这种CO2传感器只能提供单一波长的光线，由于其稳定性极易受到诸如灯泡老化、灰尘污染、温度变化及光线发射特性变化等因素的影响，因而其测量的稳定性和精度都不够准确。
双光束双波长测量，这种测量仪器备有2个光波通道，1个探测器和2个滤光镜，与单光束单波长测的仪器比较，其精度和稳定性都有所提高，但在实际应用中，2个光波通道受到的影响程度同样也会给这类测量仪器带来因非对称影响而精度失准的问题。
单光束双波长测量，保证了二氧化碳浓度控制的高精度性，避免了双光束衰减干扰不同步引起的误差，也避免了单光束单波长探头的不稳定性，最好的保护了宝贵的培养材料。Esco公司直热式二氧化碳培养箱采用的就是芬兰维萨拉单光束双波长IR传感器。
三气细胞培养箱则在二氧化碳培养箱的基础上增加了氧气浓度控制系统。
4如何实现温度的精确控制
维持培养细胞旺盛生长,必须有恒定而适宜的温度。不同种类的细胞对培养温度要求也不同，例如鱼、昆虫和两栖类细胞的适宜培养温度是25-28℃，哺乳动物细胞的适宜培养温度是35-37℃，发生转化的细胞则适合在高于40℃的条件下生长。人体细胞培养的标准温度为36.5℃±0.5℃,偏离这一温度范围,细胞的正常代谢会受到影响,甚至死亡。保持培养箱内恒定的温度是维持细胞健康生长重要因素。CO2培养箱的温度是通过电热丝加热的, 主要有水套式加热和气套式加热两种加热系统。
（1）水套式加热
水套式加热是通过一个独立的水套层包围内部的箱体来维持温度恒定的，其优点：水是一种很好的绝热物质，当遇到断电的时候，水套式系统就可以比较长时间的保持培养箱内的温度准确性和稳定性，有利于实验环境不太稳定（如有用电限制或经常停电）的用户选用。
（2）气套式加热
气套式加热是通过遍布箱体气套层内的加热器直接对内箱体进行加热的，又叫六面直接加热。气套式与水套式相比，具有加热快，温度的恢复比水套式培养箱迅速的特点，特别有利于短期培养以及需要箱门频繁开关取放样的培养。此外，对于使用者来说气套式设计比水套式更简单化（水套式需要对水箱进行加水、清空和清洗，并要经常监控水箱运作的情况，还有潜在的污染隐患）。气套式加热优点总结：1.重量更轻、运输或搬运更方便；2.加热快，温度的恢复比水套式培养箱迅速，特别有利于短期培养以及需要箱门频繁开关取放样的培养；3.不会发生因为漏水造成样品污染；4.可选择更多灭菌方式（水套利用水作为传热介质，高温加热灭菌困难）。
为了满足低温培养的需求，二氧化碳培养箱厂家励精图治开发出了内置制冷系统的产品可供研究者选择，例如Esco公司CelCulture®系列二氧化碳培养箱内置制冷系统提供高度专业应用的解决方案, 制冷系统允许样品在高/低于室温的温度条件下进行研究。
5如何满足细胞培养湿度的要求
水是细胞的重要组成部分，在培养箱中对细胞进行培养过程里，制冷或者制热最直接的影响是细胞的培养基快速蒸发失水，蒸发将导致培养基上的渗透作用增强，产生渗透性脱水；培养基中盐浓度增加，细胞中水分跑出细胞外细胞收缩，新陈代谢变缓，细胞死亡。
培养箱内相对湿度的控制室非常重要的，饱和湿度环境可以避免培养液中二氧化碳逃逸，保持pH值稳定，也能防止由于干燥使培养液中水分蒸发，渗透压升高，导致细胞培养失败。大多数的二氧化碳培养箱是通过增湿盘的蒸发作用产生湿气的，大型的二氧化碳培养箱是用蒸汽发生器或喷雾器来控制相对湿度水平的。一些培养箱在底部设置湿度蓄水池，这样可以增强蒸发作用，但是，这个系统也更复杂，由于复杂结构的增加一些难以预料的问题也会在使用过程中出现。
6如何有效控制污染物
体外培养的细胞缺乏抗感染能力，所以防止污染是决定培养成功或失败的首要条件，因而需要操作过程中最大可能地保证无菌。二氧化碳培养箱始终为研究人员着想，制造商们设计了多种不同的装置去减少和防止污染的发生，让用户具有多重灭菌选择。
（1）干热灭菌
利用干热空气使细菌的原生质凝固，并使细菌的酶系统破坏而杀死细菌的方法。对于耐热芽孢杆菌，干热灭菌容易形成芽孢，无法一次彻底灭菌。通常需要在37℃培养，使芽孢复苏后进行二次灭菌才能达到彻底灭菌效果。
（2）湿热灭菌
以高温高压水蒸气为介质，由于蒸汽潜热大，穿透力强，容易使蛋白质变性或凝固，最终导致微生物的死亡，所以该法的灭菌效率比干热灭菌法高。且湿热灭菌温度较干热低，对电子元件特别是传感器的损伤小，可以延长培养箱的使用寿命。
（3）紫外灭菌
紫外线灭菌是用紫外线管照射进行的。波长在220-300nm的紫外线称为“杀生命区”，紫外线杀菌效果取决于紫外线灯管的功率大小和照射时间，加上被照空间及面积大小等诸多不稳定因素，导致紫外线杀菌效果不是很理想。此外紫外线对人体有伤害作用。
（4）过滤灭菌
所有进入培养箱的气体均经过0.2μm在线过滤器过滤，以消除气体杂质和污染物。
还有些公司配置了ULPA超高效滤器，能过滤培养箱内空气。例如 Esco CelSafe®二氧化碳培养箱就配置了瑞典Camfil 的ULPA超高效滤器，可过滤除去99.999%的0.3um以上的颗粒，能够在培养箱内提供相当于ISO 3级空气洁净度等级，有效去除实验室环境和样品腔内空气中的污染物，保证气流循环。
（5）全铜内胆抗菌
长久以来，铜的抗菌性能得到了全球公认并被广泛使用。许多专业生产制造商已开发出了成熟的全铜内胆二氧化碳培养箱产品，例如Esco CelCulture®全铜内胆培养箱，100%全铜内胆能够对珍贵样品提供额外的保护。
（6）抗菌涂层抑菌
外部选用抑菌材料主要成份含有银离子，具有长期抑菌作用，且不会因为表面清洗而被消除。例如Esco专利IsocideTM表面抗菌涂层技术可有效地抑制微生物在箱体表面滋生，实验证明，可在24小时内抑制箱体表面99.9%的细菌滋生。
7如何便捷有效地操作和控制二氧化碳培养箱
微处理控制系统主要包适高温自动调节和跟踪警报装置、CO2警报装置、密码保护设置、自动校准系统等，有些配置了高效过滤器的二氧化碳培养箱还设有过滤器更换报警装置。实现参数设定、故障排查和分级菜单进入一体化操作；仪器安全状态可清晰显示，温度和CO2浓度轻松实现实时监控；特制的声、光报警提示功能及时提醒用户发现和处理问题。
还有些二氧化碳培养箱设有数据记录和输出功能装置，方便用户监控和维护设备。例如Esco公司二氧化碳培养箱设置了特定的智能化数据和事件检测器记录装置，智能化记录培养箱使用过程中所有运行参数，并可以在LCD显示屏上通过程序软件调取记录的数据，内置的16M闪存保证了运行数据的长期储存。还有Esco Voyager®软件包，使用Esco总线通讯协议通过RS485与Esco二氧化碳培养箱连接，可实现设备的远程监控、数据记录和编程。同一台电脑可以连接多达16个装置设备，并以用户设定的时间间隔自动发送记录数据的电子邮件，为用户的珍贵样本提供多一层保护。
