為什么要使用二氧化碳培養(yǎng)箱
氣體是哺乳動物細(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)胞生長增殖的能量和合成細(xì)胞生長所需用的各種成分。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)成一個緩沖對）來調(diào)節(jié)pH。NaHCO3具有釋放CO2的傾向，加入CO2可以抑制這個反應(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)傳感器就會探測到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量兩個電熱調(diào)節(jié)器之間的電阻變化來實(shí)現(xiàn)的。箱內(nèi)CO2濃度的變化會改變兩個電熱調(diào)節(jié)器間的電阻，輸入CO2氣體的低熱導(dǎo)率會使腔內(nèi)空氣的熱導(dǎo)率發(fā)生變化，這樣就會產(chǎn)生一個與CO2濃度直接成正比的電信號。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)檢測結(jié)果會產(chǎn)生漂移。2.重新校準(zhǔn)的周期較長。3.箱內(nèi)溫度和相對濕度的改變會影響傳感器的度。當(dāng)箱門被頻繁打開時(shí)，不僅CO2濃度，溫度和相對濕度也會發(fā)生很大的波動，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)包括一個紅外發(fā)射器和一個接收檢測器，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(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，檢測結(jié)果無漂移，重新校準(zhǔn)更快，因而價(jià)格也會有所上升。當(dāng)前市場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(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，因而其測量的穩(wěn)定性和精度都不夠準(zhǔn)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(wěn)定性都有所提高，但在實(shí)際應(yīng)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(zhǔn)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(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,有恒定而適宜的溫度。不同種類的細(xì)胞對培養(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。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，對于使用者來說氣套式設(shè)計(jì)比水套式更簡單化（水套式需要對水箱進(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）。