二氧化碳培养箱操作详解与实验中的多种应用（一）
3分钟认识二氧化碳培养箱
01 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。
02 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。
03 如何实现CO2浓度精确控制
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：①TC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，Esco则选用的是该系统。
但也并不是所有的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，保护培养材料。Esco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。
04 如何实现温度精准控制
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培养箱通过电热丝加热, 主要有水套式加热和气套式加热两种系统。
（1）水套式加热
水套式加热通过一个独立的水套层包围内部的箱体来维持温度恒定，其优点：水是一种很好的绝热物质，断电情况下，水套式系统可以在较长时间内保持培养箱内的温度准确性和稳定性，适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，又叫六面直接加热。气套式与水套式相比，具有加热快、温度恢复迅速的特点，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，Esco CelCulture®系列内置制冷系统二氧化碳培养箱可供用户选择，允许在高/低于室温的温度下进行研究。
