二氧化碳培养箱基础知识

二氧化碳培养箱基础知识二氧化碳培养箱广泛应用于医学、免疫学、遗传学、微生物、农业科学、药物学的研究和生产，已经成为上述领域实验室最普遍使用的常规仪器之一，其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如恒定的酸碱度（pH值：7.2-7.4）、稳定的温度（37°C）、较高的相对湿度（95%）、稳定的CO2水平（5%），来对细胞/组织进行体外培养的一种装置。用户对二氧化碳培养箱都有两条最基本的要求，一是要求二氧化碳培养箱能够对温度、二氧化碳浓度和湿度提供最精确稳定的控制，以便于其研究工作的进展；二是要求二氧化碳培养箱能够对培养箱内的微生物污染进行有效的防范，并且能够定期消除污染，以保护研究成果，防止样品损失。所以，选购二氧化碳培养箱的老师最关心的当然就是其高可靠性、对污染的防范和控制及使用方便。一、加热方式的区分：气套式加热和水套式加热，两种加热系统都是精确和可靠的，同时它们都有着各自的优点和缺点。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（维持温度恒定的时间是气套式系统的3－4倍），有利于实验环境不太稳定（如有用电限制，或者经常停电）并需要保持长时间稳定的培养条件的用户选用。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）。二、二氧化碳浓度控制1.两种控制系统：红外传感器（IR）或热导传感器（TCD）进行测量。两种传感器都是准确的，但都各有优缺点。热导传感器监控CO2浓度的工作原理是基于对内腔空气热导率的连续测量,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。红外传感器（IR）它是通过一个光学传感器来检测CO2水平的。IR系统包括一个红外发射器和一个传感器，当箱体内的CO2吸收了发射器发射的部分红外线之后，传感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。由于IR系统是通过红外线减少来确定箱内CO2浓度，而箱体内颗粒物能够反射或部分吸收红外线，使得IR系统对箱体内颗粒物的多少比较敏感，因此IR传感器应用在含HEPA高效空气过滤器的培养箱内比较合适。2.CO2测量系统自动校准功能：无论哪种CO2测量系统在使用一段时间后都会产生漂移，而产生漂移后直接会导致箱体内二氧化碳浓度不能稳定在我们的设定值，致使培养失败，所以我们在这里强烈建议用户在选购培养箱时必须要选择带有CO2测量系统自动校准功能的培养箱。三相对湿度箱内湿度对于培养工作来说是一项非常重要然而又经常被忽略的因素。维持足够的湿度水平并且要有足够快的湿度恢复速度（如在开关门后）才能保证不会由于过度干燥而导致培养失败。目前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（其产生的相对湿度水平可达95%左右，但开门后湿度恢复速度很慢）。我们在此建议用户在选购二氧化碳培养箱的时候尽量选择湿度蒸发面积大的培养箱，因为我们知道湿度蒸发面积越大，越容易达到最大相对饱和湿度并且开关门后的湿度恢复的时间越短。如何选购二氧化碳培养箱二氧化碳培养箱广泛应用于医学、免疫学、遗传学、微生物、农业科学、药物学的研究和生产，已经成为上述领域实验室最普遍使用的常规仪器之一，其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如恒定的酸碱度（pH值：7.2-7.4）、稳定的温度（37°C）、较高的相对湿度（95%）、稳定的CO2水平（5%），来对细胞/组织进行体外培养的一种装置。全世界的用户对二氧化碳培养箱都有两条最基本的要求，一是要求二氧化碳培养箱能够对温度、二氧化碳浓度和湿度提供最精确稳定的控制，以便于其研究工作的进展；二是要求二氧化碳培养箱能够对培养箱内的微生物污染进行有效的防范，并且能够定期消除污染，以保护研究成果，防止样品损失。所以，选购二氧化碳培养箱的老师最关心的当然就是其高可靠性、对污染的防范和控制及使用方便。一、温度控制1.加热方式：气套式加热和水套式加热，两种加热系统都是精确和可靠的，同时它们都有着各自的优点和缺点。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（维持温度恒定的时间是气套式系统的3－4倍），有利于实验环境不太稳定（如有用电限制，或者经常停电）并需要保持长时间稳定的培养条件的用户选用。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）。2.温控系统：保持培养箱内恒定的温度是维持细胞健康生长的重要因素，因此精确可靠的温控系统是培养箱不可或缺的重要部分。为了使培养箱更加稳定的工作，我们推荐用户选用具备相互独立三重温度控制功能的二氧化碳培养箱，即箱内温度控制、超温报警控制和环境温度监控。目前市面上拥有此功能的二氧化碳培养箱极少，而HealForce（力康）牌HF90气套式二氧化碳培养箱能够做到。HF90的独立箱内温度控制系统保证培养箱内温度能够精确的稳定在用户的设定值上，并且主加热系统具有正常/缓慢两种加热模式，更加耐受室温较高的环境使用，我们知道培养箱的最低工作温度一般是高于室温5°C，如果没有缓慢加热模式就非常容易在夏天高温天气（如室温30°C左右时）产生箱内温度过高；HF90的独立超温报警功能能够快速准确的在培养箱内温度高于培养温度1°C时，切断培养箱的主加热系统，同时声光报警；HF90的环境温度监控可以根据环境温度的变化自动调节培养箱外门辅助加热系统的功率，达到精确控制箱体内温度的目的。HF90气套式高温湿热灭菌CO2培养箱正面图3.温度均一性：二氧化碳培养箱箱体内的温度均一性也是用户需要考虑的主要因素，一般在箱体内配备了风扇以及风道的培养箱的均一度要好很多，同时此装置还有助于箱内温度、CO2浓度和相对湿度的迅速恢复。当然，风扇/风道的优化也是同等重要的，HF90二氧化碳培养箱独特设计的大直径风扇和循环风道能够保证箱体内温度和二氧化碳浓度的均一性。大直径风扇相比其他品牌培养箱的风扇，能够在低转速（低风速）时产生大的空气循环流量，在达到均一性目的的同时，降低风速、减少箱内震动。降低风速、减少震动同时也就大大提高了箱内细胞培养的成功率。二、二氧化碳浓度控制1.两种控制系统：红外传感器（IR）或热导传感器（TCD）进行测量。两种传感器都是准确的，但都各有优缺点。热导传感器监控CO2浓度的工作原理是基于对内腔空气热导率的连续测量,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。红外传感器（IR）它是通过一个光学传感器来检测CO2水平的。IR系统包括一个红外发射器和一个传感器，当箱体内的CO2吸收了发射器发射的部分红外线之后，传感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。由于IR系统是通过红外线减少来确定箱内CO2浓度，而箱体内颗粒物能够反射或部分吸收红外线，使得IR系统对箱体内颗粒物的多少比较敏感，因此IR传感器应用在含HEPA高效空气过滤器的培养箱内比较合适，如HealForce（力康）HF160W水套式培养箱就是采用的HEPA过滤器配合高精度IR传感器的配置；而HF90气套式培养箱采用的是高精度TCD传感器。2.CO2测量系统自动校准功能：无论哪种CO2测量系统在使用一段时间后都会产生漂移，而产生漂移后直接会导致箱体内二氧化碳浓度不能稳定在我们的设定值，致使培养失败，所以我们在这里强烈建议用户在选购培养箱时必须要选择带有CO2测量系统自动校准功能的培养箱。目前市面上拥有此功能的二氧化碳培养箱极少，而HealForce（力康）牌HF90气套式二氧化碳培养箱能够做到。HF90先进的“AUTO-START”自动启动功能可以将培养箱自动调节到您所设定的各项工作参数，并使CO2浓度处于最精确和稳定状态，保证CO2浓度不产生正负漂移。3.CO2浓度均一性：此点与温度均一性的要求类似，在此就不做赘述。三、相对湿度箱内湿度对于培养工作来说是一项非常重要然而又经常被忽略的因素。维持足够的湿度水平并且要有足够快的湿度恢复速度（如在开关门后）才能保证不会由于过度干燥而导致培养失败。目前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（其产生的相对湿度水平可达95%左右，但开门后湿度恢复速度很慢）。我们在此建议用户在选购二氧化碳培养箱的时候尽量选择湿度蒸发面积大的培养箱，因为我们知道湿度蒸发面积越大，越容易达到最大相对饱和湿度并且开关门后的湿度恢复的时间越短。HealForce（力康）牌HF90二氧化碳培养箱的整个内部箱底被设计成为一个水库式底盘，这样可以做到蒸发面积最大化，增强蒸发作用，水库式底盘设计使培养箱内能快速达到饱和湿度状态，且湿度恢复速度要远远高于采用水盘增湿的二氧化碳培养箱。CO2培养箱的湿度恢复时间比较图四、防污染设计和消毒灭菌系统污染是导致细胞培养失败的一个主要因素，因而，二氧化碳培养箱的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，其主要途径都是尽量减少微生物可以生长的区域和表面，并结合自动排除污染装置来有效防止污染的产生。例如，鉴于CO2培养箱在使用过程中有时会伴有霉菌生长，为确保培养箱免受污染并且保证仪器箱体内的生物清洁性，相继问世了多种消毒灭菌方式，如带有紫外消毒功能的CO2培养箱（如HealForce品牌的HF151UV和HF212UV二氧化碳培养箱）；还有的设计生产了HEPA过滤器能过滤培养箱内空气，可过滤除去99.97%的0.3微米以上的颗粒（如HealForce品牌的HF160W二氧化碳培养箱）；此外，还开发设计了能使箱内达到高温湿热的环境从而杀死污染微生物，达到消毒灭菌目的的培养箱（如HealForce品牌的HF90和HF240二氧化碳培养箱）。这些装置对于细胞培养来说是必不可少，但选择何种清洁装置呢？首先，我们考虑的当然是各种方式的灭菌能力，紫外消毒能力是与紫外灯距离目标的距离的二次方成反比，距离越远，消毒能力越差，所以紫外消毒方式有其局限性，难以达到彻底灭菌的要求；HEPA过滤器由于受到过滤膜孔径的影响，无法去除病毒和一些微小细菌，也有其局限性；相比较而言，高温消毒是目前比较有效消毒灭菌的方法，高温消毒又分为两类，一是传统的高温干热消毒，另一种是先进的高温湿热灭菌。接下来我们重点说一下高温干热和高温湿热两种方法的优劣。高温湿热由于蒸汽潜热大，穿透力强，容易使蛋白质变性或凝固，因此该法的灭菌效率比干热灭菌法高。其原因有三：①蛋白质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，发生凝固所需的温度愈低。湿热灭菌的菌体蛋白质吸收水分，所以较同一温度的干热空气中易于凝固。②湿热灭菌过程中蒸汽放出大量潜热，加速提高湿度。因而湿热灭菌比干热所需温度低，如在同一温度下，则湿热灭菌所需时间比干热短。③湿热的穿透力比干热大，使其深部也能达到灭菌温度，故湿热比干热收效好一些。所以高温消毒并不是简单的看消毒温度，主要是看是否湿热消毒。另外，从使用角度看，湿热消毒一般控制在90°C就能达到很彻底的消毒效果，整个消毒过程中培养箱内的所有附件都不用取出，可以全部进行消毒；而干热消毒为了达到较好的效果，温度一般都在100°C以上