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技術文章
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為什么細胞培養需要用二氧化碳培養箱？
日期：2022-10-20瀏覽：3533次
為什么細胞培養需要用二氧化碳培養箱？
一般細胞培養液的pH在7.0-7.4之間。由于碳酸鹽pH緩沖系統是一種生理pH緩沖系統（它是人體血液中最重要的pH緩沖系統），所以大多數培養液用它來保持穩定的pH。用粉末配制培養液時，常常需要加入一定量的碳酸氫鈉。對大多數以碳酸鹽作為pH緩沖系統的培養液而言，以為了維持穩定的pH，培養箱中的二氧化碳需要維持在2-10%之間，以保持培養液中溶解的二氧化碳的濃度。同時細胞培養的器皿需要一定程度的透氣，以便于氣體的交換。是不是采用其他pH緩沖系統就不需要二氧化碳培養箱了呢？人們發現由于空氣中的二氧化碳濃度很低，如果細胞不在二氧化碳培養箱中培養，培養液中的HCO3-會被耗盡，這樣會影響細胞的正常生長。所以大部分動物細胞的培養，還是需要二氧化碳培養箱。 在過去的數十年間，細胞生物學、分子生物學、藥理學等的研究領域都有了驚人的長足進步，同時，這些領域中的技術應用也不得不跟上“腳步"。雖然典型的生命科學實驗室設備有了很大的改變，但二氧化碳培養箱依然是實驗室中的主要組成部分，其使用的最終目的都是維持和促使細胞和組織更好地生長。然而，隨著技術的進步，其功能和運作都變得越來越精確、可靠和方便。如今，二氧化碳培養箱已成為實驗室使用的常規儀器之一，已廣泛應用于醫學、免疫學、遺傳學、微生物、農業科學、藥物學的研究和生產。 CO2培養箱是通過對周圍環境條件的控制制造出一個能使細胞/組織更好地生長的環境，條件控制的結果就會形成一個穩定的條件：如恒定的酸堿度（pH值：7.2-7.4）、穩定的溫度（37°C）、較高的相對濕度（95％）、穩定的CO2水平（5％），這就是為什么上述領域的研究員如此熱衷于使用方便穩定可靠的二氧化碳培養箱。 此外，由于增加了二氧化碳濃度控制，并且使用微控制器對培養箱溫度進行精確控制，使生物細胞，組織等的培養成功率、效率都得到改善。總之，二氧化碳培養箱是普通電熱恒溫培養箱不可替代的新型培養箱。 使用者對二氧化碳培養箱的選購最關心的當然就是其可靠性、污染物的控制和使用方便。CO2培養箱主要控制模擬活體內環境相關的3個基本變量：穩定的CO2水平、溫度、相對濕度。要有穩定的培養環境，就要考慮這三方面的影響因素，選購時，就應該對這些“重中之重"有一定的了解才能選到適合自己的儀器。但是，其它的一些方面的“小"因素也不能忽略，因為這些都會影響儀器的使用價值和壽命。選購時，就應該從各方面的因素加以考慮。保持培養箱內恒定的溫度是維持細胞健康生長的重要因素。當選購二氧化碳培養箱時，有兩種類型的加熱結構可供選擇：氣套式加熱和水套式加熱。雖然這兩種加熱系統都是精確和可靠的，但是它們都有著各自的優點和缺點。水套式培養箱是通過一個獨立的熱水間隔間包圍內部的箱體來維持溫度恒定的。熱水通過自然對流在箱體內循環流動，熱量通過輻射傳遞到箱體內部從而保持了溫度的恒定。水套式設計有其優點：水是一種很好的絕熱物質，當遇到斷電的時候，水套式系統就能更可靠地長久保持培養箱內的溫度準確性和穩定性（維持溫度恒定的時間是氣套式系統的4-5倍）。如果您的實驗環境不太穩定（如有用電限制，或者經常停電）并需要保持長時間穩定的培養條件，此時，水套式設計的二氧化碳培養箱就是您的選擇。而氣套式加熱系統是通過箱體內的加熱器直接對箱內氣體進行加熱的。氣套式設計在箱門頻繁開關引起的溫度經常性改變的情況下能夠迅速恢復箱體內的溫度穩定。因此，氣套式與水套式相比，具有加熱快，溫度的恢復比水套式培養箱迅速的特點，特別有利于短期培養以及需要箱門頻繁開關的培養。此外，對于使用者來說氣套式設計比水套式更簡單化（水套式需要對水箱進行加水、清空和清洗，并要經常監控水箱運作的情況）。在購買氣套式培養箱時，要注意的是：為了不影響培養，培養箱還應該有一個風扇以保證箱內空氣的流通和循環，此裝置還有助于箱內溫度、CO2和相對濕度的迅速恢復。 此外，有些類型的二氧化碳培養箱還具備外門及輔助加熱系統，這個系統能加熱內門，提供給細胞良好的濕度環境，保證細胞滲透壓維持平衡，且可有效防止形成冷凝水以保持培養箱內的濕度和溫度。CO2 濃度探測可通過兩種控制系統——紅外傳感器（IR）或熱傳導傳感器（TC）進行測量。當二氧化碳培養箱的門被打開時，CO2從箱體內漏出，此時傳感器就會探測到CO2濃度的降低，并做出及時的反應，重新注入CO2使其恢復到原先預設的水平。熱傳導傳感器（TC）監控CO2濃度的工作原理是通過測量兩個電熱調節器（一個調節器暴露于箱體環境內，另一個則是封閉的）之間的電阻變化來實現的。箱內CO2濃度的變化會改變兩個電熱調節器間的電阻，從而促使傳感器產生反應以達到調節CO2水平的作用。TC控制系統的一個缺點就是箱內溫度和相對濕度的改變會影響傳感器的精確度。當箱門被頻繁打開時，不僅CO2濃度，溫度和相對濕度也會發生很大的波動，因而影響了TC傳感器的精度。當需要精確的培養條件和頻繁開啟培養箱門時，此控制系統就顯得不太適用了。紅外傳感器（IR）作為另一個可選擇的控制系統比TC系統具備更精確的CO2控制能力，它是通過一個光學傳感器來檢測CO2水平的。IR系統包括一個紅外發射器和一個傳感器，當箱體內的CO2吸收了發射器發射的部分紅外線之后，傳感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于箱體內CO2的水平，從而可以得出箱體內CO2的濃度。因為IR系統不會因溫度和相對濕度的改變而受到影響，所以它比TC系統更精確，特別適用于需要頻繁開啟培養箱門的細胞培養。然而，此系統比TC系統更貴，這時就要結合經費預算進行考慮了。培養箱內相對濕度的控制是非常重要的，維持足夠的濕度水平才能保證不會由于過度干燥而導致培養失敗。大型的二氧化碳培養箱是用蒸汽發生器或噴霧器來控制相對濕度水平的，而大多數中、小型培養箱則是通過濕度控制面板（humidity pans）的蒸發作用產生濕氣的（其產生的相對濕度水平可達95-98％）。一些培養箱有一個能在加熱的控制面板上保持水份的濕度蓄水池（humidity reservoir），這樣可以增強蒸發作用，此蓄水池能增加相對濕度水平達97-98％。但是，這個系統也更復雜，由于復雜結構的增加一些難以預料的問題也會在使用過程中出現。每一個使用者都希望所用的儀器能夠方便好用，微處理控制系統和其它各種功能附件（如高溫自動調節和警報裝置、CO2警報裝置、密碼保護設置、自動校準系統等等）的運用，就使得二氧化碳培養箱的操作和控制都非常的簡便。微處理控制系統是維持培養箱內溫度、濕度和CO2 濃度穩態的操作系統。例如PIC微處理器控制系統，它能嚴格控制氣體的濃度并將其損耗降低水平，以保證培養環境恒定不變，且能保證長期培養過程中箱內溫度精確，并有LED 顯示，可設置、校正溫度和CO2濃度。不同的微處理系統雖然名字不相同，但是其原理與控制效果則無甚區別，選購時不必太在意它們名字上的區別，關鍵是要自己覺得使用起來方便，容易操作，而且要能夠達到所需的控制精度。此外，我想一個報警系統也是不可少的吧，它能讓你及時知道培養箱出現的情況，并做出反應，從而最大限度地降低了損失，保證實驗的連續性。有些培養箱有聲/光報警裝置，溫度變化達±0.5℃，或CO2 濃度變化達±5時，即會自動報警；有些具有CO2濃度異常報警顯示功能。這些裝置都是為了方便使用者，以減少繁瑣枯燥的實驗過程而設計的。污染是導致細胞培養失敗的一個主要因素，因而，二氧化碳培養箱的制造商們設計了多種不同的裝置去減少和防止污染的發生，其主要途徑都是盡量減少微生物可以生長的區域和表面，并結合自動排除污染裝置來有效防止污染的產生。例如，鑒于CO2培養箱在使用過程中有時會伴有霉菌生長，為確保培養箱免受污染且保證儀器箱體內的生物清潔性，有些公司開發設計了帶有紫外清潔功能的增強型CO2培養箱；還有公司設計的*銅外殼HEPA濾器能過濾培養箱內空氣，可過濾除去99.97的0.3um以上的顆粒，并能有效殺死過濾時被擋在濾器內的微生物顆粒；此外，自動殺菌裝置能使箱內溫度達到90℃從而殺死污染微生物，當它與HEPA系統結合使用就能夠極大的減少污染。選擇何種清潔裝置呢？當然功能越多越好，但是價格也會隨之上升。如果經費有限，只能選擇一個價格較便宜的，這時就應該配合使用一些消毒劑和除菌劑，經常進行消毒滅菌，也能達到貴儀器的效果，只是比較麻煩一點而已。總之，無論選擇何種裝置，都要時刻注意保持培養箱的清潔，經常清理箱體，這樣才能增加儀器的使用壽命，并使實驗順利進行，保證結果的可靠性。二氧化碳培養箱的使用注意事項：
1. 儀器應放置在平整的地面上，環境應清潔整齊，干燥通風；
2. 儀器使用前，各控制開關均應處于非工作狀態，調速旋鈕應置于最小位置；
3. 不可將流入氣體壓力調至過大，以免沖破管道及損傷探測器；
4. 關好培養箱的門，以免氣體外泄，影響試驗效果；
5. 每次停機前，各控制開關均應處于非工作狀態才切斷電源；
6. 操作密碼設置需至少3人知道，以免遺忘密碼而無法開啟儀器；
7. 鋼瓶氣體需純凈達標，以免損傷儀器；
8. 保持培養箱內空氣干凈，并定期消毒；
9. 經常注意箱內蒸餾水槽中蒸餾水的量，以保持箱內相對濕度，同時避免培養液蒸發；
10. 不適用于含有易揮發性化學溶劑，低濃度爆炸氣體和低著火點氣體的物品以及有毒物品的培養。
11. 正確地使用和注意儀器的保養，使其處于良好的工作狀態，可延長儀器的使用壽命；
12. 制冷系統停止工作后，用軟布擦凈工作腔和玻璃觀察窗；
13. 儀器在連續工作期間，每三個月應做一次定期檢查；檢查是否有水滴，污物等落入電機和外露的制冷元件上；清理壓縮機，冷凝器上的灰塵和污物；檢查保險絲，控制元件及緊固螺釘；
14. 儀器經長期使用，自然磨損屬正常現象，應聯系廠家進行維修。
