二氧化碳培養(yǎng)箱操作詳解與實(shí)驗(yàn)中的多種應(yīng)用
01 什么是二氧化碳培養(yǎng)箱
二氧化碳培養(yǎng)箱是通過在培養(yǎng)箱箱體內(nèi)模擬形成一個(gè)類似細(xì)胞/組織在生物體內(nèi)的生長環(huán)境,用來對(duì)細(xì)胞/組織進(jìn)行體外培養(yǎng)的一種裝置。
二氧化碳培養(yǎng)箱比普通的電熱恒溫培養(yǎng)箱多了二氧化碳濃度控制系統(tǒng),并對(duì)箱內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行了嚴(yán)格控制,如穩(wěn)定的CO2水平(5%)、穩(wěn)定的溫度(37℃)、較高的相對(duì)濕度(95%),因此使生物細(xì)胞,組織等的培養(yǎng)成功率、效率都得到改善,是普通的電熱恒溫培養(yǎng)箱無法替代的新型培養(yǎng)箱。
02 為什么要使用二氧化碳培養(yǎng)箱
氣體是哺乳動(dòng)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(dòng)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(huì)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(gè)緩沖對(duì))來調(diào)節(jié)pH。NaHCO3具有釋放CO2的傾向,加入CO2可以抑制這個(gè)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。
03 如何實(shí)現(xiàn)CO2濃度精確控制
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(huì)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(gè)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(huì)改變兩個(gè)電熱調(diào)節(jié)器間的電阻,輸入CO2氣體的低熱導(dǎo)率會(huì)使腔內(nèi)空氣的熱導(dǎo)率發(fā)生變化,這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與CO2濃度直接成正比的電信號(hào)。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)存在一定的缺點(diǎn):①TC控制系統(tǒng)檢測結(jié)果會(huì)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(duì)濕度的改變會(huì)影響傳感器的精確度。當(dāng)箱門被頻繁打開時(shí),不僅CO2濃度,溫度和相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生很大的波動(dòng),因而影響了TC傳感器的精度。當(dāng)需要精確的培養(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(gè)紅外發(fā)射器和一個(gè)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(duì)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(huì)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的濃度精確控制,出廠的二氧化碳培養(yǎng)箱均標(biāo)配IR系統(tǒng),Esco則選用的是該系統(tǒng)。
但也并不是的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(gè)光波通道,1個(gè)探測器和2個(gè)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(gè)光波通道受到的影響程度同樣也會(huì)給這類測量儀器帶來因非對(duì)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,保護(hù)培養(yǎng)材料。Esco直熱式二氧化碳培養(yǎng)箱采用的就是芬蘭維薩拉單光束雙波長IR傳感器。
三氣細(xì)胞培養(yǎng)箱則在二氧化碳培養(yǎng)箱的基礎(chǔ)上增加了氧氣濃度控制系統(tǒng)。
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