實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌培養(yǎng)為什么都要用二氧化碳培養(yǎng)箱來做？
發(fā)布日期：2023/4/7 8:44:33
細(xì)胞培養(yǎng)（cell culture）技術(shù)是指選用各種細(xì)胞的最佳生存條件對活細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)和研究的技術(shù)，是廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)。
一般細(xì)胞培養(yǎng)液的pH在7.0-7.4之間。由于碳酸鹽pH緩沖系統(tǒng)是一種生理pH緩沖系統(tǒng)（它是人體血液中重要的pH緩沖系統(tǒng)），所以大多數(shù)培養(yǎng)液用它來保持穩(wěn)定的pH。用粉末配制培養(yǎng)液時，常常需要加入一定量的碳酸氫鈉。對大多數(shù)以碳酸鹽作為pH緩沖系統(tǒng)的培養(yǎng)液而言，以為了維持穩(wěn)定的pH，培養(yǎng)箱中的二氧化碳需要維持在2-10%之間，以保持培養(yǎng)液中溶解的二氧化碳的濃度。同時細(xì)胞培養(yǎng)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(tǒng)就不需要二氧化碳培養(yǎng)箱了呢？人們發(fā)現(xiàn)由于空氣中的二氧化碳濃度很低，如果細(xì)胞不在二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)液中的HCO3-會被耗盡，這樣會影響細(xì)胞的正常生長。所以大部分動物細(xì)胞的培養(yǎng)，還是需要二氧化碳培養(yǎng)箱。
在過去的數(shù)十年間，細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、藥理學(xué)等的研究領(lǐng)域都有了驚人的長足進(jìn)步，同時，這些領(lǐng)域中的技術(shù)應(yīng)用也不得不跟上“腳步"。雖然典型的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有了很大的改變，但二氧化碳培養(yǎng)箱依然是實(shí)驗(yàn)室中的主要組成部分，其使用的目的都是維持和促使細(xì)胞和組織更好地生長。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其功能和運(yùn)作都變得越來越精確、可靠和方便。如今，二氧化碳培養(yǎng)箱已成為實(shí)驗(yàn)室普遍使用的常規(guī)儀器之一，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、免疫學(xué)、遺傳學(xué)、微生物、農(nóng)業(yè)科學(xué)、藥物學(xué)的研究和生產(chǎn)。
CO2培養(yǎng)箱是通過對周圍環(huán)境條件的控制制造出一個能使細(xì)胞/組織更好地生長的環(huán)境，條件控制的結(jié)果就會形成一個穩(wěn)定的條件：如恒定的酸堿度（pH值：7.2-7.4）、穩(wěn)定的溫度（37°C）、較高的相對濕度（95％）、穩(wěn)定的CO2水平（5％），這就是為什么上述領(lǐng)域的研究員如此熱衷于使用方便穩(wěn)定可靠的二氧化碳培養(yǎng)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(yǎng)箱溫度進(jìn)行精確控制，使生物細(xì)胞，組織等的培養(yǎng)成功率、效率都得到改善?？傊?，二氧化碳培養(yǎng)箱是普通電熱恒溫培養(yǎng)箱不可替代的新型培養(yǎng)箱。
使用者對二氧化碳培養(yǎng)箱的選購關(guān)心的當(dāng)然就是其可靠性、污染物的控制和使用方便。CO2培養(yǎng)箱主要控制模擬活體內(nèi)環(huán)境相關(guān)的3個基本變量：穩(wěn)定的CO2水平、溫度、相對濕度。要有穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境，就要考慮這三方面的影響因素，選購時，就應(yīng)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?yàn)檫@些都會影響儀器的使用價值和壽命。選購時，就應(yīng)該從各方面的因素加以考慮。
溫度控制：
保持培養(yǎng)箱內(nèi)恒定的溫度是維持細(xì)胞健康生長的重要因素。當(dāng)選購二氧化碳培養(yǎng)箱時，有兩種類型的加熱結(jié)構(gòu)可供選擇：氣套式加熱和水套式加熱。雖然這兩種加熱系統(tǒng)都是精確和可靠的，但是它們都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。水套式培養(yǎng)箱是通過一個獨(dú)立的熱水間隔間包圍內(nèi)部的箱體來維持溫度恒定的。熱水通過自然對流在箱體內(nèi)循環(huán)流動，熱量通過輻射傳遞到箱體內(nèi)部從而保持了溫度的恒定。獨(dú)特的水套式設(shè)計有其優(yōu)點(diǎn)：水是一種很好的絕熱物質(zhì)，當(dāng)遇到斷電的時候，水套式系統(tǒng)就能更可靠地長久保持培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性（維持溫度恒定的時間是氣套式系統(tǒng)的4-5倍）。如果您的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不太穩(wěn)定（如有用電限制，或者經(jīng)常停電）并需要保持長時間穩(wěn)定的培養(yǎng)條件，此時，水套式設(shè)計的二氧化碳培養(yǎng)箱就是您較好的選擇。而氣套式加熱系統(tǒng)是通過箱體內(nèi)的加熱器直接對箱內(nèi)氣體進(jìn)行加熱的。氣套式設(shè)計在箱門頻繁開關(guān)引起的溫度經(jīng)常性改變的情況下能夠迅速恢復(fù)箱體內(nèi)的溫度穩(wěn)定。因此，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)的培養(yǎng)。此外，對于使用者來說氣套式設(shè)計比水套式更簡單化（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）。在購買氣套式培養(yǎng)箱時，要注意的是：為了不影響培養(yǎng)，培養(yǎng)箱還應(yīng)該有一個風(fēng)扇以保證箱內(nèi)空氣的流通和循環(huán)，此裝置還有助于箱內(nèi)溫度、CO2和相對濕度的迅速恢復(fù)。
此外，有些類型的二氧化碳培養(yǎng)箱還具備外門及輔助加熱系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能加熱內(nèi)門，提供給細(xì)胞良好的濕度環(huán)境，保證細(xì)胞滲透壓維持平衡，且可有效防止形成冷凝水以保持培養(yǎng)箱內(nèi)的濕度和溫度。如果您的培養(yǎng)環(huán)境需要精確的控制，那么這個輔助系統(tǒng)則是必不可少的。
CO2控制：
CO2濃度探測可通過兩種控制系統(tǒng)——紅外傳感器（IR）或熱傳導(dǎo)傳感器（TC）進(jìn)行測量。當(dāng)二氧化碳培養(yǎng)箱的門被打開時，CO2從箱體內(nèi)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(yīng)，重新注入CO2使其恢復(fù)到原先預(yù)設(shè)的水平。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（一個調(diào)節(jié)器暴露于箱體環(huán)境內(nèi)，另一個則是封閉的）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，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)的一個缺點(diǎn)就是箱內(nèi)溫度和相對濕度的改變會影響傳感器的精確度。當(dāng)箱門被頻繁打開時，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)需要精確的培養(yǎng)條件和頻繁開啟培養(yǎng)箱門時，此控制系統(tǒng)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(tǒng)比TC系統(tǒng)具備更精確的CO2控制能力，它是通過一個光學(xué)傳感器來檢測CO2水平的。IR系統(tǒng)包括一個紅外發(fā)射器和一個傳感器，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，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(yīng)于箱體內(nèi)CO2的水平，從而可以得出箱體內(nèi)CO2的濃度。因?yàn)镮R系統(tǒng)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(tǒng)更精確，特別適用于需要頻繁開啟培養(yǎng)箱門的細(xì)胞培養(yǎng)。然而，此系統(tǒng)比TC系統(tǒng)更貴，這時就要結(jié)合經(jīng)費(fèi)預(yù)算進(jìn)行考慮了。
相對濕度控制：
培養(yǎng)箱內(nèi)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(dǎo)致培養(yǎng)失敗。大型的二氧化碳培養(yǎng)箱是用蒸汽發(fā)生器或噴霧器來控制相對濕度水平的，而大多數(shù)中、小型培養(yǎng)箱則是通過濕度控制面板（humiditypans）的蒸發(fā)作用產(chǎn)生濕氣的（其產(chǎn)生的相對濕度水平可達(dá)95-98％）。一些培養(yǎng)箱有一個能在加熱的控制面板上保持水份的濕度蓄水池（humidityreservoir），這樣可以增強(qiáng)蒸發(fā)作用，此蓄水池能增加相對濕度水平達(dá)97-98％。但是，這個系統(tǒng)也更復(fù)雜，由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增加一些難以預(yù)料的問題也會在使用過程中出現(xiàn)。
微處理控制系統(tǒng)：
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(tǒng)和其它各種功能附件（如高溫自動調(diào)節(jié)和警報裝置、CO2警報裝置、密碼保護(hù)設(shè)置、自動校準(zhǔn)系統(tǒng)等等）的運(yùn)用，就使得二氧化碳培養(yǎng)箱的操作和控制都非常的簡便。微處理控制系統(tǒng)是維持培養(yǎng)箱內(nèi)溫度、濕度和CO2濃度穩(wěn)態(tài)的操作系統(tǒng)。例如PIC微處理器控制系統(tǒng)，它能嚴(yán)格控制氣體的濃度并將其損耗降至極低水平，以保證培養(yǎng)環(huán)境恒定不變，且能保證長期培養(yǎng)過程中箱內(nèi)溫度精確，并有LED顯示，可設(shè)置、校正溫度和CO2濃度。不同的微處理系統(tǒng)雖然名字不相同，但是其原理與控制效果則無甚區(qū)別，選購時不必太在意它們名字上的區(qū)別，關(guān)鍵是要自己覺得使用起來方便，容易操作，而且要能夠達(dá)到所需的控制精度。
此外，我想一個報警系統(tǒng)也是不可少的吧，它能讓你及時知道培養(yǎng)箱出現(xiàn)的情況，并做出反應(yīng)，從而很大限度地降低了損失，保證實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性。有些培養(yǎng)箱有聲/光報警裝置，溫度變化達(dá)±0.5℃，或CO2濃度變化達(dá)±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(shí)驗(yàn)過程而設(shè)計的。
污染物的控制：
污染是導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)失敗的一個主要因素，因而，二氧化碳培養(yǎng)箱的制造商們設(shè)計了多種不同的裝置去減少和防止污染的發(fā)生，其主要途徑都是盡量減少微生物可以生長的區(qū)域和表面，并結(jié)合自動排除污染裝置來有效防止污染的產(chǎn)生。例如，鑒于CO2培養(yǎng)箱在使用過程中有時會伴有霉菌生長，為確保培養(yǎng)箱免受污染且保證儀器箱體內(nèi)的生物清潔性，有些公司開發(fā)設(shè)計了帶有紫外清潔功能的增強(qiáng)型CO2培養(yǎng)箱；還有公司設(shè)計的特有銅外殼HEPA濾器能過濾培養(yǎng)箱內(nèi)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(nèi)的微生物顆粒；此外，自動殺菌裝置能使箱內(nèi)溫度達(dá)到90℃從而殺死污染微生物，當(dāng)它與HEPA系統(tǒng)結(jié)合使用就能夠極大的減少污染。這些裝置對于細(xì)胞培養(yǎng)來說是必不可少，但選擇何種清潔裝置呢？當(dāng)然功能越多越好的適用，但是價格也會隨之上升。如果經(jīng)費(fèi)有限，只能選擇一個價格較便宜的，這時就應(yīng)該配合使用一些消毒劑和除菌劑，經(jīng)常進(jìn)行消毒滅菌，也能達(dá)到貴儀器的效果，只是比較麻煩一點(diǎn)而已?？傊?，無論選擇何種裝置，都要時刻注意保持培養(yǎng)箱的清潔，經(jīng)常清理箱體，這樣才能增加儀器的使用壽命，并使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，保證結(jié)果的可靠性。
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