如果 CO₂ 传感器读数明显偏低但实际浓度正常，原因可能是什么？

一、引言

二氧化碳培养箱是实验室细胞培养环境中不可或缺的仪器，其核心功能之一是通过精确的CO₂控制来维持稳定的pH值，从而为细胞生长提供最合适的环境。CO₂传感器作为关键组件，用于实时检测培养箱内气体浓度。然而，在长期运行过程中，部分用户会遇到这样的问题：CO₂传感器读数持续偏低，但通过外部标准气体检测或pH指示系统确认箱内实际CO₂浓度处于正常范围。这一“虚假偏低”的情况，不仅会干扰箱体自动补气，还可能导致实验失败。

本文将系统性剖析导致此类偏差的潜在因素，从传感器原理、设备状态、环境干扰、操作行为及校准问题等方面提供详尽解读与实用解决方案。

二、CO₂传感器的类型与基本原理

理解误差来源，首先需明确常见CO₂传感器的构造与检测机理。

1. 红外光学式（Non-Dispersive Infrared, NDIR）

这是当前主流传感器类型，原理基于CO₂分子对4.26μm波长红外光的特定吸收特性。

• 红外光源发射穿过气体样本；

• 探测器测定经过吸收的强度；

• 吸收程度与CO₂浓度成正比。

2. 化学电极式（Electrochemical）

这种方式利用CO₂与传感器表面电极材料的化学反应产生电压变化。适用于便携设备或简化版本培养箱，但长期稳定性较差。

3. 热导式（Thermal Conductivity）

依赖不同气体对热传导速度的差异，但对CO₂这种中性分子灵敏度不高，在培养箱中极少使用。

NDIR作为培养箱首选类型，在稳定性和寿命方面表现优越，但也容易受多种因素干扰。

三、CO₂传感器读数偏低的常见原因分析

1. 传感器表面污染或遮挡

表现：

• 读数长期偏低，且缓慢变化；

• 设备自动补气频繁，但pH未下降。

原因解析：
NDIR传感器依赖光线穿透空气样本。若透光路径被水汽、灰尘、培养基蒸气或挥发性有机物凝结形成薄膜，将削弱红外线吸收检测效果，导致浓度读数偏低。

常见污染源：

• 水盘飞溅；

• 培养皿泄漏；

• 高湿度长期积聚；

• 未经处理的VOC试剂。

处理建议：

• 定期擦拭或更换保护镜头；

• 安装前级空气过滤装置；

• 加装水汽引流结构或自动除雾功能。

2. CO₂传感器老化或漂移未校准

表现：

• 传感器曾正常工作；

• 一段时间后读数逐渐偏离实际值。

原因解析：
NDIR传感器内部的光源与检测元件随着使用时间会出现光强衰减、传感漂移、零点偏移等老化效应。此类变化在长期连续运行（如≥1年）中常见。

校准问题：

• 若长时间未校准；

• 或使用不规范（如校准气体泄漏）；

• 或环境气体浓度异常造成系统“误学”。

处理建议：

• 定期（每3~6个月）使用标准校准气体校准传感器；

• 设置自动校准提醒；

• 校准应使用认证标准浓度（如5.0% CO₂ ± 0.1%）；

• 保持设备运行稳定、门禁频次适中。

3. 环境气体组成异常

表现：

• 培养箱放置于拥挤或气体交换受限空间；

• 记录显示CO₂浓度稳定偏低，但更换位置或气体来源后恢复正常。

原因解析：
NDIR法对背景气体成分敏感，特别是：

• 高浓度水蒸气；

• 氨气（常见于细胞死亡或分解物）；

• 异丙醇、乙酸等VOC；

• 氧气与氮气比例异常波动。

这些气体可能改变红外吸收谱带，导致信号解释错误或“光谱漂移”，使设备误判为CO₂浓度低。

应对策略：

• 保持箱体周围通风；

• 避免与有毒有味气体共用空间；

• 加装气体净化模块。

4. CO₂气源压力不足或供气不均

表现：

• 控制系统显示持续“补气”；

• 浓度无法达标；

• 实际内部气体测定显示正常或偏高。

原因解析：
若传感器安装在CO₂管路近端，系统可能感知气体刚输入时的瞬间低浓度区。或当供气瓶压力临界、调节器响应不灵敏时，补气波动可能引发系统误判浓度不足。

检查重点：

• 气瓶压力是否稳定；

• CO₂调节阀是否故障；

• 管路是否漏气或堵塞；

• 气体扩散器是否堵塞造成局部测量误差。

5. 电气干扰或软件误差

表现：

• 系统无明显物理故障；

• 数据呈现不连贯、突变或回零；

• 多次重启后方恢复。

原因解析：

• 电磁干扰（EMI）影响红外信号接收；

• 固件错误或传感器缓存堆积；

• 电源接地问题导致数值漂移；

• 更新后软件计算算法误差。

解决方法：

• 加装电源滤波器；

• 软件升级并检查补丁兼容性；

• 执行“软重启”或出厂复位；

• 联系原厂进行固件刷新。

四、实用排查流程（五步走）

为快速定位故障点，建议采用以下实用流程：

第一步：对照外部监测值

• 使用独立CO₂检测仪或pH指示剂（如phenol red）判断箱内CO₂真实浓度。

第二步：观察系统运行轨迹

• 查看记录仪或控制系统历史数据；

• 识别是否为突发漂移、渐变、周期性波动或开盖引起的扰动。

第三步：检查传感器物理状态

• 拆检NDIR检测口，是否有积尘、霉斑、液滴或异物；

• 用棉签轻擦试镜，避免刮伤；

第四步：核查供气系统

• 观察CO₂气瓶、调节阀、压力表、气体过滤瓶是否工作正常；

• 可尝试更换备用气源验证供气稳定性。

第五步：软件校准与技术支持

• 执行标准气体校准程序；

• 如软件支持，可尝试恢复默认参数；

• 联系厂商工程师远程或现场诊断。

五、真实案例参考

案例一：培养箱内放置乙醇引发红外漂移

某研究所细胞室曾将95%乙醇瓶误放于培养箱中，致使传感器测得CO₂浓度持续偏低至3.2%，系统连续补气。实际测定显示浓度已超5.8%。排查后发现乙醇蒸汽干扰红外信号。问题解决后系统恢复。

案例二：CO₂调压阀老化造成流速延迟

某高校培养箱在CO₂更换后连续报警，浓度回升缓慢。检查发现调压阀内阻增大，延迟气体补充，传感器读数随之漂移。更换调压器后恢复正常。

六、预防建议与日常维护指南

为避免此类问题反复出现，建议采取如下措施：

1. 定期校准：每季度校准1次，或根据使用频率调整；

2. 环境清洁：培养箱附近避免堆放化学品，确保通风顺畅；

3. 使用记录：保留操作日志，方便事后追溯；

4. 更换周期：CO₂传感器一般使用寿命为3~5年，定期更换；

5. 湿度控制：避免湿度过高导致冷凝遮挡光路；

6. 门禁控制：减少频繁开关门引发气流波动。

七、结语

当CO₂传感器读数明显偏低而实际浓度正常时，不应仅怀疑供气系统或CO₂瓶压力，而应进行多角度排查。传感器作为高精度仪器，其正常运行依赖于清洁的环境、稳定的供气和科学的使用管理。唯有建立系统性的维护与检测机制，才能保障二氧化碳培养箱在长期运行中持续提供可靠、稳定的实验环境。