一、概述

赛默飞 Heracell 150i 型二氧化碳培养箱是一款专为细胞培养而设计的高性能实验室设备，能够在可控的温度、二氧化碳浓度及湿度条件下，为各类细胞系和原代细胞的生长、分化和扩增提供稳定环境。其基本原理可归纳为四大系统协同：温控系统、二氧化碳供给与检测系统、湿度维持系统以及空气循环与过滤系统。

二、温控系统

1. 加热元件与传感器配置

• Heracell 150i 采用贴附在后壁与底板下方的电阻式加热膜，通过恒流驱动迅速将腔体加热至设定温度；

• 温度测量依靠两种传感器：热电偶（TC）和红外（IR），前者检测箱体内部实际温度，后者测量腔壁表面温度，两者互为冗余，确保温度精度在±0.1 ℃以内。

2. PID 控制算法

• 将设定温度与测量值送入 PID 控制器，动态调整加热功率，实现快速升温与精准稳温；

• 箱门开启或外部环境干扰时，能在 5–10 分钟内恢复至设定温度。

3. 温度梯度最小化

• 底板加热与后壁加热双重协同，结合自然对流，保证腔内各区域温差≤0.5 ℃；

• 不锈钢或铜质搁架紧贴加热元件，帮助热量均匀分布。

三、二氧化碳供给与检测系统

1. CO₂ 供给通路

• 连接外部高纯 CO₂ 气瓶，通过精密减压阀与微流量质量流量计（MFC）控制流速；

• 流量计能精确调节 0–20 mL/min 的 CO₂ 通入量，满足 0–20% 范围内任意浓度设定。

2. CO₂ 浓度检测

• 采用红外光源与检测器组成的 NDIR（非分散红外）传感器，对 CO₂ 分子特征吸收谱进行实时监测；

• 当箱内 CO₂ 浓度偏离设定值时，控制系统自动开闭电磁阀，精准补偿，保持浓度在设定值±0.1%。

3. 回路与换气

• 部分机型可选配内部 recirculation 回路，将腔内空气经过 HEPA 过滤后再度回流，减少外界气体泄漏与温湿度扰动；

• 亦可关闭回路，全部依赖新鲜 CO₂ 气源与环境空气补充。

四、湿度维持系统

1. 集成水槽设计

• 腔体底部设置不锈钢加热水槽，通以同一 PID 控制的电阻加热膜，通过水面蒸发维持腔内相对湿度在 95% 以上；

• 水槽上的水位传感器监测水量，低于设定阈值时发出补加提示，确保持续稳定的高湿度环境。

2. 蒸发效率与温度协同

• 底板加热直接作用于水槽，加速水汽生成，提升湿度恢复速度；

• 通过对水槽温度的精细控制，可防止过度蒸发导致腔内温度偏低或补水过频影响 CO₂ 浓度稳定。

3. 防止过湿结露

• 腔顶和侧壁设计有微小排水口，将局部结露水珠自动导入水槽，避免滴落影响细胞培养；

• 控制器实时监测腔顶温度与湿度，平衡防止结露与保持高湿的冲突。

五、空气循环与过滤系统

1. 自然对流与机械循环

• 基础机型依赖温差产生的自然对流，将加热后空气从后壁向前扩散，自然下沉回流；

• 高端可选配风机形成低速机械对流，增强腔内空气混合，提高温湿分布均匀性。

2. HEPA 过滤

• 回流空气或补气路径中配置 0.2 μm HEPA 滤网，能够去除微生物、尘埃及微粒，保证腔内洁净等级达 ISO 5（Class 100）以上；

• HEPA 滤网可拆卸、高温灭菌或更换，维护简便。

3. 防交叉污染设计

• 多腔门型号所用的门内小腔与气密阀门，减少开门时的气流扰动与交叉污染；

• 逐门补偿式 CO₂ 与湿度回路，开门后仅释放局部气体，整体环境稳定性更佳。

六、门体与密封技术

1. 双层玻璃门

• 采用双层钢化玻璃，中间充氮或抽成真空层，具备良好的保温与防雾性能；

• 外层视窗可提供清晰观察，无需频繁开门，进一步减少环境波动。

2. 硅胶密封条

• 四周采用医用级硅胶密封条，耐高温、耐化学腐蚀，并能承受数千次开闭；

• 密封性能保证泄漏率极低，CO₂ 浓度波动小于 0.2%。

3. 门锁与报警

• 门把手上配有机械锁，防止误开；

• 控制器检测到门未关或密封不良时，发出声光报警并记录事件，方便追溯。

七、控制界面与数据记录

1. 触摸屏操作

• 人机界面配备彩色触摸屏，可一键设定温度、CO₂ 浓度和湿度；

• 内置多达 20 组程序循环，可根据需求设定培养或灭菌多个阶段。

2. 数据存储与导出

• 内置存储可保存数万条温度、CO₂ 和湿度实时曲线；

• 通过 USB 或网口可导出 CSV 或 PDF 报告，也可接入实验室信息管理系统（LIMS）。

3. 远程监控与报警

• 支持局域网以太网连接，实时上传至中央监控平台；

• 当任一参数超限或断电、传感器故障时，自动发送电子邮件或短信通知。

八、灭菌与清洁功能

1. ContraCon 湿热灭菌

• 一键启动高温（90 ℃）湿热灭菌程序，持续 2 小时，可消灭常见真菌、细菌和病毒；

• 灭菌过程全程可监控温度曲线，确保各部位均达到设定温度。

2. 自动洁净程序

• 个别型号支持 UV-C 紫外灯灭菌模式，通过定时或手动紫外照射辅助灭菌；

• 建议在水槽和 HEPA 更换后另行运行，保证无残余微生物。

3. 日常清洁

• 腔体内壁采用医用级不锈钢或电泳涂层，耐腐蚀易擦洗；

• 可拆卸部件（搁架、托盘、水槽）全部可高温高压或化学灭菌。

九、安全保护与故障诊断

1. 独立超温保护

• 除 PID 常规控制外，另设机械双金属超温保护器，当温度超出 5 ℃ 以上自动断电并报警；

• 防止死控或传感器失效导致过热对细胞及设备造成损伤。

2. CO₂ 过压与泄漏检测

• 管路上安装压力开关，当压力异常升高或下降时，切断气源并提醒检查；

• 内部漏气检测器持续监测密封性能，发现异常及时报警。

3. 故障自诊与纪录

• 控制系统集成多项自检功能，包括传感器校准、风机运行、加热元件通断等；

• 所有报警与故障均记录在案，便于维护工程师远程分析与现场修复。

十、总结

赛默飞 Heracell 150i 型二氧化碳培养箱凭借高精度的温控系统、精密的 CO₂ 供给与检测回路、集成高效的湿度维持装置，以及洁净的空气循环与过滤方案，形成一套完整、稳定的细胞培养环境控制平台。其核心工作原理在于：

• 精准感知（多点温度与 CO₂ 传感器）

• 智能执行（PID 控制与流量计调节）

• 安全保障（超温保护与气密检测）

• 数据可追溯（本地与远程监控）。