国产CO₂培养箱CO₂浓度控制是使用红外（IR）还是热导（TC）传感器？传感器精度如何？

一、引言

在细胞培养、免疫学研究、组织工程与生殖医学等领域，CO₂培养箱作为高精度控制的生物实验设备，其稳定性与测量准确性直接影响实验成败。CO₂浓度控制作为三大核心参数之一（温度、湿度、CO₂浓度），不仅影响培养基的pH值平衡，还会进一步干扰细胞增殖、代谢与分化等生理状态。因此，CO₂浓度的精准监测与反馈控制系统是培养箱设计的关键组成。

当前主流CO₂浓度传感器主要分为两类：红外传感器（Infrared, IR）与热导传感器（Thermal Conductivity, TC）。这两种技术在国产CO₂培养箱中的应用情况如何？其控制精度是否达到国际先进水平？本文将从传感机制、国产设备配置、传感器性能指标及发展趋势等方面进行全面论述。

二、CO₂浓度传感器的原理与分类

1. 热导式传感器（TC）

热导式CO₂传感器基于不同气体热导率差异进行检测。CO₂的热导率低于空气，当气体中CO₂浓度升高时，整体热导率下降，引起传感器热敏元件温差变化，从而转换为电信号反映气体浓度。

优点：

• 成本较低；

• 响应快，结构简单；

• 抗水汽能力强。

缺点：

• 受温湿度影响显著；

• 分辨率低，零点漂移较大；

• 难以实现高精度长期稳定测量。

2. 红外传感器（IR）

红外传感器采用非分散红外吸收原理（NDIR），通过检测CO₂对特定波长红外光（4.26 μm）的吸收强度来计算浓度。红外光源穿过气体室后，光强变化经滤光器和探测器处理转化为浓度读数。

优点：

• 精度高、响应快；

• 长期稳定性好，零点漂移小；

• 抗交叉气体干扰能力强；

• 支持自动校准、自学习算法补偿。

缺点：

• 成本较高；

• 对灰尘和冷凝较敏感，需定期维护；

• 某些型号对震动较敏感。

三、国产CO₂培养箱中传感器类型的实际应用情况

1. 市场分布与配置策略

国产CO₂培养箱根据目标用户群体、产品定位及成本考量，在传感器配置上呈现明显分层：

A. 中高端产品：普遍采用红外传感器（NDIR）

• 品牌如上海一恒、杭州朗基、宁波舜宇、常州金坛中旺等，在科研级和GMP级产品中采用红外传感器；

• 支持自动校准功能，搭配温湿度补偿算法；

• 控制精度在 ±0.1%–±0.3%（5%浓度范围）；

• 部分产品具备双波长光源（参考+检测）技术以提升抗漂移能力。

B. 基础型与教学型产品：仍使用热导式传感器（TC）

• 多见于高校教学实验室、基层医院、生物课程基础实验；

• 传感器更易集成，成本低；

• 控制精度约为 ±0.5%–±1.0%；

• 需定期人工校准，适合预算有限场景。

2. 典型品牌配置实例

四、国产传感器精度分析与控制系统响应特性

1. 精度水平分布

国产设备所使用的NDIR红外传感器，普遍能实现以下性能：

• 测量范围：0–20% CO₂；

• 最佳工作范围：3%–10%（细胞培养常用为5%）；

• 精度指标：±0.1%–0.3%（与进口品牌差距逐步缩小）；

• 线性误差：<±0.5%（全量程）；

• 稳定性：漂移小于±0.1% / 月（带温度补偿）；

• 响应时间：≤30秒（T90）；

而TC热导式传感器的平均偏差大，测量稳定性差异大，且对箱体内湿度与温度变动极为敏感，若缺乏实时补偿机制，在高湿度环境中测量误差可达±1.5%。

2. 动态响应与控制反馈

红外传感器配合PID控制系统，可实现较小幅度内的快速调节，有助于短时间CO₂开门扰动后的快速恢复（一般设定5分钟内恢复至±0.2%以内）。

国产高端品牌普遍采用：

• 微处理器控制系统；

• 双温区补偿与CO₂变送器联动；

• CO₂浓度数据采样频率≥1次/秒；

• 升浓与降浓双向调节气路设计。

五、实际应用场景的选择与建议

1. 使用红外传感器（NDIR）的推荐情境

• 实验对pH、CO₂波动敏感，如胚胎培养、原代细胞实验；

• 要求长期无人值守运行、自动记录数据；

• GMP/GLP等规范要求CO₂浓度稳定性和可溯源性；

• 使用环境湿度波动大、气流复杂。

2. 适合热导传感器（TC）的情境

• 实验周期短、对CO₂浓度精度容忍度高；

• 教学、培训使用频率低，预算有限；

• 实验对pH波动影响容忍，如普通微生物培养。

六、用户反馈与案例实践

案例1：干细胞研究所选择红外传感器培养箱

广州某干细胞研究所实验显示：热导式传感器在连续运行60天后，CO₂漂移超出±1.2%，对间充质干细胞的活力造成影响。更换为国产红外式CO₂培养箱后，稳定性明显提升，浓度波动降低至±0.15%。

案例2：高校教学实验中选用TC型设备

西南某高校为细胞生物学教学实验室配置了10台热导式CO₂培养箱，实测在5%设定浓度下波动范围为±0.9%，但教学应用中无明显影响，满足经济性与功能性的平衡需求。

七、未来发展方向与技术展望

1. 红外传感器国产化率持续提升

国内多个传感器厂商已实现CO₂专用NDIR探头自产，如深圳某光电企业开发的双波长NDIR模块，其性能已与国际产品相近，正在被国产设备商大批集成使用。

2. 传感器模组智能化趋势明显

传感器模块开始向“嵌入式自校准”、“温湿度耦合补偿”、“数据自动上传云端”方向发展，助力CO₂培养箱朝智能控制与远程诊断演进。

3. 统一技术标准亟待建立

建议出台《CO₂培养箱气体控制技术规范》，明确不同应用场景下传感器精度、响应时间、稳定性标准，加速行业产品分级标准体系建设。

八、结语

综上所述，国产CO₂培养箱在CO₂浓度控制方面，已大面积采用精度更高的红外（NDIR）传感器用于中高端产品线，而热导（TC）传感器主要用于基础型与教学型产品。红外传感器凭借高精度、低漂移与良好的稳定性，成为符合当前科研与质量体系要求的主流配置。

未来，随着NDIR核心技术的国产化突破与成本下降，红外传感器有望成为所有国产CO₂培养箱的标配核心部件。国产品牌亦将在精度控制、算法集成与系统可靠性方面不断精进，缩小与进口产品的差距，服务更广泛的实验室与生命科学产业。