一、引言

二氧化碳培养箱（CO₂ incubator）是现代细胞生物学、组织工程、生殖医学、生物制药等实验室广泛使用的重要设备，其核心功能之一就是为细胞或组织样本提供恒定的二氧化碳（CO₂）气体环境。CO₂浓度的精确控制对于维持培养基的pH稳定、支持细胞代谢及细胞外环境的生理性至关重要。

培养基中一般含有碳酸氢钠（NaHCO₃）作为缓冲剂，CO₂浓度过高或过低都会打破这一缓冲平衡，导致pH值剧烈波动，从而影响细胞存活、分化及繁殖。因此，本文将从CO₂控制的原理、关键元件、主流控制方式、典型算法及行业实践等方面，系统阐述二氧化碳培养箱中CO₂浓度的控制机制，以期为实验人员提供技术支持和操作依据。

二、CO₂浓度控制的基本原理

1. 碳酸缓冲系统原理

细胞培养基中的pH稳定性依赖CO₂-碳酸氢盐缓冲系统：

CO2+H2O↔H2CO3↔H++HCO3−\mathrm{CO}_2 + \mathrm{H}_2O \leftrightarrow \mathrm{H}_2CO_3 \leftrightarrow \mathrm{H}^+ + \mathrm{HCO}_3^-CO2+H2O↔H2CO3↔H++HCO3−

• 在5% CO₂气体浓度下，配比适当的NaHCO₃可稳定培养基的pH值在7.2~7.4之间；

• 若CO₂偏低，培养液变碱；CO₂偏高，则变酸。

因此，维持箱内CO₂浓度稳定，是保证pH恒定和实验可靠性的前提。

2. 气体交换与浓度调节

CO₂通过气体进气系统输入至培养箱内，与培养基表面进行气液交换。通过浓度传感器检测实际浓度，与设定值对比后由控制系统决定是否开启供气或停止，达到动态平衡。

三、主要控制系统组成部分

1. CO₂气体供应系统

• 高压钢瓶：储存纯度≥99.99%的CO₂；

• 稳压阀与减压器：将钢瓶内高压气体（约515MPa）稳定至0.30.5MPa；

• 气体流量计或电子流量阀：调节供气速率（通常在0.2~0.5 L/min）；

• 高效过滤器（HEPA或0.2μm）：防止细菌、颗粒进入箱体。

2. CO₂浓度传感器

主流传感器类型：

• 红外传感器（NDIR）：

• 基于4.26μm波段的红外吸收原理；

• 高精度、响应快、抗干扰能力强；

• 寿命可达3~5年以上；

• 热导式传感器：

• 利用CO₂与空气热导率差异；

• 精度较低，对温湿度敏感；

• 多见于低端设备或早期型号。

3. 控制器与执行单元

• PID控制器：

• 根据设定值与实际值的偏差，按比例调节供气量；

• 典型为“闭环反馈控制系统”；

• PLC控制板/嵌入式微处理器：

• 负责采集传感器数据，控制电磁阀或比例阀；

• 可联动温湿度控制系统协调调节；

• 用户界面（触控屏/旋钮+液晶）：

• 用于设定目标CO₂值（如5.0%）；

• 显示实时浓度、运行状态、报警信息等。

四、CO₂浓度控制的关键步骤

步骤一：设定目标浓度

用户根据实验需求设定目标值（如5.0%、10.0%等），控制系统记录并存储该设定。

步骤二：实时采集CO₂浓度

传感器持续监测箱体内部空气中的CO₂浓度（每秒或每分钟采样一次），并将信号转化为数字数据。

步骤三：反馈调节与供气控制

控制器将采集值与设定值进行比对：

• 若实际浓度低于设定值：

• 启动供气阀门，向箱体注入CO₂气体；

• 若实际浓度高于设定值：

• 停止供气，部分设备启动排气风扇或等待自然消耗；

• 若设有“自动补偿”功能：

• 控制器自动学习系统响应时间、上升速率等特征，优化PID控制参数。

步骤四：浓度稳定与保持

经过几轮调节后，箱体内CO₂浓度趋于恒定，并维持在允许误差范围（±0.2%以内）。此状态即为培养环境达标。

五、智能控制算法简介

现代CO₂培养箱大多采用PID控制算法，其数学模型如下：

u(t)=Kpe(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kdde(t)dtu(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}u(t)=Kpe(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kddtde(t)

其中：

• $u(t)$：控制输出（调节气阀开度）；

• $e(t)$：目标浓度与实际浓度之差；

• KpK_pKp、KiK_iKi、KdK_dKd：比例、积分、微分系数。

该算法能够兼顾响应速度与调节平稳性，防止过调（Overshoot）或迟滞（Lagging）。

六、不同品牌控制系统特点对比

七、影响CO₂浓度控制精度的因素

1. 外界温湿波动

• 温度变化影响CO₂气体密度及红外传感器响应；

• 湿度过高或冷凝水可能遮挡传感器窗口，降低读数准确性。

2. 箱门开启频率

每次开门均会引起CO₂泄漏和外气进入，使浓度波动剧烈，建议操作尽可能快速。

3. 气体瓶压力不稳

供气瓶压力不足或稳压器失效会导致供气量波动，无法维持稳定浓度。

4. 传感器老化未校准

老化后的红外传感器响应慢、偏移严重，需定期校准或更换。

八、CO₂浓度控制相关校准与维护建议

1. 定期传感器校准

• 每6~12个月使用标准气体（如5.0% CO₂）校准一次；

• 使用内置或外部标定端口连接校准气体；

• 部分设备支持“零点校准”功能，确保传感器读数从0开始。

2. 清洁气体通道与过滤器

每季度清洁一次进气管路、过滤装置，避免颗粒、湿气进入。

3. 设定合理的CO₂上限报警值

防止系统失控浓度超标，设置上限报警（如7.0%），及时人工干预。

4. 启用智能日志记录功能

记录浓度波动趋势、供气次数等，有助于长期监控与设备健康评估。

九、未来发展趋势：智能控制与远程化

随着实验室自动化与智能控制的发展，CO₂浓度控制也在不断升级：

1. AI自适应调节算法

利用机器学习预测实验操作周期、开门频次等，提前补偿CO₂浓度波动。

2. 远程实时浓度监控

通过云平台实时查看CO₂运行状态，并在浓度异常时发送报警至手机或邮箱。

3. 环境综合调控系统

CO₂浓度控制与温度、湿度、氧气浓度等实现一体化调节，形成多参数闭环控制系统。

十、结语

CO₂浓度控制作为二氧化碳培养箱运行的核心功能，不仅关系到培养环境的稳定性，更直接影响细胞实验结果的准确性与重复性。通过精确的传感器检测、高效的气体供应、先进的控制算法以及完善的校准与维护体系，现代CO₂培养箱已能实现浓度的智能化、稳定化与高精度管理。