二氧化碳培养箱为什么要使用 HEPA 过滤器？

一、引言

在现代生命科学研究、医学诊断、生物制药与组织工程等众多领域，**二氧化碳培养箱（CO₂ Incubator）**已成为基础设备之一。它通过维持一个恒温、高湿度、恒定CO₂浓度的环境，模拟细胞体内的生理条件，为细胞、组织、微生物等生物材料提供理想的培养环境。

在这个微生态系统中，“无菌”是一个关键指标。污染，尤其是微生物污染（如细菌、真菌、支原体），将直接破坏实验结果、干扰细胞行为，甚至导致整个实验失败。为了最大限度地降低污染风险，HEPA过滤器成为培养箱中不可或缺的重要组成部分。

二、什么是HEPA过滤器？

1. 定义

HEPA（High Efficiency Particulate Air）过滤器，是一种对细微颗粒具有高效过滤作用的滤网。根据国际标准，HEPA必须能够去除空气中 99.97% 直径为0.3微米（μm） 的颗粒。

2. 构造

典型的HEPA过滤器由多层玻璃纤维滤纸构成，呈错综复杂的网状结构，借助多种物理机制（包括拦截、惯性碰撞、扩散效应）捕捉空气中的悬浮粒子。

三、二氧化碳培养箱中的污染来源

在深入理解HEPA作用前，我们需要了解二氧化碳培养箱可能面临哪些污染风险：

1. 空气传播污染物

空气中可携带细菌孢子、霉菌孢子、粉尘、细小飞沫、污染颗粒等，尤其在实验室频繁开启培养箱门时，外部空气易进入箱体内部。

2. 人为操作污染

取放培养瓶时操作不当、器具灭菌不彻底、手套未更换等都可能引入外源微生物。

3. 内部交叉污染

一个污染的培养皿，其释放出的微生物或代谢产物可通过气流扩散污染其他样本。

4. 湿度盘水源污染

水盘湿度维持系统如未定期更换蒸馏水或消毒，也可能滋生微生物成为污染源。

四、HEPA过滤器在培养箱中的功能作用

1. 净化循环气流

培养箱内部大多采用风扇驱动气体循环，以确保温度和CO₂浓度均匀。HEPA安装在风机出风口或回风口位置，能有效捕捉空气循环中的悬浮颗粒，使回流空气洁净无菌。

2. 防止污染扩散

一旦某培养瓶被污染，释放出的微生物可能随气流扩散。HEPA的高效阻挡机制能够减缓或阻止污染扩展，限制影响范围。

3. 保护传感器和元件

培养箱内的红外CO₂传感器、温度探头等敏感部件若遭灰尘或生物沉积污染，会造成读数偏差。HEPA能延长这些元件的使用寿命并保持其稳定性。

4. 提供类似洁净室级别的环境

部分高端CO₂培养箱可借助HEPA过滤器将内部洁净度维持在ISO 5（Class 100）等级，接近无尘室环境，为精密实验提供保障。

五、HEPA过滤的工作机制详解

HEPA过滤器利用多重物理机制对不同粒径颗粒进行拦截：

1. 直接拦截（Interception）

较大的颗粒（如>1μm）随气流靠近滤纤维，被直接吸附。

2. 惯性碰撞（Impaction）

中等颗粒因惯性无法随气流绕过纤维而撞击附着。

3. 扩散效应（Diffusion）

极细微颗粒（<0.1μm）因布朗运动随机扩散，增加被捕获概率。

这三种机制共同作用，使HEPA能在0.3μm的“最难滤粒径”（MPPS）上仍具极高效率。

六、HEPA过滤器的优势与必要性

1. 无化学残留

HEPA过滤为物理过滤，无需化学添加剂，不干扰培养环境。

2. 维护简单

相较紫外灯等方式，HEPA无需频繁启用，可持续数月甚至一年以上。

3. 高效稳定

在设备运行全周期内持续提供高效洁净空气过滤，安全可靠。

4. 对支原体等污染物有效

支原体虽微小（0.1–0.3μm），但仍在HEPA的有效拦截范围内。

七、HEPA与其他污染控制方法对比

由此可见，HEPA在非侵入式、持续高效净化方面具独特优势，是培养箱“洁净防护链条”的核心环节。

八、HEPA在不同类型培养箱中的应用实例

1. 普通实验用培养箱

内置HEPA过滤器，多为小型可更换设计，安装在风道或出风口处。

2. 干细胞/原代细胞培养专用箱

采用双HEPA过滤系统，并配合层流设计，实现类无菌环境。

3. 自动化培养系统

HEPA保障培养腔体持续洁净，支持机器人臂操作过程中无菌传递。

4. 高等级GMP细胞工厂

结合层流、HEPA、正压系统，满足药品生产无菌标准。

九、HEPA过滤器的维护与更换建议

1. 更换周期

一般为6个月到12个月，视使用频率和环境洁净度而定。

2. 更换指标

• 气流变弱；

• CO₂浓度调节反应迟缓；

• 可视灰尘堆积；

• 传感器数据异常波动。

3. 操作注意

• 更换时佩戴口罩和手套，避免人为污染；

• 使用原厂认证HEPA滤芯；

• 更换后应运行自清洁循环或高温消毒程序。

十、总结：HEPA过滤器——微环境稳定的守护者

HEPA过滤器在二氧化碳培养箱中的使用，不只是为了空气洁净，更是为了：

• 保证实验数据的可靠性；

• 延长培养设备使用寿命；

• 减少人为操作误差的干扰；

• 提高细胞培养的成功率；

• 满足实验室洁净与生物安全双重标准。

在当今对实验质量要求日益严格的科研环境中，HEPA过滤器不仅是技术配件，更是构建“无菌生态系统”的核心保障。因此，我们必须重视其选择、安装、维护及更换，以保障实验工作的高效与安全。