、引言

水套式二氧化碳培养箱（简称“水套式培养箱”）因其温控均匀、温度恢复快和湿度稳定等优点，成为细胞培养、组织工程、病毒研究等生物医学实验室的常用设备。在实际使用过程中，培养箱内部的托盘（也常被称为层架、搁板、支架）既是放置培养皿、培养瓶等载体的载体，也承担着实验材料的承重任务；其材质与承重性能直接影响到培养箱的使用寿命、内部环境洁净度以及实验操作的安全性与便捷性。因此，深入探讨水套式培养箱箱内托盘的材质类型与承重规范，具有重要的理论与实践价值。

二、水套式培养箱内部结构概述

在讨论托盘材料与承重之间的关系之前，需要先了解水套式培养箱的整体结构特点。水套式培养箱的核心在于内胆外部包覆一层循环水套，水套通过恒温加热器或水浴加热系统维持稳定温度，从而将热量以缓慢、均匀的方式传递给内胆壁面、托盘及箱内空气。常见水套式培养箱的内部主要包括以下几个部分：

1. 内胆（Innershell）

• 通常采用镜面不锈钢或抛光不锈钢材质，以保证高温、高湿条件下的耐腐蚀性与易清洁性。

• 内胆表面需平整光滑，避免微生物滋生与污染死角。

2. 托盘（Shelves / Racks）

• 安装在内胆侧壁的托盘支撑导轨上，可根据实验需求在不同高度自由调节。

• 托盘与内胆之间应保持间隙，以便热对流与湿度循环。

3. 托盘支撑导轨（Shelf Supports）

• 固定在内胆侧壁，用于承载托盘；一般采用不锈钢或电泳喷涂金属材质。

• 导轨上通常打有预留孔或凸点，以便用户根据需要安装托盘。

4. 循环风机与空气流道（仅限带有强制对流的型号）

• 有些高端水套式培养箱配备内部风机，用于加速空气循环、提高CO₂浓度均匀性与温度恢复速度。

• 风道在托盘安装时需避让，托盘间距要满足风道要求，以免阻碍气流。

5. 加湿装置

• 通常位于箱底或水套系统中的独立水盘，用于维持高湿环境。托盘需具有防水滴设计，避免积水。

综上，托盘作为内胆与实验载体之间的中介，不仅要满足耐腐蚀、易清洁的基本要求，还要考虑与箱体整体结构的兼容性，尤其在空气流道或循环通风系统中，托盘结构不能影响气流循环，否则会导致温度或CO₂浓度分布不均。

三、常见托盘材质及性能比较

水套式培养箱箱内托盘的材质大致可分为以下几类，每种材质都有其优缺点，下述内容将结合性能指标进行对比分析。

1. 不锈钢托盘

（1）材质类型

• 304不锈钢（奥氏体型）：价格相对适中，耐腐蚀性能良好；

• 316L不锈钢（低碳型）：含有钼更强耐腐蚀，尤其适用于含盐、含化学试剂环境；但成本较高。

（2）制造工艺

• 镜面抛光表面：减少微生物附着与清洁难度；

• 拉丝或喷砂面：视觉效果更美观，但可能带来清洁盲点，不建议使用在需要极高洁净度的实验场所。

（3）优点

• 耐高温与耐腐蚀：可与培养箱高湿度环境长期兼容，避免生锈与氧化；

• 承重能力强：托盘自身具有较高强度，单个平板面积（一般为40cm×40cm至50cm×50cm）承重可达20kg以上；

• 易于清洁：光滑表面可以耐受化学消毒剂，如70%-75%酒精或中性清洁剂；

• 兼容性强：与多数培养皿、培养瓶底座接触均匀，不易发生局部热斑。

（4）缺点

• 导热快：虽然有利于温度传导，但在换层或手触碰时需要注意烫手风险；

• 价格相对较高：尤其是316L不锈钢版本，不适合预算紧张的实验室；

• 重量较重：单个托盘自重一般在2kg以上，对于需要频繁装卸的用户，操作时较为吃力。

2. 铝合金托盘

（1）材质类型

• 以铝镁合金（如6061铝合金）为主，表面通常经过阳极氧化处理，以增强耐腐蚀性能。

（2）优点

• 轻便易操作：单个托盘重量约为1kg左右，便于用户上下拉动与清洗；

• 导热性能好：铝合金导热系数高，可使托盘表面温度与箱体温度快速达到平衡；

• 成本相对较低：比同尺寸不锈钢托盘便宜，适合对价格敏感的使用场景。

（3）缺点

• 耐腐蚀性略差：即使经过阳极氧化，长期处于高湿、高CO₂环境，腐蚀概率仍高于不锈钢；

• 承重能力有限：铝合金托盘常规尺寸（约40cm×40cm）承重一般在10kg-15kg之间，超过15kg时易发生轻微变形；

• 易划伤与剥落：阳极氧化层如在清洁或碰撞过程中受损，会导致托盘底材暴露，进而腐蚀加剧；

• 可塑性较弱：铝合金托盘大多采用板材冲压或挤压成型，若设计不合理，可能存在局部强度不足问题。

3. 铬镍合金钢（镀铬）托盘

（1）材质类型

• 采用普通碳钢或低碳钢基材，表面经过化学除锈抛光后，再进行电镀铬处理。

（2）优点

• 外观光亮：镀铬表面反光度高，有一定装饰效果；

• 成本适中：相比全不锈钢托盘，价格更低；

• 承重性能较好：与不锈钢托盘相近，单层承重可达15kg-20kg。

（3）缺点

• 镀层易脱落：在高湿环境或化学清洁剂作用下，电镀层易起泡、剥落；

• 底材易生锈：一旦苟镀层出现裂纹或脱落，底层碳钢会快速氧化；

• 对空气洁净度影响较大：剥落的镀层微颗粒会飘浮在箱内，造成潜在污染；

• 维护成本较高：需定期检查镀层状况，且更换或重镀频率较高。

4. 聚四氟乙烯（PTFE）涂层或抗菌塑料托盘

（1）材质类型

• 以金属托盘为基材（常为不锈钢或铝合金），表面喷涂一层聚四氟乙烯（PTFE）；或直接采用抗菌塑料（如强化聚苯乙烯带抗菌剂）。

（2）优点

• 表面不粘性好：PTFE涂层表面光滑，易于清理粘附物，并具备一定的抗粘菌性能；

• 化学惰性高：在高湿高CO₂环境下，涂层稳定性好，不易被腐蚀；

• 隔热效果稍优：相对于金属托盘表面温度稍低，减少手触时烫伤风险；

• 抗菌功能（若选用抗菌塑料）：某些托盘内嵌抗菌剂，可抑制表面微生物滋生；

• 重量轻：塑料托盘自重一般在0.5kg左右，方便搬运与更换。

（3）缺点

• 承重能力更低：PTFE涂层托盘单层一般仅能承重10kg以内，抗菌塑料托盘更弱；

• 易变形与老化：在长期40℃-60℃高温下，塑料或涂层容易因热胀冷缩而产生裂纹；

• 表面易划伤：一旦涂层被尖锐物刮伤，内部金属基材暴露后将迅速氧化；

• 洁净度存疑：虽然表面不易附着污渍，但涂层如有微小裂缝，会成为微生物藏匿处。

四、托盘材质选择原则

在面对多种托盘材料时，用户应结合自身实验需求、预算限制及维护能力进行综合评估。以下几点原则可作为参考：

1. 耐腐蚀性优先

• 若实验内容涉及腐蚀性化学试剂（如含有酸碱试剂）、高盐培养基或长期湿度维持，应优先选择316L不锈钢托盘或带PTFE涂层的不锈钢托盘。

• 若预算有限但对腐蚀要求不高，可选择304不锈钢托盘，但应做好定期维护。

2. 承重需求匹配

• 若仅放置常规100mm或60mm培养皿，一般单层承重10kg即可满足需求；

• 若需要在托盘上摆放孵育摇床、离心管架等较重设备，应选择承重在20kg以上的不锈钢或镀铬托盘（但镀铬风险较高）。

• 若对承重无特殊要求，可考虑轻便的铝合金或抗菌塑料托盘，但务必注意实际受载情况与变形风险。

3. 易清洁与维护

• 对无菌要求高的细胞实验室，托盘表面应尽量保持光滑、不易藏菌；因此，镜面抛光不锈钢或PTFE涂层托盘更为合适；

• 若实验室预算与维护人手有限，可以选择拉丝不锈钢托盘，并配合定期抛光与清洗；

• 铝合金托盘和塑料托盘在使用过程中容易留存划痕、微裂纹，建议在清洗时格外小心或避免使用。

4. 成本与更换周期

• 相同尺寸下，不锈钢托盘价格最高，铝合金次之，镀铬稍低，塑料/涂层托盘最低；

• 若实验室人员常更换托盘或消耗大，可优先考虑性价比更高的铝合金托盘；

• 长期使用期望超过五年以上，应优先选择维护周期长、耐腐蚀性好的不锈钢托盘。

五、托盘承重能力及其影响因素

托盘的承重能力不仅与材质本身的强度有关，还受到尺寸、厚度、支撑方式、载荷分布以及环境因素等多重因素影响。下面分项讨论常见的影响因素：

1. 托盘厚度与尺寸

• 厚度：相同材质下，托盘板材厚度越大，其抗弯与抗变形能力越强。常见不锈钢托盘厚度有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm等规格，厚度越厚承重越高。例如，1.2mm厚的304不锈钢托盘其承重可达15kg-20kg，1.5mm厚时可接近25kg。

• 尺寸：托盘宽度与深度越大，拱起的跨度越长，板材容易产生“挠度”（指因受力产生的弯曲量），因此在尺寸相同的情况下，应选择更厚的板材或增加支撑肋（加强筋）来提高承重。

2. 支撑方式与导轨间距

• 支撑边缘类型：托盘一般四边折边或两边折边，折边高度可在5mm-10mm不等。折边越高，结构刚度越大，可以提高整体承重；

• 肋骨设计：在托盘下方增加横向或纵向的加强筋（肋）可以在不显著增加材质重量的情况下，提高抗弯刚度；

• 导轨间距：托盘支撑点之间距离越小，受载时发生挠度的可能性越低；如果导轨间距（即托盘投影长度）超过500mm，则必须加厚板材或使用横向加强筋。

3. 载荷分布

• 均匀载荷：若实验器具均匀分散于托盘表面，托盘可承受更大总载荷；

• 局部集中载荷：若将过重的器具（如金属盒、转杯架等）放置在托盘中心或一侧，局部压力增大，极易导致板材凹陷或折断。此时即使托盘标称承重20kg，也可能因局部集中载荷而损坏。

• 动态载荷：在托盘上放置带有液体的振荡器或摇床时，会产生振动力、震动与重心偏移，真正能承受的稳定载荷要低于静载荷标称值，一般建议留出20%-30%的安全裕量。

4. 环境温度与湿度

• 温度影响：金属材料在高温环境下（如培养箱长期维持37℃-50℃），其材料弹性模量略有下降，承重能力会有所减弱；塑料或涂层材料会因热胀冷缩而老化，抗弯强度同样下降。

• 湿度影响：高湿度可能促使金属接缝处出现微量锈蚀，降低局部强度；塑料因吸潮可能导致尺寸变化，甚至局部软化。

5. 制造工艺与表面处理

• 焊接与冲压工艺质量：若托盘采用激光焊缝或精密冲压，焊接部位平整且无明显粗糙，板材应力不集中，其结构强度更可靠；反之，若存在粗糙焊点、局部过热区域，会成为应力集中源点，极易损坏。

• 表面抛光与涂层处理：镜面抛光有利于去除微小划痕与焊渣，但若抛光工艺不当，会形成微凸起，反而成为裂纹源；PTFE涂层需均匀附着在板材表面，一旦涂层不匀或过薄，抗侵蚀性能会大幅下降。

六、典型品牌托盘规格与承重参数

为了便于用户对比与选择，以下列举数个常见水套式二氧化碳培养箱品牌下托盘材质和承重参数的实例，仅供参考（具体参数请以厂商最新说明为准）。

从上表可以看出，不同品牌在托盘材质、厚度、加强筋结构和标称承重等方面存在差异：

• 316L不锈钢材质的托盘耐腐蚀性最佳，却价格最高；

• PTFE涂层托盘兼顾不粘和洁净度，但承重能力局限；

• 铝合金托盘虽然轻便，但承重性能不足、易变形。

七、托盘安装与维护建议

在选购合适材质与尺寸托盘之后，还需注意以下几方面，才能确保托盘发挥最佳性能：

1. 安装注意事项

1. 检查托盘与导轨配合度：托盘应能与导轨轻松滑动，但不能过于松动，否则受载后可能倾斜；导轨位置要平直、不扭曲。

2. 对称放置与水平调整：将托盘推入时，应保证其水平，若存在前后倾斜需停止使用并重新校正导轨角度；

3. 避免托盘之间相互挤压：安装时托盘间距至少保持5cm以上，以利空气循环；如有内部风机系统，应严格遵守厂商建议的间距。

4. 检查托盘表面状况：每次放入托盘前，先用无纤维棉布或无尘纸擦拭表面，避免将灰尘或腐蚀性化学品带入箱内。

2. 日常维护与清洁

1. 常规擦拭与消毒：建议每周使用70%-75%医用酒精或中性清洁剂对托盘表面进行一次擦拭；对于PTFE涂层托盘，避免使用尖锐物或强碱性清洁剂。

2. 定期检查托盘弯曲与腐蚀情况：每月观察托盘四周折边、肋骨与板材是否出现凹陷、划痕或小面积生锈；如有轻微磕碰凹陷，可在箱外空无载荷状态下用橡胶垫轻轻校正；若发现大面积生锈应立即更换。

3. 清洗与消毒流程：

• 将托盘从培养箱中取出，放置于清洁区；

• 准备温水（约40℃）、中性洗涤剂，将托盘浸泡5-10分钟；

• 使用软毛刷或海绵轻轻擦拭托盘表面，尤其是折边与加强筋处；

• 用清水冲洗干净残留清洁剂；

• 如果实验对无菌要求极高，可在通风烘干柜中烘干后，使用高压灭菌锅高温高压灭菌（可承受温度与压力需与托盘材质兼容）；

• 将托盘完全干燥后再装回培养箱，以免带入水分导致内部湿度波动。

3. 托盘更换周期与备件管理

1. 更换周期建议：

• 铝合金托盘：若长期高温高湿环境使用，推荐1年左右更换一次；

• 304不锈钢托盘：可坚持使用3年以上，但对于高腐蚀环境的实验，应1年进行一次彻底检查；

• 316L不锈钢托盘：耐腐蚀性强，可使用3-5年不需更换，但在发现局部腐蚀或凹陷时应立即更换；

• PTFE涂层托盘：涂层一旦出现龟裂或剥离，应立刻更换，通常建议每2年更换一次。

2. 备件管理：

• 建议实验室至少备用同型号托盘1-2个，以应对清洗或更换需求；

• 若品牌停产，可提前按照原尺寸与厚度规格向第三方厂商定制托盘；

• 在库存中注明托盘材质、尺寸、购买时间，以便追溯与管理。

八、常见问题与案例分析

下面通过若干常见问题与典型案例，进一步说明托盘材质与承重问题在实际使用中的注意事项。

案例一：细胞培养过程中托盘变形导致架膜破裂

某实验室使用铝合金托盘放置多孔支架，支架自重约3kg，支架顶部悬挂电动搅拌器额外增重2kg，共计5kg。托盘尺寸为40cm×40cm，铝合金板厚1mm。经过半年多次振荡实验后，托盘出现轻微弯曲，每次再装载时都需要用力校正。某日晚间，因振荡器意外停止，振荡平台突然撞击托盘边缘，托盘弯曲幅度增大，最终支架上细胞培养膜破裂，培养失败。

分析：铝合金托盘因导热与散热快，板材厚度薄，在振荡与集中载荷作用下发生塑性变形；同时振荡器的冲击作用加剧变形。
改进建议：

1. 更换为1.2mm或1.5mm厚的304不锈钢托盘，提高刚度；

2. 将振荡器放置在专用托盘中央位置，避免边缘受力；

3. 减少单层振荡载荷或采用托盘下方加装支撑板。

案例二：普通碳钢镀铬托盘镀层剥落引发箱内污染

某研究所购置一台中低端水套式培养箱，配备镀铬托盘。半年后，箱内出现不明银白色颗粒漂浮，经取样分析发现为镀铬剥落微小颗粒。有细胞实验项目早期看似无污染，但后期细胞增殖缓慢且出现死细胞增多现象。经检查发现镀层剥落源于长时间高湿高CO₂环境下镀铬层开裂，底层碳钢氧化后均匀剥离。

分析：碳钢基材与镀铬层热膨胀系数差异大，在持续高温高湿作用下，镀层裂纹增多并剥离，导致微污染。
改进建议：

1. 将镀铬托盘更换为304不锈钢抛光托盘；

2. 若预算有限，可选择铝合金托盘，但实验室需加强托盘检查频率；

3. 建议厂家在托盘材质说明中明确：镀铬托盘仅适合短期使用，且不推荐在高湿CO₂环境下作长期承重使用。

案例三：PTFE涂层托盘涂层破裂引起微生物污染

某细胞实验室为减少托盘粘附污染，采用PTFE涂层不锈钢托盘。使用2年后，涂层出现蜜蜂状龟裂纹。涂层剥落后，底层不锈钢局部氧化变色，导致后续清洗不彻底，细胞培养中出现反复污染。检查分析认为，涂层在40℃高温与50%相对湿度下长期使用，涂层老化；再加上托盘边缘处清洗操作时使用有小尖锐工具，导致涂层破损。

分析：PTFE涂层与金属基材存在热膨胀系数不同，加之反复清洗与微小机械损伤，导致涂层老化、裂纹及剥离。
改进建议：

1. 在清洗时避免使用尖锐工具，用柔软海绵清洗；

2. 定期检查涂层完整性，一旦发现龟裂应立即更换；

3. 若长期做高洁净度细胞培养，建议直接使用316L不锈钢镜面托盘进行高压灭菌，不需涂层。

九、总结与建议

通过以上对托盘材质类型、承重影响因素、品牌参数及典型案例的综合分析，可以得出如下结论与建议：

1. 材质决定承重与耐久

• 在水套式培养箱的高温高湿环境下，316L不锈钢托盘以其优异的耐腐蚀性和高机械强度成为首选；其次为304不锈钢托盘；铝合金托盘适用于轻载与短期实验，镀铬托盘仅建议短期轻载使用，PTFE涂层托盘适用于防粘与易清洁需求，但承重有限。

2. 托盘设计需兼顾刚度与气流

• 托盘板材厚度、折边高度、肋骨结构直接决定刚度，需根据实验所需载荷与振荡情况合理选择；

• 如培养箱配备强制循环风机，托盘应留足气流空间，避免因承重或设计不当导致空气流阻，进而影响温度与CO₂分布。

3. 承重参数须考虑实际载荷分布

• 标称承重是指均匀静载荷条件下的最大值，若存在集中载荷或振动载荷，应减去20%-30%安全裕度；

• 如需放置振荡器、振荡平台等易产生动态载荷的设备，应优先选择厚度≥1.2mm的不锈钢托盘，且将重心尽可能贴近托盘中心。

4. 定期维护与巡检保障托盘使用寿命

• 与培养箱整体维护同步，托盘应定期取出清洗、消毒，并检查是否有弯曲、腐蚀、涂层老化等问题；

• 飞溅的培养液或化学试剂需及时清理，避免长时间与托盘表面接触，促使腐蚀或应力集中；

• 每年或根据使用强度，应更换1/3以上托盘，以防个别托盘失效影响整体实验安全。

5. 用户选型时需综合考量成本与需求

• 对于基础实验室或教学用途，可优先选择铝合金或304不锈钢托盘的水套式培养箱，配备足够数量的备用托盘；

• 对于高端细胞工程、干细胞培养、药物筛选等对污染和稳温要求极高的场景，应选择带有316L不锈钢镜面托盘的箱型，并配合高效HEPA过滤、内置循环风机等配置；

• 对于预算紧张且对承重要求不高的场合，可选择PTFE涂层托盘，但需明确涂层使用寿命和定期更换周期。