在2025年，二氧化碳培养箱作为生物医学研究和细胞培养中不可或缺的设备，其市场需求和技术发展都呈现出显著的增长趋势。随着实验室对精确控制环境条件的要求不断提高，二氧化碳培养箱的性能和校准技术也成为了行业关注的焦点。本文将详细介绍一种创新的在线校准方法，该方法能够有效提高二氧化碳培养箱的测量精度和稳定性，确保其在各种使用环境下的性能表现。
一、二氧化碳培养箱的在线校准技术概述
《2025-2030年中国二氧化碳培养箱行业运营态势与投资前景调查研究报告》二氧化碳培养箱在实验室中扮演着至关重要的角色，它为细胞、组织和其他生物样本的培养提供了精确控制的环境条件。为了维持其精确度和稳定性，对二氧化碳浓度的准确监测和校准成为必不可少的步骤。本文提出了一种二氧化碳培养箱二氧化碳浓度的在线校准方法，该方法基于红外光谱法，能够在培养箱持续运行的同时进行精确测量。这种方法不仅避免了对设备结构的干扰和停机的需求，还可以在不影响培养实验正常进行的情况下，实现对二氧化碳浓度的实时监控和校准。
二、二氧化碳培养箱的二氧化碳浓度检测
(一)基础原理
二氧化碳培养箱市场技术分析提到红外吸收法因其高精度和快速响应而在二氧化碳实时在线监测中被广泛采用。该技术基于不同气体分子对特定波长红外光的独特吸收特性，特别是二氧化碳分子对4.26μm波长红外线的吸收，与其浓度成正比。依据朗伯-比尔定律，通过测量二氧化碳吸收的红外光程度，可以准确地确定其浓度。
(二)关键设备介绍
标准器 二氧化碳测定仪是测量二氧化碳浓度的核心仪器，由光源、检测室、滤光器和红外传感器组成。其工作原理是，红外光穿过待测气体样本，滤光器过滤非目标气体光波，只留下特定波长光线，传感器接收后将光线强度转化为二氧化碳浓度读数。
传感器
传感器类型
扩散式传感器：需放置于培养箱内部，其工作要求是传感器内的测量区域需要与培养箱内的二氧化碳水平达到一致。
抽吸式传感器：通过连接到培养箱外部的气体校准口，使用内置泵把培养箱内的气体吸入传感器的测量区域进行分析。
应用选择
有气体校准口的培养箱：推荐使用抽吸式传感器，因为可以直接通过外部接口抽取气体样本，便于准确测量。
无气体校准口的培养箱：适合使用扩散式传感器，将其放置在培养箱内部，接近检测区域，并确保外部与传感器之间的连接处密封。
安装细节
扩散式传感器安装：应在培养箱内找到一个合适的位置，靠近二氧化碳浓度测定仪，确保传感器与柜门之间的缝隙被适当填密。
抽吸式传感器安装：使用专用软管将传感器的进气口与培养箱的气体校准口连接，以保证气体样本能直接从培养箱内抽取至测量区。
三、二氧化碳培养箱的校准项目与方法
(一)二氧化碳浓度偏差
二氧化碳浓度偏差即培养箱在一个设定的稳定期间，二氧化碳浓度的实际读数与其平均测量值之间的差异。二氧化碳浓度偏差(Δφ，%)的计算方法如下：
Δϕ=ϕdisplay−ϕaverage其中：
ϕdisplay 是培养箱显示的二氧化碳浓度值(%);
ϕaverage 是测得的二氧化碳体积分数的平均值(%)。
操作流程：
检查柜门和箱体的密封性能，以防校准期间气体泄漏。
根据传感器类型安装和布置传感器。
预设培养箱中的二氧化碳浓度并启动设备。
当箱内二氧化碳浓度达到平稳状态时，开始记录测量值，频率为1次/2min，共计记录15次，持续时间30min。
计算显示值 ϕdisplay 与15次实测值平均数 ϕaverage 之间的差异。
(二)二氧化碳浓度波动性
二氧化碳浓度波动性即培养箱在一个设定的稳定期间，培养箱内二氧化碳浓度随时间波动的量度，通过计算测量值中的最高值和最低值之间差异的一半来确定，并以“±”符号表示。二氧化碳浓度波动性(Δφt，%)的计算方法如下：
Δϕt=±2ϕaverage,max−ϕaverage,min其中：
ϕaverage,max 和 ϕaverage,min 表示二氧化碳浓度测定值中的最大值和最小值(%)。
操作流程：通过计算15个浓度测量值的范围(最大值与最小值的差值)的一半，可同时校验二氧化碳浓度的波动性与测量值偏差。
四、二氧化碳培养箱的校准实例
在本次校准中，采用Herocell 240型二氧化碳培养箱，该设备稳定时长为15min，具备快速达到稳定状态的能力，显示精度达0.1%。为确保校准的精确性，选用MI70型二氧化碳测定仪，配备GMP251传感器，主要类型为扩散式测量，其最大误差限制为±0.20%，分辨率高达0.001%。校准过程严格控制环境条件，保持室温在21~22°C，相对湿度介于62%至67%之间，同时避免震动及电磁干扰，确保培养箱密封性。
设定培养箱内二氧化碳浓度为5.00%，随后将扩散式传感器放置于培养箱内，靠近内置探测器处以记录精确数据。二氧化碳浓度达到稳态后(约15min)，开始每2min记录一次二氧化碳浓度值，此过程持续30min，总计收集15组数据。
根据校准过程及二氧化碳体积分数测定结果，经计算二氧化碳浓度偏差(Δφ，%)为0.158%，二氧化碳浓度波动性(Δφt，%)为±0.071%。
五、二氧化碳培养箱的不确定度评定实例
在此次校准中，不确定度主要分为输入量的标准不确定度以及合成标准不确定度两大类，其中：
(一)输入量的标准不确定度
二氧化碳浓度的测量重复性引入的不确定度 u(ϕ) 重复测量标准偏差 s(ϕ) 及标准不确定度分量 u(ϕ) 的计算公式如下：
s(ϕ)=n−11∑i=1n(ϕi−ϕˉ)2 u(ϕ)=ns(ϕ)以表2测量数据作为输入量进行二氧化碳浓度的测量重复性分析，通过A类评定方法计算得到的重复测量的标准偏差 s(ϕ) 为0.083%，而由15次独立重复测量引入的标准不确定度分量 u(ϕ) 为0.022%。这表明在重复测量过程中，二氧化碳浓度的测量具有较高的精确度和较低的不确定度，从而确保了测量结果的可靠性。
二氧化碳测定仪的准确度引入的不确定度 u(ϕaverage) 在分析二氧化碳浓度测定时，重点考虑了测定仪器精确度对不确定度的影响。根据B类评定法，仪器的最大误差为±0.20%，表明测量值可能在报告值的±0.20%范围内变动。这种误差对不确定度的贡献通过将误差范围的一半作为不确定度估计值来量化，从而计算出由仪器准确度引入的不确定度 u(ϕaverage)：
u(ϕaverage)=30.20%=0.115%(二)合成标准不确定度
依据测量值与标准值之间差异即式(1)，设定灵敏系数 C1=1 和 C2=−1。这意味着测量值和标准值每变化一个单位，偏差 Δϕ 相应增减一个单位。合成不确定度 uc(Δϕ) 通过计算测量值不确定度 u(ϕdisplay) 和标准值不确定度 u(ϕaverage) 的平方和的平方根得出：
uc(Δϕ)=u2(ϕdisplay)+u2(ϕaverage)=0.116%考虑到在实际应用中需要扩展不确定度范围，因此，覆盖因子 k 取2。二氧化碳浓度偏差测量结果的扩展不确定度 U 可以通过将合成不确定度 uc 乘以覆盖因子 k 来计算：
U=k⋅uc=0.232%六、总结
本文详细介绍了二氧化碳培养箱二氧化碳浓度的在线校准方法，包括其基础原理、关键设备、校准项目与方法，并通过实际案例展示了校准技术的应用和不确定度评定。该方法的设计兼顾了合理性与实用性，使其操作简便，易于实施。所用于校准的标准设备均能追溯至计量标准，确保了测量结果的高度精确性与可信度。此方法不仅为制造商的出厂检测提供了可靠依据，也为第三方审验和计量机构的标准校准活动提供了有效的参考模板。通过这种在线校准方法，可以进一步保障二氧化碳培养箱在各种使用环境下的性能稳定性和测量数据的准确性，为生物医学研究和细胞培养提供更加可靠的设备支持。
