实验指南 | 从细胞到微生物，看恒温培养箱如何在科研中大展身手

引言

实验室中使用的恒温培养箱（incubator）是一个经过加热和隔热处理的容器，主要用于培养和保存细胞或微生物培养物。在设备校准过程中，会利用配备传感器的数据记录器来监控温度。这种培养箱既可以用于单细胞生物，也可用于多细胞生物的培养。

图1、实验室培养箱

其主要功能是控制环境因素，如温度、湿度和二氧化碳浓度，创造出一个无污染的安全可靠环境，以满足细胞和组织培养的需求。在制药、农业、环境、食品、工业微生物学、公共卫生、基础研究和教育等多个领域中，都会使用培养箱培养微生物。诸如细菌培养、细胞与组织培养、生物化学和血液学研究、制药操作以及食品分析等工作，都需要依赖实验室培养箱进行生物体的生长和保藏。

培养箱工作原理

恒温培养箱的工作原理基于热电效应。培养箱内的温控装置通过制造热梯度来保持温度恒定。当任何导体处于热梯度时，都会产生电压，这就是所谓的热电效应。一旦接通电源，培养箱会被加热至预设温度（通常为37°C）。温度传感器、温度控制器和接触器之间的兼容性和高效性能是维持这一温度的关键要素。

当开关打开时，电流进入系统，激活接触器，进而为灯泡供电，这些灯泡作为系统的加热元件发挥作用。风扇将热空气均匀分布在整个系统内。当系统温度达到设定目标温度（例如37°C）时，数字温度控制器会向接触器发送电信号，使接触器失电并暂时关闭加热器。此外，当温度低于所需水平时，接触器将重新充电并启动系统，再次开启加热以恢复到预设温度。

恒温培养箱的组成部分

箱体：培养箱的基础结构是箱体，采用双层壁立方形设计，容积范围从20升至800升不等。外壁由不锈钢板制成，内壁则采用铝材制作。内壁有向内的延伸部分以支撑搁板。两层壁之间填充玻璃棉作为保温材料，确保仪器运行稳定，减少热量损失及电力消耗。

门：所有培养箱都配备了一扇密封绝缘箱体的门，门本身也具有良好的保温性能。门上镶嵌有观察窗玻璃，使得在不影响内部环境的情况下能对培养箱内情况进行可视化检查。门外侧还设有便于操作的把手。

图2、培养箱的组成部分

控制面板：培养箱外壁覆盖有控制面板，面板上集成了调控培养箱参数所需的全部开关和指示器，其中包括调节恒温器的开关。

防火门封条：采用石棉材质的门封条几乎可以实现门与箱体间完全密封，防止损坏箱体，并阻止外部空气进入，营造出一个封闭且高温稳定的环境，不受外界环境变量影响。

孔状搁板：内壁装有可拆卸的孔状搁板，实验介质所承载的培养皿就放置于搁板上。有些培养箱的搁板可移除以便清洗。孔洞设计使得热空气能够在培养箱内自由流通。

恒温器：恒温器负责调控培养箱的温度，在达到设定温度后持续保持恒定状态，直到下次温度设定改变为止。

L型温度计：培养箱外壁安装有L型温度计，其中一端留在箱体外部，便于读取温度数值。

HEPA过滤器：一些现代培养箱配备了HEPA过滤器以降低气流带来的污染风险。通过带有过滤器的空气泵形成的闭环系统减少了培养箱内部循环空气中的污染程度。

湿度和气体控制器：对于CO2培养箱来说，其底部设有水箱，通过蒸发水分来维持箱室内的相对湿度。同样地，此类培养箱还内置气体腔室，用于提供适当的CO2浓度。

培养箱的分类

实验室恒温培养箱按照特定参数的有无或用途的不同，可分为以下几类：

冷藏/冷藏式培养箱：具备内部制冷系统，可提供低于室温的环境。冷藏培养箱内的空气循环风扇为箱室提供新鲜空气并确保精确的温度控制，同时装备多种温度传感器进行监测。

摇床培养箱：为了创造最佳的细胞生长条件，需通过摇动或振荡过程使氧气充分混合并均匀分布营养物质。有时会采用摇床培养箱，通过在培养箱内增设独立的摇床装置，实现培养和振荡的一体化，适用于各类细胞生长，包括细菌培养、组织培养和酵母培养。

便携式培养箱：便携式培养箱允许在偏远地区和资源有限的环境中进行微生物检测，避免样本运输困难，降低样品变质的风险。

台式培养箱：工作温度范围可从环境温度变化至100°C，大多数台式培养箱配有警报系统、玻璃门和显示屏幕，显示温度和时间信息。

CO2培养箱：在生命科学实验室中，密闭且气候可控的CO2培养箱用于培育生物细胞，必须模拟人体内环境，即37°C、>90%相对湿度及pH值7.4。

生化需氧量（BOD）培养箱：由于酵母和霉菌需要较低温度生长，故常被称为低温培养箱。同时，这类培养箱也是进行生化需氧量测试所必需的，要求温度保持在20-25℃。

光照培养箱：主要用于复制种子、植物等生长条件，应用于材料、食品、药品和化妆品的光稳定性测试，促进植物生长并增强抗病能力。

厌氧培养箱：能够维持和操作细菌在无氧环境下生长，特别适合培养最难在无氧条件下生长的厌氧菌种，并在实验过程中避免厌氧菌因接触到氧气而死亡。

恒温恒湿培养箱：拥有精确的温湿度控制系统，能够模拟工业研发和生物技术测试所需的多种环境条件。

根据设计类型，培养箱还可分为模拟式培养箱和数字式培养箱：

模拟式培养箱：是最简单的一种培养箱形式，价格低廉且易于使用，但精度低于数字式培养箱，且不具备显示面板，无法直接查看箱内实际温度。

数字式培养箱：价格较高，但操作简便，精度更高，而且配置了显示面板，用户可以直接查看箱内真实温度。

培养箱的应用

实验室恒温培养箱不仅被应用于动物学领域中孵化蛋类和繁殖昆虫，还在食品分析、生物化学与血液学研究、制药作业，以及细胞和组织培养等方面发挥着关键作用。它们提供了存储样本所需的受控环境，确保样本在实验室进一步处理前得到妥善保管。除此之外，恒温培养箱还用于晶体（包括蛋白质晶体）的生长以及细菌、真菌、酵母等各种微生物的繁殖，从而在污水处理监测中测定生化需氧量。

培养箱的优势

恒温培养箱因其节能特点，能够降低运行成本并提高经济效益。针对储存的不同类型细胞培养物，可以相应调整培养箱的各项参数。通过自然对流与强制对流相结合的方式，恒温培养箱能够提供一种稳定的环境，有利于培养物及微生物的生长和存活。

培养箱的局限性

长时间开启恒温培养箱门是必须避免的，因为这可能导致样本受到污染。培养箱仅能在特定的温度、湿度、pH值和CO2浓度条件下培养样本，因此对于需要不同环境因素的不同培养物，必须分开进行培养。如果有且仅有一台培养箱的话，完成所有培养可能耗时较长。另外，恒温培养箱的购置成本高，并且需要专门的技术人员对其进行管理和维护。

培养箱操作维护注意事项

在恒温培养箱长时间运行期间，应在搁板下方倒入无菌水，以防培养材料干燥。在培养物达到适宜生长参数之前，不应将培养皿存放在培养箱内。为防止培养基表面出现冷凝现象，应将培养皿倒置存放，盖子朝下。应当定期清洁培养箱内部，防止微生物聚集在搁板或角落处。频繁开启箱门会导致箱内温度波动，这对细菌生长有影响，因此应尽量避免引起温度变化。

总结

实验室恒温培养箱是一种精密的加热和隔热设备，广泛应用于细胞、微生物培养以及其他多种科学领域。其核心功能在于精准调控温度、湿度和气体浓度，构建无污染的稳定环境，支持细胞和微生物生长。培养箱内部结构设计注重保温效果和温度控制，采用双层壁、保温材料、孔状搁板、恒温器、温度计、HEPA过滤器等组件确保培养条件优化。根据需求和应用领域，培养箱可分为冷藏式、摇床式、便携式、台式、CO2培养箱等多种类型。尽管培养箱在科学研究中有诸多优势，如节能高效、环境控制灵活，但在实际操作中应注意避免频繁开门、分隔培养不同条件下的样本，并定期维护保养，以保证培养效果和实验数据的准确性。

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更新日期：2024-04-15