摘 要：為實(shí)現(xiàn)二氧化碳培養(yǎng)箱性能的有效評(píng)價(jià)以及對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行精準(zhǔn)校準(zhǔn)，本文提出了一種在線校準(zhǔn)方法，通過(guò)使用可溯源至公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器和高精度傳感器，針對(duì)二氧化碳濃度偏差和波動(dòng)性進(jìn)行精確校準(zhǔn)，確保培養(yǎng)箱在各種使用環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文還詳細(xì)介紹了二氧化碳培養(yǎng)箱的基礎(chǔ)原理、關(guān)鍵設(shè)備以及校準(zhǔn)項(xiàng)目與方法，并通過(guò)實(shí)際案例展示了校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用和不確定度評(píng)定。

關(guān)鍵詞：二氧化碳培養(yǎng)箱，在線校準(zhǔn)，傳感器，測(cè)量不確定度

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.14.033

0 引 言

二氧化碳（CO2）培養(yǎng)箱作為實(shí)驗(yàn)室中不可或缺的設(shè)備，對(duì)于提供精確控制的環(huán)境條件以支持細(xì)胞、組織和其他生物樣本的培養(yǎng)至關(guān)重要。然而，為了維持其精確度和穩(wěn)定性，對(duì)CO2濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)成為必不可少的一步?；诖?，提出一種CO2培養(yǎng)箱CO2濃度的在線校準(zhǔn)方法，在線校準(zhǔn)技術(shù)采用紅外光譜法作為其科學(xué)基礎(chǔ)，能夠在CO2培養(yǎng)箱持續(xù)運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量。這種方法涉及將紅外CO2傳感器直接安裝在培養(yǎng)箱內(nèi)部或通過(guò)特設(shè)的校準(zhǔn)接口，把箱內(nèi)氣體引導(dǎo)至傳感器的測(cè)量腔室中進(jìn)行測(cè)定。該技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)在于，它不僅避免了對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的干擾和停機(jī)的需求，而且還可以在不影響培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和校準(zhǔn)。

1 CO2濃度檢測(cè)

1.1 基礎(chǔ)原理

紅外吸收法在CO2實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)中因其高精度和快速響應(yīng)而被廣泛采用。這項(xiàng)技術(shù)基于不同氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的獨(dú)特吸收特性，特別是CO2分子對(duì)4.26 μm波長(zhǎng)紅外線的吸收，與其濃度成正比。依據(jù)朗伯-比爾定律，通過(guò)測(cè)量CO2吸收的紅外光程度，可以準(zhǔn)確地確定其濃度，有效地利用了氣體分子結(jié)構(gòu)上的差異[1]。環(huán)境條件見(jiàn)表1。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備介紹

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器

CO2測(cè)定儀是測(cè)量CO2濃度的核心儀器，由光源、檢測(cè)室、濾光器和紅外傳感器組成。其工作原理是，紅外光穿過(guò)待測(cè)氣體樣本，濾光器過(guò)濾非目標(biāo)氣體光波，只留下特定波長(zhǎng)光線，傳感器接收后將光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為CO2濃度讀數(shù)[2]。

1.2.2 傳感器

（1）傳感器類(lèi)型

①擴(kuò)散式傳感器：需放置于培養(yǎng)箱內(nèi)部，其工作要求是傳感器內(nèi)的測(cè)量區(qū)域需要與培養(yǎng)箱內(nèi)的CO2水平達(dá)到一致。

② 抽吸式傳感器：通過(guò)連接到培養(yǎng)箱外部的氣體校準(zhǔn)口，使用內(nèi)置泵把培養(yǎng)箱內(nèi)的氣體吸入傳感器的測(cè)量區(qū)域進(jìn)行分析。

（2）應(yīng)用選擇

①有氣體校準(zhǔn)口的培養(yǎng)箱：推薦使用抽吸式傳感器，因?yàn)榭梢灾苯油ㄟ^(guò)外部接口抽取氣體樣本，便于準(zhǔn)確測(cè)量。

②無(wú)氣體校準(zhǔn)口的培養(yǎng)箱：適合使用擴(kuò)散式傳感器，將其放置在培養(yǎng)箱內(nèi)部，接近檢測(cè)區(qū)域，并確保外部與傳感器之間的連接處密封。

（3）安裝細(xì)節(jié)

①擴(kuò)散式傳感器安裝：應(yīng)在培養(yǎng)箱內(nèi)找到一個(gè)合適的位置，靠近CO2濃度測(cè)定儀，確保傳感器與柜門(mén)之間的縫隙被適當(dāng)填密。

②抽吸式傳感器安裝：使用專(zhuān)用軟管將傳感器的進(jìn)氣口與培養(yǎng)箱的氣體校準(zhǔn)口連接，以保證氣體樣本能直接從培養(yǎng)箱內(nèi)抽取至測(cè)量區(qū)。

2 校準(zhǔn)項(xiàng)目與方法

2.1 CO2濃度偏差

CO2濃度偏差即培養(yǎng)箱在一個(gè)設(shè)定的穩(wěn)定期間，CO2濃度的實(shí)際讀數(shù)與其平均測(cè)量值之間的差異。CO2濃度偏差（Δφ，%）計(jì)算方法如下：

△φ＝φdisplay-φaverage（1）

式中：φdisplay是培養(yǎng)箱顯示的CO2濃度值（%）；φaverage是測(cè)得的CO2體積分?jǐn)?shù)的平均值（%）。

操作流程：

（1）檢查柜門(mén)和箱體的密封性能，以防校準(zhǔn)期間氣體泄漏。

（2）根據(jù)傳感器類(lèi)型安裝和布置傳感器。

（3）預(yù)設(shè)培養(yǎng)箱中的CO2濃度并啟動(dòng)設(shè)備。

（4）當(dāng)箱內(nèi)CO2濃度達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始記錄測(cè)量值，頻率為1次/2 min，共計(jì)記錄15次，持續(xù)時(shí)間30 min。

（5）計(jì)算顯示值φdisplay與15次實(shí)測(cè)值平均數(shù)φaverage之間的差異。

2.2 CO2濃度波動(dòng)性

CO2濃度波動(dòng)性即培養(yǎng)箱在一個(gè)設(shè)定的穩(wěn)定期間，培養(yǎng)箱內(nèi)CO2濃度隨時(shí)間波動(dòng)的量度，通過(guò)計(jì)算測(cè)量值中的最高值和最低值之間差異的一半來(lái)確定的，并以“±”符號(hào)表示。CO2濃度波動(dòng)性（Δφt，%）計(jì)算方法如下：

△φt=±（φaverage，max-φaverage，min）/2（2）

式中：φaverage，max、φaverage，min表示CO2濃度測(cè)定值中的最大值、最小值（%）。

操作流程：通過(guò)計(jì)算15個(gè)濃度測(cè)量值的范圍（最大值與最小值的差值）的一半，可同時(shí)校驗(yàn)CO2濃度的波動(dòng)性與測(cè)量值偏差。

3 校準(zhǔn)實(shí)例

在此校準(zhǔn)中，采用Herocell 240型CO2培養(yǎng)箱，該設(shè)備穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)為15 min，具備快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力，顯示精度達(dá)0.1%。為確保校準(zhǔn)的精確性，選用MI70型CO2測(cè)定儀〔維薩拉（北京）〕，配備GMP251傳感器，主要類(lèi)型擴(kuò)散式測(cè)量，其最大誤差限制為±0.20%，分辨率高達(dá)0.001%。校準(zhǔn)過(guò)程嚴(yán)格控制環(huán)境條件，保持室溫在21～22℃，相對(duì)濕度介于62%至67%之間，同時(shí)避免震動(dòng)及電磁干擾，確保培養(yǎng)箱密封性。

設(shè)定培養(yǎng)箱內(nèi)CO2濃度為5.00%，隨后將擴(kuò)散式傳感器放置于培養(yǎng)箱內(nèi)，靠近內(nèi)置探測(cè)器處以記錄精確數(shù)據(jù)。CO2濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后（15 min左右），開(kāi)始每2 min記錄一次CO2濃度值，此過(guò)程持續(xù)30min，總計(jì)收集15組數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)校準(zhǔn)過(guò)程及CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果，經(jīng)計(jì)算CO2濃度偏差（Δφ，%）為0.158%、CO2濃度波動(dòng)性（Δφt，%）為±0. 071%。

4 不確定度評(píng)定實(shí)例

在此次校準(zhǔn)中，不確定度主要分為輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度兩大類(lèi)，其中：

輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：包含CO2濃度的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u（φ）以及CO2測(cè)定儀的準(zhǔn)確度引入的不確定度u（φaverage）。

重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差s（φ）及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（φ）計(jì)算公式如下：

以表2測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入量進(jìn)行CO2濃度的測(cè)量重復(fù)性分析，通過(guò)A類(lèi)評(píng)定方法計(jì)算得到的重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差s（φ）為0.083%，而由15次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（φ）為0.022%。這表明在重復(fù)測(cè)量過(guò)程中，CO2濃度的測(cè)量具有較高的精確度和較低的不確定度，從而確保了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

在分析CO2濃度測(cè)定時(shí)，重點(diǎn)考慮了測(cè)定儀器精確度對(duì)不確定度的影響。根據(jù)B類(lèi)評(píng)定法，儀器的最大誤差為±0.20%，表明測(cè)量值可能在報(bào)告值的±0.20%范圍內(nèi)變動(dòng)[3]。這種誤差對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)通過(guò)將誤差范圍的一半作為不確定度估計(jì)值來(lái)量化，從而計(jì)算出由儀器準(zhǔn)確度引入的不確定度u（φaverage）：

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：依據(jù)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間差異即式（1），設(shè)定靈敏系數(shù)C1=1和C2=-1。這意味著測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值每變化一個(gè)單位，偏差Δφ相應(yīng)增減一個(gè)單位。合成不確定度（ucΔφ）通過(guò)計(jì)算測(cè)量值不確定度u （φdisplay）和標(biāo)準(zhǔn)值不確定度u （φaverage）的平方和的平方根得出：

考慮到在實(shí)際應(yīng)用需擴(kuò)展不確定度范圍，因此，覆蓋因子k 取2。二氧化碳濃度偏差測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度（U）可以通過(guò)將合成不確定度（u c）乘以覆蓋因子k來(lái)計(jì)算：

U=k·uc=0.232%≈0.24%（6）

5 結(jié) 語(yǔ)

為了確保二氧化碳培養(yǎng)箱在使用過(guò)程中的精確度和穩(wěn)定性，研究了二氧化碳培養(yǎng)箱中二氧化碳濃度偏差和波動(dòng)的校準(zhǔn)方法。該方法的設(shè)計(jì)兼顧了合理性與實(shí)用性，使其操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)施。所用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備均能追溯至計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保了測(cè)量結(jié)果的高度精確性與可信度。該校準(zhǔn)方法不僅為制造商的出廠檢測(cè)提供了可靠依據(jù)，也為第三方審驗(yàn)和計(jì)量機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)活動(dòng)提供了有效的參考模板。此方法的應(yīng)用進(jìn)一步保障了二氧化碳培養(yǎng)箱在各種使用環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

孫靜，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)計(jì)量。

朱文清 ，本科，工程師， 研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)計(jì)量。

酆揚(yáng)，大專(zhuān)，工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)計(jì)量。

周松華，研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)計(jì)量。

莫海燕，研究生，工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)計(jì)量。

（責(zé)任編輯：袁文靜）