二氧化碳培養箱二氧化碳濃度的在線校準方法

摘 要：為實現二氧化碳培養箱性能的有效評價以及對二氧化碳濃度進行精準校準，本文提出了一種在線校準方法，通過使用可溯源至公用計量標準的標準器和高精度傳感器，針對二氧化碳濃度偏差和波動性進行精確校準，確保培養箱在各種使用環境下的性能穩定性和測量數據的準確性。本文還詳細介紹了二氧化碳培養箱的基礎原理、關鍵設備以及校準項目與方法，并通過實際案例展示了校準技術的應用和不確定度評定。

關鍵詞：二氧化碳培養箱，在線校準，傳感器，測量不確定度

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

0 引 言

二氧化碳（CO2）培養箱作為實驗室中不可或缺的設備，對于提供精確控制的環境條件以支持細胞、組織和其他生物樣本的培養至關重要。然而，為了維持其精確度和穩定性，對CO2濃度的準確監測和校準成為必不可少的一步。基于此，提出一種CO2培養箱CO2濃度的在線校準方法，在線校準技術采用紅外光譜法作為其科學基礎，能夠在CO2培養箱持續運行的同時進行精確測量。這種方法涉及將紅外CO2傳感器直接安裝在培養箱內部或通過特設的校準接口，把箱內氣體引導至傳感器的測量腔室中進行測定。該技術的顯著優勢在于，它不僅避免了對設備結構的干擾和停機的需求，而且還可以在不影響培養實驗正常進行的情況下，實現對CO2濃度的實時監控和校準。

1 CO2濃度檢測

1.1 基礎原理

紅外吸收法在CO2實時在線監測中因其高精度和快速響應而被廣泛采用。這項技術基于不同氣體分子對特定波長紅外光的獨特吸收特性，特別是CO2分子對4.26 μm波長紅外線的吸收，與其濃度成正比。依據朗伯-比爾定律，通過測量CO2吸收的紅外光程度，可以準確地確定其濃度，有效地利用了氣體分子結構上的差異[1]。環境條件見表1。

1.2 關鍵設備介紹

1.2.1 標準器

CO2測定儀是測量CO2濃度的核心儀器，由光源、檢測室、濾光器和紅外傳感器組成。其工作原理是，紅外光穿過待測氣體樣本，濾光器過濾非目標氣體光波，只留下特定波長光線，傳感器接收后將光線強度轉化為CO2濃度讀數[2]。

1.2.2 傳感器

（1）傳感器類型

①擴散式傳感器：需放置于培養箱內部，其工作要求是傳感器內的測量區域需要與培養箱內的CO2水平達到一致。

② 抽吸式傳感器：通過連接到培養箱外部的氣體校準口，使用內置泵把培養箱內的氣體吸入傳感器的測量區域進行分析。

（2）應用選擇

①有氣體校準口的培養箱：推薦使用抽吸式傳感器，因為可以直接通過外部接口抽取氣體樣本，便于準確測量。

②無氣體校準口的培養箱：適合使用擴散式傳感器，將其放置在培養箱內部，接近檢測區域，并確保外部與傳感器之間的連接處密封。

（3）安裝細節

①擴散式傳感器安裝：應在培養箱內找到一個合適的位置，靠近CO2濃度測定儀，確保傳感器與柜門之間的縫隙被適當填密。

②抽吸式傳感器安裝：使用專用軟管將傳感器的進氣口與培養箱的氣體校準口連接，以保證氣體樣本能直接從培養箱內抽取至測量區。

2 校準項目與方法

2.1 CO2濃度偏差

CO2濃度偏差即培養箱在一個設定的穩定期間，CO2濃度的實際讀數與其平均測量值之間的差異。CO2濃度偏差（Δφ，%）計算方法如下：

△φ＝φdisplay-φaverage（1）

式中：φdisplay是培養箱顯示的CO2濃度值（%）；φaverage是測得的CO2體積分數的平均值（%）。

操作流程：

（1）檢查柜門和箱體的密封性能，以防校準期間氣體泄漏。

（2）根據傳感器類型安裝和布置傳感器。

（3）預設培養箱中的CO2濃度并啟動設備。

（4）當箱內CO2濃度達到平穩狀態時，開始記錄測量值，頻率為1次/2 min，共計記錄15次，持續時間30 min。

（5）計算顯示值φdisplay與15次實測值平均數φaverage之間的差異。

2.2 CO2濃度波動性

CO2濃度波動性即培養箱在一個設定的穩定期間，培養箱內CO2濃度隨時間波動的量度，通過計算測量值中的最高值和最低值之間差異的一半來確定的，并以“±”符號表示。CO2濃度波動性（Δφt，%）計算方法如下：

△φt=±（φaverage，max-φaverage，min）/2（2）

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

操作流程：通過計算15個濃度測量值的范圍（最大值與最小值的差值）的一半，可同時校驗CO2濃度的波動性與測量值偏差。

3 校準實例

在此校準中，采用Herocell 240型CO2培養箱，該設備穩定時長為15 min，具備快速達到穩定狀態的能力，顯示精度達0.1%。為確保校準的精確性，選用MI70型CO2測定儀〔維薩拉（北京）〕，配備GMP251傳感器，主要類型擴散式測量，其最大誤差限制為±0.20%，分辨率高達0.001%。校準過程嚴格控制環境條件，保持室溫在21～22℃，相對濕度介于62%至67%之間，同時避免震動及電磁干擾，確保培養箱密封性。

設定培養箱內CO2濃度為5.00%，隨后將擴散式傳感器放置于培養箱內，靠近內置探測器處以記錄精確數據。CO2濃度達到穩態后（15 min左右），開始每2 min記錄一次CO2濃度值，此過程持續30min，總計收集15組數據，詳細數據見表2。

根據校準過程及CO2體積分數測定結果，經計算CO2濃度偏差（Δφ，%）為0.158%、CO2濃度波動性（Δφt，%）為±0. 071%。

4 不確定度評定實例

在此次校準中，不確定度主要分為輸入量的標準不確定度以及合成標準不確定度兩大類，其中：

輸入量的標準不確定度：包含CO2濃度的測量重復性引入的不確定度u（φ）以及CO2測定儀的準確度引入的不確定度u（φaverage）。

重復測量標準偏差s（φ）及標準不確定度分量u（φ）計算公式如下：

以表2測量數據作為輸入量進行CO2濃度的測量重復性分析，通過A類評定方法計算得到的重復測量的標準偏差s（φ）為0.083%，而由15次獨立重復測量引入的標準不確定度分量u（φ）為0.022%。這表明在重復測量過程中，CO2濃度的測量具有較高的精確度和較低的不確定度，從而確保了測量結果的可靠性。

在分析CO2濃度測定時，重點考慮了測定儀器精確度對不確定度的影響。根據B類評定法，儀器的最大誤差為±0.20%，表明測量值可能在報告值的±0.20%范圍內變動[3]。這種誤差對不確定度的貢獻通過將誤差范圍的一半作為不確定度估計值來量化，從而計算出由儀器準確度引入的不確定度u（φaverage）：

合成標準不確定度：依據測量值與標準值之間差異即式（1），設定靈敏系數C1=1和C2=-1。這意味著測量值和標準值每變化一個單位，偏差Δφ相應增減一個單位。合成不確定度（ucΔφ）通過計算測量值不確定度u （φdisplay）和標準值不確定度u （φaverage）的平方和的平方根得出：

考慮到在實際應用需擴展不確定度范圍，因此，覆蓋因子k 取2。二氧化碳濃度偏差測量結果的擴展不確定度（U）可以通過將合成不確定度（u c）乘以覆蓋因子k來計算：

U=k·uc=0.232%≈0.24%（6）

5 結 語

為了確保二氧化碳培養箱在使用過程中的精確度和穩定性，研究了二氧化碳培養箱中二氧化碳濃度偏差和波動的校準方法。該方法的設計兼顧了合理性與實用性，使其操作簡便，易于實施。所用于校準的標準設備均能追溯至計量標準，確保了測量結果的高度精確性與可信度。該校準方法不僅為制造商的出廠檢測提供了可靠依據，也為第三方審驗和計量機構的標準校準活動提供了有效的參考模板。此方法的應用進一步保障了二氧化碳培養箱在各種使用環境下的性能穩定性和測量數據的準確性。

參考文獻

[1]賈雅情.基于近紅外激光光譜技術的二氧化碳濃度測量方法研究[D].河北：河北大學，2020.

[2]夏陽.二氧化碳培養箱校準方法研究[J].計量與測試技術，2022，49（5）：7-9.

[3]王小東，趙巖，陳學航，等.氣體中二氧化碳濃度的測定結果不確定度評定[J].廣州化工，2020，48（17）：83-85.

作者簡介

孫靜，本科，高級工程師，研究方向為醫學計量。

朱文清 ，本科，工程師， 研究方向為醫學計量。

酆揚，大專，工程師，研究方向為醫學計量。

周松華，研究生，高級工程師，研究方向為醫學計量。

莫海燕，研究生，工程師，研究方向為醫學計量。

（責任編輯：袁文靜）