摘 要：為實現(xiàn)二氧化碳培養(yǎng)箱性能的有效評價以及對二氧化碳濃度進行精準(zhǔn)校準(zhǔn)，本文提出了一種在線校準(zhǔn)方法，通過使用可溯源至公用計量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，確保培養(yǎng)箱在各種使用環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文還詳細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)項目與方法，并通過實際案例展示了校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用和不確定度評定。

關(guān)鍵詞：二氧化碳培養(yǎng)箱，在線校準(zhǔn)，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(yǎng)箱作為實驗室中不可或缺的設(shè)備，對于提供精確控制的環(huán)境條件以支持細胞、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CO2濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測和校準(zhǔn)成為必不可少的一步?；诖耍岢鲆环NCO2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(yǎng)箱內(nèi)部或通過特設(shè)的校準(zhǔn)接口，把箱內(nèi)氣體引導(dǎo)至傳感器的測量腔室中進行測定。該技術(shù)的顯著優(yōu)勢在于，它不僅避免了對設(shè)備結(jié)構(gòu)的干擾和停機的需求，而且還可以在不影響培養(yǎng)實驗正常進行的情況下，實現(xiàn)對CO2濃度的實時監(jiān)控和校準(zhǔn)。

1 CO2濃度檢測

1.1 基礎(chǔ)原理

紅外吸收法在CO2實時在線監(jiān)測中因其高精度和快速響應(yīng)而被廣泛采用。這項技術(shù)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(jù)朗伯-比爾定律，通過測量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)境條件見表1。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備介紹

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(zhuǎn)化為CO2濃度讀數(shù)[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(yǎng)箱內(nèi)部，其工作要求是傳感器內(nèi)的測量區(qū)域需要與培養(yǎng)箱內(nèi)的CO2水平達到一致。

② 抽吸式傳感器：通過連接到培養(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量區(qū)域進行分析。

（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，因為可以直接通過外部接口抽取氣體樣本，便于準(zhǔn)確測量。

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

（3）安裝細節(jié)

①擴散式傳感器安裝：應(yīng)在培養(yǎng)箱內(nèi)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(dāng)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(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)抽取至測量區(qū)。

2 校準(zhǔn)項目與方法

2.1 CO2濃度偏差

CO2濃度偏差即培養(yǎng)箱在一個設(shè)定的穩(wěn)定期間，CO2濃度的實際讀數(shù)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(yǎng)箱顯示的CO2濃度值（%）；φaverage是測得的CO2體積分?jǐn)?shù)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(zhǔn)期間氣體泄漏。

（2）根據(jù)傳感器類型安裝和布置傳感器。

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

（4）當(dāng)箱內(nèi)CO2濃度達到平穩(wěn)狀態(tài)時，開始記錄測量值，頻率為1次/2 min，共計記錄15次，持續(xù)時間30 min。

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

2.2 CO2濃度波動性

CO2濃度波動性即培養(yǎng)箱在一個設(shè)定的穩(wěn)定期間，培養(yǎng)箱內(nèi)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(zhǔn)實例

在此校準(zhǔn)中，采用Herocell 240型CO2培養(yǎng)箱，該設(shè)備穩(wěn)定時長為15 min，具備快速達到穩(wěn)定狀態(tài)的能力，顯示精度達0.1%。為確保校準(zhǔn)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(zhǔn)過程嚴(yán)格控制環(huán)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(yǎng)箱密封性。

設(shè)定培養(yǎng)箱內(nèi)CO2濃度為5.00%，隨后將擴散式傳感器放置于培養(yǎng)箱內(nèi)，靠近內(nèi)置探測器處以記錄精確數(shù)據(jù)。CO2濃度達到穩(wěn)態(tài)后（15 min左右），開始每2 min記錄一次CO2濃度值，此過程持續(xù)30min，總計收集15組數(shù)據(jù)，詳細數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)校準(zhǔn)過程及CO2體積分?jǐn)?shù)測定結(jié)果，經(jīng)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(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，其中：

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

重復(fù)測量標(biāo)準(zhǔn)偏差s（φ）及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（φ）計算公式如下：

以表2測量數(shù)據(jù)作為輸入量進行CO2濃度的測量重復(fù)性分析，通過A類評定方法計算得到的重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差s（φ）為0.083%，而由15次獨立重復(fù)測量引入的標(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(jié)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(jù)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(nèi)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(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。這意味著測量值和標(biāo)準(zhǔn)值每變化一個單位，偏差Δφ相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值不確定度u （φaverage）的平方和的平方根得出：

考慮到在實際應(yīng)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(jié)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(jié) 語

為了確保二氧化碳培養(yǎng)箱在使用過程中的精確度和穩(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的校準(zhǔn)方法。該方法的設(shè)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(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備均能追溯至計量標(biāo)準(zhǔn)，確保了測量結(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提供了可靠依據(jù)，也為第三方審驗和計量機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)活動提供了有效的參考模板。此方法的應(yīng)用進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)定性和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻

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

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

[3]王小東，趙巖，陳學(xué)航，等.氣體中二氧化碳濃度的測定結(jié)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(yī)學(xué)計量。

朱文清 ，本科，工程師， 研究方向為醫(yī)學(xué)計量。

酆揚，大專，工程師，研究方向為醫(yī)學(xué)計量。

周松華，研究生，高級工程師，研究方向為醫(yī)學(xué)計量。

莫海燕，研究生，工程師，研究方向為醫(yī)學(xué)計量。

（責(zé)任編輯：袁文靜）