【科学贴士】二氧化碳培养箱氧传感器的特点与应用

2021-03-10 10:12:41 益世科生物（Esco Lifesciences Group）

二氧化碳培养箱氧传感器的特点与应用

二氧化碳培养箱将精确性和动态性能相结合，通过对二氧化碳浓度、氧气浓度、温度、湿度、污染物的控制等，从而在极短的反应时间内使所有生长参数的均衡性在各种环境下都能保持恒定，并重现生长过程的一种设备。二氧化碳培养箱是细胞、组织培养的一种先进仪器，是开展免疫学、肿瘤学、遗传学及生物工程所必须的关键设备。

有些细胞需要在低氧的条件下培养，Esco三气培养箱可通过控制N2的输入量，用氧化锆（ZrO2）传感器（适用于CLS型号）和燃料池氧传感器（适用于CCL型号）来实现对O2含量的精确控制，以满足客户不同的培养需求。

燃料池氧传感器

燃料电池通常由惰性金属电极(阴极)+铅(或石墨)电极(阳极)+电解质(分为酸性和碱性两种)组成，阴极与阳极各连接一块金属片作为电极引线，电解质通过阴极上的众多圆孔外溢在阴极表面形成一层电解质薄层，电解质薄层的上面覆盖一张可以渗透气体的聚四氟乙烯(PTFE)膜，气体样品经过渗透膜进入阴极，其中的氧与电解质发生反应，所产生的OH- 离子在电场作用下迁移至阳极，在阳极失去电子生成水。例如以银作为阳极材料时，化学反应方程式如下：

阴极：O2+2H2O+4e→4OH-

阳极：2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e

电池综合反应：2Pb+O2→2PbO

OH-迁移所产生的电流强度与气体样品中的氧含量成正比，通过测量燃料电池中所产生的电流强度即可得到气体样品中的氧含量。此方法的优点是燃料电池结构简单，体积小巧，且响应速度较快，而且价格较为便宜。但燃料电池为消耗型检测器，其寿命决定于流经传感器的氧累积总量，阳电极在测量中不断反应消耗，一旦耗尽，燃料电池即失效，需进行更换。且燃料电池法测量精度和稳定性较差，尤其当用于测量含氧量大于90%的气体样品时，月漂移量在可达到1%以上。此外，需要注意的是当使用电解质为碱性的燃料电池时，不适用于酸性气体中的氧含量分析，而当电解质为酸性时，则不适用于碱性气体的测量。

氧化锆传感器

氧化锆浓差电位法所使用的氧化锆管是以氧化锆材料掺以一定比例的氧化钇或氧化钙经高温烧结而形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体，由于氧化钇或氧化钙分子的存在，其立方晶格中存在氧离子空穴，在高温下是良好的氧离子导体。因其这一特性，在一定温度下，当氧化锆管两侧气体中氧含量不同时，就形成了一个典型的氧浓差电池。氧化锆管整体为管状，中间以氧化锆材料分隔，在氧化锆的两侧各烧结一层多孔的金属作为电极(通常采用铂Pt作为电极材料)。在一定温度下，氧含量较高的一侧氧分子被吸附在电极上，在铂的催化作用下，发生还原反应，得到电子形成氧离子，即：参比侧：O2+4e→2O2-。

同时使该侧电极带正电，成为氧浓差电池的正极或阳极。氧离子通过氧化锆晶体中的空穴迁移至氧含量较低的另一侧，在铂电极上失去电子，形成氧分子，即：测量侧：2O2-→O2+4e

同时使该电极带负电，成为氧浓差电池的负极或阴极。这样在两个电极上由于正负电荷的堆积而形成一定的电势，此电势与氧化锆两测气体中的氧含量有关。

该方法的优点是灵敏度高，响应速度快，线性范围较宽，重现性及稳定性较好。氧化锆传感器几乎不受外界环境条件如温度，震动等的影响，且几乎不需要后期维护。但其缺点也较为明显，由于必须在较高温度下电子才能在氧化锆材料中进行迁移，这导致氧化锆传感器需要较长的预热时间才能正常使用。且氧化锆传感器在测量氧浓度时会受到待测气体中的还原性气体影响，从而导致测量结果偏低，因此不适用于测量还原性气体或还原性气体含量较高的气体样品中的氧浓度，尤其当测量氧浓度为ppm级别的气体样品时，更需考虑样品中还原性气体对测量结果的影响。