细胞培养常用的设备和仪器介绍 || 抗体药研发问答

发布时间:2025-11-10 09:30:28浏览数:

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Q001 细胞培养常用的设备

细胞对生长环境要求比微生物更加严格，所使用的细胞培养的设备应该能满足最基本的细胞生长需求，例如无菌、混匀等。目前常用的细胞培养关键设备有以下几种：摇床、生物安全柜、生物反应器。

以下问答分别进行介绍。

Q002 细胞培养设备-摇床

生物摇床是一种常见的实验室仪器设备，主要是用于细菌培养、发酵、杂交和生物化学反映以及酶、细胞组织培养研究，在医学、生物学、分子学、制药、食品、环境等行业应用广泛。在细胞培养过程中，摇床为细胞提供适宜的环境条件，使细胞在其中生长繁殖。（搅拌一般就会有这样几个作用：1.传质，就是底物或代谢产物更好在体系内转移和发挥作用。2.溶氧，在好氧培养过程中，空气是滤过开放的，所以通过摇到可以让更多空气中氧气溶解于发酵液中。3. 体系均一，有便于对不同参数的取样测定）。

摇床分类 室温摇床：就是样品可以裸露在空气中的生物摇床，对温度没有特殊要求，工作温度就是环境温度，主要用来做样品的摇匀、混匀。孵育摇床：是一种温度可控的孵育器和振荡器相结合的生化仪器，广泛应用于对温度和振荡频率有较高要求的细胞培养、发酵、杂交、生物化学及酶和细胞组织的研究等。可对微生物细胞与各类菌种运动和静态的培养。恒温摇床：具有不锈钢万用夹具、数显控温、无级调速和良好的热循环功能，是一种多用途的生化器，是植物、生物、微生物、遗传、病毒、环保、医学等科研，教育和生产部门作精密培养制备不可缺少的实验室设备。

摇床的参数控制：温度、湿度、搅拌、二氧化碳。温度对于细胞培养，摇床的湿度、搅拌、二氧化碳控制要求详见《细胞培养基础知识01》《细胞培养基础知识02》《抗体药物研发问答126~130 《细胞培养》》《抗体药物研发问答117~125 《细胞培养》》

Q003 细胞培养设备-生物安全柜

生物安全柜(BSC)是能防止实验操作处理过程中某些含有危险性或未知性生物微粒发生气溶胶散逸的箱型空气净化负压安全装置。其广泛应用于微生物学、生物医学、基因工程、生物制品等领域的科研、教学、临床检验和生产中，是实验室生物安全中一级防护屏障中最基本的安全防护设备。

生物安全柜的工作原理主要是将柜内空气向外抽吸，使柜内保持负压状态，通过垂直气流来保护工作人员；外界空气经高效空气过滤器过滤后进入安全柜内，以避免处理样品被污染；柜内的空气也需经过过滤器过滤后再排放到大气中，以保护环境。

按照NSF49标准，生物安全等级1级(P1)的媒质是指普通无害细菌、病毒等微生物；生物安全等级2级(P2)的媒质是指一般性可致病细菌、病毒等微生物；生物安全等级3级(P3)的媒质是指烈性/致命细菌、病毒等微生物，但感染后可治愈；生物安全等级4级(P4)的媒质是指烈性/致命细菌、病毒等微生物，感染后不易治愈。此标准将生物安全柜分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，可适用于不同生物安全等级媒质的操作。当实验室级别为一级时一般无须使用生物安全柜，或使用Ⅰ级生物安全柜。实验室级别为二级时，当可能产生微生物气溶胶或出现溅出的操作时，可使用Ⅰ级生物安全柜；当处理感染性材料时，应使用部分或全部排风的Ⅱ级生物安全柜；若涉及处理化学致癌剂、放射性物质和挥发性溶媒，则只能使用Ⅱ-B级全排风(B2型)生物安全柜。实验室级别为三级时，应使用Ⅱ级或Ⅲ级生物安全柜；所有涉及感染材料的操作，应使用全排风型Ⅱ-B级(B2型)或Ⅲ级生物安全柜。实验室级别为四级时，应使用Ⅲ级全排风生物安全柜。当人员穿着正压防护服时，可使用Ⅱ-B级生物安全柜。

注意事项：为了避免物品间的交叉污染，整个工作过程中所需要的物品应在工作开始前一字排开放置在安全柜中，以便在工作完成前没有任何物品需要经过空气流隔层拿出或放入，特别注意：前排和后排的回风格栅上不能放置物品，以防止堵塞回风格栅，影响气流循环。在开始工作前及完成工作后，需维持气流循环一段时间，完成安全柜的自净过程，每次试验结束应对柜内进行清洁和消毒。操作过程中，尽量减少双臂进出次数，双臂进出安全柜时动作应该缓慢，避免影响正常的气流平衡。柜内物品移动应按低污染向高污染移动原则，柜内实验操作应按从清洁区到污染区的方向进行。操作前可用消毒剂浸湿的毛巾垫底，以便吸收可能溅出的液滴。尽量避免将离心机、振荡器等仪器安置在安全柜内，以免仪器震动时滤膜上的颗粒物质抖落，导致柜内洁净度下降；同时这些仪器散热排风口气流可能影响柜内的气流平衡。安全柜内不能使用明火，防止燃烧过程中产生的高温细小颗粒杂质带入滤膜而损伤滤膜。

Q004 细胞培养设备-生物反应器

生物反应器是指任何提供生物化学反应的适当环境或工程设备，是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。

生物反应器的主要类型 生物反应器主要有两种类型：多用途（不锈钢）生物反应器或一次性生物反应器。多用途生物反应器由不锈钢制成，目前是生产环境中使用的主要生物反应器版本。多用途生物反应器虽然产量高，但购买成本也较高，比较适合中大型制药企业，中小型药企比较喜欢选择一次性生物反应器。一次性生物反应器利用一次性无菌细胞室，细胞培养物在其中保持。该细胞室将交叉污染的风险降至最低，因为它仅用于一种生长操作。一次性生物反应器的使用减少了每次生物反应器运行所需的验证、清洁、灭菌和维护量。出于这个原因，一次性生物反应器的运行可以更紧密地安排在一起，从而增加工厂产量。

工艺：在生物反应器接种后，使用三种主要类型的生物反应器工艺：分批、连续和分批补料。分批生物反应器工艺包括用培养基和接种物填充生物反应器，并在不添加营养物或培养基的情况下运行生物反应器，直到完成生长曲线。连续生物反应器工艺不断地将营养物质和培养基送入生物反应器，同时也不断地从生物反应器中收集材料。由于材料不断被收获，这些过程可能会导致收获材料的数量更大和生物反应器的活动时间更长。缺点是，较长的生物反应器活动大大增加了污染的机会。分批补料生物反应器工艺是较为常用的生物反应器工艺。这个过程从较低的起始体积开始，并按照设定的时间表及时补加营养物质和培养基，使得产品可以持续收获。该过程完成后，再将收获材料以进行下游加工。

Q005 细胞培养常用的检测仪器

细胞培养需要定期监控细胞的状态与相关的参数，就需要相关的仪器和检测设备。常用于细胞培养的检测仪器有细胞计数仪、生化分析仪、血气分析仪、渗透压仪、pH计。

Q006 细胞培养检测仪器-细胞计数仪

细胞培养是细胞株开发的基础，无论是细胞转染、高通量克隆筛选、培养基优化、还是抗体表达，都需要在细胞培养的基础上完成细胞生长状态的检测，其中包括活细胞密度（VCD）和活率（Viability）检测。通过检测结果将细胞密度和活率达不到要求的细胞排除掉。最终，从数以千计的克隆细胞中筛选到稳定高产的单克隆细胞株。常用的细胞密度检测仪器Vi-CELL XR的功能：测定细胞存活率、总细胞数、存活细胞数、总细胞浓度、存活细胞浓度、细胞的直径及分布、细胞的平均直径、细胞圆度及分布、细胞平均圆度、细胞的生长速度、细胞倍增时间、细胞生长曲线，进行实时细胞凋亡检测、细胞周期检测。

工作原理：采用成像技术测定VCD和直径，采用胎盘蓝染色技术测定死细胞。在细胞群体中总有一些因各种原因而死亡的细胞，总细胞中活细胞所占的百分比叫做细胞活力，由组织中分离细胞一般也要检查活力，以了解分离的过程对细胞是否有损伤作用。复苏后的细胞也要检查活力，了解冻存和复苏的效果。用台盼兰染细胞，死细胞着色，活细胞不着色，从而可以区分死细胞与活细胞。利用细胞内某些酶与特定的试剂发生显色反应，也可测定细胞相对数和相对活力。

Q007 细胞培养检测仪器-生化分析仪

常用测定葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、铵根离子、氧气和二氧化碳含量等参数。常见的生化分析仪有Nova Bioprofile多参数生化分析仪、罗氏生化分析仪Cedex Bio/Cedex Bio HT。

以Cedex Bio为例，其检测原理：可靠的光度测量技术。分光光度：酶,底物，特殊蛋白；离子选择性电极(ISE)：一价离子；检测通量：仅使用分光光度检测，65反应/小时；仅使用ISE检测180反应/小时，同时使用分光光度+ISE检测，最高100反应/小时；试剂槽：每个试剂盘有27个插槽，离子选择性电极为3个通道；单次检测时间：分光光度连续检测每15秒出一个检测结果；样品放入：8位，连续加载，可设置优先检测样品位。

Q008 细胞培养检测仪器-血气分析仪

血气分析仪是指利用电极在较短时间内对动脉中的酸碱度(pH)、二氧化碳分压(PCO2)和氧分压(PO2)等相关指标进行测定的仪器。特点：自动定标、自动进样、自动检测及故障自诊断等功能, 操作简便、分析速度快、准确度高。

工作原理：在管路系统的负压抽吸作用下,样品血液被吸入毛细管中, 与毛细管壁上的pH 参比电极、pH 、PO2 、PCO2四只电极接触, 电极将测量所得的各项参数转换为各自的电信号, 这些电信号经放大、模数转换后送达仪器的微机, 经运算处理后显示并打印出测量结果, 从而完成整个检测过程。

主要由电极系统、管路系统和电路系统三大部分组成。1、电极系统：电极测量系统包括pH 测量电极、pCO2测量电极、PO2测量电极。(1)pH 测量电极是一种玻璃电极, 由Ag -AgCl 电极和适量缓冲溶液组成, 主要利用膜电位测定溶液中H浓度, 参比电极为甘汞电极, 其作用是为pH 电极提供参照电势。(2)pCO2测量电极主要结构是气敏电极, 关键在于电极顶端的CO2分子单透性渗透膜, 通过测定pH 的变化值, 再通过对数变换得到pCO2数值。(3)pO2测量电极是基于电解氧的原理, 由Pt -Ag 电极构成, 在气体渗透膜选择作用下, 外施加一定电压, 血液内O2 在Pt 阴极处被还原, 同时形成一稳定的电解电流, 通过测定该电流变化从而测定血样中的PO2。2、管路系统：是为完成自动定标、自动测量、自动冲洗等功能而设置的关键部分。3、电路系统主要是针对仪器测量信号的放大和模数转换, 显示和打印结果。近年来血气分析仪的发展多体现在电路系统的升级, 在电脑程序的执行下完成自动化分析过程。

Q1009 细胞培养检测仪器-渗透压仪

渗透压仪（Osmometer）又称渗透压计，是一种用于测量溶液渗透压的仪器。在生物学、生化学、医学、食品科学等领域中经常用到。渗透压是指单位体积溶液对水的渗透能力。简单来说，就是当两种不同浓度的溶液隔着半透膜相互接触时，溶液中浓度较高的一侧所产生的压力差。通过测量半透膜隔离下的溶液的渗透压，我们可以了解溶液浓度和其它相关物理化学性质。渗透压仪最常见的使用场景是在医学领域，用于测量血清、尿液等生物样本的渗透压值，可以帮助医生判断患者的肾功能是否正常、是否有脱水等问题。同时，在食品科学领域也可以用来检测食品的新鲜度和品质，比如测量奶制品、水果和蔬菜等的渗透压值，以评估它们的新鲜度和保存时间。在细胞培养过程中检测渗透压有助于了解培养液的营养状况。

冰点渗透压仪是渗透压仪的一种，采用冰点低压原理来测定各种溶液和体液渗透压的仪器。溶液的渗透压摩尔浓度与冰点温度下降值呈线性关系。根据这一理论冰点渗透压仪是根据测量溶液的冰点来测定溶液渗透压的原理制成。人体细胞渗透压的正常范围为大约280-300毫摩尔/升(mOsm/L)。在这个范围内,水分子可以自由地进出细胞,维持细胞内外的水平衡。如果细胞渗透压过高或过低,会导致细胞水分失调,影响细胞正常功能,甚至引起病理反应。

Q010 细胞培养检测仪器-pH计

酸碱计（pH meter）是一款测量pH值的仪器，又称pH计、酸碱检测仪。是专为使用离子选择电极而设计的一种精密的电子毫伏计。由于pH指示电极的电位随溶液pH值的变化而变化，所以当pH指示电极（如pH玻璃电极）和参比电极（如饱和甘汞电极）浸在溶液中构成测量电池时，所产生的电动势与溶液的pH值有关。pH计将电动势输出转换成pH读数，每一pH间隔相当于2.303RT/F伏，此值随测量电池中溶液的温度不同而变动，所以pH计上都装有温度补偿旋钮，调节它可使每一pH间隔的电动势改变值正好相当于测量温度应有的变动值。pH计上还装有定位调节器，其作用是在电池电动势上加一个适当电压，使pH计读数与标准pH值一致。这样，溶液的pH值直接在仪表上显示出来。pH计的一般测量范围是pH0～14，并备有±mV挡以扩展使用范围。

正常人体的PH值是6.5-7.1，其中越靠近中间值（6.8）越正常；越靠近两边，离不正常的情况越近。动物细胞大多数需要轻微的碱性条件，适宜pH在7.0～7.4之间，偏离此范围可能对细胞生长产生有害的影响。但各种细胞对pH的要求也不完全相同，原代培养的细胞一般对pH的改变耐受力差，无限细胞系耐受力较强。细胞培养基的pH值通常需经校正的pH计来测定。

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