在生物医疗领域，细胞培养是日常实验的重要组成部分。在这一过程中，培养箱的二氧化碳（CO₂）浓度通常设定为5%，这一数值看似理所当然，但你是否曾想过：为什么选择5%作为标准？如果数值有所偏差，会对细胞产生怎样的影响？这5%的设定又是基于什么科学原理？本文将从多个角度解读这一设定的背后逻辑。

一、CO₂在细胞培养中的作用

在体外培养细胞时，需要尽量模拟体内的微环境，包括温度、pH值和氧气张力等。在这其中，CO₂的主要作用是调节培养液的pH值。培养基中通常含有碳酸氢盐（NaHCO₃）缓冲体系，该体系与培养箱内的CO₂气体进行动态平衡，维持一个稳定的生理pH（约为7.2~7.4），确保细胞处于最适合的生存环境。这一平衡主要通过以下化学反应维持：

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃⁻

CO₂浓度越高，H⁺离子浓度增加，pH值降低；相反，CO₂浓度越低，pH值升高。

二、5% CO₂的设定依据

1. 与培养基成分的配套设计：当前大多数细胞培养基（如DMEM和RPMI-1640）含约22~37 g/L的NaHCO₃。当这种浓度配合5% CO₂气体环境时，能够在37℃下稳定维持pH约7.4。若CO₂低于5%，则培养基pH升高；若高于5%，则pH降低，可能会影响细胞的生长和代谢，甚至导致凋亡或坏死。因此，5% CO₂的设定是与培养基配方紧密相关的结果。

2. 模拟体内环境：人类血液中的CO₂分压约为40 mmHg，与空气中5%的CO₂浓度相对应。因此，5%% CO₂可以较好地模拟细胞在体内的气体环境，尤其对依赖稳定pH的哺乳动物细胞至关重要。

三、CO₂浓度不当的后果

偏离5%的CO₂设定可能导致以下影响：

• 低于5%: pH升高、碱中毒、细胞代谢紊乱、凋亡加剧。
• 等于5%: 维持最佳生长状态，培质匹配，稳定pH在7.2~7.4。
• 高于5%: pH下降、酸中毒，抑制生长并诱导细胞坏死。

此外，某些特定细胞或实验（如干细胞诱导、低氧研究）对pH变化更为敏感，需要更精确调控CO₂水平。

四、历史上如何确定这一数值

5% CO₂的设定并非一开始就是固定标准，而是科学实践与理论推演的结果。20世纪50年代末至60年代初，细胞培养进入快速发展阶段。Harry Eagle等科学家在建立基础培养基（如EMEM）时，首次引入碳酸氢盐（NaHCO₃）缓冲体系，以调节培养基的pH。这一理论基础使得当培养基中含有约26 mM NaHCO₃（约22 g/L）时，配合环境中的5% CO₂，pH能稳定在7.2~7.4的微碱性范围，最适合哺乳动物细胞生长。经过千次实验验证，5% CO₂逐渐成为行业标准，被多个细胞库（如ATCC和ECACC）列入操作指南。

需要注意的是，并非所有培养基都必须使用5% CO₂。例如，不含NaHCO₃的Leibovitz’s L-15培养基可以在开放系统中直接使用，适用于那些不依赖CO₂环境的实验。对大多数常规培养基而言，5% CO₂几乎是最佳选择。

五、是否所有动物细胞培养都适合5% CO₂？

并不是。不同的培养基和实验需求必须对CO₂设定做出相应调整。例如：

• Leibovitz’s L-15培养基：不含NaHCO₃，使用磷酸盐缓冲，因此不需要CO₂环境，适用于开放系统。
• CO₂独立培养基：为无CO₂培养箱设计，适合便携或野外实验。
• 自定义培养基（如HEPES缓冲）：可搭配CO₂或独立使用，但依然需要注意pH控制。

所以，在设定CO₂浓度前，充分了解所用培养基的配方及细胞类型的需求至关重要。

六、实验技巧：如何确认CO₂浓度是否合适

除了依赖培养箱的设定值，还可以结合以下方法判断CO₂浓度是否合理：

1. 观察培养基颜色（含酚红指示剂）：正常情况下应为橙红色；偏紫表示碱性，偏黄则表示酸性。
2. 使用pH试纸或pH计检测培养基pH。
3. 定期校准CO₂培养箱的传感器或使用外部检测仪。

总结来看，5% CO₂并非仅是一个简单的标准设置，而是生理与化学的完美平衡。在细胞培养中，5% CO₂成为金标准，并非因为便利或习惯，而是经过对碳酸氢盐缓冲体系、体内气体张力与细胞代谢平衡等多个因素的系统优化。【尊龙凯时】呼吁广大科研人员，在设置培养箱的CO₂浓度时，认真考虑培养基、细胞类型及实验目标的适配性。