انکوباتور چیست؟

مقدمه

دستگاه‌های انکوباتور آزمایشگاهی با تنظیم شرایطی مانند دما، رطوبت و کربن دی اکسید، محیطی کنترل شده و بدون آلاینده را برای کار ایمن و قابل اطمینان با کشت سلولی و بافتی فراهم می‌کنند. دستگاه­‌های انکوباتور میکروبیولوژیکی برای رشد و ذخیره‌سازی کشت­‌های باکتریایی استفاده می‌شود. انکوباتور در اندازه­ و انواع مختلف وجود دارد، از واحدهای رومیزی کوچک تا اندازه اتاق. دستگاه‌های انکوباتور آزمایشگاهی برای کشت سلول و بافت، مطالعات بیوشیمیایی و خون شناسی، مطالعات دارویی و تجزیه و تحلیل مواد غذایی ضروری هستند.

انکوباتور چیست؟

شاید برای خرید یک دستگاه انکوباتور این سوال برای شما تداعی شود که چه مدل و اندازه­‌ای از این دستگاه مورد نیاز­ آزمایشگاه است؟

اندازه و ظرفیت دستگاه انکوباتور اولین و اساسی­‌ترین نکته است. برآورد تعداد نمونه‌­هایی که هر دفعه در انکوباتور گذاشته می­‌شوند، یک ایده کلی از حجم داخلی مناسب ارائه می­‌دهد. هم چنین چه درجه حرارت، رطوبت و کربن دی‌­اکسید برای کار شما لازم است و آیا منبع آب مورد نیاز است؟

برای اطمینان از توزیع یکنواخت گرما و از بین بردن نقاط سرد، دستگاه‌های انکوباتور را می­‌توان با روکش آب یا روکش هوا، یا از منبع حرارت مستقیم دیگر استفاده کرد. برای انکوباتور کربن دی اکسید، گزینه‌های کنترل کننده شامل تشخیص هدایت حرارتی (TCD) یا حسگرهای مادون قرمز می‌­باشد. کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی در طراحی دستگاه انکوباتور است. برای این منظور، تولیدکنندگان چرخه ضدعفونی در دمای بالا، فیلتراسیون HEPA و استفاده از اجزای مس ضد میکروبی در محفظه را ارائه می‌­دهند. برخی از دستگاه‌­ها دارای درهای شیشه‌ای داخلی هستند که امکان مشاهده محتویات را بدون ایجاد اختلال در انکوباتور فراهم می­‌کند. نمایشگرهای لمسی یکپارچه، زنگ هشدارهای قابل برنامه­‌ریزی، ذخیره­‌سازی داده‌­ها و قفسه­‌های قابل جابجایی از دیگر پیشرفت­‌های طراحی هستند که بر سهولت استفاده از دستگاه­‌های انکوباتور آزمایشگاهی تمرکز دارند.

ساده‌ترین نوع انکوباتور آزمایشگاهی شامل یک محفظه‌ی ایزوله و عایق است که به یک هیتر با قابلیت تنظیم تجهیز شده است. انکوباتورهای آزمایشگاهی معمولا می‌توانند دمای داخل محفظه را تا ۶۰ الی ۶۵ درجه‌ی سانتی‌گراد بالا ببرند. البته بعضی از انکوباتورها توانایی آن را دارند که دمای داخل محفظه را تا نزدیک ۱۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نیز برسانند.

معمول‌ترین دما برای کشت باکتری‌ها مانند E.coli و همین طور برای کشت سلول پستانداران، دمای ۳۷ درجه‌ سانتی‌گراد است، زیرا این ارگانیسم‌ها در چنین شرایطی رشد می‌کنند. برای دیگر ارگانیسم‌های مورد استفاده در آزمایشات بیولوژیکی، مانند جوانه‌زدن مخمر ساکارومایسس سرویزیه، بهترین دمای رشد ۳۰ درجه‌ سانتی‌گراد است. انواع دیگر انکوباتورهای آزمایشگاهی، توانایی کاهش دما (انکوباتور آزمایشگاهی یخچالدار)، توانایی کنترل میزان رطوبت و کنترل سطح کربن­ دی­‌اکسید را نیز دارند. این موضوع مخصوصا برای کشت سلول‌های پستانداران ضروری‌­است، زیرا به منظور جلوگیری از تبخیر لازم است که میزان رطوبت نسبی بیشتر از ۸۰ درصد باشد. همچنین به منظور آنکه pH کشت اندکی اسیدی باشد، نیاز است تا میزان سطح دی‌اکسیدکربن نیز در حدود ۵ درصد باشد.

اجزای انکوباتور آزمایشگاهی

انکوباتورهای مختلف بسته به نوع کاربردی که دارند، ممکن است برخی از اجزای زیر را نداشته­‌باشند و یا از اجزای بیشتری تشکیل شده باشند. شکل ۱ شمایی از دستگاه انکوباتور را نشان می‌­دهد. در ادامه مهمترین اجزای انکوباتور شرح داده می‌شوند.

• محفظه نگهداری

این محفظه یک محیط بسته‌ی دوجداره است که عایق‌بندی مناسبی دارد و به گونه‌ای ساخته شده است که از لحاظ دما و رطوبت از محیط بیرون جدا باشد و امکان ورود و خروج گازها از آن به صورت کنترل نشده، وجود نداشته باشد. این محفظه معمولا از جنس استیل ضدزنگ ساخته می‌شود تا در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی بر اثر گرما و رطوبت و همچنین ریزش احتمالی مایعات مورد آزمایش، مصون باشد.

• سیستم کنترل دما

در انکوباتورها به منظور گرم‌کردن محفظه‌ی داخل انکوباتور، از هیترهای الکتریکی استفاده می‌شود. در اکثر انکوباتورها سیستم سیرکولاسیونی با قابلیت تنظیم سرعت نیز تعبیه شده است تا از همگن شدن دما در تمام نقاط انکوباتور اطمینان حاصل شود. کنترل دمای داخل انکوباتور یا توسط سیستم‌های کنترلی ساده مانند ترموستات و یا توسط مدارهای میکروکنترلی صورت می‌گیرد. انکوباتورهای مجهز به مدارهای میکروکنترلی نسبت به مدل‌های دارای ترموستات از دقت بیشتری در کنترل دما بهره می‌برند.

• سیستم کنترل رطوبت

این سیستم، رطوبت موجود در داخل انکوباتور را در سطح تنظیم شده نگه‌ می‌دارد. انکوباتورهای دارای سیستم کنترل رطوبت، از یک سری سنسور برای نمونه‌برداری از رطوبت داخل محفظه استفاده می‌کنند. رطوبت مورد نیاز نیز توسط یک مخزن کوچک که حاوی آب تصفیه شده است، تامین می‌شود. بدین صورت که سیستم گرمایش انکوباتور آب را به بخار تبدیل کرده و از دریچه‌ی مخصوصی وارد محفظه‌ی انکوباتور می‌شود.

• سیستم کنترل گازها

بعضی از انکوباتورها، توانایی تنظیم ترکیب گازهای داخل محفظه انکوباتور را دارند. در این انکوباتورها سنسورهایی تعبیه شده است که میزان سطح گازهای مختلف را اندازه‌گیری کرده و در صورت نیاز گاز مورد نظر را از طریق مخازنی که در خارج از انکوباتور قرار دارد، تامین می‌کنند.

شکل ۱- دستگاه انکوباتور و اجزای آن

انواع انکوباتور

۱. انکوباتور کربن دی اکسید یا کشت سلولی

 انکوباتور کشت سلولی به منظور حفظ دمای ثابت و رطوبت بالا برای رشد سلول‌های کشت بافت تحت جو کربن دی اکسید طراحی شده است. تنظیمات معمولی دما بین ۴ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد و غلظت کربن دی اکسید از ۰/۳ تا ۱۹/۹ درصد متغیر است. فضای داخلی فولاد ضد زنگ غیر خورنده استاندارد است، اما برخی از مدل‌­های جدیدتر دارای سطوح مس ضد میکروبی برای جلوگیری از آلودگی هستند. ضدعفونی خودکار با استفاده از گرما یا اشعه ماوراء بنفش یکی دیگر از ویژگی‌های جدید و جذاب موجود در دستگاه‌های انکوباتور کربن دی اکسید است. درجه حرارت در دستگاه انکوباتور کربن دی اکسید معمولاً توسط یک حمام آب که در دیواره‌های کابینت (دستگاه انکوباتور کربن دی اکسید با آب) گردش می­‌کند، یا توسط سیم پیچ­‌های برقی که گرمای تابشی را منتشر می­‌کنند، کنترل می­‌شود. برخی از واحدها همچنین دارای سردخانه برای خنک کننده هستند. رطوبت نسبی بین ۹۵ تا ۹۸ درصد توسط سیستم اتمیزه کننده یا مخزن آب حفظ می­‌شود. ویژگی‌های دستگاه انکوباتور کشت سلول مانند کنترل­‌های قابل برنامه‌ریزی با حفاظت از رمز عبور، زنگ هشدار دما، آلارم کربن دی اکسید و زنگ هشدار باز شدن درب راحتی و امنیت را برای کاربر افزایش می­‌دهد (شکل ۲).

شکل ۲- انکوباتور کربن دی اکسید یا کشت سلولی

۲. انکوباتور هیبریداسیون

 بسیاری از آزمایشگاه‌­های علوم زیستی در سراسر جهان هیبریداسیون غشایی را با دستگاه انکوباتور هیبریداسیون انجام می­‌دهند. دستگاه‌های انکوباتور هیبریداسیون، که به کوره‌های هیبریداسیون نیز معروف هستند، کنترل دما، یکسان بودن دما را در سراسر محفظه انکوباتور ارائه می­‌دهند. یک کوره هیبریداسیون برای آزمایشات آزمایشگاهی استریل ایده آل است و باید یکپارچگی نمونه حفظ شود در حالی که آن را در دمای دقیق برای مدت زمان مناسب گرم می­‌کنید. این ابزارهای ساده و همه کاره در کاربردهایی مانند هیبریداسیون اسید نوکلئیک مانند لکه‌های RNA، ترکیب DNA، لکه­‌های وسترن (پروتئینی) و سنجش‌­های زیست شناسی مولکولی یافت می­‌شود.

شکل ۳– انکوباتور هیبریداسیون

۳. دستگاه انکوباتور هیپوکسی/ دستگاه انکوباتور هایپروکسی

دستگاه انکوباتور آزمایشگاهی محیط کنترل شده­‌ای را برای کشت سلولی و بافتی که نیاز به شرایط خاصی دارد، حفظ می‌کند. در حالی که یک دستگاه انکوباتور استاندارد ممکن است بتواند سطح اکسیژن را تا حدودی کنترل کند، در صورت حفظ و پروش کشت سلولی در سطوح اکسیژن زیر 1درصد، به دستگاه انکوباتور هیپوکسی (شکل ۴) نیاز است. این شرایط برای آزمایش‌­هایی مانند تجزیه و تحلیل میکروارگانیسم‌­های بی هوازی خاص یا محیط­‌های ریز تومور ضروری است. مواردی که هنگام خرید دستگاه انکوباتور هیپوکسی باید در نظر بگیرید شامل ظرفیت دستگاه انکوباتور، محدوده دما، سطح اتصال و این­که آیا می‌توان انواع گازهای اضافی را به دستگاه انکوباتور اضافه کرد یا خیر؟

شکل ۴- دستگاه انکوباتور هیپوکسی/ دستگاه انکوباتور هایپروکسی

۴. دستگاه انکوباتور هیپوکسی/دستگاه انکوباتور هایپروکسی

دستگاه انکوباتور شرایطی را برای رشد مطلوب کشت میکروبیولوژی فراهم می­‌کند. همرفت هوای طبیعی یا اجباری دمای ثابت حتی در محدوده چند درجه بالای دمای اتاق تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد را حفظ می­‌کند. دستگاه‌های انکوباتور میکروبیولوژی دارای طیف وسیعی از اندازه­‌ها و اشکال هستند – حتی دستگاه­‌های انکوباتور کوچک برای لوله­‌های میکروفیوژ. دستگاه‌های انکوباتور میکروبیولوژی (شکل ۵) اغلب کم استفاده می­‌شوند. آنها می­‌توانند برای بسیاری از برنامه‌های فراتر از کشت سنتی باکتریایی، مانند انکوباتور وابسته به دما، واکنش‌­های آنزیمی یا ذخیره‌سازی معرف استفاده شوند. کنترل­ کننده‌­های قابل برنامه‌ریزی و تبرید برخی از ویژگی‌های اضافی موجود در دستگاه‌های انکوباتور در بازار امروز است.

شکل ۵- دستگاه انکوباتور هیپوکسی/ دستگاه انکوباتور هایپروکسی

۵. انکوباتور گیاهی/ اتاق‌های رشد محیطی

دستگاه انکوباتور گیاهی/ محفظه‌های رشد محیطی به طور خاص با در نظر گرفتن جوانه زنی و رشد گیاه ساخته شده است (شکل۶). این دستگاه‌های انکوباتور کنترل دقیق نور و دما را انجام می‌­دهند و به آن­ها این امکان را می‌دهد تا شرایط رشد را برای انواع بذر و گیاه تقلید کنند. این امر آن­ها را برای کاربردهایی از جمله مطالعات کشاورزی، آزمایش محیطی، آزمایش و تجزیه و تحلیل حشیش (شاهدانه) و موارد دیگر ایده آل می­‌کند. هنگام خرید دستگاه انکوباتور گیاهی، مهم است که اندازه/ظرفیت دستگاه انکوباتور، محدوده دما، روش کنترل و نظارت بر دما، محدوده و تنظیم رطوبت و روش روشنایی را در نظر بگیرید.

شکل ۶- انکوباتور گیاهی/ اتاق‌های رشد محیطی

۶. دستگاه انکوباتور یخچال­دار

دستگاه­‌های انکوباتور یخچال­دار (شکل۷) و دستگاه‌های انکوباتور خنک کننده طوری طراحی شده‌­اند که بر اساس الزامات سرمایش برای تحقیقات، دمای ثابت را حفظ کنند. بر اساس انواع مختلف همرفت، تنظیمات معمولی دما از منفی ۵۰ تا ۶۵ درجه سانتی‌گراد متغیر است، اگرچه بیش­تر از گردش هوای اجباری استفاده می‌­شود. دستگاه‌های انکوباتور یخچال­دار و دستگاه­‌های انکوباتور سرد برای کاربردهای گوناگونی از جمله آزمایش نمونه میکروبیولوژیکی و تحقیقات باکتری، آزمایش هرماتولوژیکی، مطالعات هضم آنزیم‌­ها، تعیین کولیفرم، مطالعات کریستالیزاسیون، کشت بافت، روش‌­های هیستوشیمیایی، روش­‌های خشک شدن و رنگ آمیزی، آزمایش ماندگاری مناسب هستند. در آزمایش آلودگی آب دو نوع اصلی انکوباتور خنک شده وجود دارد، سیستم‌های Peltier-cooled و Compressor-cooled. سیستم‌های Peltier در مقایسه با سیستم‌های کمپرسور به انرژی بیشتری نیاز دارند و به طور کلی کندتر هستند. با این حال، سیستم‌های خنک کننده Peltier عموماً ساکت­‌تر، تولید مقرون به صرفه‌­تر و پیچیدگی کمتری در طراحی دارند.

شکل ۷- دستگاه انکوباتور یخچال­دار

۷. دستگاه انکوباتور جوندگان

دستگاه انکوباتور جوندگان محیطی کنترل شده برای نگهداری انواع جوندگان در قفس مانند موش، همستر، موش صحرایی و خوکچه هندی ایجاد می­‌کند. این محیط‌های کنترل شده دما، روشنایی و جریان هوا را کنترل می‌­کنند تا مبادله هوای تازه در داخل محفظه برای حیوانات انجام شود. یک نکته مهم برای خرید دستگاه انکوباتور جوندگان اندازه محفظه است. علاوه بر درگاه‌های مختلف دسترسی، دستگاه انکوباتور موجود در بازار انواع مختلفی را برای برآوردن شرایط داخلی مورد نیاز از جمله زنگ هشدار A/V ، ضبط نمودار و موارد دیگر ارائه می‌­دهد.

۸. انکوباتور شیکردار

انکوباتور شیکردار (شکل ۸) توانایی تکان‌دادن فلاسک‌های کشت به صورت اوربیتالی و یا خطی را دارد. این نوع از انکوباتورها، ضمن تامین محیط مناسب برای کشت امکان ترکیب و هم‌زدن گستره‌ی وسیعی از سیالات را فراهم می‌کنند.

شکل ۸- انکوباتور شیکردار

۹. انکوباتور قابل حمل

دستگاه­‌های انکوباتور قابل حمل (شکل ۹) از نظر اندازه کوچکتر هستند و در کارهای میدانی استفاده می‌شوند، به عنوان مثال: میکروبیولوژی محیطی و بررسی آب.

شکل۹- انکوباتور قابل حمل

روش کار با دستگاه انکوباتور

پس از کشت موجودات زنده، صفحات کشت باید در داخل دستگاه انکوباتوردر دمای دلخواه و دوره زمانی مورد نیاز قرار گیرند. در اکثر آزمایشگاه‌­های بالینی، دمای معمول برای حفظ باکتری­‌ها ۳۵-۳۷ درجه سانتی­‌گراد است.

مراحل زیر هنگام استفاده دستگاه انکوباتور باید انجام شود:

1. قبل از استفاده از دستگاه انکوباتور، باید مطمئن شوید که هیچ اقلام باقیمانده‌­ای در دوره‌­های قبلی در دستگاه انکوباتور وجود نداشته باشد. با این حال، در برخی موارد، اگر از دستگاه انکوباتور یکسان برای چندین موجود زنده استفاده می­‌شود، و آن­ها نیاز به مجموعه پارامترهای یکسانی دارند، می­‌توان آن­ها را در یک دستگاه انکوباتور یکجا قرار داد.
2. سپس درب دستگاه انکوباتور بسته می‌­شود و دستگاه انکوباتور روشن می­‌شود. دستگاه انکوباتور باید تا دمای مطلوب رشد ارگانیسم خاص گرم شود. می­‌توان از دماسنج برای بررسی اینکه آیا درجه حرارت رسیده است استفاده کرد.
3. در عین حال، اگر ارگانیسم به غلظت خاصی ازکربن دی اکسید یا رطوبت خاص نیاز داشته باشد  این پارامترها نیز باید در دستگاه انکوباتور تنظیم شوند.
4. هنگامی که همه پارامترها تنظیم شدند. ظرف کشت سلولی برعکس روی قفسه‌های سوراخدار قرار می‌گیرد، این امر ضروری است زیرا اگر صفحات به طور عادی انکوباتور شوند، تراکم روی سطح محیط جمع شده و از تشکیل کلنی­‌های جدا شده جلوگیری می­‌کند.
5. در صورت لزوم انکوبه کردن ظرف کشت سلولی (ظرف پتری) برای چند روز، صفحات با نوار چسب بسته می‌شوند یا در کیسه­‌های پلاستیکی یا ظروف پلاستیکی قرار می­‌گیرند.
6. در حال حاضر، در قفل شده است، و ظروف قبل از بیرون آوردن برای مدت زمان مورد نیاز در داخل نگهداری می‌­شوند.

کاربردهای دستگاه انکوباتور

دستگاه‌های انکوباتور کاربردهای وسیعی در زمینه‌های مختلف از جمله کشت سلولی، مطالعات دارویی، مطالعات خون شناسی و مطالعات بیوشیمیایی دارند.

برخی از کاربردهای دستگاه انکوباتوردر زیر آورده شده است:

۱- از دستگاه انکوباتور برای رشد کشت میکروبی یا کشت سلولی استفاده می­‌شود.

۲- از دستگاه‌های انکوباتور می­‌توان برای حفظ و پرورش موجودات زنده استفاده کرد تا بعداً مورد استفاده قرار گیرد.

۳- برخی از دستگاه­‌های انکوباتور برای افزایش سرعت رشد موجودات زنده استفاده می­‌شوند که دارای سرعت رشد طولانی مدت در محیط طبیعی هستند.

۴- از دستگاه‌های انکوباتور مخصوص برای تولید مثل کلنی­‌های میکروبی و متعاقباً تعیین نیاز اکسیژن بیوشیمیایی استفاده می­‌شود.

۵- برای پرورش حشرات و تخم گذاری تخم‌­ها در جانورشناسی مورد استفاده قرار می­‌گیرند.

۶- دستگاه‌های انکوباتور شرایط کنترل شده‌ای را برای ذخیره نمونه قبل از پردازش در آزمایشگاه‌ها فراهم می‌کنند.