细胞培养 CO₂浓度与培养基 pH 换算器

细胞培养基通常用「CO₂ / NaHCO₃」缓冲体系将 pH 维持在 7.2–7.4。CO₂ 气体溶于培养液后形成溶解态 CO₂，与碳酸氢根 HCO₃⁻ 构成酸碱缓冲对：

CO₂(g) + H₂O  ⇌  CO₂(aq)  ⇌  H⁺ + HCO₃⁻

Henderson-Hasselbalch 方程描述三者的平衡关系：

pH = pKa₁' + log( [HCO₃⁻] / [CO₂(aq)] )

其中 pKa₁’ = 6.1（37°C 下 CO₂/HCO₃⁻ 体系的表观 pKa，已将 CO₂ 水化过程并入）。

溶解态 CO₂ 的浓度由亨利定律（Henry’s law）决定：

[CO₂(aq)] = α × PCO₂
PCO₂      = CO₂% / 100 × P_atm

• α = 0.0307 mmol/(L·mmHg)——CO₂ 在 37°C 水溶液中的溶解度系数（与常见引用值 0.230 mmol/(L·kPa) 等价：0.230 ÷ 7.5006 ≈ 0.0307 ✓）
• PCO₂：CO₂ 分压（mmHg）
• P_atm：大气压（mmHg），海平面取 760 mmHg

完整工作公式

代入后得三向互算公式：

pH     = 6.1 + log( [NaHCO₃]_mM / (0.0307 × CO₂% × P_atm / 100) )

[NaHCO₃] = 10^(pH − 6.1) × 0.0307 × CO₂% × P_atm / 100   (单位 mM)

CO₂%   = 100 × [NaHCO₃]_mM / ( 10^(pH − 6.1) × 0.0307 × P_atm )

NaHCO₃ 分子量 84.01 g/mol，单位换算：g/L × 11.90 = mM。

常用培养基参考（37°C，760 mmHg）

可以验算

以 RPMI-1640 为例：NaHCO₃ = 23.81 mM，5% CO₂，海平面（760 mmHg）。

PCO₂     = 5 / 100 × 760 = 38 mmHg
[CO₂(aq)] = 0.0307 × 38  = 1.167 mM
pH        = 6.1 + log(23.81 / 1.167)
           = 6.1 + log(20.40)
           = 6.1 + 1.310
           = 7.41

与 RPMI-1640 厂商规格（pH 7.4，5% CO₂）吻合。

适用边界

• 仅适用于 37°C：α 和 pKa₁’ 均为 37°C 下的值。
• 仅适用于 NaHCO₃/CO₂ 缓冲体系：含 HEPES 且无 NaHCO₃ 的培养基不适用；HEPES 与 NaHCO₃ 混用时结果偏高。
• 近似公式：忽略 CO₂ 溶解对 [HCO₃⁻] 的微量影响，这一项很小。
• 水蒸气分压没有扣除，这是本工具最大的一处近似，必须说清楚。 本工具按 PCO₂ = CO₂% / 100 × P_atm 算。而 37°C 的湿化培养箱里水蒸气占 47 mmHg，按 Dalton 定律，若培养箱显示的 CO₂% 指的是干燥气体口径， 就应当用 P_atm − 47（海平面即 713 mmHg）。 差多少可以直接算：760 → 713 使溶解 CO₂ 低约 6.2%， 预测 pH 高约 0.03（RPMI 那个算例从 7.41 变成 7.44）。 到底该不该扣，取决于你的培养箱 CO₂ 传感器测的是干样还是湿样—— 红外传感器直接测箱内湿气时不必扣，测干样时要扣 （有厂商资料指出干样读 6.3–6.5% 相当于湿箱里的 6.0%，比值正是 713/760）。 本工具不替你决定：要按干气口径算，把上面的「大气压」填成 760 − 47 = 713 即可。 0.03 pH 对日常传代无所谓，对胚胎培养这类 pH 敏感的工作不能忽略。
• 密闭平衡态：计算结果是培养基在指定 CO₂% 下完全平衡后的 pH；开盖操作期间 CO₂ 逸散会使 pH 暂时升高。

常见错误

1. 把 g/L 当 mM：3.7 g/L NaHCO₃ ≠ 3.7 mM，而是 44.04 mM（3.7 × 1000 ÷ 84.01），相差约 12 倍。
2. 忽略海拔：海拔每升高 1000 m，大气压约降低 88 mmHg；同样设 5% CO₂，CO₂ 分压下降，培养基 pH 升高，NaHCO₃/CO₂ 匹配关系完全改变。
3. 把“培养基变黄”全归咎于 CO₂：代谢酸积累（乳酸、CO₂）同样会降低 pH，变黄前应先确认细胞密度是否过高。