质保3年只换不修，厂家长沙实了个验仪器制造有限公司

一、前言

伯乐电穿孔仪 165-2661 是一种高精度、高稳定性的脉冲电场发生仪器，广泛用于基因导入、细胞电转化、蛋白质递送及药物转染等实验中。
该仪器通过在极短时间内向细胞悬液施加高压脉冲，使细胞膜瞬时形成可逆微孔，从而实现外源分子进入细胞的目的。

其运行原理综合了 电学瞬态响应理论、生物膜电穿孔机制、能量释放控制 以及 微处理自动调节技术。
通过精准控制电压、电容、时间常数及波形参数，165-2661 能够在安全可控的能量范围内实现高效电穿孔。

二、电穿孔的物理基础

1. 细胞膜电介质特性

细胞膜是一种具有双层磷脂结构的生物介电体，正常情况下对离子和大分子物质具有高阻抗。
当外界施加足够强的电场时，膜两侧电位差上升，局部区域的电场强度超过膜的介电击穿阈值（约 1 V/nm），磷脂分子排列被瞬间扰乱，从而在膜上形成瞬时通道。

这些孔道在电场撤除后可自行闭合，若控制得当，不会造成细胞死亡。
因此，电穿孔是一种 可逆性电击透化 过程。

2. 电场诱导孔形成机制

当电压加载至细胞外液时，膜表面电势 VmV_mVm 可近似表示为：

Vm=1.5Ercos⁡θV_m = 1.5 E r \cos\thetaVm=1.5Ercosθ

其中：

• EEE：外加电场强度 (V/cm)

• rrr：细胞半径 (cm)

• θ\thetaθ：电场方向角

当 Vm≥1VV_m \ge 1 \text{V}Vm≥1V 时，膜结构开始松动；
当 Vm≥1.2–1.5VV_m \ge 1.2–1.5 \text{V}Vm≥1.2–1.5V 时，孔洞迅速形成。

由此可见，电场强度与细胞大小密切相关，小型细胞需更高电压，而大型细胞可用较低电压实现穿孔。

三、165-2661 的运行框架

伯乐电穿孔仪 165-2661 主要由五大系统模块组成：

1. 高压脉冲产生与控制模块

2. 储能电容与放电调节系统

3. 波形与时间常数控制系统

4. 安全监控与反馈检测模块

5. 人机交互与数据管理系统

这些模块通过数字信号处理单元（MCU）协同运行，形成完整的能量生成、输出、监控与记录闭环系统。

四、高压脉冲产生原理

1. 能量储存

165-2661 内部配置多组高压聚丙烯电容器，容量范围 25–3275 µF。
在充电阶段，电源模块将市电交流电转换为高压直流电，通过充电电路将能量存储于电容中。

能量储存公式为：

W=12CV2W = \frac{1}{2} C V^2W=21CV2

其中：

• WWW：储能（焦耳，J）

• CCC：电容（法拉，F）

• VVV：电压（伏特，V）

此储能量决定放电时的总能量输出。

2. 能量释放

当用户按下“Pulse”键时，控制电路触发放电开关（通常为高压可控硅 SCR），使电容中的能量瞬时释放，形成脉冲电流。
能量通过 ShockPod 电击槽传递至电击杯电极间的样品液体，从而在液体中形成短暂而强烈的电场。

3. 脉冲形成

根据设定模式，电流衰减形式可分为：

• 指数衰减波：能量随时间指数下降，适用于细菌体系；

• 方波：电压保持恒定一段时间后瞬间终止，适用于动物细胞。

控制模块通过电阻匹配与时间常数调节来精确控制波形形态。

五、储能与放电系统机制

1. 储能阶段

当仪器启动充电时，微处理器控制高压变压器输出电流，电容逐步充电，直至达到设定电压。
整个过程通过电压采样电路实时监测，当充电电压达到目标值时自动截止。

2. 放电阶段

放电触发后，电容能量通过电阻回路向电击杯电极释放。
释放能量的速率由电容 CCC 与负载电阻 RRR 决定。
时间常数 τ=R×C\tau = R \times Cτ=R×C 描述了放电衰减速度。

在理想条件下，电压随时间衰减规律为：

V(t)=V0e−t/τV(t) = V_0 e^{-t / \tau}V(t)=V0e−t/τ

即指数衰减特性。

3. 自动放电保护

实验结束后，系统自动启动放电电阻组，将残余电荷在 10 秒内完全释放，确保操作安全。

六、波形控制与时间常数调节

1. 时间常数意义

时间常数反映了电场维持的时间长度，是决定细胞穿孔程度的关键因素。
在不同细胞体系中，适宜的时间常数范围通常为 4–8 毫秒。

2. 调节方式

165-2661 通过切换电容组合与电阻阵列实现时间常数的连续调节。
系统可自动识别样品导电性并匹配最佳电阻值，形成“Auto-R” 模式，实现智能时间常数控制。

3. 波形输出控制

• 指数波模式：通过单次放电完成能量释放，电压快速衰减。

• 方波模式：电源通过脉冲调制保持输出恒定电压一段时间后切断。

方波在维持稳定电场方面表现更优，尤其适用于敏感细胞和大型真核细胞体系。

七、细胞穿孔过程的能量作用

在放电瞬间，样品液体内产生瞬时电场。
电场强度 E=V/dE = V/dE=V/d 直接决定细胞膜的极化程度。

1. 微孔形成阶段

• 电场施加后，膜两侧电位差上升；

• 局部膜区的磷脂排列受扰动形成通道；

• 外源分子借助扩散或电泳作用进入细胞内。

2. 孔道稳定阶段

在电场维持期间，孔径保持开放状态；
外源 DNA 或 RNA 迅速通过；
若时间过长，细胞内容物泄漏导致不可逆损伤。

3. 孔道修复阶段

电场消失后，膜两侧电荷平衡恢复；
孔洞自发闭合，细胞膜完整性恢复。
此阶段决定了细胞的存活率。

八、系统检测与反馈机制

165-2661 内置多重监测与保护系统，用于确保运行稳定与实验安全。

1. 电压监测

实时检测输出电压与设定值的偏差，误差 ≤ ±2%。

2. 时间常数计算

根据电压衰减曲线自动计算 τ 值并显示在屏幕上。

3. 温度传感

内置温度传感器监控电容模块温度，当温度 > 45 ℃ 自动暂停运行。

4. 盖锁检测

ShockPod 盖锁未闭合时系统拒绝放电，防止误操作。

5. 自动日志记录

每次放电自动生成数据记录，含电压、电容、τ、能量释放率及波形类型。

九、数据采集与分析逻辑

在每次放电过程中，电压与电流信号经高频采样（100 kHz）送入数据采集模块。
控制单元通过数值积分计算释放能量：

W=∫0tfV(t)×I(t) dtW = \int_0^{t_f} V(t) \times I(t) \, dtW=∫0tfV(t)×I(t)dt

由此可得出每次放电的实际能量释放率（Energy Efficiency）。
同时，仪器将所有数据存储于内部存储器，并支持 USB 导出。

十、安全与防护设计原理

1. 机械防护：ShockPod 盖锁装置与限位结构确保盖未闭合无法放电。

2. 电气防护：双层绝缘结构，高压线采用耐压 10 kV 硅胶护套。

3. 自动放电：防止残余电荷危及操作员。

4. 过压保护：当电压超过额定值 5% 时自动断开输出。

5. 温度报警：检测模块温度过高自动停机降温。

通过这些机制，仪器在高压环境下保持稳定运行并防止人员触电。

十一、运行逻辑流程

完整运行周期包括以下步骤：

1. 参数设定阶段

• 用户在控制面板设定电压、电容、波形、次数；

• 系统加载参数并显示在屏幕上。

2. 充电阶段

• 电容模块接收电源充电；

• 电压上升至设定值并保持稳定。

3. 检测阶段

• 系统检测盖锁状态、温度及电路连通性；

• 所有条件满足后 READY 灯亮。

4. 放电阶段

• 用户按 “ENTER” 触发脉冲；

• 电容能量通过电极释放至样品；

• 电流传感器采集波形数据。

5. 反馈阶段

• MCU 计算时间常数 τ、能量释放率；

• 实时显示并保存记录。

6. 自动放电阶段

• 系统释放残余电压；

• 10 秒后提示安全可取样。

十二、运行原理与生物效应关系

165-2661 的设计目标是实现“能量最小化下的最大导入效率”。
其运行原理体现了 电物理过程与生物膜响应 的平衡关系。

合理的电压与 τ 配比，可在保持高导入率的同时最大限度地保护细胞活性。

十三、方波与指数波运行机制对比

165-2661 通过数字控制模块可自由切换两种模式，从而实现多体系适配。

十四、能量分布与样品响应建模

实验显示，单位体积样品内能量分布与电场方向、样品导电性及电极形状密切相关。
在均匀电场下，能量密度 UUU 可表示为：

U=12εE2U = \frac{1}{2} \varepsilon E^2U=21εE2

其中：

• ε\varepsilonε：介电常数；

• EEE：电场强度。

能量密度决定了膜电位上升速率。
165-2661 的平行板电极结构保证电场分布均匀，使细胞群体受力一致，从而提升穿孔同步性与重复性。

十五、运行稳定性与校准机制

1. 电压校准

系统每次开机自动校验输出电压与内部参考源，确保偏差 < 1%。

2. 时间常数校准

通过内置标准电阻与测试电容进行自动 τ 校验，保证时间精度 ±0.05 ms。

3. 温控稳定性

温度上升 1 ℃ 对能量输出影响 < 0.5%，说明热漂移极低。

十六、仪器运行的动态调节机制

165-2661 的智能调节系统可根据样品实时反馈自动修正放电参数：

1. 自适应电阻匹配：根据样品导电率调整放电回路电阻；

2. 动态电压补偿：当电容老化或温度升高时自动提高充电电压；

3. 能量均衡控制：多脉冲模式下确保每次放电能量一致；

4. 安全阈值控制：当输出波形异常或电流突增时立即中断。

这些调节功能保证了系统在不同负载条件下的稳定性。

十七、165-2661 的核心优势

1. 精确控制电场能量：高精度电容与反馈电路实现毫秒级控制；

2. 智能数据反馈：自动记录电压、τ 值、能量及温度；

3. 双波形输出：可切换指数波与方波模式；

4. 高安全性设计：多重检测与防护系统；

5. 可重复性强：参数一致性偏差小于 2%；

6. 自校准功能：维持长期稳定性能。