電穿孔脈沖系統(tǒng)具有極寬的電壓和脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)整范圍，脈沖參數(shù)設(shè)置自由度極高，可滿足動(dòng)物腫瘤消融、電化療、基因電轉(zhuǎn)染和食品工程等應(yīng)用場(chǎng)景的參數(shù)設(shè)定要求。同時(shí)，它還配備了專門的軟件，可進(jìn)行術(shù)前脈沖參數(shù)設(shè)置和治療方案優(yōu)化、術(shù)中脈沖參數(shù)監(jiān)控、故障排除和日志記錄。該型號(hào)產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已處于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。
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定制客戶：
上海大學(xué) 張兵
華中科技大學(xué) 趙俊
廈門大學(xué) 溫曉斐
| 型號(hào) | 技術(shù)性能指標(biāo) | 配置 |
| ZQP-86E | 1.脈沖極性：正負(fù)脈沖交替 2.脈沖電壓：0～±5kV 3.脈沖電流：≤300A 4.脈沖寬度：100ns～5000ns，可調(diào) 5.正負(fù)脈沖間隔：500ns～100us，可調(diào) 6.脈沖串頻率：≤10Hz 7.脈沖串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)：≤200個(gè) 8.脈沖串內(nèi)脈沖頻率：≤1MHz 9.脈沖頂降：≤5% 10.脈沖邊沿：≤50ns |
1.高頻電穿孔脈沖發(fā)生器1臺(tái) 2.細(xì)胞用電極針一套 3.動(dòng)物組織用電極針一套 |
新型納秒脈沖系統(tǒng),可廣泛用于生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域
電穿孔是一種由脈沖電場(chǎng)觸發(fā)的細(xì)胞通透性現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域。科學(xué)上對(duì)電滲透的高壓和/或高頻脈沖發(fā)生器的需求越來越大。在這篇文章中，研究人員描述了用于電穿孔的納秒脈沖電場(chǎng)(nsPEF)發(fā)電機(jī)的基本拓?fù)洌约霸谶^去二十年中引入的各種內(nèi)部建造的設(shè)備的參數(shù)化能力。研究人員對(duì)60多種nsPEF發(fā)生器進(jìn)行了分類，列出并比較了脈沖形成特征(脈沖形狀、電壓、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)頻率)，最后討論了電穿孔技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
相關(guān)論文以題為“Concepts and Capabilities of In-House Built Nanosecond Pulsed Electric Field (nsPEF) Generators for Electroporation: State of Art”發(fā)表在《Applied Sciences》上。
高強(qiáng)度的脈沖電場(chǎng)(PEF)可以觸發(fā)生物細(xì)胞對(duì)外源分子的通透性增加，而這些外源分子原本是不可滲透的。PEF使細(xì)胞膜極化，導(dǎo)致脂質(zhì)重定向并形成孔洞，從而增加分子在細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)。在可逆電穿孔的情況下(取決于脈沖參數(shù))，然后將細(xì)胞膜重新密封。因此，電穿孔有多種應(yīng)用，包括癌癥治療、基因傳遞、食品加工、生物煉制等。在每一種情況下，都需要不同的脈動(dòng)電場(chǎng)參數(shù)，這就為發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的通用性提出了挑戰(zhàn)。在脈沖幅值-持續(xù)時(shí)間空間中應(yīng)用的直接分布如圖1所示。
圖1.不同電穿孔應(yīng)用的脈沖參數(shù)的廣義表示。
可以看出，大多數(shù)應(yīng)用程序處于微毫秒范圍內(nèi)。事實(shí)上，較長(zhǎng)但振幅較低的脈沖在幾十年來一直是這一領(lǐng)域的主導(dǎo)，然而，最近幾年聚焦較短(納秒)脈沖的作品數(shù)量顯著增加。其原因在于傳統(tǒng)的微秒范圍方法的局限性，如生物阻抗依賴的場(chǎng)分布、焦耳加熱、肌肉收縮、電擊穿和氧化應(yīng)激。納秒脈沖不能完全解決所有的問題，然而，在許多情況下，負(fù)面因素是減少的。然而，為了使發(fā)電機(jī)在納秒范圍內(nèi)形成數(shù)十千伏和數(shù)百安培的脈沖，需要先進(jìn)的脈沖電力電子技術(shù)。因此，這種發(fā)電機(jī)的價(jià)格和工程復(fù)雜性很高，然而，納秒脈沖電場(chǎng)的應(yīng)用趨勢(shì)使其可行(圖2)。
圖2.根據(jù)Clarivate Analytics Web of Science(2020年5月25日)，關(guān)于納秒電穿孔主題的出版物數(shù)量趨勢(shì)。
從圖2中可以看出，在過去的十年中，有一個(gè)明確的上升的出版物，這部分是由于市場(chǎng)上脈沖形成開關(guān)的更好的可用性。隨著更好的半導(dǎo)體(即碳化硅技術(shù))的發(fā)展，用于電穿孔的實(shí)驗(yàn)室級(jí)發(fā)電機(jī)的發(fā)展也在加強(qiáng)。然而，聚焦用于電穿孔的納秒脈沖發(fā)生器的論文數(shù)量仍然很低。在使用高頻脈沖的短微秒或亞微秒脈沖前沿也觀察到類似的趨勢(shì)(圖3)，這可能是長(zhǎng)微秒到納秒范圍的自然過渡步驟。
為了治療的最佳效果，許多電穿孔參數(shù)必須調(diào)整，即脈沖振幅和持續(xù)時(shí)間、重復(fù)頻率、波形和脈沖數(shù)。因此，在研究PEF的新現(xiàn)象和生物學(xué)效應(yīng)時(shí)，電porators的通用性是很重要的。
脈沖形成使用電容放電電路
直接電容放電脈沖形成電路的概念是最常見、最簡(jiǎn)單和最古老的脈沖形成概念之一。它是基于能量的轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)在電容器到負(fù)載通過明確的電壓脈沖。脈沖傳輸通常由半導(dǎo)體開關(guān)控制。根據(jù)開關(guān)類型或驅(qū)動(dòng)模式，波形要么是矩形(使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)和絕緣柵雙極晶體管(IGBTs))，要么是指數(shù)衰減波(較老的概念通常用于晶閘管)。對(duì)于指數(shù)衰減脈沖，脈沖的持續(xù)時(shí)間(衰減時(shí)間)由放電電路的RC參數(shù)決定，而對(duì)于矩形脈沖，其參數(shù)主要受開關(guān)能力和放電電容值的限制。電容放電脈沖發(fā)生器的原理脈沖形成電路如圖4所示。
圖4.一種直接電容放電脈沖發(fā)生器的原理電路。
該脈沖發(fā)生器由可變高壓電源V、放電電容器C、開關(guān)SW和可選電阻r組成。直接電容放電拓?fù)湓O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉。但是，為了保證矩形波的傳輸和限制脈沖幅值的下降，需要一個(gè)高容量(從lv到mF范圍)的電容器組，開關(guān)必須承受全電壓幅值。它限制了在高電壓的情況下可用開關(guān)的選擇。在這種情況下，幾個(gè)串聯(lián)開關(guān)必須使用，這導(dǎo)致增加了復(fù)雜的發(fā)電機(jī)由于挑戰(zhàn)在開關(guān)同步。
為了克服直接電容放電概念的局限性，可以使用更復(fù)雜的模塊化電路拓?fù)洹Ｋ峁┝藥讉€(gè)開關(guān)之間的電壓分布，并為輸出脈沖形狀和振幅提供了額外的靈活性。圖5給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊化結(jié)構(gòu)示例。
圖5.模塊化直接電容放電脈沖發(fā)生器的原理電路。
結(jié)論
人們對(duì)用于電穿孔的更短、更高強(qiáng)度的脈沖電場(chǎng)越來越感興趣，這導(dǎo)致了對(duì)nsPEF電穿孔器的需求不斷增長(zhǎng)。針對(duì)nsPEF電子轉(zhuǎn)換器的脈沖形成電路的設(shè)計(jì)方法多種多樣。傳統(tǒng)的傳輸線電路拓?fù)浔徊捎茫欢S著SiC mosfet的發(fā)展，產(chǎn)生了一波先進(jìn)的脈沖參數(shù)可調(diào)的直接電容放電nsPEF電晶體。
