用于细胞电穿孔的双极性脉冲发生器的研制

吴忠航 石浩志 姜 松 饶俊峰

1（上海健康医学院附属周浦医院科创平台 上海 201318）

2（上海理工大学机械工程学院 上海 200093）

电穿孔是指生物细胞膜在高压脉冲电场的作用下迅速提升通透性，从而吸收周围外源物质的物理现象，它被广泛应用于各种生物技术和医学应用，如细胞融合［1−2］、组织消融［3］等；同时也可以用于水处理［4］、空气净化和食品杀菌［5］等。斯凯莱德大学学者Elgenedy 等［6−7］总结了常用于细胞电穿孔的几种脉冲波形。如图1 所示，矩形波和指数波脉冲可用于水处理和空气消毒，宽窄脉冲组成的复合脉冲可以保持食品的营养价值和杀菌保鲜。由于不同形式的脉冲波形能够产生不同的电穿孔效应，这就对脉冲发生器提出了更高的要求：既能够产生常规的方波脉冲，也能够产生其他电穿孔应用需要的特殊电压波形。电穿孔应用所需的电场强度由脉冲发生器的输出电压和所用实验装置的极板间距共同决定。不同应用所需的脉冲参数也不尽相同，通常其场强有1～100 kV∙cm−1不等，脉冲宽度为纳秒到百微秒不等［7］。

图1 典型的用于细胞电穿孔的脉冲波形(a) 矩形波，(b) 指数波，(c) 宽窄脉冲组合波Fig.1 Typical pulse waveforms used for cell electroporation(a) Rectangular wave, (b) Exponential wave, (c) Broad and narrow pulse combination wave

目前常见的方波脉冲发生器主要为各种Marx发生器［8−9］、脉冲叠加器［10］等，多电平发生器［11−13］的种类繁多，通常其结构为模块化设计，如果按照其基本模块的不同进行分类，主要有以下三种类型：全桥模块、半桥模块（Modular Multilevel Converter，MMC）和某些特殊类型。文献［11］中，其采用变压器整流后给每一级电容充电，主电路采用全桥模块作为基本单元；文献［12］中，同样采用变压器整流后给每一级电容充电，主电路采用半桥结构作为基本单元，分为正负输出两个单元，并且正负模块单元是相互独立的；文献［13］中，其主电路结构为其所有基本单元级联在一起，通过逐级增加开关导通的原理进行工作。

本文提出了一种由一个特殊的全桥模块和多个半桥模块组成的脉冲发生器结构，除了能产生常规的双极性矩形脉冲之外，还可以通过控制半导体开关的时序来产生不同形状的脉冲波形；实验搭建了一台由一个特殊全桥模块和4个半桥模块组成的主电路电源系统，在电阻负载下实现了输出电压±2 kV、脉宽1～10 µs可调的方波脉冲；同时通过控制开关时序实现了双极性9级阶梯波电压以及宽窄脉冲组合波；最后利用该电源对马铃薯块茎组织进行了不可逆电穿孔实验，实验结果验证了该电源用于细胞电穿孔实验的可行性。

1 双极性脉冲发生器设计

1.1 主电路结构

本文主电路结构如图2 所示，充电部分采用共原边的高频谐振电源经过整流后给两个相同容量的电容串联充电［10，14］，每个电容上的电压相等。

图2 脉冲发生器整体电路拓扑Fig.2 The circuit topology of pulse generator

输出双极性方波脉冲工作方式如下：如图3 所示，当开关S1，S3，S5，…，S2n−1导通时，负载上得到负极性脉冲电压；当开关S1，S4，S6，S8，…，S2n导通时，负载上得到正极性脉冲电压。

图3 负(a)、正(b)极性脉冲输出回路Fig.3 The negative (a) and positive (b) pulse output circuit

输出其他波形工作方式如下：假设每个电容上的电压为U，特殊的全桥模块和半桥模块如图4 所示，其两端输出电压幅值如表1所示。

表1 模块的输出电压Table 1 The output voltage of the module

图4 特殊的全桥(a)和半桥(b)模块Fig.4 The special full bridge (a) and half bridge (b) module

从两种基本模块的输出幅值可以看出，特殊全桥模块的输出电压为0 或±U，多个半桥模块串联后的输出电压为0或±2U；因此通过所有模块输出电压叠加，整体便能输出任意电压等级的电压。

下面以一个特殊全桥模块和4个半桥模块组成的9 级主电路结构为例，如图5（a）所示，开关S1、S4、S6和S8导通时，特殊全桥模块输出电压为+U，4个半桥模块输出电压分别为+2U、+2U、−2U和−2U，最终负载上获得电压为+U；如图5（b）所示，开关S1、S6、S8、S10和S12导通时，特殊全桥模块输出电压为−U，4个半桥模块输处电压分别为+2U、+2U、+2U和+2U，最终负载上获得电压为+7U；如图5（c）所示，当开关S2、S7、S9和S11导通时，特殊全桥模块输出电压为0，4个半桥模块输出电压为+2U、−2U、−2U和−2U，最终负载上获得电压为−4U。

图5 三种不同输出电压的回路 (a) +U，(b) +7U，(c) −4UFig.5 Three different output voltage paths(a) +U, (b) +7U, (c) −4U

上述电路可以输出从−9U～+9U之间任意整数倍的电压；同时，对于特定电压电平的输出，可能有几种不同的输出回路，控制方案灵活多变。

1.2 驱动系统

由于该主电路结构在工作时每个开关工作在不同的电位，因此每个开关的信号需要隔离。本文采用光纤驱动控制，驱动系统如图6 所示。由现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）产生控制信号通过光纤传输给各个驱动芯片，再传输到各个开关。本文使用的光纤型号为HFBR-1521/2521，驱动芯片为MCP1407，其中光纤接收端和驱动芯片采用具有隔离功能的电源模块进行供电；开关类型为绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），型号为K40H1203，最大耐压1 200 V。

图6 驱动控制系统Fig.6 Drive control system

2 实验结果及分析

本文搭建了如图7 所示的电路结构，主要包括谐振充电源、FPGA控制板、光纤和主电路结构。

图7 整体电路实物图Fig.7 The photo of the overall circuit

实验中负载为1 kΩ电阻，每个电容充电电压为220 V。双极性方波脉冲输出如图8所示，其中输出电压幅值±2 kV，脉宽1～10 µs可调；图9为100 Hz重频、脉宽5 µs下的展开波形，可以看出幅值稳定。

图8 不同脉宽下的双极性电压输出Fig.8 Bipolar voltage output under different pulse width

图9 100 Hz下脉宽5 µs的电压输出Fig.9 Voltage output with 5 µs pulse width at 100 Hz

通过控制开关时序，图10 为双极性9 级阶梯波输出，最大输出电压幅值为±2 kV，其中每个阶梯脉宽2 µs，频率为100 Hz。图11为宽窄脉冲组合波。

图10 阶梯波电压输出Fig.10 Step wave voltage output

图11 宽窄脉冲组合波的输出Fig.11 Output of wide and narrow pulse combination wave

不论方波还是其他波形，其本质均为一个个方波脉冲的组合，只是幅值在变化，因此对于所有波形，总体脉宽的长度主要由电容的容量决定，负载消耗的能量由电容储存的能量提供：

由式（1），当电容充电电压确定后，负载上的电压也能随之确定，因此负载所消耗能量的最大时间t（即最大输出脉宽）由电容的容量决定。

为验证本套电源系统在生物组织应用中的带载能力，进行了马铃薯块茎组织的不可逆电穿孔消融实验。当脉冲电场作用于马铃薯块茎组织时，马铃薯块茎的作用区域会由于细胞内多酚氧化酶外流并产生氧化导致马铃薯发黑，由于其质地均匀，且不存在肌肉收缩现象，因此可以很好地用来表征脉冲电场作用下的消融效果［15−16］。

实验材料为马铃薯块茎组织，其被切割成直径40 mm、高度5 mm 的圆柱形饼状，脉冲电场形成装置采用如图12 所示的介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）反应器，实验中将马铃薯切片放于DBD反应器中。

图12 DBD反应器Fig.12 The reactor of DBD

本文进行了一组不同子脉冲宽度下的消融实验，采用传统不可逆电穿孔（1 000～1 500 V∙cm−1）下的场强［13］，本实验中脉冲串的高电平总时间设置为100 µs，实验参数如表2所示，每组实验重复三次，处理完6 h 后对其用相机拍照。实验结果如图13 所示，可以直观地看出，在总体的高电平时间一致的情况下，随着子脉冲宽度的增加，消融程度逐渐加深。

表2 马铃薯块茎处理实验参数Table 2 The parameters of potato tuber treatment

图13 马铃薯块茎处理实验结果Fig.13 The results of potato tuber treatment

3 结语

本文针对细胞电穿孔不同应用中对脉冲波形的需求，提出一种基于特殊全桥模块和半桥模块组成的脉冲发生器，除了能产生常规的双极性矩形波外，还可通过控制开关的时序产生阶梯波、宽窄脉冲组合波等波形。本文搭建了由12 个开关构成的一个全桥和4 个半桥组成的主电路结构，当每级电容充电220 V时，可实现±2 kV、脉宽1～10 µs可调的双极性脉冲波；此外，还实现了9级阶梯电压以及宽窄脉冲组合波的输出；最后在马铃薯块茎处理实验中验证了该电源用于细胞电穿孔实验的可行性。