一种双极性细胞融合仪器及其控制方法与流程

本发明涉及脉冲切换技术领域，特别是涉及一种双极性细胞融合仪器及其控制方法。

背景技术：

细胞融合能够实现远源杂交，其意义在于打破了仅仅依赖有限杂交重组基因创造新种的界限，有可能形成有性杂交方式无法获得的新型的杂交动物或植物细胞，扩大了遗传物质的重组范围。

细胞融合是生物制备的基本途径。细胞能否有效融合是决定生物制备是否可行的关键，甚至成为制约生物制备技术发展的瓶颈。因此，如何发展和改进现有的细胞融合方法、提升细胞融合的效果和效率，已成为国内外生物制备领域的一个研究热点。

根据电融合的基本原理，细胞膜上出现足够数量和尺寸的孔洞(即细胞电穿孔)，是细胞融合的先决条件。而细胞要发生电穿孔，细胞的跨膜电压必须大于其细胞膜穿孔所需的电压阈值。细胞融合的基本步骤是：首先，细胞在电融合之前，两个待融合的细胞必须先有紧密的接触。然后通过对电极槽施加高频率(1-2mhz)的正弦交流电压，使细胞在介电泳力的牵引下，依次排列成串。介电泳的基本原理是基于细胞中的离子的极化，在高频率交流电场内，会受到电场互相吸引，形成串珠状态。待细胞排列成串状后，需要通过高速的开关切换，将高频正弦电压切换到低频窄脉冲电压，以使细胞发生电穿孔，使细胞接触区域形成熔融状态。由于传统的单极性脉冲脉冲细胞电融合，对彼此紧贴的两个细胞施加若干个低场强的单极性微秒脉冲。场强过低，细胞膜无法达到跨膜电位阈值，不会产生电穿孔。而场强增高，虽然在一定程度上可以提高融合率，但是与之并存的是细胞死亡率的增加，从而会限制细胞融合率。传统的单极性微秒脉冲在作用细胞融合的时候容易对细胞造成较大的损伤，较高的死亡率会导致细胞融合率处于一个很低的水平。由于双极性脉冲具有正负电荷的累积效应，对细胞膜存在正向充电和反向充电的过程，相同参数下，对细胞造成的损伤要比单极性脉冲对细胞的损伤小。因此本发明采用双极性脉冲电场作用细胞融合，通过减小细胞的死亡率，从而提高细胞融合率。仿真和实验结果表明，相同参数条件下，双极性脉冲作用后细胞融合率远远高于单极性脉冲作用后的细胞融合率。此外，双极性脉冲作用下的细胞死亡率远低于单极性脉冲作用下的细胞死亡率，并且具有极显著性差异。双极性脉冲电融合比单极性脉冲具有明显的优势。如何获取得到双极性脉冲是细胞电融合高效的新型物理手段，对于推进细胞电融合技术的发展具有重要意义。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种双极性细胞融合仪器及其控制方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种双极性细胞融合仪器，包括：脉冲第一产生电路的信号输出端与脉冲切换电路的信号第一输入端相连，脉冲第二产生电路的信号输出端与脉冲切换电路的信号第二输入端相连；

所述脉冲切换电路包括：场效应管k6的源极与脉冲第一产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k9的源极与脉冲第二产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k6的漏极和场效应管k9的漏极分别与负载电阻r2的第一端相连，负载电阻r2的第二端分别与脉冲第一产生电路的信号第二输出端和脉冲第二产生电路的信号第二输出端相连；场效应管k6的栅极与控制器的信号第六输出端相连，场效应管k9的栅极与控制器的信号第九输出端相连。本发明通过脉冲切换电路相互切换正弦脉冲和双极性方波，切换速度及时可靠，易于细胞融合。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括：场效应管k7与场效应管k6串联，场效应管k7的栅极与控制器的信号第七输出端相连；场效应管k8与场效应管k9串联，场效应管k8的栅极与控制器的信号第八输出端相连。有利于防止寄生二极管(体二极管)带来的干扰，由于mosfet或者igbt只能控制一种方向的电流的开通与关断，因此单个mosfet或者igbt对双极性电流无法起到切换作用，即单个开关不能控制双极性电流的开通与关断。因此将mosfet或igbt进行反向串联，利用其中的寄生二极管作为通路，从而可以实现双极性电流的切换。

在本发明的一种优选实施方式中，脉冲第一产生电路包括：高压产生电路的信号输出端与切换电路的信号输入端相连，切换电路的信号输出端与脉冲切换电路的信号输入端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，高压产生电路包括：第1充放电模块的信号第一输入端与开关s1的第一端相连，开关s1的第二端与电源s的第一端相连；第i充放电模块的信号输出端与第i+1充放电模块的信号输入端相连，所述i为小于或者等于n的正整数，所述n为大于或者等于2的正整数；第n充放电模块的信号输出端分别与开关k1的第一端、电源s的第二端和切换电路的信号第一输入端相连，开关k1的第二端与放电电阻r1的第一端相连，放电电阻r1的第二端分别与第1充放电模块的信号输出端和和切换电路的信号第二输入端相连；开关k1的控制端与控制器的第一信号输出端相连，开关s1的控制端与控制器的第1充放电信号输出端相连。通过高压产生电路将电源转换为所需的高压高频双极性方波输出。

在本发明的一种优选实施方式中，第j充放电模块包括：电容cj的第一端分别与二极管dj的负极和场效应管sj+1的漏极相连，所述j为小于或者等于n的正整数；电容cj的第二端与二极管dn+j的正极相连，二极管dn+j的负极与场效应管sj+1的源极相连；场效应管sj+1的栅极与控制器的第j+1充放电信号输出端相连。充放电模块的充放电能力强、满足输出要求。

在本发明的一种优选实施方式中，开关s1为场效应管s1，场效应管s1的源极与二极管的正极相连，场效应管s1的漏极与电源s的第一端相连，场效应管s1的栅极与控制器的第1充放电信号输出端相连；场效应管s1作为开关切换速度快，防止延迟。

或/和开关k1为场效应管k1，场效应管k1的漏极与电源s的第二端相连，场效应管k1的源极与放电电阻r1的第一端相连，场效应管k1的栅极与控制器的第一信号输出端相连。场效应管k1作为开关切换速度快，防止延迟。

在本发明的一种优选实施方式中，切换电路包括：场效应管k2的漏极和场效应管k4的漏极分别与高压产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k3的源极和场效应管k5的源极分别与高压产生电路的信号第二输出端相连，场效应管k2的源极和场效应管k3的漏极分别与场效应管k6的源极相连，场效应管k4的源极和场效应管k5的漏极分别与负载电阻r2的第二端相连；场效应管k2的栅极与控制器的第二信号输出端相连，场效应管k3的栅极与控制器的第三信号输出端相连，场效应管k4的栅极与控制器的第四信号输出端相连，场效应管k5的栅极与控制器的第五信号输出端相连。通过切换电路产生双极性方波控制输出。

在本发明的一种优选实施方式中，脉冲第二产生电路包括：市电与信号发生器模块相连，信号发生器模块的信号输出端与功率运放模块的信号输入端相连，功率运放模块的信号输出端与脉冲切换电路的信号第二输入端相连。

本发明还公开了一种双极性细胞融合仪器的控制方法，令脉冲个数p＝0，包括以下步骤：

s1，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管k8和场效应管k9发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令；此时脉冲第二产生电路向负载电阻r2输出高频高压正弦交流电压；记录此时时刻为t1；持续时长为t1；

s2，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中，控制器向场效应管s1发送导通信号，向其余场效应管发送截止命令；电源s分别给电容c1～cn充电；记录此时时刻为t2；持续时长为t2；

s3，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管s1～sn、场效应管k2以及场效应管k5～k7发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令；此时电容c1～cn上的电荷通过负载电阻r2释放，在负载电阻r2上输出正极性的脉冲方波；记录此时时刻为t3；持续时长为t3；

s4，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管s1～sn、场效应管k3～k4以及场效应管k6～k7发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令；此时电容c1～cn上的电荷通过负载电阻r2释放，在负载电阻r2上输出负极性的脉冲方波；p＝p+1；记录此时时刻为t4；持续时长t4；

s5，判断脉冲个数p施加是否完毕：

若脉冲个数p施加完毕，则执行步骤s6；

若脉冲个数p施加未完毕，则执行步骤s1；

s6，当脉冲个数p施加完毕后，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管s1～sn以及场效应管k1发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令，电容c1～cn上残余的电荷通过放电电阻r1进行释放。有利于释放电容c1～cn上的残余的电荷，防止元器件损坏。

在本发明的一种优选实施方式中，脉冲第二产生电路输出的参数：电压峰峰值为0～500v，频率为0～3mhz，持续时间为0～100s的正弦电压；

脉冲第一产生电路输出的参数：脉冲幅值为0～5kv，脉冲宽度为100ns～100ms，脉冲频率为0.1～1000hz，脉冲个数为0～10000个的脉冲方波；

脉冲第二产生电路与脉冲第一产生电路的切换间隔为大于10ns；

或/和正极性的脉冲方波与负极性的脉冲方波的幅值相同或者不同。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明能够获取得到双极性脉冲方波，对于推进细胞电融合技术的发展具有重要意义。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明连接示意框图。

图2是本发明双极性细胞融合仪器电路连接示意图。

图2中：

a为高压产生电路电路连接示意图；

b为切换电路电路连接示意图；

c为脉冲切换电路电路连接示意图；

d为第二脉冲产生电路电路连接示意图。

图3是本发明在负载电阻r2上输出正弦电压电路连接示意图。

图4是本发明电容充电电路连接示意图。

图5是本发明在负载电阻r2上输出正极性脉冲电路连接示意图。

图6是本发明在负载电阻r2上输出负极性脉冲电路连接示意图。

图7是本发明脉冲输出完毕后将剩余电荷释放电路连接示意图。

图8为本发明场效应管导通和截止示意图；

其中，model1为，场效应管k8和场效应管k9导通时，正弦交流电可以通过场效应管k8和场效应管k9施加在负载电阻r2上；

model2为，场效应管k8和场效应管k9截止时，正弦交流不能够施加在负载电阻r2上；

model3为，场效应管k6和场效应管k7导通时，双极性方波可以通过场效应管k6和场效应管k7施加在负载电阻r2上；

model4为，场效应管k6和场效应管k7截止时，双极性方波不能够施加在负载电阻r2上。

图9是本发明产生脉冲的幅值-时间示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种双极性细胞融合仪器，如图1～2所示，包括：脉冲第一产生电路的信号输出端与脉冲切换电路的信号第一输入端相连，脉冲第二产生电路的信号输出端与脉冲切换电路的信号第二输入端相连。

所述脉冲切换电路包括：场效应管k6的源极与脉冲第一产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k9的源极与脉冲第二产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k6的漏极和场效应管k9的漏极分别与负载电阻r2的第一端相连，负载电阻r2的第二端分别与脉冲第一产生电路的信号第二输出端和脉冲第二产生电路的信号第二输出端相连；场效应管k6的栅极与控制器的信号第六输出端相连，场效应管k9的栅极与控制器的信号第九输出端相连。在本实施方式中，市电分别与开关电源m1、开关电源m2和脉冲第二产生电路相连，其中，开关电源m1将市电转换为控制器所需的电压，开关电源m2将市电转换为电源s所需的电压；脉冲第二产生电路包括：信号发生器模块与市电相连，信号发生器模块的信号输出端与功率运放模块的信号输入端相连，功率运放模块的信号输出端与脉冲切换电路的信号第二输入端相连。开关电源m1、开关电源m2和脉冲第二产生电路为现有模块或仪器，当控制器为单片机时，具体为5v供电stc12系列单片机时，开关电源m1向单片机提供5v电压；当电源s为12v蓄电池时，开关电源m2向蓄电池提供12v电压；当脉冲第二产生电路需要220v50hz交流电时，市电直接输入脉冲第二产生电路供电，脉冲第二产生电路向外输出电压峰峰值为0～500v，频率为0～3mhz，持续时间为0～100s的正弦电压。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括：场效应管k7与场效应管k6串联，场效应管k7的栅极与控制器的信号第七输出端相连；场效应管k8与场效应管k9串联，场效应管k8的栅极与控制器的信号第八输出端相连。优选的，场效应管k7的漏极与场效应管k6的漏极相连，场效应管k7的源极与负载电阻r2的第一端相连，场效应管k8的漏极与场效应管k9的漏极相连，场效应管k8的源极与负载电阻r2的第一端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，脉冲第一产生电路包括：高压产生电路的信号输出端与切换电路的信号输入端相连，切换电路的信号输出端与脉冲切换电路的信号输入端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，高压产生电路包括：第1充放电模块的信号第一输入端与开关s1的第一端相连，开关s1的第二端与电源s的第一端相连；第i充放电模块的信号输出端与第i+1充放电模块的信号输入端相连，所述i为小于或者等于n的正整数，所述n为大于或者等于2的正整数；第n充放电模块的信号输出端分别与开关k1的第一端、电源s的第二端和切换电路的信号第一输入端相连，开关k1的第二端与放电电阻r1的第一端相连，放电电阻r1的第二端分别与第1充放电模块的信号输出端和和切换电路的信号第二输入端相连；开关k1的控制端与控制器的第一信号输出端相连，开关s1的控制端与控制器的第1充放电信号输出端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，第j充放电模块包括：电容cj的第一端分别与二极管dj的负极和场效应管sj+1的漏极相连，所述j为小于或者等于n的正整数；电容cj的第二端与二极管dn+j的正极相连，二极管dn+j的负极与场效应管sj+1的源极相连；场效应管sj+1的栅极与控制器的第j+1充放电信号输出端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，开关s1为场效应管s1，场效应管s1的源极与二极管的正极相连，场效应管s1的漏极与电源s的第一端相连，场效应管s1的栅极与控制器的第1充放电信号输出端相连。

或/和开关k1为场效应管k1，场效应管k1的漏极与电源s的第二端相连，场效应管k1的源极与放电电阻r1的第一端相连，场效应管k1的栅极与控制器的第一信号输出端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，切换电路包括：场效应管k2的漏极和场效应管k4的漏极分别与高压产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k3的源极和场效应管k5的源极分别与高压产生电路的信号第二输出端相连，场效应管k2的源极和场效应管k3的漏极分别与场效应管k6的源极相连，场效应管k4的源极和场效应管k5的漏极分别与负载电阻r2的第二端相连；场效应管k2的栅极与控制器的第二信号输出端相连，场效应管k3的栅极与控制器的第三信号输出端相连，场效应管k4的栅极与控制器的第四信号输出端相连，场效应管k5的栅极与控制器的第五信号输出端相连。

本发明还公开了一种双极性细胞融合仪器的控制方法，如图3～9所示，令脉冲个数p＝0，包括以下步骤：

s1，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管k8和场效应管k9发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令；此时脉冲第二产生电路向负载电阻r2输出高频高压正弦交流电压；记录此时时刻为t1；持续时长为t1；

s2，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中，控制器向场效应管s1发送导通信号，向其余场效应管发送截止命令；电源s分别给电容c1～cn充电；记录此时时刻为t2；持续时长为t2；

s3，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管s1～sn、场效应管k2以及场效应管k5～k7发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令；此时电容c1～cn上的电荷通过负载电阻r2释放，在负载电阻r2上输出正极性的脉冲方波；记录此时时刻为t3；持续时长为t3；

s4，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管s1～sn、场效应管k3～k4以及场效应管k6～k7发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令；此时电容c1～cn上的电荷通过负载电阻r2释放，在负载电阻r2上输出负极性的脉冲方波；p＝p+1；记录此时时刻为t4；持续时长t4；

s5，判断脉冲个数p施加是否完毕：

若脉冲个数p施加完毕，则执行步骤s6；

若脉冲个数p施加未完毕，则执行步骤s1；

s6，当脉冲个数p施加完毕后，控制器分别同时向场效应管k1～k9以及场效应管s1～sn发送导通和截止命令，其中控制器向场效应管s1～sn以及场效应管k1发送导通命令，向其余场效应管发送截止命令，电容c1～cn上残余的电荷通过放电电阻r1进行释放。在本实施方式中，场效应管k1～k9、s1～sn以及电容c1～cn和二极管d1～2n的型号根据实际情况进行选择；以及t1～t4、t1～t4和p的数值设定，实现：脉冲第二产生电路输出的参数：电压峰峰值为0～500v，频率为0～3mhz，持续时间为0～100s的正弦电压；

脉冲第一产生电路输出的参数：脉冲幅值为0～5kv，脉冲宽度为100ns～100ms，脉冲频率为0.1～1000hz，脉冲个数为0～10000个的脉冲方波；

脉冲第二产生电路与脉冲第一产生电路的切换间隔为大于10ns；

或/和正极性的脉冲方波与负极性的脉冲方波的幅值相同或者不同。例如正极性的脉冲方波为300v时，负极性的脉冲方波为-300v，此时正极性的脉冲方波与负极性的脉冲方波的幅值相同；正极性的脉冲方波为300v时，负极性的脉冲方波为-250v或-350v，此时正极性的脉冲方波与负极性的脉冲方波的幅值不相同。

如图2所示，电源s的第一端(电源的正极)与场效应管s1的漏极相连，场效应管s1的源极与二极管d1的正极相连，场效应管s1的栅极与控制器的第1充放电信号输出端相连，二极管d1的负极分别与电容c1的第一端、场效应管s2的漏极和二极管d2的正极相连，场效应管s2的栅极与控制器的第2充放电信号输出端相连，电容c1的第二端分别与二极管dn+1的正极、放电电阻r1的第二端、场效应管k3的源极和场效应管k5的源极相连，二极管d2的负极分别与电容c2的第一端、场效应管s3的漏极和二极管d3的正极相连，场效应管s3的栅极与控制器的第3充放电信号输出端相连，场效应管s2的源极分别与二极管dn+1的负极、二极管dn+2的正极和电容c2的第二端相连，场效应管s3的源极分别与二极管dn+2的负极、二极管dn+3的正极和电容c3的第二端相连，……，二极管dn的正极分别与二极管dn-1的负极、场效应管sn的漏极和电容cn-1的第一端相连，二极管d2n的正极分别与二极管d2n-1的负极、场效应管sn的源极和电容cn的第二端相连，场效应管sn的栅极与控制器的第n充放电信号输出端相连，二极管dn的正极分别与场效应管sn+1的漏极和电容cn的第一端相连，场效应管sn+1的栅极与控制器的第n+1充放电信号输出端相连，二极管d2n的负极分别与场效应管sn+1的源极、电源的第二端(电源的负极)场效应管k1的漏极、场效应管k2的漏极和场效应管k4的漏极相连，场效应管k1的源极与放电电阻r1的第一端相连，场效应管k2的源极分别与场效应管k3的漏极和场效应管k6的源极相连，场效应管k6的漏极与场效应管k7的漏极相连，场效应管k7的源极分别与负载电阻r2的第一端和场效应管k8的源极相连，场效应管k8的漏极与场效应管k9的漏极相连，场效应管k9的源极与脉冲第二产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k4的源极分别与场效应管k5的漏极、负载电阻r2的第二端和脉冲第二产生电路的信号第二输出端相连；场效应管k1的栅极与控制器的第1信号输出端相连，场效应管k2的栅极与控制器的第2信号输出端相连，场效应管k3的栅极与控制器的第3信号输出端相连，场效应管k4的栅极与控制器的第4信号输出端相连，场效应管k5的栅极与控制器的第5信号输出端相连，场效应管k6的栅极与控制器的第6信号输出端相连，场效应管k7的栅极与控制器的第7信号输出端相连，场效应管k8的栅极与控制器的第8信号输出端相连，场效应管k9的栅极与控制器的第9信号输出端相连。其中，当n取3时，其连接关系为：电源的正极与场效应管s1的漏极相连，场效应管s1的源极与二极管d1的正极相连，场效应管s1的栅极与控制器的第1充放电信号输出端相连，二极管d1的负极分别与电容c1的第一端、场效应管s2的漏极和二极管d2的正极相连，场效应管s2的栅极与控制器的第2充放电信号输出端相连，电容c1的第二端分别与二极管d4的正极、放电电阻r1的第二端、场效应管k3的源极和场效应管k5的源极相连，二极管d2的负极分别与电容c2的第一端、场效应管s3的漏极和二极管d3的正极相连，场效应管s3的栅极与控制器的第3充放电信号输出端相连，场效应管s2的源极分别与二极管d4的负极、二极管d5的正极和电容c2的第二端相连，场效应管s3的源极分别与二极管d5的负极、二极管d6的正极和电容c3的第二端相连，二极管d3的负极分别与场效应管s4的漏极和电容c3的第一端相连，场效应管s4的栅极与控制器的第4充放电信号输出端相连，二极管d6的负极分别与场效应管s4的源极、电源的负极、场效应管k1的漏极、场效应管k2的漏极和场效应管k4的漏极相连，场效应管k1的源极与放电电阻r1的第一端相连，场效应管k2的源极分别与场效应管k3的漏极和场效应管k6的源极相连，场效应管k6的漏极与场效应管k7的漏极相连，场效应管k7的源极分别与负载电阻r2的第一端和场效应管k8的源极相连，场效应管k8的漏极与场效应管k9的漏极相连，场效应管k9的源极与脉冲第二产生电路的信号第一输出端相连，场效应管k4的源极分别与场效应管k5的漏极、负载电阻r2的第二端和脉冲第二产生电路的信号第二输出端相连；场效应管k1的栅极与控制器的第1信号输出端相连，场效应管k2的栅极与控制器的第2信号输出端相连，场效应管k3的栅极与控制器的第3信号输出端相连，场效应管k4的栅极与控制器的第4信号输出端相连，场效应管k5的栅极与控制器的第5信号输出端相连，场效应管k6的栅极与控制器的第6信号输出端相连，场效应管k7的栅极与控制器的第7信号输出端相连，场效应管k8的栅极与控制器的第8信号输出端相连，场效应管k9的栅极与控制器的第9信号输出端相连。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。