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；……