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電穿孔技術(shù)(Electroporation)是分子生物學(xué)中極為重要的一種外源基因?qū)胧侄?,它利用瞬間高電場在細胞膜上形成暫時性微孔,使核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子能夠進入細胞內(nèi)部。伯樂(Bio-Rad)GenePulser Xcell 電穿孔儀憑借高精度電控系統(tǒng)、可編程參數(shù)設(shè)計及穩(wěn)定的放電波形,在細菌、酵母、植物原生質(zhì)體及哺乳動物細胞的轉(zhuǎn)染實驗中表現(xiàn)出卓越性能。
本文將從設(shè)備結(jié)構(gòu)、參數(shù)體系、典型設(shè)置、優(yōu)化方法及注意事項等方面全面介紹 GenePulser Xcell 的使用參數(shù),幫助科研人員更科學(xué)地選擇與調(diào)整實驗條件,實現(xiàn)穩(wěn)定高效的轉(zhuǎn)染效果。
GenePulser Xcell 系統(tǒng)由主機、波形控制模塊、電容電阻控制單元、電極槽、顯示控制面板及安全防護模塊組成。其內(nèi)部采用高精度脈沖放電電路,可輸出**指數(shù)衰減波(Exponential Decay Wave)與方波(Square Wave)**兩種波形。不同細胞類型、不同實驗?zāi)康男鑼?yīng)不同的參數(shù)組合。
主要控制參數(shù)包括:
電壓(Voltage, V)
電容(Capacitance, μF)
電阻(Resistance, Ω)
脈沖時間(Pulse Duration, ms)
脈沖次數(shù)(Pulse Number)
間隔時間(Interval, s)
電極間距(Gap, cm)
設(shè)備可精確控制每個參數(shù),誤差不超過設(shè)定值的±1%,確保重復(fù)性與安全性。
電壓決定電場強度,是影響電穿孔效果的最關(guān)鍵因素。
電場強度公式為:
E=VdE = \frac{V}4ak2cmqE=dV
其中,E 為電場強度(V/cm),V 為電壓,d 為電極間距。
一般經(jīng)驗:
原核細胞(如大腸桿菌):1.5–2.5 kV;
酵母細胞:1.2–1.8 kV;
哺乳動物細胞:100–400 V;
植物原生質(zhì)體:250–800 V。
過低電壓導(dǎo)致轉(zhuǎn)染效率下降,過高則可能造成細胞不可逆損傷。
電容控制脈沖能量與放電持續(xù)時間。GenePulser Xcell 支持 25–3300 μF 范圍可調(diào)。
電容越大,能量釋放越慢,電場作用時間更長。
一般規(guī)律:
小電容適用于小體積細胞(如細菌);
大電容適用于大體積細胞或細胞膜較厚的類型。
電阻用于限制電流和控制能量釋放速率。可在 0–1000 Ω 范圍調(diào)節(jié)。
較低電阻:放電時間短、能量密集;
較高電阻:放電平緩、細胞損傷減輕。
典型設(shè)定:
細菌:200 Ω;
酵母:400–600 Ω;
哺乳動物細胞:通常采用方波模式,無需外接電阻。
脈沖持續(xù)時間影響細胞膜通道的開放時間。
方波模式下,時間范圍為 0.05–99.9 ms,可單次或多次輸出。
常用建議:
細菌:指數(shù)衰減波自動決定;
哺乳動物細胞:5–20 ms;
植物原生質(zhì)體:20–60 ms。
多脈沖模式適用于哺乳動物和植物細胞,可提升轉(zhuǎn)染效率。
一般設(shè)置:
脈沖次數(shù):1–10;
間隔時間:0.1–1.0 s;
若細胞耐受性低,應(yīng)減少脈沖次數(shù)。
常見標準杯為 0.2 cm 和 0.4 cm。
電場強度與電極間距成反比,因此相同電壓下:
E0.2cm=2E0.4cmE_{0.2cm} = 2E_{0.4cm}E0.2cm=2E0.4cm
選擇依據(jù):
小間距(0.2 cm):高電壓短脈沖;
大間距(0.4 cm):低電壓長脈沖。
| 細胞類型 | 模式 | 電壓 (V) | 電容 (μF) | 電阻 (Ω) | 波形類型 | 備注 | 
|---|---|---|---|---|---|---|
| 大腸桿菌 | 指數(shù)衰減 | 2500 | 25 | 200 | Exponential | 高電壓短脈沖 | 
| 酵母 | 指數(shù)衰減 | 1500 | 50 | 400 | Exponential | 需高滲緩沖液 | 
| CHO 細胞 | 方波 | 250 | — | — | Square | 脈沖10ms×2 | 
| HEK293 | 方波 | 220 | — | — | Square | 單脈沖 15 ms | 
| 植物原生質(zhì)體 | 方波 | 400 | — | — | Square | 20–40 ms | 
| 紅藻單細胞 | 方波 | 500 | — | — | Square | 需高導(dǎo)介質(zhì) | 
此模式通過充電電容放電形成指數(shù)下降電流波形,能量集中,適用于細菌、真菌等原核及單細胞真核生物。
放電時間短(<10 ms);
能量釋放迅速;
膜孔形成瞬時;
電壓與電容可精細調(diào)節(jié)。
高效率;
細胞受熱少;
重復(fù)性好。
大腸桿菌轉(zhuǎn)化實驗:
電壓:2.5 kV;
電容:25 μF;
電阻:200 Ω;
電極間距:0.2 cm;
介質(zhì):去離子水或低離子緩沖液;
放電時間約 4.8–5.2 ms。
方波模式輸出恒定電壓,適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的真核細胞。
在整個脈沖期間電場強度恒定,有助于分子均勻進入細胞。
可設(shè)定脈沖時間與次數(shù);
波形穩(wěn)定;
能量釋放均勻;
對哺乳動物細胞損傷小。
CHO 細胞:
電壓:250 V;
脈沖時間:10 ms;
間隔:0.5 s;
脈沖次數(shù):2;
電極間距:0.4 cm;
溫度:室溫(20–22℃)。
初步設(shè)定:參考文獻或經(jīng)驗值;
參數(shù)梯度優(yōu)化:調(diào)整電壓或時間,以轉(zhuǎn)染效率與生存率為指標;
結(jié)果分析:統(tǒng)計陽性細胞比例與死亡率;
固定參數(shù)模板:將最優(yōu)組合保存為程序文件,便于重復(fù)實驗;
批次驗證:進行3次重復(fù)實驗,計算變異系數(shù)(CV)以確認穩(wěn)定性。
不同細胞膜厚度與導(dǎo)電性差異顯著。例如植物原生質(zhì)體需較高電壓,而哺乳動物細胞耐受性低。
電導(dǎo)率越高,能量損耗越大,應(yīng)適當降低電壓。
推薦使用低離子緩沖液,如 10% 甘油溶液或?qū)S?electroporation buffer。
質(zhì)粒 DNA 分子較大,需較強電場;寡核苷酸或 siRNA 可用較溫和條件。
低溫(4℃)可減緩膜修復(fù),提升轉(zhuǎn)染率,但細胞恢復(fù)慢;室溫(20℃)則更適合復(fù)蘇與生長。
操作前確保電極槽干凈、無殘液;
使用一次性電穿孔杯,防止交叉污染;
禁止帶電開蓋;
實驗結(jié)束后等待自動放電完成;
樣品中禁止存在氣泡,以免產(chǎn)生電??;
保證接地線連接牢靠;
電容模塊定期校驗;
使用后清潔儀器表面,避免導(dǎo)電液殘留。
| 問題 | 可能原因 | 解決方法 | 
|---|---|---|
| 轉(zhuǎn)染效率低 | 電壓不足或DNA純度低 | 提高電壓、純化核酸 | 
| 電弧放電 | 有氣泡或電導(dǎo)率過高 | 去除氣泡、更換緩沖液 | 
| 細胞死亡率高 | 電壓或脈沖時間過高 | 降低電壓或縮短脈沖 | 
| 無脈沖輸出 | 接觸不良或設(shè)置錯誤 | 檢查電極與參數(shù) | 
| 參數(shù)波動大 | 電容老化 | 定期更換模塊 | 
每次實驗應(yīng)記錄:
電壓、電容、電阻、脈沖時間;
樣品類型、細胞濃度;
樣品溫度與介質(zhì)電導(dǎo);
放電波形截圖;
轉(zhuǎn)染效率與存活率;
操作者與日期。
通過建立數(shù)據(jù)檔案,可追溯每批實驗結(jié)果并持續(xù)優(yōu)化參數(shù)。
GenePulser Xcell 儀器結(jié)構(gòu)堅固、性能穩(wěn)定。
為確保參數(shù)輸出精度,建議:
每月檢查輸出波形;
每季度校驗電容;
每半年進行全面維護;
使用原廠配件以保證參數(shù)一致性。
質(zhì)保3年只換不修,由廠家長沙實了個驗儀器制造有限公司提供服務(wù)。 該廠保證所有核心部件在質(zhì)保期內(nèi)若出現(xiàn)性能異常,立即更換新機,無需維修,確保科研工作不中斷。
伯樂 GenePulser Xcell 電穿孔儀以精確的參數(shù)控制與穩(wěn)定的放電性能,為各類細胞轉(zhuǎn)染實驗提供了高度可重復(fù)的技術(shù)平臺。通過合理設(shè)置電壓、電容、電阻與波形參數(shù),可實現(xiàn)不同細胞類型的最佳導(dǎo)入效率。
科學(xué)地理解與應(yīng)用這些參數(shù),不僅能顯著提升實驗結(jié)果的一致性與轉(zhuǎn)染成功率,也有助于在科研與生產(chǎn)領(lǐng)域中建立標準化操作體系。GenePulser Xcell 的高精度設(shè)計、智能控制與安全保障,使其成為分子生物學(xué)、電生理學(xué)及基因工程研究中不可替代的核心設(shè)備。
          
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