CN112187223B - 一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，本发明装置的工作频带可达3GHz，充分满足产生纳秒/皮秒脉冲电场辐照环境的需要。配合以高压亚纳秒脉冲源作为激励源，电场辐照环境的幅值可达10kV/cm甚至100kV/cm量级。本发明相比于传统的用于细胞电穿孔的脉冲电场辐照装置，本发明通过采用毛细管完成细胞输送，不仅使细胞效应过程更为方便高效，也避免了因细胞溶液与金属电极直接接触产生传导电流对脉冲电场引起的细胞电穿孔效应的影响。

Description

一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置
技术领域
本发明属于辐照装置领域，具体涉及一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置。
背景技术
皮秒脉冲电场(picosecond pulsed electric field，简称psPEF)是一种具有亚纳秒或皮秒级持续时间的瞬态电场。在生物电磁学研究中，采用具有极高幅值的皮秒脉冲电场可诱发细胞膜甚至细胞器膜的电穿孔效应，可能造成细胞致死或细胞膜通透性改变。细胞电穿孔效应已被广泛应用于生物医学领域，例如通过改变膜的通透性将药物导入细胞、通过控制脉冲电场环境诱导癌细胞凋亡等。相比于传统电穿孔所使用的微秒脉冲电场，皮秒脉冲电场作用时间更短，峰值电场更高，被发现可引起细胞内部细胞器膜等结构的可恢复电穿孔效应，在电穿孔效应研究和相关医学治疗领域具有较好的研究和应用价值。在此背景下，为了深入研究高幅值皮秒脉冲电场引起的细胞电穿孔效应，有必要设计研制参数指标先进的皮秒脉冲电场辐照系统，为相关生物效应实验研究提供平台。
在纳秒/皮秒脉冲电场辐照系统的设计过程中，电极结构的阻抗匹配和电极间的距离将会直接影响所形成的脉冲电场波形，近十年来国内外研究机构在该领域开展了大量研究工作。针对毫秒或微秒脉冲研制的脉冲电场辐照系统大多采用电极池设计，其结构简单且易于满足施加毫秒/微秒脉冲后产生脉冲电场的需要，但此类装置的频带通常小于100MHz，且受到电极间隔和脉冲宽度的限制，产生的脉冲电场幅值有限。为了获得幅值更高的脉冲电场，近年来，微电极探针、微流控芯片和微机电系统等技术也被逐渐应用于纳秒/皮秒脉冲电场辐照系统中。
由于传统用于细胞电穿孔实验的脉冲电场辐照装置多针对微秒或毫秒脉冲设计，装置工作频带有限，难以满足产生高幅值纳秒/皮秒脉冲电场的需要。另一方面，在传统用于电穿孔实验的辐照装置内部，细胞溶液需要与金属电极直接接触，无法避免传导电流对细胞电穿孔效应过程的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，能够分析高幅值纳秒/皮秒脉冲电场对细胞电穿孔的效应过程机理，同时也可满足此类电场辐照环境处理细胞等的潜在应用需要。
为了达到上述目的，本发明包括基板，基板上布设有若干金属电极，所有金属电极平行设置，相邻的金属电极间布设在有毛细管，毛细管与金属电极间具有间隙，毛细管与金属电极上覆盖有盖板，金属电极连接纳秒/皮秒脉冲。
金属电极采用双条平行电极、三条平行电极或带有背面地平面的三条平行电极结构。
金属电极才有具有生物兼容性的金电极或镀金电极。
毛细管采用具有生物兼容性的聚乙烯。
基板采用微波电路基板或透明的电路基板。
金属电极的两端具有结构过渡段，结构过渡段用于通过同轴接头连接纳秒/皮秒脉冲端。
基板底部设置有金属板。
与现有技术相比，本发明的金属电极在电脉冲激励下可以在电极间隔处产生脉冲电场辐照环境，再利用毛细管将细胞溶液等效应物注入并传输至脉冲电场辐照空间内对细胞进行处理，再从毛细管的另一侧收集并检测经过处理后的效应现象。将金属电极结构于平面基板上，通过对电极结构的优化设计使之具有阻抗匹配和电场分布均匀等特点；采用毛细管输送细胞溶液，并利用固定盖板等配件将毛细管固定于金属电极间的间隔内，满足对管内细胞等效应物的有效辐照处理。本发明相比于传统的用于细胞电穿孔的脉冲电场辐照装置，本发明装置的工作频带可达3GHz，充分满足产生纳秒/皮秒脉冲电场辐照环境的需要。配合以高压亚纳秒脉冲源作为激励源，电场辐照环境的幅值可达10kV/cm甚至100kV/cm量级。本发明相比于传统的用于细胞电穿孔的脉冲电场辐照装置，本发明通过采用毛细管完成细胞输送，不仅使细胞效应过程更为方便高效，也避免了因细胞溶液与金属电极直接接触产生传导电流对脉冲电场引起的细胞电穿孔效应的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例的结构示意图；
其中，1、基板，2、金属电极，3、毛细管，4、盖板，5、金属板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括基板1，基板1上布设有若干金属电极2，所有金属电极2平行设置，相邻的金属电极2间布设在有毛细管3，毛细管3与金属电极2间具有间隙，毛细管3与金属电极2上覆盖有盖板4，金属电极2连接纳秒/皮秒脉冲。金属电极2的两端具有结构过渡段，结构过渡段用于通过同轴接头连接纳秒/皮秒脉冲端。
优选的，金属电极2采用双条平行电极、三条平行电极或带有背面地平面的三条平行电极结构。
优选的，金属电极2才有具有生物兼容性的金电极或镀金电极。毛细管3采用具有生物兼容性的聚乙烯。基板1采用微波电路基板或透明的电路基板。
优选的，基板1底部设置有金属板5。
本发明的主体结构采用基于印制电路板的微带线电路，具有工作频带宽、电路各点处阻抗一致且稳定的特点。为了便于将细胞或细胞溶液输送至脉冲电场辐照空间内，生物芯片设计采用了毛细管3作为细胞溶液的流动通道，将毛细管3安装于微带线电路的电极间隔中间，利用微量注射泵可将细胞溶液均匀可控地注入毛细管3，从而使其中的细胞依次受到皮秒脉冲电场的辐照，如图1所示。整体微带线电路的金属电极2结构紧凑，电路各处特征阻抗设计目标为50Ω(也可根据脉冲源输出端阻抗需要调整)。所采用的毛细管3外径应小于电极间隔，通过在微带线电路正上方加盖微波板材制成的盖板4可以将毛细管3固定在电极间隔内，如图2辐照装置的横截面示意图所示。在已知生物芯片有效辐照长度、毛细管3单位长度溶液体积和脉冲源工作状态的条件下，可以通过控制微量注射泵流速精确计算细胞受到的皮秒脉冲电场幅值、脉冲个数、重复频率等参数，从而满足生物实验中调整辐照环境参数的需要。
在宽频带脉冲电场辐照装置中，微带线电路两端设计有结构过渡段，用于将同轴接头相连的微带线电极结构过渡至电路中段具有更小电极间隔的微带线电极，也称该段为细胞辐照段；细胞辐照段内的电极间隔中安装有毛细管3，在实验时细胞溶液可以通过毛细管3流经具有高幅值脉冲电场辐照环境的细胞辐照段。采用微带线阻抗计算、电磁场有限元分析等方法对金属电极2及毛细管3结构进行具体设计，在满足加工精度的条件下实现电路的宽频带阻抗特性，并通过减小电极间隔距离进一步提高电场脉冲幅值。
尽管毛细管3内充入的细胞溶液相对介电常数远大于空气和常用毛细管3材料，但由于整个电极间隔中毛细管3的空间占比更大，细胞溶液对金属电极2间的分布参数影响十分有限。有限元模型的仿真结果也显示，将毛细管3内由空气改为水后，整个微带线电路的金属电极2结构的宽频带阻抗特性未发生明显的变化，因此认为可以忽略细胞溶液对该微带线电路分布参数的影响。
实施例：
参见图2，将细胞辐照段三条平行金属电极2设计为厚160μm，宽度1mm，两两间隔400μm的微带线电路结构。仿真和实验测试结果基本吻合，该微带线电路的-3dB带宽可达3GHz。在微带线电路两端连接有SMA同轴接头，分别用于连接亚纳秒脉冲源和匹配负载或示波器。当高压亚纳秒脉冲从电路一端注入后，脉冲沿微带线电路传播，并在中心金属电极2与周围的接地电极间形成瞬态电磁场，即产生与注入脉冲波形相似的脉冲电磁场并向电路另一端传播，直至达到末端的匹配负载后将亚纳秒脉冲吸收，以避免阻抗失配引起波的折反射，或可将末端直接连接至入端阻抗50Ω的示波器可用于测量和分析通过该电路后脉冲波形的变化情况(通常实验结果显示注入脉冲与输出脉冲波形几乎完全吻合)，用于评估脉冲电场波形是否发生畸变。
需要说明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，包括基板(1)，基板(1)上布设有若干金属电极(2)，所有金属电极(2)平行设置，相邻的金属电极(2)间布设在有毛细管(3)，毛细管(3)与金属电极(2)间具有间隙，毛细管(3)与金属电极(2)上覆盖有盖板(4)，金属电极(2)连接纳秒/皮秒脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，金属电极(2)采用双条平行电极、三条平行电极或带有背面地平面的三条平行电极结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，金属电极(2)采用具有生物兼容性的金电极或镀金电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，毛细管(3)采用具有生物兼容性的聚乙烯。
5.根据权利要求1所述的一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，基板(1)采用微波电路基板或透明的电路基板。
6.根据权利要求1所述的一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，金属电极(2)的两端具有结构过渡段，结构过渡段用于通过同轴接头连接纳秒/皮秒脉冲端。
7.根据权利要求1所述的一种基于微带电路的宽频带脉冲电场辐照装置，其特征在于，基板(1)底部设置有金属板(5)。
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