一、系统组成与功能概况

GenePulser Xcell 是一款模块化电穿孔系统。它包括主机单元（main unit）、ShockPod™ 电击腔（cuvette chamber）、以及可选的两个附件模块：CE 模块（Capacitance Extender）用于扩展电容／时间常数范围；PC 模块（Pulse Controller）用于扩展电阻（并联电阻）控制。 
系统支持两种主要波形：指数衰减（exponential-decay）波形和方波（square-wave）波形。 
其设计目标是：适用于大范围细胞类型—from 哺乳动物细胞（包括原代细胞、难转染细胞）到细菌、酵母、真菌。 
仪器具备预设程序库、用户自定义程序、手动参数输入三种模式，便于快速启动或细致优化。 
此外，系统内置了 PulseTrac™ 电路与电弧保护等功能，以提高重复性并降低样品风险。

二、波形类型与其意义

2.1 指数衰减波（Exponential-decay）

此类波形通过电容快速充电，当击穿或放电启动后，电压随时间按指数形式下降。适用于很多标准电穿孔条件。用户可设定电容（µF）、电压（V）和（在某版本）时间常数（τ）或电阻。 
优点包括：电压开始时高峰，有利于在短时间内打开细胞膜孔隙；随后电压下降减少对细胞的损伤。缺点可能是对细胞电阻、缓冲液、电极间隙等敏感，需要优化。

2.2 方波（Square-wave）

方波脉冲在设定时间内电压基本保持恒定，然后结束。可设定脉冲时间、脉冲数、脉冲间隔、脉冲电压。适合某些敏感细胞类型、难转染的原代细胞、悬浮细胞等。 
优点在于电压恒定，刺激更为“可控”；缺点是可能对某些系统（如电阻变化大的样品）更加要求严格。

三、关键控制参数说明

下面列出在实验中应重点调整或监控的参数，并解释其在电穿孔过程中的物理／生物意义。

3.1 电压（Voltage，V）

这是施加于样品两电极之间的电势差。GenePulser Xcell 可输出范围较广，根据型号及模块不同可达高达约 3000 V。 
较高电压有利于形成更多或更大的细胞膜孔隙，从而提高转染/转化效率。但电压过高可能导致细胞死亡、气体放电或电弧事故。使用时应结合电极间隙（cuvette gap）与样本体积、电阻情况进行合理选择。

3.2 电容（Capacitance，µF）/ 时间常数（Time constant，τ）

对于指数衰减模式，用户可设定电容，或时间常数（τ＝R×C，在工具给定或可测情况下）。电容越大，充电后释放的能量越大；相应地，时间常数也越长，电压下降越缓慢。GenePulser Xcell 在低压、高电容回路中支持从 25 µF 到 3,275 µF 的范围（在 CE 模块情况下） 。 
在高电压回路（例如 500–3,000 V）下，其可设电容一般为 10、25、50 µF。 
通过设置适当电容／时间常数，可以调控电击的“宽度”——电压维持高水平的时间越长，对细胞穿孔效应越大，但可能损伤也越严重。

3.3 并联电阻／样品电阻（Resistance，Ω）

在系统中，并联电阻（Parallel Resistance）用于控制负载；样本实际电阻也需要满足一定条件。GenePulser Xcell 的 PC 模块可提供 50–1,000 Ω（50 Ω步进）并联电阻。 
样品电阻最低要求：当输出 10–2,500 V 时，样品电阻至少约 20 Ω；当输出 2,500–3,000 V 时，样品电阻至少约 600 Ω。 
样品电阻过低可能导致电流过大、击穿或电弧；过高可能导致电压下降快、穿孔效率低。因此在实验前测定样本电阻很重要。

3.4 脉冲时间／脉冲数／脉冲间隔（Pulse duration, number of pulses, interval）

• 对于方波模式，GenePulser Xcell 在 10–500 V 区间可设定脉冲时间从 0.05 到 100 ms（0.05 ms 步进）并可进行 1-10 脉冲，脉冲间隔为 0.1-10 秒。 

• 在高压范围 500-3,000 V 下，则脉冲时间一般为 0.05-5 ms，脉冲数为1-2次，间隔为至少 5-30 秒。 
  这些参数决定了每次电击的“刺激长短”和“次数”，直接影响穿孔效率与细胞存活率。一般来说，多次脉冲或延长脉冲时间可以提高转染率，但也可能降低存活率。

3.5 电极间隙／比色皿缝隙（Cuvette gap）与样本体积

GenePulser Xcell 系统兼容 0.1 cm、0.2 cm 和 0.4 cm 间隙的比色皿。
电极间隙越小，相同电压下电场强度越高（E=V/d），容易穿孔但也更易损伤。因此，通常细菌、酵母用小间隙（0.1–0.2 cm），哺乳动物细胞用较大间隙如 0.4 cm。样本体积（如 100 µL）和细胞浓度也需要配合间隙、电压进行优化。

四、仪器操作流程

以下为典型操作流程（手动模式为例），可按需改为使用预设或用户自定义模式。

1. 将仪器及模块正确连接：关闭主机电源，连接 CE 模块／PC 模块（任选一或两者视系统配置），以及 ShockPod 电击腔。 

2. 插入所选比色皿（电极间隙根据实验设定选择），将待电穿孔样本（细胞 + 质粒/试剂）加入比色皿中，并放入 ShockPod。确保安全盖关闭。 

3. 打开仪器，进入主菜单。选择模式：

• 手动操作（Manual）

• 预设程序（Pre-set Protocol）

• 用户程序（User Protocol）
  
  

4. 若为手动模式：选择波形（指数衰减或方波）→ 输入相关参数（如电压、电容/时间常数、电阻／样本电阻、脉冲时间、脉冲数、间隔、比色皿缝隙、样本体积）→ 确认后，Pulse 按钮变为可按状态。 

5. 按 Pulse 按钮实施电击。仪器显示 “Pulsing”，电击结束后发出提示音，并显示结果（如实际电压、电流、时间常数等） 。 

6. 若有需要，可按 Back 键返回参数界面，调整或重复操作。

7. 建议记录每次参数及结果，便于后续优化或故障排查。该系统可存储最近 100 次脉冲数据。 

五、典型预设参数参考

以下为仪器出厂预设程序中摘录部分常用细胞类型的参数，以供参考。使用时仍推荐依据细胞类型/缓冲条件自行优化。

（注：以上表格为示范，实际操作时仍建议查阅最新仪器手册，并结合细胞类型、缓冲体系、比色皿间隙、电阻情况进行优化。）

六、优化思路与建议

6.1 初次设置策略

• 对于新细胞系或实验平台，建议先从仪器预设程序入手。

• 测量样品电阻（仪器具备测电阻功能）。如果电阻偏离典型值（如过低或过高），应调整样本浓度、缓冲体系或比色皿缝隙。 

• 选择比色皿间隙适配电压与细胞类型：小间隙提高电场强度，适合细菌、酵母；大间隙适合哺乳动物、敏感系。

• 若使用方波模式，建议从较短脉冲时间、较低电压开始，观察存活率，再逐步提升以寻找最佳转染率/存活率平衡。

• 若使用指数衰减模式，可先用标准电容／电压组合，再微调电容或时间常数以改变电压下降曲线。

6.2 逐参数优化

• 电压：逐步提升电压，注意细胞死亡率和电弧情况。适度提升电压可提高穿孔率。

• 电容／时间常数：若细胞存活率过低，可尝试减小电容或缩短时间常数；若转染效率低，可适度增大。

• 脉冲数与间隔：单次脉冲更适合易转细胞；对于难转细胞，多脉冲可尝试，但要保证细胞有足够恢复时间（间隔）。

• 样本体积或浓度：样本浓度过高可能导致电场分布不均、电阻下降，样本浓度过低则可能降低效率。

• 比色皿间隙：如电场效果不佳，可考虑换间隙（例如从 0.4 cm 换为 0.2 cm，但相应地需降低电压以避免过强电场）。

• 缓冲体系、温度、离子强度：这些外围因素虽非仪器“参数”，也会显著影响结果。建议使用专用电穿孔缓冲液、保持样本冷却（通常在 4 °C操作或立即转入回温培养）。

6.3 结果评估

• 每次电击后注意检查实际脉冲参数（如实际电压、时间常数、是否出现电弧／跳火情况）仪器界面会显示。

• 同时评估：转染/转化效率、细胞存活率、重复性情况。

• 若转化效率低，但存活率高，说明穿孔可能不足，可提高强度；反之若存活率低而效率却高，可能强度过大或电场不均。

• 建议记录每次实验参数、样本特性及结果，以便建立经验库或回溯优化路径。GenePulser Xcell 支持存储最近100次脉冲记录。 

七、典型问题与解决建议

• 电弧／跳火：通常因为电压过高、电极脏污、电极间隙不当或样品中气泡。建议清洁电极、更换比色皿、降低电压、排除气泡。

• 细胞死亡率高但转染率低：可能电场过强或脉冲时间过长。尝试降低电压、减少脉冲数或缩短脉冲时间。

• 转染率低且细胞存活率高：说明穿孔不充分。可适当提高电压或延长脉冲时间／增大电容。

• 重复性差：可能样品电阻变化大、缓冲液差异大、比色皿间隙不一致、温度波动、或电极污染。需保持条件一致，及时校准／更换配件，并记录详细操作流程。

• 不同细胞类型切换时效果差异大：建议为每个细胞类型建立专属于该类型的优化流程（用户程序模式）。避免直接用细菌参数套用于哺乳动物细胞。

八、小结

使用 GenePulser Xcell 获取良好的电穿孔／转染结果，关键在于：理解并合理设置电压、电容／时间常数、电阻、脉冲时间、脉冲数、间隔及比色皿缝隙；配合细胞类型、缓冲液、样本电阻等因素；对参数体系进行系统且记录化优化。通过预设程序快速启动实验，再通过手动模式精细调优，可以提高效率与成功率。正确操作、仔细记录与系统优化相结合，才能充分发挥该系统的功能。