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電穿孔技術(Electroporation)是現代分子生物學與細胞工程實驗中不可替代的重要方法。它通過在細胞膜上施加瞬間高電場,使膜結構暫時改變并形成可逆性孔洞,從而實現外源 DNA、RNA 或蛋白質分子的導入。相比化學轉染或病毒載體法,電穿孔具有無污染、效率高、可重復性好、細胞類型適用范圍廣等優點。
伯樂(Bio-Rad)GenePulser Xcell 電穿孔儀作為國際廣泛應用的高端電穿孔系統,憑借精確的電參數控制、智能化操作界面和強大的數據記錄功能,為科研人員提供了極高的實驗可控性與重現性。本文旨在系統總結該儀器的實驗過程、性能特點、應用成果及優化經驗,為相關科研人員提供可參考的標準化實驗總結資料。
GenePulser Xcell 系統由主機、電容模塊、電阻模塊、波形控制單元、電極槽、操作面板和安全保護裝置組成。它既能輸出指數衰減波(Exponential Decay),也能產生方波(Square Wave),從而滿足從原核生物到真核細胞的不同實驗需求。
主要性能特點如下:
高精度電控系統:電壓誤差小于±1%,電容偏差小于±0.5%。
波形可調性強:支持單脈沖、多脈沖、連續波形輸出。
智能參數記錄:可儲存多達 99 組實驗方案與放電結果。
安全保護完善:具備自動放電、防電擊和溫度保護功能。
高復現性設計:閉環反饋電路實時校正輸出信號,確保每次實驗一致。
該系統尤其適用于 DNA 轉化、RNA 導入、siRNA 干擾實驗、蛋白轉入及基因編輯研究。
電穿孔的本質是電場誘導細胞膜通透性瞬時增加。GenePulser Xcell 通過瞬時高壓放電,在細胞膜表面形成跨膜電勢。當膜電勢超過閾值(約 0.5–1.0 V)時,脂質分子排列改變,形成瞬時孔洞,外源分子進入細胞。電壓撤除后,膜結構迅速恢復,完成外源物導入。
主要影響參數包括:
電壓(Voltage, V):決定電場強度;
電容(Capacitance, μF):決定能量儲存量與放電持續時間;
電阻(Resistance, Ω):控制電流釋放速率;
脈沖時間(Pulse Duration, ms):決定細胞膜孔開放時間;
電極間距(Gap, cm):影響電場均勻性;
介質導電性與溫度:影響能量傳遞與細胞生存率。
儀器檢查:確認電極槽無殘液、主機接地可靠、顯示正常。
樣品制備:細胞處于對數生長期,DNA/RNA 純度高,無鹽離子污染。
環境條件:實驗溫度 20–25℃,濕度 40–60%。
啟動電源,選擇模式(指數衰減或方波);
設定電壓、電容、電阻等參數;
加載混合樣品(細胞 + DNA);
插入電穿孔杯并關閉防護蓋;
按下“PULSE”鍵執行放電;
待自動放電完成后,取出樣品進行復蘇培養。
將電穿孔后的細胞立即加入復蘇培養基中;
室溫靜置 5–10 分鐘以促進膜修復;
隨后進行培養、篩選或熒光檢測。
條件設置:指數衰減波,2.5 kV,25 μF,200 Ω,電極間距 0.2 cm。
結果:轉化效率達 2.1×10? CFU/μg DNA,細胞存活率約 85%。
結論:在高電壓短脈沖條件下能實現高效率轉化,參數重復性良好。
條件設置:1.5 kV,50 μF,400 Ω,1 M 山梨醇緩沖液。
結果:轉化率穩定在 10? CFU/μg DNA,重復實驗誤差小于 8%。
結論:緩沖液滲透壓穩定對細胞膜保護作用顯著,增強存活率。
條件設置:方波模式,250 V,10 ms,間隔 0.5 s,脈沖 2 次。
結果:轉染效率達 78%,細胞存活率維持 82%。
結論:方波模式能量釋放均勻,適合哺乳動物細胞。
條件設置:方波,400 V,20 ms,3 次脈沖。
結果:GFP 表達率達 70%,膜修復完全。
結論:較長脈沖能增強導入量,但需注意防止滲透壓應激。
在連續 20 次重復實驗中,GenePulser Xcell 電壓輸出誤差小于 0.5%,轉染效率標準差低于 5%,表現出優異的復現性。
復現性提升的關鍵因素包括:
參數自動校準系統:儀器自動檢測輸出誤差并修正;
閉環反饋回路:實時調整放電波形;
溫控設計:防止放電過程產生局部過熱;
標準化耗材使用:原廠電穿孔杯間距精度高。
轉染效率 (%):熒光陽性細胞數 / 總細胞數 ×100%;
細胞存活率 (%):復蘇后活細胞數 / 初始細胞數 ×100%;
重復性(CV%):標準差 / 平均值 ×100%。
CV < 10%:實驗條件穩定;
CV 10–20%:需優化樣品或緩沖液;
CV > 20%:儀器或操作問題需排查。
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