(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キュベットに含まれる生物細胞の懸濁液を介して高圧電流を導くためのエレクトロポレータシステムであって、該システムが、アーク事象または低いサンプル抵抗が検出されたときに常に前記細胞から離して電流を転ずる電流ダイバータ回路を具備する、エレクトロポレータシステム。
【請求項２】
エレクトロポレータシステム内の生物細胞のサンプルを含むキュベットにおけるアークを防止するための装置であって、
（ａ）ＨＶコンデンサと、
（ｂ）電圧をＨＶコンデンサに供給するチャージ制御回路と、
（ｃ）前記チャージ制御回路に結合されたマイクロコントローラであって、
（１）前記ＨＶコンデンサからの前記チャージ制御部の切り離しを引き起こし、
（２）前記ＨＶコンデンサにおける電圧降下が所定電圧に等しいとき、ＨＶスイッチをトリガして前記ＨＶコンデンサを前記キュベットに結合するように、
構成されたマイクロコントローラと、
（ｄ）アーク事象または低いサンプル抵抗が検出されたとき、前記キュベットから電流を転ずる電流ダイバータ回路と、
を具備する装置。
【請求項３】
前記マイクロコントローラの入力に結合されて、前記マイクロコントローラに結合して前記ＨＶコンデンサにおける電圧降下を監視するように動作可能な分圧回路をさらに具備する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記マイクロコントローラが、前記キュベットに印加されるべき複数の異なる種類の波形を許容するように前記電流ダイバータ回路を制御するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記電流ダイバータ回路が、検知抵抗器における電圧降下によってトリガされ、前記検知抵抗器が前記ＨＶスイッチと接地との間に結合される、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記装置が、ＡＣ主電源とチャージ制御部とに結合された自動ラインスイッチング回路をさらに具備し、該自動ラインスイッチング回路が、約１００〜１２０Ｖおよび２２０〜２４０Ｖの範囲内の世界各地で異なる電圧を許容できる、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記ＨＶコンデンサと前記キュベットとの間に結合されて、前記キュベットにおいて生じるアークの可能性をさらに減少させるように動作可能である電流制限抵抗器をさらに具備する、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
アーク事象または低いサンプル抵抗の状態の検出が生じたことを前記マイクロコントローラに知らせるように、前記電流ダイバータ回路がトリガされるときに常に増幅器とパルスストレッチャとをトリガしてパルスをマイクロコントローラに供給させる変流器をさらに具備する、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記マイクロコントローラが前記チャージ制御回路から電気的絶縁される、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記マイクロコントローラが、前記電流ダイバータ回路をトリガして、前記キュベットに印加される時間切り捨てされた指数関数的パルスを生成できる、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
アークオーバ事象が生じたとき、あるいはサンプルの抵抗が所定値以下であることが検出されたとき、細胞のサンプルを含むキュベットに印加される高電圧の持続時間を低減する方法であって、該方法が、
（ａ）ＨＶコンデンサを第１の所定電圧にチャージするステップと、
（ｂ）ＨＶスイッチをトリガして前記コンデンサの第１の所定電圧の実質的にすべてを前記キュベットの電極に結合するステップと、
（ｃ）前記キュベットにおいて印加された電圧を監視するステップと、
（ｄ）前記監視された電圧が第２の所定電圧よりも大きいとき、電流ダイバータスイッチをトリガするステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記ＨＶスイッチをトリガし、また前記キュベットにおいて印加された電圧を監視するステップが、前記マイクロコントローラの制御下で実行される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
時間切り捨てされた指数関数的パルスを前記サンプルに印加できる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
キュベットにおけるアーク事象を防止または低減可能な生物細胞のサンプルを含むエレクトロポレータシステムを製造する方法であって、
（ａ）ＨＶコンデンサを設けるステップと、
（ｂ）前記ＨＶコンデンサにおける電圧降下を確立できるチャージ制御部を設けるステップと、
（ｃ）マイクロコントローラを設けるステップであって、
（１）前記ＨＶコンデンサからの前記チャージ制御部の切り離しを引き起こし、
（２）前記ＨＶコンデンサにおける電圧降下が所定電圧に等しいとき、ＨＶスイッチをトリガして前記ＨＶコンデンサを前記キュベットに結合できるステップと、
（ｄ）アーク事象が始まったとき、前記キュベットから離して電流を転じることのできる電流ダイバータスイッチを設けるステップと、
を含む、方法。
【請求項１５】
前記マイクロコントローラの入力に結合されて、前記マイクロコントローラに結合して前記ＨＶコンデンサにおける電圧降下を監視できる分圧回路を設けるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記マイクロコントローラが、前記キュベットに印加されるべき複数の異なる種類の波形を許容するように前記電流ダイバータスイッチを制御できる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記電流ダイバータスイッチを設けるステップが、前記ＨＶスイッチと接地との間に結合されて、第２の電圧を検出できる検知抵抗器を設けるステップと、該検知抵抗器がアーク事象の始まりを検出したとき、前記電流ダイバータスイッチをトリガできるステップとを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記高電圧コンデンサと前記キュベットとの間に結合されて、前記キュベットにおいて生じるアークの可能性を減少できる電流制限抵抗器を設けるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記方法が、
（ａ）変流器を設けるステップと、
（ｂ）パルスストレッチャを設けるステップと、をさらに含み、
電流が前記キュベットから転じられたとき、前記変流器が前記パルスストレッチャをトリガでき、かつアーク事象が始まったことを前記マイクロコントローラに知らせるように、前記パルスストレッチャがパルスを前記マイクロコントローラに供給できる、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般的にセルトランスフェクション、より詳しくは生物細胞（セル）のサンプルを含むキュベットにおけるアークを防止および／または低減するエレクトロポレーションの装置と方法に関する。
【０００２】
エレクトロポレーションは、生物細胞の壁部に一時的な穴（「細孔」）を形成するために高電圧（典型的に高いエネルギ）の電位が使用されるプロセスである。これらの細孔は、細胞（セル）が最終的に細孔を閉鎖する前に細胞内への大きな分子の通過（例えば、ＤＮＡ）を可能にする。したがって、エレクトロポレーションは、ＤＮＡによって指定されたタンパク質を製造するように細胞をプログラムするために使用することができる。（例えば、バクテリアの細胞に対して人間のインシュリンを製造するようにさせることができる）。したがって、エレクトロポレーションは極めて強力なツールである。５ミリ秒の高エネルギパルスの印加によって、同時に何百万ものセルに開口部を形成することができる。このようにしてＤＮＡを受容した細胞は、次に栄養培養液内で成長させて、大量のある望ましい複合分子を生み出す集合体を生産することができる。典型的に、生物細胞は数秒または数分で化合物を製造することができ、これに対し、化学合成手順を用いて実験室で実行した場合、従来の合成は１週間以上を必要とする可能性がある。
【０００３】
その各々が参考として本出願に組み込まれている以前の特許（米国特許第４，７５０，１００号、第５，６５６，９２６号および第５，６４２，０３５）は、１５００Ａ（アンペア）（あるいはＳＣＲに応じてより高い）の電流の３０００Ｖのパルスを制御できるソリッドステート高電圧（ＨＶ）スイッチを製造するために、積層セル構成の半導体制御整流器（ＳＣＲ）の使用を記述している。ＳＣＲセルの数を増すことによって、より高い電圧のパルスの制御が可能である。このようなパルスを生成する一般的な方法については、本出願に添付した図１に示されている。
【０００４】
図１には、リニアまたはスイッチャ電流源から構成されるチャージ手段４は、絶縁制御ライン１８を介してマイクロコントローラ１０によって制御される。マイクロコントローラ１０はチャージ手段４をターンオンし、これによってＨＶコンデンサ６内に電荷を蓄積させる。ＨＶコンデンサ６にかかる電圧が上昇するとき、マイクロコントローラ１０は、２つ以上の抵抗から成る分圧器１２を用い電圧の増加を監視する。電圧が所定値に達したとき、埋め込みプログラムによってまたはオペレータによる外部設定によって、マイクロコントローラ１０はトリガ回路１４を介してＨＶスイッチ８（ＳＣＲセルから成る）を作動させる。ＨＶスイッチ８は、ＨＶコンデンサ６をシステムの出力に有効に接続し、次に、システムは、キュベット１６または細胞およびＤＮＡ（または他の）化合物を含む他のサンプルホルダに接続する。キュベット１６のサンプルの抵抗は、高電圧において１０Ωが有効であり得る。したがって、電流制限抵抗器がないと、大きい電流が流れて、ＨＶスイッチ８を破壊する可能性がある。米国特許第５，６５６，９２６号および第５，６４２，０３５号のようなもっと後の実施形態は、例えば、マイクロコントローラを介してフィードバック付きの１．５Ωの直列抵抗を使用して、抵抗における電圧降下を補償する。
【０００５】
このようなシステムを使用する際の他の問題はアークオーバである。キュベット１６の電圧が高すぎるならば、アークオーバが生じる可能性がある。アークオーバは、キュベット１６の有効抵抗値を１．０Ω以下に下げる。したがって、３０００Ｖ（１．５Ωの電流制限抵抗による）で、２０００Ａが流れる可能性がある。このような用途のために使用される典型的なＳＣＲは、このような電流に耐えるであろう。しかし、アークは、キュベット１６の視覚的および聴覚的な事象を引き起こし、これがサンプルを押し出し、セルを破壊し、またオペレータを驚かせる可能性がある。
【０００６】
米国特許第４，７５０，１００号のエレクトロポレータシステムでは、このような抵抗が大きな電圧降下を引き起こすので、特定の電流制限抵抗器は組み込まれていない。（抵抗器が必要とする抵抗は１．５Ωでなければならず、これは、その抵抗が１０Ωであるサンプルの抵抗と較べて有効である）。しかし、米国特許第４，７５０，１００号は、適切なＨＶスイッチを製造するためにＳＣＲセルの使用を記述している。米国特許第５，６５６，９２６号および第５，６４２，０３５号には、サンプルの抵抗を測定するシステムが含まれている。これは、ＨＶコンデンサを幾分高い電圧にチャージすることによって、マイクロプロセッサによる電流制限抵抗器における電圧降下の補償を可能にする。構造の他の新奇な部分が同一の２つの特許に記述されている。
【０００７】
米国特許第４，７５０，１００号のエレクトロポレーションシステムにアーク防止がないことは、システムが後にバクテリアセルに使用されるまでは、アークがまれであったので許容し得た。バクテリアはより高い電圧の使用を必要とし、このためアークの可能性が増加する。それらシステムのバクテリアエレクトロポレーションは、電流制限抵抗器（機器が損傷するまでユーザはその存在に気づかないかもしれない）を含む特別なボックス、あるいは米国特許第５，６５６，９２６号および第５，６４２，０３５号に開示された機器のアーク防止の組み込みを必要とする。
【０００８】
より優れたシステムは、アークからの保護のみならず、アークがサンプルに加えられる時間を制限するシステムであろう。このようなシステムは、ユーザを驚かせる機会がより小さく、また高価なセルの破壊を防止するであろう。本発明は、これらの問題に取り組む解決策を提供する。
【０００９】
発明の概要
本発明は、エレクトロポレーションの間のアークを低減または抑制するためのシステムと方法の両方を提供する。
【００１０】
一般的に、本発明のシステムと方法は、アークオーバが始まったならば、セルが過電流によって損傷されないように、エレクトロポレーションセッションに含まれる生物細胞のサンプルから離して電流を転ずるように動作可能である電流ダイバータ回路を提供する。
【００１１】
本発明の１つの形態によれば、システムの重要なコンポーネントは、チャージ制御回路と、チャージ制御回路によって供給されるチャージを蓄積する高圧コンデンサと、生物細胞の懸濁液を含むキュベットへのエネルギの転送を制御できるマイクロコントローラと、電流ダイバータとを含む。
【００１２】
本発明の他の形態によれば、マイクロコントローラは、その入力の１つにおいて分圧器を使用することによって高圧コンデンサにおける電圧降下を監視する。第１の所定電圧に到達した場合、マイクロコントローラは、チャージ手段が高電圧コンデンサから切り離して、第１の高電圧スイッチをトリガするようにさせる動作をとり、前記スイッチは、サンプルを含むキュベットに高電圧コンデンサを結合するように機能する。
【００１３】
本発明の他の形態によれば、電流ダイバータ回路は、第１の高電圧スイッチと接地（グラウンド）との間に接続される検知抵抗器を含む。検知抵抗器における電圧降下が第２の所定電圧を越えた場合、サンプルから電流をダイバート（迂回）させて、次に接地するように機能する電流ダイバータスイッチがトリガされる。
【００１４】
本発明のなお他の形態では、印加された場合、アークオーバ事象が生じたとき、あるいはサンプル抵抗が第１の所定値以下にあることが検出されたときに、細胞のサンプルを含むキュベットに高電圧が印加される時間量を低減する方法が記述されている。本方法は、（ｉ）高電圧コンデンサを第１の所定電圧にチャージするステップと、（ii）高電圧スイッチをトリガして前記コンデンサの第１の所定電圧の実質的にすべてを前記キュベットの電極に結合するステップと、（ｉｉｉ）前記キュベットにおいて印加された電圧を監視するステップと、（ｉｖ）前記監視された電圧が第２の所定電圧よりも大きいとき、電流ダイバータスイッチをトリガするステップとを含む。
【００１５】
具体的実施形態の説明
本発明のシステムは一般的に図２のブロック図に示されている。この模範的な実施形態では、システムは、メインボード３７とパルスボード３５とから構成される。メインボード３７は、自動ラインスイッチング回路２２、チャージ制御回路２４、マイクロコントローラ２０、低電圧（ＬＶ）トリガ３０、高電圧（ＨＶ）スイッチ２８、抵抗器Ｒ４とＲ５、変流器Ｔ３、および増幅器／パルスストレッチャ３８から構成される。パルスボード３５は、ドライバ４０、電流ダイバータスイッチ３４および抵抗器Ｒ１とＲ２から構成される。図２の残りのコンポーネント、すなわち、ＡＣ主電源ライン、キュベット３２およびＨＶコンデンサ２６はオフボードに配置される。
【００１６】
以下に詳細に説明するように、メインボード３７は、約２００から３０００Ｖの範囲内の振幅を有する指数関数的に減衰するパルスをキュベット３２に印加するために操作される。指数曲線型のパルスの時定数は、オフボードＨＶコンデンサ２６の静電容量に関連してサンプル抵抗とＲ２との並列の組合せによって決定される（典型的に１０ｍｆｄ、３５００Ｖ）。一例として、３０００Ωの典型的な抵抗を有する標準の大腸菌（Ｅ．Ｃｏｌｉ）サンプルを用いると、時定数は約５ミリ秒である。
【００１７】
図２を参照すると、ＡＣ主電源ラインはメインボードの自動ラインスイッチング回路２２とチャージ制御回路２４とに結合される。自動ラインスイッチングによって、メインボードは、上／下で＋／−１０％の許容差の１００〜１２０Ｖおよび２２０〜２４０Ｖの範囲内の世界の異なる電圧を受け入れることが可能である。
【００１８】
図３は、自動ラインスイッチング回路２２およびチャージ制御回路２４のより詳細な回路図である。自動ラインスイッチング回路２２は次のように動作する。最初に、ＡＣ主電源の電圧が９０〜１３２ボルトＲＭＳであるならば、電力は両方の変圧器Ｔ１とＴ２のセンタタップに導かれる。ＡＣ主電源の電圧が１９８〜２６４ボルトＲＭＳであるならば、電力は両方の変圧器Ｔ１とＴ２の全巻線にわたって導かれる。しかし、トライアックＱ１がターンオンされる場合にのみ、変圧器Ｔ２に電力が供給される。変圧器Ｔ２の二次巻線は、ノードＮ１のオフボードＨＶコンデンサ２６（図２参照）をチャージするように動作するＤ５〜Ｄ８のダイオードから成る全波整流器ブリッジに電力を供給する。
【００１９】
ＡＣ主電源の電圧はまた、Ｄ９〜Ｄ１２のダイオードを具備するダイオードブリッジによって全波整流されて、Ｄ１３〜Ｄ１６のツェナダイオードのストリングに印加される脈動ＤＣ電圧を生成する。ＡＣ主電源の電圧が約９０〜１３２ボルトＲＭＳであるならば、ツェナダイオードはＤ１３〜Ｄ１６は導電せず、またＲ６とＣ４によって発生される双極リレーＫ１のコイル電圧は本質的にゼロである。したがって、変圧器Ｔ１とＴ２のセンタータップに電力が供給され、一方の二次巻線が単巻変圧器モードで動作する。他方で、ＡＣ主電源の電圧が約１９８〜２６４ボルトＲＭＳであるならば、ツェナダイオードＤ１３〜Ｄ１６は、リレーＫ１のコイルが、リレーＫ１のスイッチを作動するの十分な電圧を有するように、ＤＣ波形のピークで十分に導電する（Ｒ６とＣ４を通してフィルタ処理され）。何らかの理由で自動ラインスイッチングが故障するならば、メインボードヒューズＦ１が飛ぶ。
【００２０】
変圧器Ｔ１の二次巻線は、ダイオードＤ１〜Ｄ４を有する他の全波整流器ブリッジを駆動し、コンデンサＣ１とＣ２に電圧を発生する。典型的なライン電圧の範囲については、この電圧は８．０〜１３．５Ｖの範囲内にある。Ｕ１は５Ｖのレギュレータであり、４．７５〜５．２５の範囲の安定した５Ｖの供給を行う。Ｃ１は５Ｖセクションの主蓄電器として動作するのに対して、コンデンサＣ２とＣ３はレギュレータＵ１の振動を防止する。
【００２１】
図２のチャージ制御回路２４は、図３にもより詳細に示されている。マイクロコントローラ２０（図１参照）は、とりわけ、オフボードＨＶコンデンサ２６のチャージを開始するように構成される。マイクロコントローラ２０は、最初に図７の単安定マルチバイブレータＵ３に信号を送ることによって、この機能を実行する。単安定マルチバイブレータＵ３は、ノードＮ２に電圧パルスを供給して応答する。ノードＮ２の高電圧はトランジスタＱ３をターンオンする。トランジスタＱ３がオンの場合、オプト−トライアックＯＴのＬＥＤ部分を通して電流が流れる。ゼロ交差において、オプト−トライアックＯＴのトライアック部分がターンオンし、次に抵抗器Ｒ１２とＲ１３を介してメイントライアックＱ２をターンオンする。次に、メイントライアックＱ２は変圧器Ｔ２の一次巻線に電力を供給する。次に、変圧器Ｔ２の二次巻線は、ダイオードＤ５〜Ｄ８を有するダイオードブリッジによって全波整流され、また整流された電圧を用いて、ノードＮ１のオフボードＨＶコンデンサ２６をチャージする。マイクロコントローラ２０は、抵抗器Ｒ４とＲ５とを有する精密分圧器によって、ノードＮ３のＨＶコンデンサ２６にかかる電圧を監視する。マイクロコントローラが、ＨＶコンデンサ２６において印加されている所定電圧を検出したとき、マイクロコントローラはチャージ制御回路２４の遮断を引き起こす。
【００２２】
図２を参照すると、ＨＶスイッチ２８の一方の端部がキュベット３２の陰極に結合されていることが理解される。この陰極は本質的に接地電位にある。トリガされると、ＨＶスイッチ２８は、ＨＶコンデンサ２６に蓄電された高電圧の、キュベット３２への印加を可能にする。電流制限抵抗器Ｒ１は典型的に３０Ωである。Ｒ１は電流制限抵抗器として使用され、直接短絡がキュベット３２とその中のサンプルにわたって生じることを防止する。電流制限抵抗器Ｒ１の抵抗は、例えば、３０００Ωの範囲のサンプル抵抗（大腸菌サンプル）と較べて小さい。
【００２３】
抵抗器Ｒ２は典型的に６００Ωである。したがって、同様にＲ２は典型的なサンプル抵抗よりも小さい。したがって、ＨＶスイッチ２８がトリガされるとき、ＨＶコンデンサ２６からのほぼすべての高電圧が、抵抗器Ｒ２とＲ３を通して接地に放電される。（Ｒ３は電流検知抵抗器（典型的に０．１Ω）であり、またサンプルに印加されるパルスに大きな影響を与えない）。
【００２４】
図４はＨＶスイッチ２８の詳細な回路図、および低電圧（ＬＶ）トリガ回路３０の詳細な回路図であり、図４の点線のボックスによって識別されている。ＨＶスイッチ２８の動作特性は米国特許第４，７５０，１００号に開示され、参考として本開示に組み込まれている。
【００２５】
図４を参照すると、ＨＶスイッチ２８は、一連のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）ＳＣＲ１〜ＳＣＲ６から形成される。ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲの各々は、分路抵抗器Ｒ１５〜Ｒ２０と分路コンデンサＣ６〜Ｃ１０によって分路される。分路抵抗器Ｒ１５〜Ｒ２０は、ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲの各々における電圧を等化するように動作する。特にＳＣＲが阻止（非導電）状態のとき、各々のＳＣＲにおける電圧を等化するこの機能は重要である。ＳＣＲの間には阻止特性のばらつきがあり得るので、ＳＣＲの間に等しくない定常状態の共有が生じる可能性がある。分路抵抗器Ｒ１５〜Ｒ２０がないと、過度の電圧がそれらのＳＣＲにわたって現れることがあるので、本来的に低い電流阻止能力を有するＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲが損傷を受ける可能性がある。
【００２６】
ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲがターンオンおよびオフしているときに、すなわちそれらが非コンダクタンスの定常状態にないときに動作する場合を除いて、分路コンデンサＣ６〜Ｃ１０’は分路抵抗器Ｒ１５〜Ｒ２０と同様の機能を実行する。分路コンデンサＣ６〜Ｃ１０’は、ＳＣＲが非導電状態にあるとき開回路として機能する。１つのＳＣＲの遅延時間が他のＳＣＲに較べてより長いとき、より大きな電圧降下がより遅いＳＣＲにおいて生じる。したがって、分路コンデンサＣ６〜Ｃ１０’は、ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲにおいて電圧等化を実行する。
【００２７】
分路抵抗器Ｒ１５〜Ｒ２０および分路コンデンサＣ６〜Ｃ１０に追加して、代替実施形態は一連の分路金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を含むことができるであろう。これは、米国特許第４，７５０，１００号（上に参考として組み込まれている）に開示されている。
【００２８】
ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲのゲートにそれぞれ結合されるダイオードＤ１７〜Ｄ２１は、ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲのゲートを過渡現象から保護し、同様にＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲが決して逆バイアスされないことを保証する。コンデンサＣ１６からＣ２０は、ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲのスプリアスターンオンを防止するように機能する。
【００２９】
同様に、各々のＳＣＲのゲートには、抵抗器Ｒ２１〜Ｒ２５とコンデンサＣ１１〜Ｃ１５とのシリーズ結合部が接続され、それらは、ＳＣＲ１〜ＳＣＲ５のＳＣＲのゲートにそれぞれ結合される。抵抗器Ｒ２１〜Ｒ２５とコンデンサＣ１１〜Ｃ１５は、ＳＣＲ６がターンオンされたとき、ＳＣＲ６が、次にＳＣＲ５〜ＳＣＲ１のＳＣＲのターンオン（当該順序で）を引き起こすように、十分なチャージをコンデンサＣ１１〜Ｃ１５に蓄電するように機能する。各コンデンサＣ１１〜Ｃ１５の電圧は、抵抗器Ｒ１５〜Ｒ２０によって分圧され、ダイオードＤ１７〜Ｄ２１によって接続される。最後のＳＣＲ（すなわちＳＣＲ１）が一旦ターンオンすると、ＨＶスイッチ２８は、Ｒ２（図１参照）とキュベット３２とを並列に（電流制限抵抗器Ｒ１を通して）有効に配置している。望むなら、Ｒ２における電圧降下は、より大きな数のＳＣＲセルを設けることによって増大することができる。
【００３０】
ＳＣＲ６が最初にＬＶトリガ回路３０によってターンオンされ、前記トリガ回路は、ＦＩＲＥ（上付きバー）信号をロウにすることによりマイクロコントローラ２０によって作動される。マイクロコントローラ２０がＦＩＲＥ（上付きバー）をロウにドロップするとき、トランジスタＱ４がターンオンし、またＳＣＲ６のゲート電圧は、ノード接続抵抗器Ｒ２８とＲ２９において低下されるＱ４のコレクタ電圧のその部分に基づき、２Ｖを越える電圧に上昇される。コンデンサＣ２１はＳＣＲ６のゲートにおける過渡現象の効果を低減する。
【００３１】
ＳＣＲ１〜ＳＣＲ６のＳＣＲが一旦ターンオンされると、それらを流れる電流が定格保持電流（典型的に約６０ｍＡ）以下に低下するまで、それらはターンオフできない。キュベット３２に印加される通常のパルスは、ＨＶコンデンサ２６が抵抗器Ｒ２とＲ３を通して放電するとき、長時間にわたって指数関数的に減衰するパルスである。しかし、アークオーバ状態が始まるか、あるいは何らかの理由でサンプル抵抗があまりにも低ければ、サンプルが損傷されないように、ＨＶコンデンサ２６をキュベット３２から切り離す何らかの方法がなければならない。
【００３２】
今記述している実施形態では、これは、ＨＶスイッチ２８を流れる電流を監視することによって達成される。図４の抵抗器Ｒ３０は、ＨＶスイッチ２８内に流れる電流に比例したパルスを生成する。このパルスは、「ＡＲＣ」と呼ばれる接続ラインを介してパルスボード３５の回路に印加される。ＨＶスイッチ２８の電流が約１２Ａを超えるとき、パルスボード３５上の電流ダイバータスイッチ３４は、ドライバ回路４０の動作によってスイッチオンされる。
【００３３】
ドライバ回路４０および電流ダイバータスイッチ３４は図５に詳細に示されている。アークまたは低い抵抗事象が検出されたとき、アークラインはハイにアサートされ、また抵抗器４２を介してトランジスタＱ７のベースに印加される。これによって、トランジスタＱ８がターンオフされ、またＳＣＲ７がトリガされるように、Ｑ８のコレクタがハイレベルになる。次に、残りのＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲは、図４のＨＶスイッチ２８について説明した方法で連続して迅速にターンオンされる。換言すれば、図４を参照すると、電流ダイバータスイッチ３４は一連のＳＣＲ７〜ＳＣＲ１２のＳＣＲから形成される。ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２の各々は、分路抵抗器Ｒ３１〜Ｒ３５と分路コンデンサＣ２２〜Ｃ２６’によって分路される。分路抵抗器Ｒ３１〜Ｒ３６は、ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲの各々において電圧を等化するように動作する。各々のＳＣＲにおいて電圧を均一にするこの機能は、特にＳＣＲが阻止（非導電）状態にあるとき重要である。ＳＣＲの間には阻止特性のばらつきがあり得るので、ＳＣＲの間に等しくない定常状態の共有が生じる可能性がある。分路抵抗器Ｒ３１〜Ｒ３６がないと、過度の電圧がそれらのＳＣＲにおいて現れることがあるので、本来的に低い電流阻止能力を有するＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲが損傷を受ける可能性がある。
【００３４】
ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲがターンオンおよびオフしているときに、すなわちそれらが非コンダクタンスの定常状態にないときに動作する場合を除いて、分路コンデンサＣ２２〜Ｃ２６’は分路抵抗器Ｒ３１〜Ｒ３６と同様の機能を実行する。分路コンデンサＣ２２〜Ｃ２６’は、ＳＣＲが非導電状態にあるとき開回路として機能する。１つのＳＣＲの遅延時間が他のＳＣＲに較べてより長いとき、より大きな電圧降下がより遅いＳＣＲにおいて生じる。したがって、分路コンデンサＣ２２〜Ｃ２６０’は、ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲにおいて電圧等化を実行する。代替実施形態は一連の金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を含むであろう。
【００３５】
ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲのゲートに結合されるダイオードＤ２２〜Ｄ２６は、ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲのゲートを過渡現象から保護し、同様にＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲが決して逆バイアスされないことを保証する。コンデンサＣ２７〜Ｃ３１は、ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲの擬似ターンオンを防止するように機能する。
【００３６】
同様に、各々のＳＣＲのゲートには、抵抗器Ｒ３７〜Ｒ４１とコンデンサＣ３２〜Ｃ３６とのシリーズ結合部が接続され、それらは、ＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲのゲートに結合される。抵抗器Ｒ３７〜Ｒ４１とコンデンサＣ３２〜Ｃ３６は、ＳＣＲ７がターンオンされたとき、ＳＣＲ７が、次にＳＣＲ８〜ＳＣＲ１２のＳＣＲのターンオン（当該順序で）を引き起こすように、十分なチャージ（電荷）をコンデンサＣ３２〜Ｃ３６に蓄電するように機能する。各コンデンサＣ３２〜Ｃ３６の電圧は、抵抗器Ｒ３１〜Ｒ３６によって分圧され、ダイオードＤ２２〜Ｄ２６によって接続される。
【００３７】
電流ダイバータスイッチ３４が作動すると、電流は、抵抗器Ｒ２〜ＨＶスイッチ２８〜抵抗器Ｒ３通路から、および電流ダイバータスイッチ３４を通して転じられる。
【００３８】
今記述している実施形態では、アークオーバ事象（または低い抵抗の状態）の検出と電流ダイバータスイッチ３４のトリガとの間に経過する時間は非常に短い。したがって、この時間スパンの間に、非常に狭いパルスのみがサンプルに印加されるか、あるいは本質的に何のパルスも印加されない。このような短い持続時間のパルス（今記述している実施形態では典型的に約５マイクロ秒）は、試料セルの損傷を防止する。
【００３９】
アークオーバ事象（または低い抵抗の状態）の検出が、マイクロコントローラ２０の制御を除いて実行される。アークオーバ事象が一旦検出されたときに、サンプルを保護するために、アークオーバ事象の検出と適切な改善措置がとられなければならない時間との間の経過時間は、今記述している実施形態のマイクロコントローラ２０が検出かつ応答できる時間よりも短い。しかし、高速度マイクロコントローラが利用可能であるならば、このような検出を行うことができると考えられる。
【００４０】
にもかかわらず、本発明のシステムは、アークオーバ事象（または低い抵抗の状態）が生じたという報告をマイクロコントローラが受信できる技術を提供する。この使命を達成する回路が図６に示されている。図５と図６を参照すると、パルスボード３６の電流ダイバータスイッチ３４が作動するとき、その接地電流はメインボード３７に、また変流器Ｔ３（図５と図６のノード５を参照）を通して転送される。変流器Ｔ３の出力は、抵抗器Ｒ４５とＲ４６およびコンデンサＣ３７を介してトランジスタＱ６のベースに結合され、これによってトランジスタＱ６のターンオンを引き起こす。トランジスタＱ６がターンオンするとき、ワンショットＵ５の入力Ａ０は、検出されたアークまたは低い抵抗事象の狭いパルスを伸ばすように動作する。パルスが伸ばされる程度は、抵抗器４８の抵抗とコンデンサＣ３８の静電容量との適切な組合せを選択することによって制御される。パルスを伸ばすことによって、比較的遅いマイクロコントローラ２０に、アークオーバ（または低い抵抗の状態）が生じ、また検出されたという報告を受信する能力が提供される。
【００４１】
次に図７を参照すると、本発明のシステムの好適な実施形態による図１のマイクロコントローラ２０およびその種々の接続部が示されている。好ましくは、マイクロコントローラ２０はモトローラのＭＣ６８ＨＣ７０５ＳＲＣ３Ｐ  ＣＭＯＳプロセッサである。このプロセッサは５Ｖの供給部によって電力が供給され、２ＭＨｚのクロック周波数で動作する。データ処理（またはサイクル）時間が１マイクロ秒であるように、クロックは２で割算される。クロックは、水晶Ｙ１、コンデンサＣ３８とＣ３９および抵抗器Ｒ４９によってマイクロコントローラ２０を用いて発生される。
【００４２】
アークオーバ事象（または低いサンプルおよび／またはキュベット３２の抵抗状態）の検出を除いて、マイクロコントローラ２０はシステム動作の大部分を制御する。このマイクロコントローラはディスプレイモジュール（図８に示した）と連系し、スイッチを読み取り、またディスプレイをマルチプレクスする。ディスプレイモジュールとの通信はコネクタＪ２による。ディスプレイは、４つのバンク（最右、最左、中央およびＬＥＤ）に分割され、各バンクはメインボード３７の外側に配置されたバンクドライバによって駆動される。各バンクには、少なくとも２ミリ秒間電力が供給され、連続的な表示を目が見るのに十分に速い速度を生じる。バンクはマイクロコントローラ２０のＰＡ３を介してＰＡＯによって制御され、また一度に１つのみのバンクに電力が供給される。ディスプレイのセグメントはポートＢ（ＰＢ０〜ＰＢ７）のビットパターンによって選択され、またバッファＵ４ＡとＵ４Ｂによって駆動される（好ましくは装置Ｎｏ．７４ＬＳ２４４Ａ）。
【００４３】
また、スイッチラインはＪ２を介してメインボード３７に入り、ラインは抵抗バンクＲＮ２の抵抗によって５Ｖまでプルアップされる。キースイッチの動作は、マイクロコントローラ２０のＰＤ７、ＰＤ６、ＰＡ５、ＰＣ５およびＰＡ７に接続しているラインをプルダウンする。これらのスイッチによって、ユーザは、キュベット３２に印加されるパルスの特性、例えば、パルスピーク電圧、連続パルスの間の時間、パルス幅等を変更できる。ユーザがサンプルにパルスを手動で印加できるように、パルスボタンも設けられている。
【００４４】
マイクロコントローラ２０はまた、ＰＡ６を「トウイッチ」して（引っ張って）、アークオーバ事象（または低い抵抗の状態）の検出についてユーザに報告することによって、警告音を発し得る。
【００４５】
Ｒ４とＲ５は精密分圧器を形成して、ＨＶコンデンサ２６が０〜３０００Ｖであるとき、２つの並列のＡ／Ｄ入力と、マイクロコントローラ２０へのＡＮ０とＡＮ１とに約０〜４．７５Ｖを供給する。Ｕ２は、ＡＮ２に印加される精密２．５００Ｖ基準（１０ｍＶの精度、低ドリフト）である。電圧基準Ｕ２の出力電圧はデジタル数に変換され、この数は、他のＡ／Ｄチャネルに導かれる数をスケーリングするために使用される。マイクロプロセッサのＡＮ０とＡＮ１の電圧はパルス振幅の正確な表示であるので、ＡＮ２において決定された数によってこれらの数をスケーリングして、５Ｖ電源によってもたらされる変化を補償することができる。得られた結果は、調整の必要がない安定したシステムである。さらに、ＡＮ２の数がある範囲内にないならば、マイクロプロセッサは、エラーモードに戻って、Ａ／ＤチャネルまたはＵ２に欠陥があることを示すことができる。
【００４６】
ＰＣ３（図７参照）をアサートし、またトランジスタＱ５をターンオンすることによって、電流ダイバータスイッチ３４をターンオンするようにマイクロコントローラ２０を構成することもできる。これによって、マイクロコントローラ２０は、ユーザまたはプログラムによって導かれるように、時間切り捨てされた指数波形を生成する。マイクロコントローラ２０が電流をダイバートして、時間切り捨てされた指数を生成するならば、変流器Ｔ３は電流を検知し、また信号がマイクロコントローラ２０に送られる。しかし、システムは、その情報を無視するようにプログラミングされるが、これは、このような情報が、切り捨てされた指数を生成するときに予想されるからである。
【００４７】
Ｕ３、すなわち再トリガ可能な単安定マルチバイブレータは、安全機構として機能するように構成され、これによって、チャージ制御回路２４は、マイクロコントローラ２０、ＰＣ０およびＰＣ６からの２つの信号が存在し、また正しい論理レベルである場合に限り、チャージを開始することができる。チャージは、ＰＣ０がロウにアサートされ、またＰＣ６がロウに「トウイッチ（引っ張られる）」される場合にのみ始まる。マイクロコントローラ２０のプログラムフローが中断されない限り、前記チャージによって、Ｕ３は本質的に連続的なパルスを供給するようにされるが、中断の場合、ＰＣ６からの「トウイッチ」（引っ張り）が起きず、その後のチャージが妨げられる。
【００４８】
他の安全面の特性は、リレーＫ１のスイッチが１２０Ｖの位置で動かなくなった場合、ＡＣ主電源からＣ１への２２０Ｖの供給を防止することに関する。この故障が生じたならば、Ｃ２（ノードＮ６）における電圧が上昇して、ツェナダイオードＤ２７の導電を引き起こし、オプト−トライアックＯＴのダイオードの導電を妨げる（逆バイアス）。次に、チャージが妨げられるであろう。ツェナダイオードＤ２７は接地への抵抗器Ｒ５１に終端することが好ましく、またこの抵抗器Ｒ５１とツェナダイオードＤ２７との接合部は、他の抵抗器Ｒ５２を通してマイクロコントローラ２０の入力ＰＣ７に接続される。故障が生じると、Ｄ２７は導電して、マイクロコントローラ２０に知らせる。マイクロコントローラ２０は応答して、エラーが生じたことをユーザに示し、チャージ制御回路２４のチャージ継続を防止する。
【００４９】
上記の説明は、本発明の好適な実施形態の完全な説明であるが、種々の代替物、修正および等価物が使用可能である。したがって、上記の説明は、添付請求項によって規定される本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のアーク防止／低減特徴を欠くソリッドステートＨＶスイッチのブロック図である。
【図２】  本発明のシステムによるアーク防止／低減コンポーネントの好適な実施形態のブロック図である。
【図３】  本発明のシステムによるチャージ（充電）制御回路および自動ラインスイッチング回路の概略図である。
【図４】  本発明のシステムによるＬＶトリガ回路およびＨＶスイッチ回路の概略図である。
【図５】  本発明のシステムによるドライバ回路および電流ダイバータスイッチ回路の概略図である。
【図６】  本発明のシステムによる変流器および増幅／パルスストレッチャ回路の概略図である。
【図７】  本発明のシステムによるマイクロコントローラおよび関連回路の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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