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  2. 產品課堂

    瞬息涼炎代謝頻——試析能量代謝分析系統呼吸氣體O2含量測定方法的差異

           動物能量代謝監測系統所呼吸交換率(respiratory exchange ratio, RER)核心參數之一是耗氧量(oxygen consumption, VO2)。它是根據特定時間內對呼吸交換前后兩組采樣氣流中O2含量的測試值計算得出的。動物能量代謝實驗的采樣氣體成份復雜,既有動物身體、排泄物和呼吸釋放的各種氣體,也有實驗室空氣污染物成份。氧含量分析方法的特異性和較強抗干擾能力,是RER、VO2測試結果精準的重要保障。
            本文就TSE PhenoMaster NG、Sable Promethion Core和Columbus CLAMS小動物能量代謝行為表型分析系統中最常用的氣體O2含量分析方法類型作一粗淺探討。
    一、順磁式氧分析儀(Paramagnetic oxygen analyzer)
           物質在外加磁場作用下會被磁化并顯示一定磁性特征。

           物質被磁化后產生一感應磁場(附加磁場),感應磁場與外加磁場相疊加,新磁場強度是加強或減弱,與感應磁場的方向有關:二者同向則增強,異向則削弱。物質磁化后的感應磁場與外加磁場方向相同的,稱為物質的順磁性(Paramagnetism),若相反則稱為物質的逆(反)磁性(Diamagnetism)。具有順磁性特征的物質會被外磁場吸引,而逆磁性物質則被外磁場排斥。

           空氣也會被磁化。但其組份氣體中的大多數,如氮氣、氬氣、二氧化碳、甲烷和水蒸氣等,都是逆磁性的。只有O?、NO、NO?等少數氣體是順磁性的。

    O2和N2等空氣組份氣體的順磁性特征.jpg

            磁化率(Magnetic susceptibility)是指由外部磁場作用下物質被磁化的程度,用感應磁場強度M與外加磁場強度H的比值(χ=M/H)來表示。能量代謝檢測有關氣體的單位體積磁化率(摩爾磁化率, Molar Magnetic Susceptibility)中,O2為+429.1,N2為?1.51,水蒸氣為?1.65 (373 K時),CO2為?2.64。氧氣的磁化率要遠超N2、水蒸氣 和CO2。
            順磁氧分析儀(Paramagnetic Oxygen Analyzer)在工農業、實驗室、醫學高壓氧艙、冶金等行業被廣泛用于氣體中氧含量的監測。其所用的順磁氧傳感器(Paramagnetic Oxygen sensor)的工作原理正是利用了O2的順磁性和高磁化率特征。
            簡單地說,順磁氧傳感器由磁體、一對充滿氮氣的玻璃球及球外纏繞的糾偏控制線圈(compensation coil)組成的啞鈴(dumbbell)結構和光電信號檢測單元組成。啞鈴由可旋轉的金屬絲懸浮于檢測室的兩個磁極間。玻璃球的中軸線中點為一反射鏡,將探測光束反射到光電傳感器上。

    Columbus CLAMS動物代謝分析系統氣體O2含量監測順磁式氧氣傳感器工作原理示意圖.jpg

            待測氣體中的氧氣吸引到檢測室中場強最強的磁極附近。一方面,氧氣的順磁效應和氮氣的逆磁性,使得外加磁場與氧氣感應磁場疊加后局部綜合磁場強度增強,充氮玻璃球所受排斥力增大。另一方面,氧氣在磁場中心大量聚集后,玻璃球外圍近磁心側的氣體密度增大、氣壓增強,使球體的磁極近、遠兩側氣體壓力發生變化,打破了啞鈴在外加磁場單獨存在時保持的平衡,推動著啞鈴遠離磁極方向運動而發生啞鈴旋轉。啞鈴帶動反光鏡的旋轉,使鏡面反射光束投射位置發生偏移,光電管接收光強改變。光信號的改變反饋到控制單元,后者向處于磁場中的糾偏線圈輸出電流,試圖利用洛倫茲力產生的反向扭矩使啞鈴復位。而反饋回路電流大小、線圈所提供的糾偏扭矩與輸入的氧氣濃度成正比。由此實現氧氣濃度到測試電信號的轉換。

    順磁氧氣傳感器的組成部件及位置關系示意圖.jpg      

            此過程中,磁極提供的非均勻線性漸變磁場(inhomogeneous magnetic field)、啞鈴中軸與磁場中心的偏離和玻璃球的氮氣填充(氮氣分子量小,質量較小,負磁化率相對較高、安全可靠)是檢測的關鍵。而磁極外形和距離,玻璃球體軸心與磁極距離,玻璃球尺寸,糾偏線路的扭矩性能等則決定檢測靈敏性。此外,給定O2濃度下,氣流流速(每分鐘僅幾毫升)、溫度的變化造成的玻璃球體位移(displacement)誤差也被系統視作氧氣濃度的變化。
          在動物能量代謝系統的呼吸氣體監測中,由于呼吸氣體中濃度快速上升的CO2與水蒸氣、測試籠中尿素分解釋放的NH3等同屬于逆磁性氣體,會抵消部分O2順磁效應。還需在樣氣預處理過程中除去這些測量干擾氣體。

    二、氧化鋯電池氧分析儀(Zirconia Oxygen Analyzer)
          氧化鋯(Zirconia, ZrO2)氧氣分析儀的核心是氧化鋯傳感器模塊。這是一種在純氧化鋯中添加一定比例的氧化鈣(CaO)或氧化釔(Y2O3)經高溫燒制而成的ZrO2·Y2O3或ZrO2·CaO陰離子固體電解質。因ZrO2立方晶體結構中四價Zr4+被二價Ca2+或三價Y3+置換,產生氧離子空穴并保持結構穩定,而具有電解液類似的電荷傳遞功能。
          在650 ~ 850℃高溫下,從傳感器一側輸入含氧氣體,氧分子從鉑電極獲得4個電子發生還原反應,變成氧離子(O2-),即:

           O2 + 4e → 2O2-。
          氧化鋯兩側氧分壓(即氧濃度)不同,通過氧化鋯晶體中的空穴,氧離子從氧分壓大的一側向分壓小的另一側擴散運動。當到達另一側鉑電極時,氧離子釋放電子被還原成氧分子析出,即:

           2O2--4e → O2。

    TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS動物代謝分析系統氣體O2含量監測的氧化鋯氧傳感器工作原理.jpg

          氣體輸入側鉑電極因失去電子而帶正電(氧濃差電池的正極/陽極),而陽離子析出側的鉑電極得到電子而帶負電(氧濃差電池的負極/陰極)。兩個電極正負電荷堆積形成的電勢差,稱為氧濃度差電勢(oxygen potential difference)。

          而根據能斯特方程(Nernst equation),溫度相同時,電勢差與兩側氣體中氧濃差有關。若一側氧含量(通常是空氣)已知,則另一側氣體氧含量就可通過氧濃度差電勢測出。

    TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS動物代謝分析系統氧化鋯氧傳感器所用氧濃度差電勢E計算公式Nernst Equation.jpg

          氧化鋯氧分析儀結構和采樣預處理系統簡單、靈敏度和分辨率高、測量范圍寬、響應速度快。但同時,氧化鋯傳感器的固有缺點使之在呼吸氣體監測中應用受限。首先,因動物排放的甲烷等揮發性有機化合物(Volatile organic compounds , VOCs)會因遇高溫燃燒而消耗氧離子,導致高估氧氣消耗率。其次,呼吸氣體中的水蒸氣會對氧化鋯電池造成熱沖擊并極易受損。此外,傳感器工作溫度極高,存在高功耗和高溫引起的約翰遜-奈奎斯特噪聲(Johnson-Nyquist noise)。

    三、燃料電池氧分析儀(Fuel Cell Oxygen Analyzer)
          燃料電池氧分析儀是采用基于氧化還原燃料電池工作原理的氧傳感器檢測氧含量的先進裝置。傳感器由陰極、陽極(為鉛、銀等金屬)、電解液和將電解液與外界氣體隔離的高分子半透膜構成。
          測試氣體中的O2通過半透膜擴散進入電池陰極得到電子被還原成陰離子,與電解液中的水發生反應生成氫氧根離子∶

          O2 +2H2O+4e-→4OH-。
          OH-通過電解液傳遞到陽極。金屬陽極與OH-發生氧化反應而失去電子∶

          Pb +4OH-→PbO+2H2O+4e-。
          陽極生成的電子經電池外部電路輸送到陰極。陰陽兩極間的電流的大小與擴散到陰極參加反應的氧分子數。測定外部電路中的電流便可算出輸入氣體的氧含量。
          燃料電池傳感器的優點包括基線漂移少、穩定性好、背景噪聲低(低至 0.0001%)、分辨率高、對O2敏感,受氣體溫度、氣體流量變化不敏感,特別適合高純氣體中氧含量需精準控制一類應用。此外,半透膜的引入增強了體系抗污染能力。

          但因O2在電解液中擴散所需時間較長,氧讀數上升速度較快但下降速度慢。需適當增加采樣氣流量以加大燃料電池內氣體置換速率,使之能更快響應采樣氣體中氧含量的變化。

    四、討論
    4.1 順磁氧含量分析法

          順磁氧含量分析儀為美國哥倫布儀器公司開發的CLAMS綜合實驗室動物監測系統所采用的動物呼吸氣體氧含量監測方案。主要是看中順磁氧傳感器可以對充氮玻璃球周圍的O2濃度變化快速做出反應、性能穩定和經久耐用且免維護的優勢。適用于多通道代謝籠連續監測的應用實驗。
           實際上,因傳感器檢測室的體積大、室內死腔大,測試氣體的擴散和重新分布所需時間長,這意味著當采用多籠位共享一套氣體測試單元的系統時(即多路復用架構,multiplex)時,整體反應速度很慢。
          Columbus CLAMS系統將其作為Oxymax模塊標配時,只支持8 個籠位及以下的中小型系統的原因。若要提升multiplex架構檢測籠位數,需額外增加一套Oxymax模塊數量,以有效控制測試籠的采樣時間和確保采樣頻率。
          順磁氧傳感器抵抗空氣中其它氣體干擾能力低,對采樣氣流中的CO2、水蒸氣和NH3等逆磁性氣體干擾較為敏感。因此,系統離不開需要CO2、水蒸氣和NH3凈化處理柱和配套氣流控制單元支持。

    4.2氧化鋯電池氧分析法
          氧化鋯電池式氧分析技術同時被TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS動物代謝行為表型分析系統用于代謝氣體中O2監測中。
          有研究表明,實驗室裝修材料和家具排放的VOCs中濃度較高的主要有丙酮、甲醛、萘及二氯甲烷等。VOCs含量上升會拉高代謝氣體的VO2值。因此,基于氧化鋯傳感器的動物代謝分析系統,對安裝場地空氣條件是有要求的。此外,氧化鋯電池氧分析儀不適用于甲烷的檢測,限制了它在微生物代謝組等以CH4為監測目標的分析應用。
          鑒于呼吸氣體中的水蒸氣對氧化鋯傳感器的潛在損壞作用,對PhenoMaster NG、Columbus CLAMS系統而言,加裝水蒸氣凈化處理單元不僅是消除水蒸氣稀釋效應的需要,更重要的是作用是為了消除水蒸氣對氧氣傳感器的致損風險。
          氧化鋯電池氧傳感器運行的高溫高功耗特征,只能自成一體作為獨立功能模塊安裝和使用。

    4.3燃料電池氧分析法
          Sable Promethion Core動物代謝行為表型分析系統氧氣監測探頭采用的是燃料電池式電化學氧傳感器?!?a title="動物能量代謝分析系統消除水蒸氣稀釋效應的技術途徑-上" href="http://www.bleubuffalo.com/classs/678.html" target="_blank">動物能量代謝分析系統消除水蒸氣稀釋效應的技術途徑-上》文中提到Promethion Core系統的VO2、VCO2測定中,通過軟件算法對采樣流量校正,無須設置專門氣體除濕單元消除測試氣體中的水蒸氣成份。若換個視角,基于燃料電池式氧傳感器工作原理考慮,Promethion Core對水蒸氣處置策略絕無問題(使得水蒸氣稀釋效應在事實上成為一偽命題)。而傳感器半透膜的使用,則很好地排除空氣其它組份氣體及外源性污染物對測試結果的干擾。對比燃料電池傳感器、氧化鋯氧傳感器二者在運行電源功耗管理和外形的差異,我們更容易理解Promethion Core系統CGF控制單元得以實現高度集成化和小型化的內在條件。
          當然,燃料電池工作壽命約為2-3年,而更換傳感器所需花費不菲(The life of a fuel cell is approximately two years(+), after which the fuel cell will need to be replaced. Replacement of the fuel cell is a minor expense.)。

     

    參考文獻
    [1] 魏茂金, 賴森財, 黃思俞, 等. 磁動式氧含量分析儀的研制. 光學精密工程, 2007,15(5):761-766
    魏茂金, 劉德功, 黃思俞, 等. 磁動式測氧儀中鉑絲啞鈴球系統的研究. 光學技術, 2007, 33(2): 0249
    [2] Krzysztof Jasek, Mateusz Pasternak, Micha? Grabka. Paramagnetic Sensors for the Determination of Oxygen Concentration in Gas Mixtures. ACS Sens. 2022, 7, 11, 3228–3242
    [3] Comprehensive Lab Animal Monitoring System Brochure( CLAMS-HC-CF-WC-2018)
    [4] PhenoMaster Calorimetry Hardware Operating Instructions (PM15_HW_CaloSys_e_01)
    [5] Technical Overview: Selecting an O2 Analyzer for Respirometry(Sable Systems White Paper_2015)

     

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