(續(xù)：瞬息涼炎代謝頻——?jiǎng)游锬芰看x分析系統(tǒng)消除水蒸氣稀釋效應(yīng)的技術(shù)途徑-上篇)

三、討論

       通常，動(dòng)物能量代謝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別采集測(cè)試籠內(nèi)氣體（測(cè)試氣樣）、室內(nèi)空氣（對(duì)照氣樣），對(duì)比兩組氣體中O₂、CO₂各自含量變化來(lái)測(cè)算一定時(shí)間內(nèi)代謝所消耗的氧氣VO₂和產(chǎn)生的二氧化碳VCO₂。
       籠內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)呼吸氣體交換后，在部分O₂被消耗的同時(shí)，動(dòng)物呼出的CO₂+H₂O總量更多，不僅填補(bǔ)了損耗O₂的體積虧空，還促進(jìn)待測(cè)氣體總量和總體積的凈增長(zhǎng)。理論上，最終輸送至O₂、CO₂氣體分析儀的測(cè)試氣體流量（輸出流量）要大于對(duì)照氣體、輸入氣體的流量。如此，方可確保輸出氣流載入的氣體與輸入氣流具有等效性，真實(shí)、準(zhǔn)確地衡量初始輸入氣流與代謝后輸出氣流中CO₂、O₂含量實(shí)際發(fā)生的變化。
       為確保輸入、輸出氣流組分的等效性，需設(shè)定采樣內(nèi)部參照標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)參）。內(nèi)參氣體須在呼吸交換前后自身總量維持穩(wěn)定，根據(jù)阿伏伽德羅定律，其總體積自然保持恒定。空氣中的N₂等不參與呼吸代謝交換的氣體組份，無(wú)疑是最簡(jiǎn)便、最可靠的內(nèi)參選擇。系統(tǒng)無(wú)須增加專(zhuān)用的氣體傳感器，利用系統(tǒng)自帶的高精度O₂、CO₂和水蒸氣氣體分壓測(cè)定值，采用道爾頓氣體分壓原理和系統(tǒng)已知的標(biāo)準(zhǔn)采樣流量，即可間接測(cè)算出N2等非代謝氣體的總體積。將N₂總體積在對(duì)照氣體（等效于輸入氣體）、實(shí)際采集合測(cè)試氣體（非理論輸出體積）中體積的比值作為校準(zhǔn)因子，結(jié)合實(shí)際測(cè)試采樣中O₂、CO₂氣體分壓數(shù)據(jù)，即可還原理論輸出氣體中O₂、CO₂各自含量或體積，從而實(shí)現(xiàn)了輸入、輸入氣流的兩種氣體含量的準(zhǔn)確測(cè)定。Sable Promethion Core系統(tǒng)中采用的正是這一思路實(shí)現(xiàn)測(cè)試采樣氣體流量的校正。這一流量校正方法，水蒸氣不僅無(wú)須凈化，反而是盡力保全的重點(diǎn)測(cè)試對(duì)象之一。其間，離不開(kāi)氣壓分析儀和水蒸氣分壓測(cè)定。毫無(wú)疑問(wèn)，基于水O₂、CO₂和水蒸氣的氣體分壓測(cè)定和體系中非代謝氣體N₂質(zhì)量守恒原理創(chuàng)立的測(cè)試輸出氣流一步式補(bǔ)償校正方法，是一個(gè)簡(jiǎn)便精準(zhǔn)O₂、CO₂測(cè)定的解決方案。
       換個(gè)角度看，無(wú)是測(cè)試氣流、對(duì)照氣流，無(wú)非都是由水蒸氣和非水蒸氣組分兩部分構(gòu)成的。對(duì)于先除濕后檢測(cè)的動(dòng)物能量代謝分析系統(tǒng)，如Columbus CLAMS、TSE PhenoMaster NG等，假設(shè)對(duì)照空氣中水蒸氣體積占比0.03%，實(shí)際采樣測(cè)試氣流的水蒸氣體積占比2.03%，則干燥處理后，對(duì)照氣體、測(cè)試氣體剩余非水蒸氣類(lèi)氣體的總量分別相當(dāng)于處理前的99.7%和97.97%。以對(duì)照氣體非水蒸氣組份氣體為參照，則測(cè)試采樣氣流量只相當(dāng)于對(duì)照氣流之98.26%，不具有等效性。當(dāng)輸入氣體檢測(cè)艙時(shí)，測(cè)試氣樣被自然稀釋?zhuān)斐蒓₂、CO₂測(cè)試誤差。因此，采用水蒸氣凈化處理的話，必需校正測(cè)試采樣氣流或同時(shí)對(duì)對(duì)照氣流實(shí)施流量校正控制。校正的標(biāo)準(zhǔn)是兩組氣體干燥后氣體的氣壓或氣體流量測(cè)定值的一致。采用的方法是在氣體凈化單元之后增加氣體校正單元，在干燥處理的同時(shí)，將測(cè)試氣流或同時(shí)對(duì)照氣流采取適當(dāng)?shù)牟蓸恿垦a(bǔ)償控制，以確保被所剩余的非水蒸氣氣體組分含量等效性。而有效的補(bǔ)償采樣流量控制，不僅是測(cè)試結(jié)果可靠性的關(guān)鍵，還會(huì)增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之復(fù)雜性。
       可見(jiàn)，能量代謝分析系統(tǒng)中呼吸氣體交換率測(cè)定數(shù)據(jù)有效性、準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，不在于水蒸氣的稀釋效應(yīng)有無(wú)和嚴(yán)重程度，而在于測(cè)試氣體采樣流量的精密校正機(jī)制。去除水蒸氣的稀釋效應(yīng)，并非代謝氣體分析實(shí)驗(yàn)的必然之路。
       結(jié)合本文前面的討論，可以認(rèn)為：水蒸氣干燥處理并非動(dòng)物能量代謝RER測(cè)定的必要條件。無(wú)論是TSE PhenoMaster NG系統(tǒng)的干燥-采樣流量校正方法，還是Sable Promethion Core測(cè)試氣體流量補(bǔ)償校正技術(shù)，只要補(bǔ)償?shù)牟蓸託怏w流量適度，都是可行的。另外，水蒸氣稀釋效應(yīng)只是業(yè)內(nèi)約定成俗的概念，其涵義不明確且存在片面性，實(shí)際上在動(dòng)物能量代謝呼吸氣體的測(cè)定中不具有任何指導(dǎo)意義。因此，我們主張從采樣氣體流量校正技術(shù)方法角度，來(lái)理解和探討RER分析測(cè)試中不同品牌動(dòng)物代謝氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)上的差異，似乎對(duì)開(kāi)發(fā)、完善這類(lèi)技術(shù)設(shè)備測(cè)試性能更有啟迪價(jià)值。

3.1 TSE PhenoMaster NG的低溫冷阱除濕法

       通常，冷阱的工作溫度越低，其捕獲水蒸氣的效能越高。常規(guī)實(shí)驗(yàn)室小型凍干機(jī)的冷阱額定溫度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品要求可在-20℃ ～ -104℃的大范圍內(nèi)自由選擇。如德國(guó)Christ ALPHA 1-2LD Plus，冷凍擱板溫度可達(dá)-20℃，可實(shí)現(xiàn)最大凝冰效率2kg/24h。
       而動(dòng)物能量代謝和行為表型分析系統(tǒng)，為確保呼吸交換氣體測(cè)試值、動(dòng)物飲食飲水、動(dòng)物行為狀態(tài)和模式監(jiān)測(cè)等眾多代謝有關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)，需氣體冷凝足夠高效，以改進(jìn)代謝氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生上的延遲滯后現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)動(dòng)物行為表型與RER監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真正協(xié)調(diào)和同步化。
       低溫冷阱裝置在于室溫空氣熱交換的過(guò)程中持續(xù)對(duì)外散熱。額定工作溫度降低侯，制冷功耗和熱量排放和運(yùn)行噪音水平均會(huì)水漲船高。但動(dòng)物代謝監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的室內(nèi)氣壓和溫度條件的穩(wěn)定、室內(nèi)噪音水平控制都都有特殊要求，以減少對(duì)測(cè)試動(dòng)物代謝和行為表型的干擾。而這勢(shì)必會(huì)對(duì)選擇更低溫度冷阱形成制約。
       空氣熱傳導(dǎo)性相對(duì)較差，在冷阱冷凝性能不夠強(qiáng)悍的情況下，室溫水蒸氣冷凝干燥處理，若無(wú)足夠時(shí)間熱量交換時(shí)間，則水蒸氣凈化效能難以保證。這使得提升系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步化表現(xiàn)，面臨極大的困難。
       TSE PhenoMaster NG采用低溫冷阱除濕方法的優(yōu)勢(shì)是：運(yùn)行過(guò)程中的低維護(hù)、免耗材。 

3.2 Columbus CLAMS的化學(xué)洗滌除濕法

       CLAMS Oxymax模塊除水蒸氣用的是Drierite品牌帶CoCL₂指示劑的無(wú)水硫酸鈣填裝柱。水蒸氣氣流流過(guò)干燥住的過(guò)程耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，其次是水分子與干燥劑的吸附、解吸附過(guò)程是雙向變化的，在使用過(guò)程中，隨著有效吸附表面積的減少，水汽凈化柱效下降的問(wèn)題。
       使用單根Drierite 干燥柱效用持續(xù)時(shí)間短。若兩根Drierite 干燥柱串聯(lián)使用在可將柱效持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)到72小時(shí)。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，串聯(lián)凈化柱的使用，必然使采樣氣體通過(guò)柱體的時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)。
       因此，與TSE PhenoMaster NG系統(tǒng)采用的冷阱除濕法類(lèi)似，Columbus CLAMS系統(tǒng)的不僅會(huì)存在氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其它代謝關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)高度同步化的難題，還有可能加劇氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)不同步現(xiàn)象。

       Drierite凈化柱采用外置接入，使用維護(hù)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，但需運(yùn)行期間需定期檢查狀態(tài)活性狀態(tài)，以免影響除濕效果。
       干燥住中的指示劑容易CoCL₂與測(cè)試籠內(nèi)動(dòng)物尿液尿素分解釋放的NH3會(huì)發(fā)生反應(yīng)而變色。因此，在Drierite干燥柱前還需加裝氨氣捕獲阱（Ammonia Traps，主要成分為CuSO₂·5H₂O）保護(hù)水汽凈化柱。 

3.3 Sable Promethion Core之氣體流量補(bǔ)償校正法

       根據(jù)阿伏伽德羅定律(Avogadro's Hypothesis)，相同溫度、相同氣壓下，氣體體積比等于物質(zhì)的量之比（氣體體積與量成正比），或者說(shuō)同溫同壓下相同體積的任何氣體含有相同的分子數(shù)。
       Sable公司基于代謝呼吸交換氣體中非水蒸氣組份氣體的量和體積變化規(guī)律，摒棄了對(duì)水蒸氣凈化排除處理的常規(guī)思維，運(yùn)用CO₂、O₂和水蒸氣氣體分壓數(shù)據(jù)，計(jì)算代謝前后測(cè)試氣流非水蒸氣組分氣體體積的變化，運(yùn)用簡(jiǎn)單的計(jì)算方法校正測(cè)試采樣氣體流量，實(shí)現(xiàn)了CO₂、O₂氣體量、體積變化的精確測(cè)定。
       Promethion Core系統(tǒng)的測(cè)試采樣氣路中不使用水蒸氣化學(xué)洗滌柱，不等于Promethion Core系統(tǒng)絕對(duì)排除了氣體洗滌器技術(shù)的應(yīng)用。
       實(shí)際上，CGF模塊安裝有氣體洗滌柱，專(zhuān)門(mén)用于對(duì)CO₂、O₂和水蒸氣監(jiān)測(cè)傳感器的自動(dòng)校正環(huán)節(jié)。校準(zhǔn)時(shí)，除濕柱被切換到氣路中用于去除氣流中的水蒸氣（此時(shí)，標(biāo)定水蒸氣分壓值為0）?；谕瑯拥脑?，分別采用CO₂、O₂氣體洗滌器柱去除氣流中的CO₂、O₂后，可實(shí)現(xiàn)氣體分析儀的CO₂、O₂歸詢價(jià)校正。

3.4 測(cè)試氣體流量校正方法應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局的影響
       動(dòng)物能量代謝分析系統(tǒng)在呼吸交換氣體監(jiān)測(cè)中對(duì)水蒸氣處置策略的不同，決定了系統(tǒng)是否需要在測(cè)試氣路中引入水蒸氣處理環(huán)節(jié)。而一經(jīng)導(dǎo)入氣體除濕單元，為應(yīng)對(duì)采樣氣流中水蒸氣所占?xì)怏w體積空缺后剩余氣體濃度稀釋產(chǎn)生的誤差，就得在測(cè)試采樣控制單元-氣體干燥單元流程后面額外增加一個(gè)氣體流量采集的調(diào)控實(shí)體模塊（如TSE PhenoMaster NG系統(tǒng)氣體流量校正控制單元），解決氣體干燥處理后有效測(cè)試氣體流量間差異問(wèn)題。因此，采用水蒸氣凈化流量校正法的系統(tǒng)，各功能單元相互獨(dú)立，呈積木式、多模塊分散式布局，模塊間氣路和數(shù)據(jù)通訊傳輸線路縱橫交錯(cuò)，需要大型控制機(jī)架來(lái)安裝承載各監(jiān)測(cè)模塊。

       Promethion Core 系統(tǒng)的CGF控制單元的高度集成化，通過(guò)一套刀片式氣體壓力檢測(cè)模塊，基于CO₂、O₂和水蒸氣的氣壓數(shù)據(jù)，結(jié)合程序化算法自動(dòng)校正采樣氣體流量，完成RER測(cè)算。
       該方法省去了物理、化學(xué)除濕環(huán)節(jié)時(shí)間消耗，氣體監(jiān)測(cè)過(guò)程得到極大簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)RER指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)以及動(dòng)物各細(xì)微動(dòng)作行為表型、動(dòng)物狀態(tài)的高度同步化。結(jié)合SableHD高分辨采樣技術(shù)，提供高分辨率、采樣率和準(zhǔn)確性的代謝和行為測(cè)量數(shù)據(jù)，特別有利于捕捉代謝率過(guò)程突然變化細(xì)節(jié)（如從靜息轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)），準(zhǔn)確地記錄快速變化事件，便于研究者更清楚地掌握代謝和行為的精細(xì)過(guò)程。此外，還降低了常規(guī)化學(xué)試劑消耗與維護(hù)成本。
       Promethion Core 系統(tǒng)無(wú)須TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS系統(tǒng)那樣使用復(fù)雜的水蒸氣凈化部件和校正控制組件，極大簡(jiǎn)化整套系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件小型化，節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間。

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