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產品課堂

瞬息涼炎代謝頻——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)

       檢測呼吸氣體交換率(Respiratory exchange ratio, RER)或呼吸熵(respiratory quotient, RQ)過程中,對水蒸氣的產生影響和應對策略,德國TSE、美國Sable和Columbus三大動物能量代謝監測系統制造商間是不同的。

       TSE PhenoMaster NG代謝與行為表型分析系統的CaloSys Module,是在采樣氣路中引入物理干燥裝置-水蒸氣冷凝阱(water condensation trap)去除氣體中的水蒸氣,再進行O2和CO2測定。

       Columbus CLAMS系統則采用化學洗滌器——氣體干燥柱(Drierite Column)濾除水蒸氣后,再輸入Oxymax模塊實施氣體分析。

       Sable Promethion Core系統代謝氣體檢測模塊的核心是氣體分析儀和流量調節組合式控制單元(Combined Gas Analyzers and Flow Regulation, CGF)。測試氣流經過濾顆粒后直接輸入GA-3氣體分析儀檢測。沒有用氣體干燥處理來消除水蒸氣,而是以水蒸氣補償(Water vapor compensation)算法修正檢測誤差。

        無論TSE的冷阱冷凝、Columbus的氣體干燥柱,還是Sable的水蒸氣補償校正算法,都面臨著大量水蒸氣可能對能量代謝氣體監測產生的不利影響,即水蒸氣稀釋效應問題。

一、什么是動物能量代謝氣體檢測中的水蒸氣稀釋效應?

       常規動物能量代謝呼吸氣體監測實驗,測試籠內部采用Pull(負壓抽吸)模式控制氣體的流動和呼吸交換氣體測試的采樣。采集的氣體包括籠內采集的測試氣樣、一份從空測試籠或測試室內采集的等體積空氣對照氣樣。輸入籠內未經動物呼吸前的氣流,其組成成份、體積與對照氣樣完全相同。將輸入氣流為觀察目標,分析其中O2、CO2、H2O和N2(代表的其它不參與代謝氣體交換空氣組分)在經呼吸氣體交換前(輸入氣流,incurrent flow)、交換后(輸出氣流,excurrent flow)含量的變化,既是測算出通過呼吸消耗的O2和產生的CO2體積量化關系的必由之路,也是加深對水蒸氣稀釋效應產生機制與影響理解的關鍵。
       代謝氣體測試中的水蒸氣來源復雜,既有機體能量代謝的產物(包括動物排出糞便蒸發的水汽)、測試室內空氣中的水蒸氣,還有飲水瓶口、動物舔舐飲水過程溢灑液滴蒸發的成份。

       水蒸氣作為代謝氣體監測指標看似毫無價值,但其實,它在代謝氣體產物中的占比不容忽視。以糖、脂肪代謝反應為例:
       葡萄糖:C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
       三油酸甘油酯:C57H104O6 + 80 O2 → 57 CO2 + 52 H2O
       在葡萄糖代謝反應中,產生的H2O分子數與CO2產量、O2消耗量相等。CO2增量與O2消耗量相互抵消后,體系凈增等量的水蒸氣。脂肪代謝反應中同樣表現為CO2+H2O的增量高于O2減量,體系中氣體總量的增加。
       根據符合阿伏伽德羅定律(Avogadro's Hypothesis),同溫同壓條件下,測試氣體中組分量的變化,相應氣體體積必然發生等比例的收縮或擴展變化。
       為方便表述,規定:
       Vin代表測試采集的對照氣流,即一定時間內測試籠內輸入氣流體積;
       Vex代表輸入氣流經呼吸交換后的實際體積,是應當被系統完整采集用于分析的輸出體積;
       Fin代表初始輸入氣流中各組成氣體的氣體分壓(incurrent fractional of gas);
       Fex代表初始輸入氣流經呼吸氣體交換作用其中各組成氣體分壓的變化,即輸出氣體分壓(excurrent fractional of gas);
       N2代表不參與能量代謝反應過程的所有其它空氣組份,即非代謝氣體,在呼吸氣體交換前后,其含量(氣體量或氣體mol數)、體積均保持恒定,用藍色柱條表示。代謝氣體組分中的O2、CO2、H2O分別用綠色、紅色、黃色柱條表示。

動物能量代謝分析實驗空氣中各組分在氣體交換前后含量對比.jpg

       呼吸氣體交換前,輸入氣流中CO2、H2O含量極低。呼吸交換發生后,水蒸氣、CO2含量明顯上升,其增量在抵消O2的減量后仍有盈余。CO2、O2和水蒸氣含量此消彼長的結果是體系中氣體總量/總體積出現凈增量。
       輸入氣流中的O2總量減少,N2總量不變,但二者的分布體積都增加了,故濃度均下降。CO2含量、分布體積雖都增加了,但含量的增幅顯然大,反而表現為濃度的輕微上升。
       當系統流量控制器從測試籠內依然按對照氣體的流量即輸入流量采集測試氣樣時,其體積因小于實際應采樣體積即輸出體積。無形中,造成了O2、CO2、H2O和N2的采樣損失。因系統采樣誤差,使得各組分測試值都低于實際值,即出現了氣體濃度稀釋的假象。業內把這種現象視作水蒸氣稀釋效應(water vapor dilution)。
       而根據以上推導過程,測試值誤差是輸入氣體體積膨脹后與系統默認的輸入流量不匹配所致。而造成輸出氣流體積擴張的實際上并非僅水蒸氣一個因素,CO2在其中亦發揮了推波助瀾的關鍵作用。因此,將氣體含量值降低的稀釋效應歸結為水蒸氣稀釋效應,顯然與實情相悖,是片面、不嚴謹的。
       采樣流量系統誤差造成測試值的壓低,使測算的O2消耗顯著增加(VO2被高估)、排放CO2輕微減少(VCO2被低估),最終必是RER(RER = VCO2/VO2)被嚴重低估(dramatic underestimation)。只有將初始輸入氣流、輸出氣流中CO2、O2各自的含量差值厘定清楚,才能完整、準確地測算出代謝氣體RER。
       消除稀釋效應的技術途徑實際運用的有兩種。一是對籠內測試采樣氣體流量進行校正以減少CO2、O2流失。二是先濾除水蒸氣,再校正對照和測試氣體流量,確保輸入檢測單元的對照與測試氣體流量一致。


二、能量代謝氣體測定中水蒸氣稀釋效應的解決方案

       為了破解動物能量代謝呼吸氣體監測中的水蒸氣稀釋效應難題,TSE、Sable和Columbus各自所提供的解決方案都很有代表性。

2.1 Columbus CLAMS化學洗滌器除濕法

       以CLAMS系統Oxymax氧氣監測模塊氣路結構為例,對照、測試氣體由通用氣體調節器(Universal Gas Conditioner)采集后,先輸入氣體干燥柱(Drierite Column)除去水蒸氣,再返回調節器送往氧化鋯高速傳感器(Zirconia Oxygen Sensor)檢測。
       通用氣體調節器、氧氣檢測器、系統通用流量控制器(Universal Flow Controller)之間有信息反饋通路,控制著氣體調節器的氣體采集和輸送操作。

哥倫布綜合實驗室動物監測系統CLAMS Oxymax氣體檢測單元與水蒸氣干燥處理單元結構布局.jpg

       氣體干燥柱內裝填的是天然石膏(無水硫酸鈣)與二氯化鈷混合成份(desiccant or drying agent)。CoCL2用作吸附水蒸氣飽和程度的指示劑:柱有吸附活性時顯示為藍色,吸收水汽后漸變為藍紫色,當柱使用壽命耗盡時變為粉紅色,方便用戶根據柱體顏色變化決定柱體更換時間。

       一根干燥柱的連續工作壽命超過 36小時??梢詫筛撈饋硎褂?,可延長續航時間,避免實驗測試中斷風險。Drierite柱均可多次再生、重復使用,操作維護簡便。 

2.2 TSE PhenoMaster NG的水蒸氣冷凝除濕法

       CaloSys Module的水蒸氣凈化核心模塊包括取樣切換控制單元(Sample Switch Unit)、氣體干燥單元(Air Drying Unit)兩部分(圖中綠色虛線框所示)。取樣控制單元抽取氣體輸送至氣體干燥單元干燥處理。
        對比TSE PhenoMaster NG的CaloSys Module與Columbus CLAMS 系統Oxymax模塊會發現,二者氣路結構布局有區別:CLAMS 系統的通用氣體調節器直接連通干燥裝置和Oxymax模塊氣體檢測。而TSE系統的干燥氣體先進入校正處理控制單元(Calibration Process Control Unit),校正控制單元接收氣體并輸送給CaloSys主控單元(Calorimetry Master Process Control Unit),由后者接力傳輸至CO2/O2含量檢測單元。很明顯,單靠去除水蒸氣還難以確保測試結果的準確性。而校正控制單元一個重要功能必是對除濕氣體的流量校正。

TSE PhenoMaster NG動物能量代謝與行為表型分析系統空氣干燥單元與氣體采樣檢測單元結構布局.jpg

       低溫冷阱裝置是在冷凍干燥機、低溫離心濃縮議等儀器廣泛采用的空氣冷凝除濕手段。TSE的空氣干燥單元采用珀耳帖致冷控制冷阱,工作溫度設定為+5℃。室溫樣氣輸入后被快速冷卻,所含水蒸氣因低溫過飽和而析出、凝聚,順著冷阱內壁流入機器底部的冷凝水收集容器。容器有排水口和排水管可導出冷凝水,完成空氣與水蒸氣的分離。

       TSE提供兩種規格的空氣干燥器: 1x Air Drying Unit(單除濕通道)和4x Air Drying Unit(1-4除濕通道)。單通道除濕器與測試籠、對照籠的配置的數量一一對應。每套裝置包含上下兩級冷凝水收集器:底部收集容器和頂部分離瓶。

       4通道除濕器能連接4路氣體同時除濕。4個氣路并聯,各自有獨立管路和冷凝水收集容器。該型號可降低購置成本,并節省設備工作空間。特別適合8-16籠測試籠位系統,或需同時對多個籠位同步、連監測續的應用系統使用。 


2.3 Sable Promethion Core算法補償技術

       Promethion Core系統的水蒸氣補償技術是由CGF控制單元、PromethionLive軟件平臺和控制計算機共同完成的。CGF集氣體發生控制、氣體流量調節和氣體分析于一體。流量控制器模塊采集等分氣樣,過濾塵埃顆粒物后輸入氣體分析儀的37℃恒溫艙,進行O2、CO2和水蒸氣的同步檢測。CGF集成的多組高精度刀片式氣體檢測卡,可加快系統的數據分析進程,減少檢測數據相對于采樣的滯后效應(lag effects)。

動物能量代謝分析系統呼吸交換前后氣流組成成份的容積變化.jpg

       算法校正水蒸氣補償技術,可歸納為以下步驟:

       1)采集等體積的對照氣體(即輸入體積)、測試氣體(為實際輸出體積,非理論輸出體積),測定O2、CO2和水蒸氣的氣體分壓。

       FinCO2、FinO2、FinH2O代表各輸入氣流中的各自氣體分壓;

       FexCO2、FexO2、FexH2O代表各輸出氣流中各自氣體分壓。

       2)輸入、輸出氣流中的N2氣體分壓,分別以FinN2、FexN2表示。

       根據道爾頓分壓定律(Dalton’s of partial pressures),得到:

        FinN2 = 1 - FinCO2 - FinO2 - FinH2O

        FexN2 = 1 - FexCO2 - FexO2 - FexH2O。

       3)由N2測試實際輸出體積計算N2理論輸出體積

       輸入氣流體積用Vin表示,輸入N2初始體積為VinN2,則VinN2=Vin* FinN2;

       同理,輸出氣體體積用Vex表示,輸出N2的體積為VexN2,則VexN2=Vex* FexN2。

       N2的量在輸入、輸出氣體中理應相等,即Vin* FinN2 = Vex* FexN2。則N2的理論輸出體積VexN2 = VinN2* (FinN2/FexN2)。

       無論是輸入氣流還是輸出氣流中,而的分布是均勻的。因此,N2在輸入氣流中體積等于整個輸入氣流之體積,而代謝后應輸出氣流中N2理論體積VexN2即測試氣體的理論體積Vex公式中Vin即系統默認采樣氣流體積,是已知的)。

       4)O2、CO2理論輸出體積計算

       Vin與FinCO2、FinO2對應,得到VinO2 = Vin* FinO2,VinCO2 = Vin* FinCO2;

       Vex與FexCO2、FexO2對應,得到VexO2 = Vex* FexO2,VexCO2 =  Vex* FexCO2;

       5)完成RER計算

       VO2 = VinO2 - VexO2,VCO2 = VexCO2 - VinCO2。

       RER = VCO2/ VO2= (VexCO2 - VinCO2)/(VinO2 - VexO2)。

(待續)。

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