(續(xù)：瞬息涼炎代謝頻——動物能量代謝分析系統(tǒng)消除水蒸氣稀釋效應的技術途徑-上篇)

三、討論

       通常，動物能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)分別采集測試籠內氣體（測試氣樣）、室內空氣（對照氣樣），對比兩組氣體中O₂、CO₂各自含量變化來測算一定時間內代謝所消耗的氧氣VO₂和產(chǎn)生的二氧化碳VCO₂。
       籠內氣體經(jīng)過呼吸氣體交換后，在部分O₂被消耗的同時，動物呼出的CO₂+H₂O總量更多，不僅填補了損耗O₂的體積虧空，還促進待測氣體總量和總體積的凈增長。理論上，最終輸送至O₂、CO₂氣體分析儀的測試氣體流量（輸出流量）要大于對照氣體、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、準確地衡量初始輸入氣流與代謝后輸出氣流中CO₂、O₂含量實際發(fā)生的變化。
       為確保輸入、輸出氣流組分的等效性，需設定采樣內部參照標準（內參）。內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，無疑是最簡便、最可靠的內參選擇。系統(tǒng)無須增加專用的氣體傳感器，利用系統(tǒng)自帶的高精度O₂、CO₂和水蒸氣氣體分壓測定值，采用道爾頓氣體分壓原理和系統(tǒng)已知的標準采樣流量，即可間接測算出N2等非代謝氣體的總體積。將N₂總體積在對照氣體（等效于輸入氣體）、實際采集合測試氣體（非理論輸出體積）中體積的比值作為校準因子，結合實際測試采樣中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，從而實現(xiàn)了輸入、輸入氣流的兩種氣體含量的準確測定。Sable Promethion Core系統(tǒng)中采用的正是這一思路實現(xiàn)測試采樣氣體流量的校正。這一流量校正方法，水蒸氣不僅無須凈化，反而是盡力保全的重點測試對象之一。其間，離不開氣壓分析儀和水蒸氣分壓測定。毫無疑問，基于水O₂、CO₂和水蒸氣的氣體分壓測定和體系中非代謝氣體N₂質量守恒原理創(chuàng)立的測試輸出氣流一步式補償校正方法，是一個簡便精準O₂、CO₂測定的解決方案。
       換個角度看，無是測試氣流、對照氣流，無非都是由水蒸氣和非水蒸氣組分兩部分構成的。對于先除濕后檢測的動物能量代謝分析系統(tǒng)，如Columbus CLAMS、TSE PhenoMaster NG等，假設對照空氣中水蒸氣體積占比0.03%，實際采樣測試氣流的水蒸氣體積占比2.03%，則干燥處理后，對照氣體、測試氣體剩余非水蒸氣類氣體的總量分別相當于處理前的99.7%和97.97%。以對照氣體非水蒸氣組份氣體為參照，則測試采樣氣流量只相當于對照氣流之98.26%，不具有等效性。當輸入氣體檢測艙時，測試氣樣被自然稀釋，造成O₂、CO₂測試誤差。因此，采用水蒸氣凈化處理的話，必需校正測試采樣氣流或同時對對照氣流實施流量校正控制。校正的標準是兩組氣體干燥后氣體的氣壓或氣體流量測定值的一致。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，將測試氣流或同時對照氣流采取適當?shù)牟蓸恿垦a償控制，以確保被所剩余的非水蒸氣氣體組分含量等效性。而有效的補償采樣流量控制，不僅是測試結果可靠性的關鍵，還會增加系統(tǒng)結構之復雜性。
       可見，能量代謝分析系統(tǒng)中呼吸氣體交換率測定數(shù)據(jù)有效性、準確性的關鍵，不在于水蒸氣的稀釋效應有無和嚴重程度，而在于測試氣體采樣流量的精密校正機制。去除水蒸氣的稀釋效應，并非代謝氣體分析實驗的必然之路。
       結合本文前面的討論，可以認為：水蒸氣干燥處理并非動物能量代謝RER測定的必要條件。無論是TSE PhenoMaster NG系統(tǒng)的干燥-采樣流量校正方法，還是Sable Promethion Core測試氣體流量補償校正技術，只要補償?shù)牟蓸託怏w流量適度，都是可行的。另外，水蒸氣稀釋效應只是業(yè)內約定成俗的概念，其涵義不明確且存在片面性，實際上在動物能量代謝呼吸氣體的測定中不具有任何指導意義。因此，我們主張從采樣氣體流量校正技術方法角度，來理解和探討RER分析測試中不同品牌動物代謝氣體監(jiān)測系統(tǒng)技術設計上的差異，似乎對開發(fā)、完善這類技術設備測試性能更有啟迪價值。

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)實驗室小型凍干機的冷阱額定溫度，根據(jù)實驗樣品要求可在-20℃ ～ -104℃的大范圍內自由選擇。如德國Christ ALPHA 1-2LD Plus，冷凍擱板溫度可達-20℃，可實現(xiàn)最大凝冰效率2kg/24h。
       而動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試值、動物飲食飲水、動物行為狀態(tài)和模式監(jiān)測等眾多代謝有關測試數(shù)據(jù)有效關聯(lián)，需氣體冷凝足夠高效，以改進代謝氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生上的延遲滯后現(xiàn)象，實現(xiàn)動物行為表型與RER監(jiān)測數(shù)據(jù)的真正協(xié)調和同步化。
       低溫冷阱裝置在于室溫空氣熱交換的過程中持續(xù)對外散熱。額定工作溫度降低侯，制冷功耗和熱量排放和運行噪音水平均會水漲船高。但動物代謝監(jiān)測實驗對環(huán)境的室內氣壓和溫度條件的穩(wěn)定、室內噪音水平控制都都有特殊要求，以減少對測試動物代謝和行為表型的干擾。而這勢必會對選擇更低溫度冷阱形成制約。
       空氣熱傳導性相對較差，在冷阱冷凝性能不夠強悍的情況下，室溫水蒸氣冷凝干燥處理，若無足夠時間熱量交換時間，則水蒸氣凈化效能難以保證。這使得提升系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時同步化表現(xiàn)，面臨極大的困難。
       TSE PhenoMaster NG采用低溫冷阱除濕方法的優(yōu)勢是：運行過程中的低維護、免耗材。 

3.2 Columbus CLAMS的化學洗滌除濕法

       CLAMS Oxymax模塊除水蒸氣用的是Drierite品牌帶CoCL₂指示劑的無水硫酸鈣填裝柱。水蒸氣氣流流過干燥住的過程耗時相對較長，其次是水分子與干燥劑的吸附、解吸附過程是雙向變化的，在使用過程中，隨著有效吸附表面積的減少，水汽凈化柱效下降的問題。
       使用單根Drierite 干燥柱效用持續(xù)時間短。若兩根Drierite 干燥柱串聯(lián)使用在可將柱效持續(xù)時間延長到72小時。但隨之而來的問題是，串聯(lián)凈化柱的使用，必然使采樣氣體通過柱體的時間進一步延長。
       因此，與TSE PhenoMaster NG系統(tǒng)采用的冷阱除濕法類似，Columbus CLAMS系統(tǒng)的不僅會存在氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)與其它代謝關聯(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，使用維護經(jīng)濟簡便，但需運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與測試籠內動物尿液尿素分解釋放的NH3會發(fā)生反應而變色。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）保護水汽凈化柱。 

3.3 Sable Promethion Core之氣體流量補償校正法

       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的量之比（氣體體積與量成正比），或者說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，摒棄了對水蒸氣凈化排除處理的常規(guī)思維，運用CO₂、O₂和水蒸氣氣體分壓數(shù)據(jù)，計算代謝前后測試氣流非水蒸氣組分氣體體積的變化，運用簡單的計算方法校正測試采樣氣體流量，實現(xiàn)了CO₂、O₂氣體量、體積變化的精確測定。
       Promethion Core系統(tǒng)的測試采樣氣路中不使用水蒸氣化學洗滌柱，不等于Promethion Core系統(tǒng)絕對排除了氣體洗滌器技術的應用。
       實際上，CGF模塊安裝有氣體洗滌柱，專門用于對CO₂、O₂和水蒸氣監(jiān)測傳感器的自動校正環(huán)節(jié)。校準時，除濕柱被切換到氣路中用于去除氣流中的水蒸氣（此時，標定水蒸氣分壓值為0）。基于同樣的原理，分別采用CO₂、O₂氣體洗滌器柱去除氣流中的CO₂、O₂后，可實現(xiàn)氣體分析儀的CO₂、O₂歸詢價校正。

3.4 測試氣體流量校正方法應用對系統(tǒng)結構布局的影響
       動物能量代謝分析系統(tǒng)在呼吸交換氣體監(jiān)測中對水蒸氣處置策略的不同，決定了系統(tǒng)是否需要在測試氣路中引入水蒸氣處理環(huán)節(jié)。而一經(jīng)導入氣體除濕單元，為應對采樣氣流中水蒸氣所占氣體體積空缺后剩余氣體濃度稀釋產(chǎn)生的誤差，就得在測試采樣控制單元-氣體干燥單元流程后面額外增加一個氣體流量采集的調控實體模塊（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試氣體流量間差異問題。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，需要大型控制機架來安裝承載各監(jiān)測模塊。

       Promethion Core 系統(tǒng)的CGF控制單元的高度集成化，通過一套刀片式氣體壓力檢測模塊，基于CO₂、O₂和水蒸氣的氣壓數(shù)據(jù)，結合程序化算法自動校正采樣氣體流量，完成RER測算。
       該方法省去了物理、化學除濕環(huán)節(jié)時間消耗，氣體監(jiān)測過程得到極大簡化，實現(xiàn)RER指標相關數(shù)據(jù)以及動物各細微動作行為表型、動物狀態(tài)的高度同步化。結合SableHD高分辨采樣技術，提供高分辨率、采樣率和準確性的代謝和行為測量數(shù)據(jù)，特別有利于捕捉代謝率過程突然變化細節(jié)（如從靜息轉換到運動狀態(tài)），準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過程。此外，還降低了常規(guī)化學試劑消耗與維護成本。
       Promethion Core 系統(tǒng)無須TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS系統(tǒng)那樣使用復雜的水蒸氣凈化部件和校正控制組件，極大簡化整套系統(tǒng)布局結構，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件小型化，節(jié)省實驗空間。

參考文獻

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