動(dòng)物能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)所呼吸交換率（respiratory exchange ratio, RER）核心參數(shù)之一是耗氧量(oxygen consumption, VO₂)。它是根據(jù)特定時(shí)間內(nèi)對呼吸交換前后兩組采樣氣流中O₂含量的測試值計(jì)算得出的。動(dòng)物能量代謝實(shí)驗(yàn)的采樣氣體成份復(fù)雜，既有動(dòng)物身體、排泄物和呼吸釋放的各種氣體，也有實(shí)驗(yàn)室空氣污染物成份。氧含量分析方法的特異性和較強(qiáng)抗干擾能力，是RER、VO₂測試結(jié)果精準(zhǔn)的重要保障。
        本文就TSE PhenoMaster NG、Sable Promethion Core和Columbus CLAMS小動(dòng)物能量代謝行為表型分析系統(tǒng)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(zhì)在外加磁場作用下會被磁化并顯示一定磁性特征。

       物質(zhì)被磁化后產(chǎn)生一感應(yīng)磁場（附加磁場），感應(yīng)磁場與外加磁場相疊加，新磁場強(qiáng)度是加強(qiáng)或減弱，與感應(yīng)磁場的方向有關(guān)：二者同向則增強(qiáng)，異向則削弱。物質(zhì)磁化后的感應(yīng)磁場與外加磁場方向相同的，稱為物質(zhì)的順磁性（Paramagnetism），若相反則稱為物質(zhì)的逆（反）磁性（Diamagnetism）。具有順磁性特征的物質(zhì)會被外磁場吸引，而逆磁性物質(zhì)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(shù)，如氮?dú)狻鍤狻⒍趸肌⒓淄楹退魵獾?/span>，都是逆磁性的。只有O?、NO、NO?等少數(shù)氣體是順磁性的。

        磁化率（Magnetic susceptibility）是指由外部磁場作用下物質(zhì)被磁化的程度，用感應(yīng)磁場強(qiáng)度M與外加磁場強(qiáng)度H的比值（χ=M/H）來表示。能量代謝檢測有關(guān)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(shí))，CO₂為?2.64。氧氣的磁化率要遠(yuǎn)超N2、水蒸氣 和CO₂。
        順磁氧分析儀（Paramagnetic Oxygen Analyzer）在工農(nóng)業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)高壓氧艙、冶金等行業(yè)被廣泛用于氣體中氧含量的監(jiān)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?dú)獾牟Ａ蚣扒蛲饫p繞的糾偏控制線圈（compensation coil）組成的啞鈴（dumbbell）結(jié)構(gòu)和光電信號檢測單元組成。啞鈴由可旋轉(zhuǎn)的金屬絲懸浮于檢測室的兩個(gè)磁極間。玻璃球的中軸線中點(diǎn)為一反射鏡，將探測光束反射到光電傳感器上。

        待測氣體中的氧氣吸引到檢測室中場強(qiáng)最強(qiáng)的磁極附近。一方面，氧氣的順磁效應(yīng)和氮?dú)獾哪娲判裕沟猛饧哟艌雠c氧氣感應(yīng)磁場疊加后局部綜合磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，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(cè)的氣體密度增大、氣壓增強(qiáng)，使球體的磁極近、遠(yuǎn)兩側(cè)氣體壓力發(fā)生變化，打破了啞鈴在外加磁場單獨(dú)存在時(shí)保持的平衡，推動(dòng)著啞鈴遠(yuǎn)離磁極方向運(yùn)動(dòng)而發(fā)生啞鈴旋轉(zhuǎn)。啞鈴帶動(dòng)反光鏡的旋轉(zhuǎn)，使鏡面反射光束投射位置發(fā)生偏移，光電管接收光強(qiáng)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(chǎn)生的反向扭矩使啞鈴復(fù)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(shí)現(xiàn)氧氣濃度到測試電信號的轉(zhuǎn)換。

        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?dú)馓畛洌ǖ獨(dú)夥肿恿啃。|(zhì)量較小，負(fù)磁化率相對較高、安全可靠）是檢測的關(guān)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(tǒng)視作氧氣濃度的變化。
      在動(dòng)物能量代謝系統(tǒng)的呼吸氣體監(jiān)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(yīng)。還需在樣氣預(yù)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(jīng)高溫?zé)贫傻腪rO₂·Y₂O₃或ZrO₂·CaO陰離子固體電解質(zhì)。因ZrO₂立方晶體結(jié)構(gòu)中四價(jià)Zr⁴⁺被二價(jià)Ca²⁺或三價(jià)Y³+置換，產(chǎn)生氧離子空穴并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(cè)輸入含氧氣體，氧分子從鉑電極獲得4個(gè)電子發(fā)生還原反應(yīng)，變成氧離子(O^2-)，即：

       O₂ + 4e → 2O^2-。
      氧化鋯兩側(cè)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(cè)向分壓小的另一側(cè)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)另一側(cè)鉑電極時(shí)，氧離子釋放電子被還原成氧分子析出，即：

       2O^2-－4e → O₂。

      氣體輸入側(cè)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(cè)的鉑電極得到電子而帶負(fù)電(氧濃差電池的負(fù)極/陰極)。兩個(gè)電極正負(fù)電荷堆積形成的電勢差，稱為氧濃度差電勢（oxygen potential difference）。

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

      氧化鋯氧分析儀結(jié)構(gòu)和采樣預(yù)處理系統(tǒng)簡單、靈敏度和分辨率高、測量范圍寬、響應(yīng)速度快。但同時(shí)，氧化鋯傳感器的固有缺點(diǎn)使之在呼吸氣體監(jiān)測中應(yīng)用受限。首先，因動(dòng)物排放的甲烷等揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile organic compounds , VOCs）會因遇高溫燃燒而消耗氧離子，導(dǎo)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(jìn)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(gòu)成。
      測試氣體中的O2通過半透膜擴(kuò)散進(jìn)入電池陰極得到電子被還原成陰離子，與電解液中的水發(fā)生反應(yīng)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(fā)生氧化反應(yīng)而失去電子∶

      Pb ＋4OH-→PbO+2H₂O＋4e^-。
      陽極生成的電子經(jīng)電池外部電路輸送到陰極。陰陽兩極間的電流的大小與擴(kuò)散到陰極參加反應(yīng)的氧分子數(shù)。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(yōu)點(diǎn)包括基線漂移少、穩(wěn)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(zhǔn)控制一類應(yīng)用。此外，半透膜的引入增強(qiáng)了體系抗污染能力。

      但因O₂在電解液中擴(kuò)散所需時(shí)間較長，氧讀數(shù)上升速度較快但下降速度慢。需適當(dāng)增加采樣氣流量以加大燃料電池內(nèi)氣體置換速率，使之能更快響應(yīng)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(fā)的CLAMS綜合實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物監(jiān)測系統(tǒng)所采用的動(dòng)物呼吸氣體氧含量監(jiān)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(yīng)、性能穩(wěn)定和經(jīng)久耐用且免維護(hù)的優(yōu)勢。適用于多通道代謝籠連續(xù)監(jiān)測的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。
       實(shí)際上，因傳感器檢測室的體積大、室內(nèi)死腔大，測試氣體的擴(kuò)散和重新分布所需時(shí)間長，這意味著當(dāng)采用多籠位共享一套氣體測試單元的系統(tǒng)時(shí)（即多路復(fù)用架構(gòu)，multiplex）時(shí)，整體反應(yīng)速度很慢。
      Columbus CLAMS系統(tǒng)將其作為Oxymax模塊標(biāo)配時(shí)，只支持8 個(gè)籠位及以下的中小型系統(tǒng)的原因。若要提升multiplex架構(gòu)檢測籠位數(shù)，需額外增加一套Oxymax模塊數(shù)量，以有效控制測試籠的采樣時(shí)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(tǒng)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(shù)同時(shí)被TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS動(dòng)物代謝行為表型分析系統(tǒng)用于代謝氣體中O₂監(jiān)測中。
      有研究表明，實(shí)驗(yàn)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(dòng)物代謝分析系統(tǒng)，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(jiān)測目標(biāo)的分析應(yīng)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(tǒng)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(yīng)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?lián)p風(fēng)險(xiǎn)。
      氧化鋯電池氧傳感器運(yùn)行的高溫高功耗特征，只能自成一體作為獨(dú)立功能模塊安裝和使用。

4.3燃料電池氧分析法
      Sable Promethion Core動(dòng)物代謝行為表型分析系統(tǒng)氧氣監(jiān)測探頭采用的是燃料電池式電化學(xué)氧傳感器。《動(dòng)物能量代謝分析系統(tǒng)消除水蒸氣稀釋效應(yīng)的技術(shù)途徑-上》文中提到Promethion Core系統(tǒng)的VO₂、VCO₂測定中，通過軟件算法對采樣流量校正，無須設(shè)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(gè)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(yīng)在事實(shí)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(jié)果的干擾。對比燃料電池傳感器、氧化鋯氧傳感器二者在運(yùn)行電源功耗管理和外形的差異，我們更容易理解Promethion Core系統(tǒng)CGF控制單元得以實(shí)現(xiàn)高度集成化和小型化的內(nèi)在條件。
      當(dāng)然，燃料電池工作壽命約為2-3年，而更換傳感器所需花費(fèi)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(xiàn)
[1] 魏茂金, 賴森財(cái), 黃思俞, 等. 磁動(dòng)式氧含量分析儀的研制. 光學(xué)精密工程, 2007,15(5):761-766
魏茂金, 劉德功, 黃思俞, 等. 磁動(dòng)式測氧儀中鉑絲啞鈴球系統(tǒng)的研究. 光學(xué)技術(shù), 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）