瞬息凉炎代谢频——试析能量代谢分析系统呼吸气体O2含量测定方法的差异

       动物能量代谢监测系统所呼吸交换率（respiratory exchange ratio, RER）核心参数之一是耗氧量(oxygen consumption, VO₂)。它是根据特定时间内对呼吸交换前后两组采样气流中O₂含量的测试值计算得出的。动物能量代谢实验的采样气体成份复杂，既有动物身体、排泄物和呼吸释放的各种气体，也有实验室空气污染物成份。氧含量分析方法的特异性和较强抗干扰能力，是RER、VO₂测试结果精准的重要保障。
        本文就TSE PhenoMaster NG、Sable Promethion Core和Columbus CLAMS小动物能量代谢行为表型分析系统中最常用的气体O2含量分析方法类型作一粗浅探讨。
一、顺磁式氧分析仪(Paramagnetic oxygen analyzer)
       物质在外加磁场作用下会被磁化并显示一定磁性特征。

       物质被磁化后产生一感应磁场（附加磁场），感应磁场与外加磁场相叠加，新磁场强度是加强或减弱，与感应磁场的方向有关：二者同向则增强，异向则削弱。物质磁化后的感应磁场与外加磁场方向相同的，称为物质的顺磁性（Paramagnetism），若相反则称为物质的逆（反）磁性（Diamagnetism）。具有顺磁性特征的物质会被外磁场吸引，而逆磁性物质则被外磁场排斥。

       空气也会被磁化。但其组份气体中的大多数，如氮气、氩气、二氧化碳、甲烷和水蒸气等，都是逆磁性的。只有O₂、NO、NO₂等少数气体是顺磁性的。

        磁化率（Magnetic susceptibility）是指由外部磁场作用下物质被磁化的程度，用感应磁场强度M与外加磁场强度H的比值（χ=M/H）来表示。能量代谢检测有关气体的单位体积磁化率（摩尔磁化率, Molar Magnetic Susceptibility)中，O₂为+429.1，N₂为−1.51，水蒸气为−1.65 (373 K时)，CO₂为−2.64。氧气的磁化率要远超N2、水蒸气 和CO₂。
        顺磁氧分析仪（Paramagnetic Oxygen Analyzer）在工农业、实验室、医学高压氧舱、冶金等行业被广泛用于气体中氧含量的监测。其所用的顺磁氧传感器（Paramagnetic Oxygen sensor）的工作原理正是利用了O₂的顺磁性和高磁化率特征。
        简单地说，顺磁氧传感器由磁体、一对充满氮气的玻璃球及球外缠绕的纠偏控制线圈（compensation coil）组成的哑铃（dumbbell）结构和光电信号检测单元组成。哑铃由可旋转的金属丝悬浮于检测室的两个磁极间。玻璃球的中轴线中点为一反射镜，将探测光束反射到光电传感器上。

        待测气体中的氧气吸引到检测室中场强最强的磁极附近。一方面，氧气的顺磁效应和氮气的逆磁性，使得外加磁场与氧气感应磁场叠加后局部综合磁场强度增强，充氮玻璃球所受排斥力增大。另一方面，氧气在磁场中心大量聚集后，玻璃球外围近磁心侧的气体密度增大、气压增强，使球体的磁极近、远两侧气体压力发生变化，打破了哑铃在外加磁场单独存在时保持的平衡，推动着哑铃远离磁极方向运动而发生哑铃旋转。哑铃带动反光镜的旋转，使镜面反射光束投射位置发生偏移，光电管接收光强改变。光信号的改变反馈到控制单元，后者向处于磁场中的纠偏线圈输出电流，试图利用洛伦兹力产生的反向扭矩使哑铃复位。而反馈回路电流大小、线圈所提供的纠偏扭矩与输入的氧气浓度成正比。由此实现氧气浓度到测试电信号的转换。

        此过程中，磁极提供的非均匀线性渐变磁场（inhomogeneous magnetic field）、哑铃中轴与磁场中心的偏离和玻璃球的氮气填充（氮气分子量小，质量较小，负磁化率相对较高、安全可靠）是检测的关键。而磁极外形和距离，玻璃球体轴心与磁极距离，玻璃球尺寸，纠偏线路的扭矩性能等则决定检测灵敏性。此外，给定O₂浓度下，气流流速（每分钟仅几毫升）、温度的变化造成的玻璃球体位移（displacement）误差也被系统视作氧气浓度的变化。
      在动物能量代谢系统的呼吸气体监测中，由于呼吸气体中浓度快速上升的CO₂与水蒸气、测试笼中尿素分解释放的NH3等同属于逆磁性气体，会抵消部分O₂顺磁效应。还需在样气预处理过程中除去这些测量干扰气体。

二、氧化锆电池氧分析仪（Zirconia Oxygen Analyzer）
      氧化锆（Zirconia, ZrO₂）氧气分析仪的核心是氧化锆传感器模块。这是一种在纯氧化锆中添加一定比例的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y₂O₃）经高温烧制而成的ZrO₂·Y₂O₃或ZrO₂·CaO阴离子固体电解质。因ZrO₂立方晶体结构中四价Zr⁴⁺被二价Ca²⁺或三价Y³+置换，产生氧离子空穴并保持结构稳定，而具有电解液类似的电荷传递功能。
      在650 ～ 850℃高温下，从传感器一侧输入含氧气体，氧分子从铂电极获得4个电子发生还原反应，变成氧离子(O^2-)，即：

       O₂ + 4e → 2O^2-。
      氧化锆两侧氧分压（即氧浓度）不同，通过氧化锆晶体中的空穴，氧离子从氧分压大的一侧向分压小的另一侧扩散运动。当到达另一侧铂电极时，氧离子释放电子被还原成氧分子析出，即：

       2O^2-－4e → O₂。

      气体输入侧铂电极因失去电子而带正电（氧浓差电池的正极/阳极），而阳离子析出侧的铂电极得到电子而带负电(氧浓差电池的负极/阴极)。两个电极正负电荷堆积形成的电势差，称为氧浓度差电势（oxygen potential difference）。

      而根据能斯特方程（Nernst equation），温度相同时，电势差与两侧气体中氧浓差有关。若一侧氧含量（通常是空气）已知，则另一侧气体氧含量就可通过氧浓度差电势测出。

      氧化锆氧分析仪结构和采样预处理系统简单、灵敏度和分辨率高、测量范围宽、响应速度快。但同时，氧化锆传感器的固有缺点使之在呼吸气体监测中应用受限。首先，因动物排放的甲烷等挥发性有机化合物（Volatile organic compounds , VOCs）会因遇高温燃烧而消耗氧离子，导致高估氧气消耗率。其次，呼吸气体中的水蒸气会对氧化锆电池造成热冲击并极易受损。此外，传感器工作温度极高，存在高功耗和高温引起的约翰逊-奈奎斯特噪声(Johnson-Nyquist noise)。

三、燃料电池氧分析仪（Fuel Cell Oxygen Analyzer）
      燃料电池氧分析仪是采用基于氧化还原燃料电池工作原理的氧传感器检测氧含量的先进装置。传感器由阴极、阳极（为铅、银等金属）、电解液和将电解液与外界气体隔离的高分子半透膜构成。
      测试气体中的O2通过半透膜扩散进入电池阴极得到电子被还原成阴离子，与电解液中的水发生反应生成氢氧根离子∶

      O₂ +2H₂O＋4e-→4OH^-。
      OH-通过电解液传递到阳极。金属阳极与OH-发生氧化反应而失去电子∶

      Pb ＋4OH-→PbO+2H₂O＋4e^-。
      阳极生成的电子经电池外部电路输送到阴极。阴阳两极间的电流的大小与扩散到阴极参加反应的氧分子数。测定外部电路中的电流便可算出输入气体的氧含量。
      燃料电池传感器的优点包括基线漂移少、稳定性好、背景噪声低（低至 0.0001%）、分辨率高、对O₂敏感，受气体温度、气体流量变化不敏感，特别适合高纯气体中氧含量需精准控制一类应用。此外，半透膜的引入增强了体系抗污染能力。

      但因O₂在电解液中扩散所需时间较长，氧读数上升速度较快但下降速度慢。需适当增加采样气流量以加大燃料电池内气体置换速率，使之能更快响应采样气体中氧含量的变化。

四、讨论
4.1 顺磁氧含量分析法
      顺磁氧含量分析仪为美国哥伦布仪器公司开发的CLAMS综合实验室动物监测系统所采用的动物呼吸气体氧含量监测方案。主要是看中顺磁氧传感器可以对充氮玻璃球周围的O₂浓度变化快速做出反应、性能稳定和经久耐用且免维护的优势。适用于多通道代谢笼连续监测的应用实验。
       实际上，因传感器检测室的体积大、室内死腔大，测试气体的扩散和重新分布所需时间长，这意味着当采用多笼位共享一套气体测试单元的系统时（即多路复用架构，multiplex）时，整体反应速度很慢。
      Columbus CLAMS系统将其作为Oxymax模块标配时，只支持8 个笼位及以下的中小型系统的原因。若要提升multiplex架构检测笼位数，需额外增加一套Oxymax模块数量，以有效控制测试笼的采样时间和确保采样频率。
      顺磁氧传感器抵抗空气中其它气体干扰能力低，对采样气流中的CO₂、水蒸气和NH₃等逆磁性气体干扰较为敏感。因此，系统离不开需要CO₂、水蒸气和NH3净化处理柱和配套气流控制单元支持。

4.2氧化锆电池氧分析法
      氧化锆电池式氧分析技术同时被TSE PhenoMaster NG、Columbus CLAMS动物代谢行为表型分析系统用于代谢气体中O₂监测中。
      有研究表明，实验室装修材料和家具排放的VOCs中浓度较高的主要有丙酮、甲醛、萘及二氯甲烷等。VOCs含量上升会拉高代谢气体的VO₂值。因此，基于氧化锆传感器的动物代谢分析系统，对安装场地空气条件是有要求的。此外，氧化锆电池氧分析仪不适用于甲烷的检测，限制了它在微生物代谢组等以CH₄为监测目标的分析应用。
      鉴于呼吸气体中的水蒸气对氧化锆传感器的潜在损坏作用，对PhenoMaster NG、Columbus CLAMS系统而言，加装水蒸气净化处理单元不仅是消除水蒸气稀释效应的需要，更重要的是作用是为了消除水蒸气对氧气传感器的致损风险。
      氧化锆电池氧传感器运行的高温高功耗特征，只能自成一体作为独立功能模块安装和使用。

4.3燃料电池氧分析法
      Sable Promethion Core动物代谢行为表型分析系统氧气监测探头采用的是燃料电池式电化学氧传感器。《动物能量代谢分析系统消除水蒸气稀释效应的技术途径-上》文中提到Promethion Core系统的VO₂、VCO₂测定中，通过软件算法对采样流量校正，无须设置专门气体除湿单元消除测试气体中的水蒸气成份。若换个视角，基于燃料电池式氧传感器工作原理考虑，Promethion Core对水蒸气处置策略绝无问题（使得水蒸气稀释效应在事实上成为一伪命题）。而传感器半透膜的使用，则很好地排除空气其它组份气体及外源性污染物对测试结果的干扰。对比燃料电池传感器、氧化锆氧传感器二者在运行电源功耗管理和外形的差异，我们更容易理解Promethion Core系统CGF控制单元得以实现高度集成化和小型化的内在条件。
      当然，燃料电池工作寿命约为2-3年，而更换传感器所需花费不菲（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.）。

参考文献
[1] 魏茂金, 赖森财, 黄思俞, 等. 磁动式氧含量分析仪的研制. 光学精密工程, 2007,15(5):761-766
魏茂金, 刘德功, 黄思俞, 等. 磁动式测氧仪中铂丝哑铃球系统的研究. 光学技术, 2007, 33(2): 0249
[2] Krzysztof Jasek, Mateusz Pasternak, Michał 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）