摘 要 目的改造国产GWJ-1A、GWJ-2型光干涉型甲烷测定仪,探讨其用于检测呼吸气中气体含量的可行性。方法经采取改接气室气路、中间化学和特异吸收等方法,克服原机只能测定空气中甲烷和二氧化碳,且在高氧环境下不能工作的技术局限。结果光干涉麻醉气体检测仪能准确测出医学临床呼吸气中的氧气、二氧化碳、挥发性吸入麻醉气体含量。结论光干涉麻醉气体检测仪性能稳定,线性良好,造价低廉,适用于一般临床常规使用。
在现代医学临床中,患者呼吸气体中氧气、二氧化碳、挥发性吸入麻醉气体含量的监测日益受到重视。在发达国家,气体监测已被列为基本监测项目。常见的检测方法有气相色谱法、氧化还原电池法、电化学极谱法、顺磁法、质谱法和红外线分析法等,而纯光学方法未见系统研究。
作者将国产GWJ-1A光干涉型甲烷测定器进行改造,自制成光干涉氧气、二氧化碳检测仪;将国产GWJ-2光干涉型甲烷测定器进行改造,自制成麻醉气体检测仪,无论背景呼出气体氧气含量多少,均能确测出呼吸气体中挥发性吸入麻醉气体含量,拓宽了原机的应用领域(以上三种气体检测仪统称为麻醉气体检测仪)。光干涉麻醉气体检测仪于1999年研制完毕并通过山西省科委鉴定,不但可以满足临床需要,并具有价格低廉、稳定重复性好的特点。
1 仪器原理
1·1 国产光干涉型甲烷测定仪简介
GWJ-1A光干涉型甲烷测定仪光学原理和测量气室结构见图1。由光源发出的光经聚光镜成平行光通过狭缝,到达平面镜O点分成Ⅰ和Ⅱ两束光,分别经过气室和折光棱镜汇聚到平面镜O′点,形成干涉光栅。干涉光栅再经一棱镜转向90°,通过望远镜系统即可在目镜刻度盘上观察光栅条纹的偏移。
GWJ-1A型气室长12cm,两端有光学玻璃封闭,内部隔成互不相通的三室,中间大,为测量室,两侧小,为参比室。每一气室两端各有一个与外界相通的排气口。原气室气路连接见图2。气体样本由e口吸入,通过测量气室,经b口到吸球排出。参比室分为左右两室经a,d口串联后通过f口接盘形管放空与大气压平衡。
GWJ-2型光学原理与GWJ-1A型相同。所不同的是:①该机气室长2.4cm;②气室分为互不相通的两室。原机测量气室的结构和连接见图3。气体样本由c口吸入,通过测量气室,经b口和吸球排出。参比室a口封闭,d口通过盘形管放空与大气压平衡并防止参比室中纯净空气成分改变。
两机参比室内填充纯净空气。当测量室内也为空气时,干涉条纹位置为零。如果测量室内除空气外,还有甲烷成分,则测量室的气体折光率改变,干涉条纹即发生偏移,其位移量与甲烷含量成正比。由于设计上的局限性,GWJ-1A型与GWJ-2型光干涉型甲烷测定仪只能测定空气内甲烷和二氧化碳的含量。而麻醉中患者的呼吸气体氧气含量远高于空气,而且变化范围极大,干涉光栅剧烈偏移,无法在非空气背景下完成测量。
1·2 光干涉型氧气检测仪改造方法
改造GWJ-1A型气室气路连接如图4。以一侧 原参比气室为测量室,气体样本由c口正压推入,
由d口排出。a-b口连通组成参比室,e口封闭,f口接盘形管放空与大气压平衡并防止参比室中纯净空气成分改变。参比室内填充纯净空气,当测量室内也为空气时,光栅条纹位于21%相当刻度,本地值为17(甲烷刻度)。如果样品气体氧气含量改变,光干涉条纹相应偏移,其位移量与氧气含量成正比,即可实现定量检测。
1·3 光干涉型二氧化碳检测仪改造方法
改造GWJ-1A型气室气路连接如图5。
气体样本由b口进入测量室,出e口进吸收室,再入a口,经c-f口连通参比室,由d口排出。吸收室内填充钠石灰,特异吸收通过气体中的二氧化碳。当气体样本为空气时,参比室和测量室内均为空气,光栅条纹位置为零。如果样品气体含有二氧化碳,则测量室内有二氧化碳,而进入参比室气体中的二氧化碳已在吸收室内被吸收,气体成分和相对含量与测量室的溶剂气体相同。两室之间折光率差别为二氧化碳含量差所致,干涉条纹偏移量与二氧化碳含量成正比,即可实现定量检测。
1·4 光干涉吸入麻醉气体检测仪改造方法在GWJ-2型原气室内增加一个隔板,使其成为三室互不相通结构,同时增加两个排气口,使每一个气室两端均有排气口。
改造气室气路连接如图6。气体样本由b口进入测量室,出e口进吸收室,再入a口,经c-f口连通参比室,由d口排出。吸收室内填充ZX-15活性碳。特异吸收挥发性麻醉气体。当气体样本为无麻醉气体的混合气体时,参比室和测量室内均为混合气体,光栅条纹位置为零。如果样品气体含有挥发性麻醉气体,测定室内有麻醉气体,而进入参比室内气体中麻醉气体已在吸收室内吸收,气体成分和相对含量与测量室溶剂气体相同,折光率差别引起的干涉条纹偏移量与麻醉气体浓度成正比,不受混合气体浓度的影响。即可实现定量检测。
2 仪器的定标和线性检测
2·1 氧气检测仪的定标和线性分析
光干涉氧气检测仪用空气(氧浓度20.9%)调零,然后注入医用氧气(纯度:99.8%),记录光栅甲烷刻度(D)。按下式计算换算系数(K)。
2·2 二氧化碳检测仪的定标和线性分析光干涉二氧化碳监测仪用空气(二氧化碳含量:0.0%)调零,然后注入标气(二氧化碳气:百分浓度5.0%,纯度99.9%),记录光栅甲烷刻度(D)。按下式计算换算系数。
K=5/D
计算标准状态(1013hPa,20℃)换算系数(K′)
式中P为当时当地大气压(hPa),T为实验室温(℃)。实验当时当地换算系数为1.1。标准状态换算系数为1.002。
线性实验数据及相关分析见表2和图8。线性良好,r=0.9987,P<0.01。
2·3 吸入麻醉气体检测仪的定标和线性分析
用精密微量注射器分别抽取五种常用吸入麻醉剂药液10μl注入100ml配气注射器,待药液完全汽化后,吸入空气至100ml。定量药液完全汽化的气体体积除以100即为该标气的理论百分浓度(FA%)。定量挥发性吸入麻醉剂药液完全汽化的气体体积计算公式为:
五种常用吸入麻醉剂K,K′值和变异系数见表3。最大相对变异系数为1.71%。
异氟醚线性分析见表5、图10。线性良好,r=0.9997。P<0.01
3 讨 论
在近代物理学发展中,光学技术的进步始终处在前沿。光干涉是光学基本技术之一,虽然历史悠久,但其发展仍在继续。目前仍广泛用于天文、光谱研究、精密测量等尖端领域。在我国的煤矿瓦斯监测中,光干涉仪仍然占据着主导地位。但是利用光干涉法测定氧气、二氧化碳和麻醉气体的研究不常见。
作者改造的光干涉氧气检测仪样本气体仅通过一侧参比气室,减少一半光程,有效地降低了灵敏度,并适应光栅负向偏移的特点;二氧化碳检测仪采用串联气室,中间吸收方法,使样本气体先经过测量室,然后进入吸收室,其中的钠石灰特异吸收二氧化碳,剩余的溶剂气体全部进入参比室,而后排出。这样,参比室内和测量室中除二氧化碳含量差以外,溶剂气体的成分和相对含量一致,即可在任何溶剂气体下完成二氧化碳含量的测量;吸入麻醉气体监测仪的原理同二氧化碳检测仪,即可在不同溶剂气体中测出挥发性吸入麻醉气体含量。
光干涉测量原理为参比气室和测量气室的气体相同时干涉条纹位置为零,两室之间只有一种气体差别时,可以圆满地完成测量。因此1)光干涉测氧仪检测呼吸气体时应预先去除其中的二氧化碳和麻醉气体,以免干扰测量。2)吸入麻醉气体监测仪吸收室内的活性碳除了吸附有机气体外,对二氧化碳也有不完全的滞留,干扰吸入麻醉气体的测定。应当注意的是:光干涉检测仪属于密度反应型仪表,测量值受大气压和温度的影响。
11523例临床试用,性能稳定,经实验室对照评价,结果测量准确,线性良好,充分证实光干涉氧气检测仪、二氧化碳检测仪和吸入麻醉气体监测仪可以满意地用于临床麻醉的气体监测。
本文作者：李吉顺 赵嘉训 武继民 马增艳
