光干涉型甲烷測定儀的改進(jìn)

光干涉型甲烷測定儀的改進(jìn)

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中，對呼吸中氧氣、二氧化碳和氣體含量的監(jiān)測越來越受到重視。在發(fā)達(dá)國家,氣體監(jiān)測已被列為基本監(jiān)測項(xiàng)目。常見的檢測方法有氣相色譜法、氧化還原電池法、電化學(xué)極譜法、順磁法、質(zhì)譜法和紅外線分析法等,而純光學(xué)方法未見系統(tǒng)研究。作者將國產(chǎn)GWJ-1A光干涉型甲烷測定器進(jìn)行改造,自制成光干涉氧氣、二氧化碳檢測儀;將國產(chǎn)GWJ-2光干涉型甲烷測定器進(jìn)行改造,自制成麻醉氣體檢測儀,無論背景呼出氣體氧氣含量多少,均能準(zhǔn)確測出呼吸氣體中揮發(fā)性吸入麻醉氣體含量,拓寬了原機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域(以上三種氣體檢測儀統(tǒng)稱為麻醉氣體檢測儀)。光干涉麻醉氣體檢測儀于1999年研制完畢并通過山西省科委鑒定,不但可以滿足臨床需要,并具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定重復(fù)性好的特點(diǎn)。1機(jī)器原理1.1gwj-2型光學(xué)原理GWJ-1A光干涉型甲烷測定儀光學(xué)原理和測量氣室結(jié)構(gòu)見圖1。由光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡成平行光通過狹縫,到達(dá)平面鏡O點(diǎn)分成Ⅰ和Ⅱ兩束光,分別經(jīng)過氣室和折光棱鏡匯聚到平面鏡O′點(diǎn),形成干涉光柵。干涉光柵再經(jīng)一棱鏡轉(zhuǎn)向90°,通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)即可在目鏡刻度盤上觀察光柵條紋的偏移。GWJ-1A型氣室長12cm,兩端有光學(xué)玻璃封閉,內(nèi)部隔成互不相通的三室,中間大,為測量室,兩側(cè)小,為參比室。每一氣室兩端各有一個(gè)與外界相通的排氣口。原氣室氣路連接見圖2。氣體樣本由e口吸入,通過測量氣室,經(jīng)b口到吸球排出。參比室分為左右兩室經(jīng)a,d口串聯(lián)后通過f口接盤形管放空與大氣壓平衡。GWJ-2型光學(xué)原理與GWJ-1A型相同。所不同的是:①該機(jī)氣室長2.4cm;②氣室分為互不相通的兩室。原機(jī)測量氣室的結(jié)構(gòu)和連接見圖3。氣體樣本由c口吸入,通過測量氣室,經(jīng)b口和吸球排出。參比室a口封閉,d口通過盤形管放空與大氣壓平衡并防止參比室中純凈空氣成分改變。兩機(jī)參比室內(nèi)填充純凈空氣。當(dāng)測量室內(nèi)也為空氣時(shí),干涉條紋位置為零。如果測量室內(nèi)除空氣外,還有甲烷成分,則測量室的氣體折光率改變,干涉條紋即發(fā)生偏移,其位移量與甲烷含量成正比。由于設(shè)計(jì)上的局限性,GWJ-1A型與GWJ-2型光干涉型甲烷測定儀只能測定空氣內(nèi)甲烷和二氧化碳的含量。而麻醉中患者的呼吸氣體氧氣含量遠(yuǎn)高于空氣,而且變化范圍極大,干涉光柵劇烈偏移,無法在非空氣背景下完成測量。1.2參比室復(fù)合式空氣采集改造GWJ-1A型氣室氣路連接如圖4。以一側(cè)原參比氣室為測量室,氣體樣本由c口正壓推入,由d口排出。a-b口連通組成參比室,e口封閉,f口接盤形管放空與大氣壓平衡并防止參比室中純凈空氣成分改變。參比室內(nèi)填充純凈空氣,當(dāng)測量室內(nèi)也為空氣時(shí),光柵條紋位于21%相當(dāng)刻度,本地值為17(甲烷刻度)。如果樣品氣體氧氣含量改變,光干涉條紋相應(yīng)偏移,其位移量與氧氣含量成正比,即可實(shí)現(xiàn)定量檢測。1.3氣體中二氧化碳的吸收改造GWJ-1A型氣室氣路連接如圖5。氣體樣本由b口進(jìn)入測量室,出e口進(jìn)吸收室,再入a口,經(jīng)c-f口連通參比室,由d口排出。吸收室內(nèi)填充鈉石灰,特異吸收通過氣體中的二氧化碳。當(dāng)氣體樣本為空氣時(shí),參比室和測量室內(nèi)均為空氣,光柵條紋位置為零。如果樣品氣體含有二氧化碳,則測量室內(nèi)有二氧化碳,而進(jìn)入?yún)⒈仁覛怏w中的二氧化碳已在吸收室內(nèi)被吸收,氣體成分和相對含量與測量室的溶劑氣體相同。兩室之間折光率差別為二氧化碳含量差所致,干涉條紋偏移量與二氧化碳含量成正比,即可實(shí)現(xiàn)定量檢測。1.4麻醉氣體的吸收和濃度在GWJ-2型原氣室內(nèi)增加一個(gè)隔板,使其成為三室互不相通結(jié)構(gòu),同時(shí)增加兩個(gè)排氣口,使每一個(gè)氣室兩端均有排氣口。改造氣室氣路連接如圖6。氣體樣本由b口進(jìn)入測量室,出e口進(jìn)吸收室,再入a口,經(jīng)c-f口連通參比室,由d口排出。吸收室內(nèi)填充ZX-15活性碳。特異吸收揮發(fā)性麻醉氣體。當(dāng)氣體樣本為無麻醉氣體的混合氣體時(shí),參比室和測量室內(nèi)均為混合氣體,光柵條紋位置為零。如果樣品氣體含有揮發(fā)性麻醉氣體,測定室內(nèi)有麻醉氣體,而進(jìn)入?yún)⒈仁覂?nèi)氣體中麻醉氣體已在吸收室內(nèi)吸收,氣體成分和相對含量與測量室溶劑氣體相同,折光率差別引起的干涉條紋偏移量與麻醉氣體濃度成正比,不受混合氣體濃度的影響。即可實(shí)現(xiàn)定量檢測。2儀器的定標(biāo)和線性檢測2.1線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)分析光干涉氧氣檢測儀用空氣(氧濃度20.9%)調(diào)零,然后注入醫(yī)用氧氣(純度:99.8%),記錄光柵甲烷刻度(D)。按下式計(jì)算換算系數(shù)(K)。K=(99.8-20.9)/D用下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(1013hPa,20℃)下?lián)Q算系數(shù)(K′)Κ′=Κ×Ρ1013×293273+ΤK′=K×P1013×293273+T式中P為當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮?hPa),T為實(shí)驗(yàn)室溫(℃)。本地?fù)Q算系數(shù)為1.22。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)換算系數(shù)為1.09。本地空氣調(diào)定值為17甲烷刻度。定量公式為:FO2(%)=K×D式中FO2為氧氣含量(%),D為原機(jī)甲烷刻度值,K為換算系數(shù)。線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)分析見表1和圖7。最大相對變異系數(shù)為2.9%。線性良好,r=0.9999,P<0.01。2.2線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)分析光干涉二氧化碳監(jiān)測儀用空氣(二氧化碳含量:0.0%)調(diào)零,然后注入標(biāo)氣(二氧化碳?xì)?百分濃度5.0%,純度99.9%),記錄光柵甲烷刻度(D)。按下式計(jì)算換算系數(shù)。K=5/D計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(1013hPa,20℃)換算系數(shù)(K′)Κ=Κ×Ρ1013×293273+ΤK=K×P1013×293273+T式中P為當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮?hPa),T為實(shí)驗(yàn)室溫(℃)。實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)負(fù)Q算系數(shù)為1.1。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)換算系數(shù)為1.002。線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)分析見表2和圖8。線性良好,r=0.9987,P<0.01。2.3測定指標(biāo)及方法用精密微量注射器分別抽取五種常用吸入麻醉劑藥液10μl注入100ml配氣注射器,待藥液完全汽化后,吸入空氣至100ml。定量藥液完全汽化的氣體體積除以100即為該標(biāo)氣的理論百分濃度(FA%)。定量揮發(fā)性吸入麻醉劑藥液完全汽化的氣體體積計(jì)算公式為:VG=VL×d×22.4Μ×101.3Ρ×273+Τ273式中VG為麻醉氣體體積(ml),VL為麻醉劑藥液體積(μl),d為吸入麻醉劑藥液比重(g),M為麻醉劑毫克分子量(mg),P為當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮?kPa),T為實(shí)驗(yàn)室溫度。將上述標(biāo)氣分別注入光干涉儀,每次100ml,重復(fù)四次。記錄每次儀器光柵偏移的甲烷刻度值(D)。計(jì)算ˉD±S。計(jì)算相對變異系數(shù)(CV):CV=S/ˉD×100%計(jì)算當(dāng)?shù)負(fù)Q算系數(shù)(K)Κ=VG/ˉD計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(1013hPa,20℃)換算系數(shù)(K′)Κ′=Κ×Ρ1013×293273+Τ式中P為當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮?hPa),T為實(shí)驗(yàn)室溫(℃)。選擇作者單位常用吸入麻醉劑安氟醚和異氟醚進(jìn)行檢測線性分析。用精細(xì)微量注射器分別抽取10,15,20,25μl藥液注入100ml配氣注射器配制系列標(biāo)氣,檢測方法同前。定量計(jì)算公式:FA(%)=D×K式中FA為某吸入麻醉氣體濃度;D為光柵偏移甲烷刻度值;K為某吸入麻醉劑的當(dāng)?shù)匦Ｕ禂?shù)。五種常用吸入麻醉劑K,K′值和變異系數(shù)見表3。最大相對變異系數(shù)為1.71%。安氟醚檢測線性分析見表4,圖9。線性良好,r=0.9998。P<0.01。異氟醚線性分析見表5、圖10。線性良好,r=0.9997。P<0.01。3光干涉測氧儀的工作原理在近代物理學(xué)發(fā)展中,光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步始終處在前沿。光干涉是光學(xué)基本技術(shù)之一,雖然歷史悠久,但其發(fā)展仍在繼續(xù)。目前仍廣泛用于天文、光譜研究、精密測量等尖端領(lǐng)域。在我國的煤礦瓦斯監(jiān)測中,光干涉儀仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是利用光干涉法測定氧氣、二氧化碳和麻醉氣體的研究不常見。作者改造的光干涉氧氣檢測儀樣本氣體僅通過一側(cè)參比氣室,減少一半光程,有效地降低了靈敏度,并適應(yīng)光柵負(fù)向偏移的特點(diǎn);二氧化碳檢測儀采用串聯(lián)氣室,中間吸收方法,使樣本氣體先經(jīng)過測量室,然后進(jìn)入吸收室,其中的鈉石灰特異吸收二氧化碳,剩余的溶劑氣體全部進(jìn)入?yún)⒈仁?而后排出。這樣,參比室內(nèi)和測量室中除二氧化碳含量差以外,溶劑氣體的成分和相對含量一致,即可在任何溶劑氣體下完成二氧化碳含量的測量;吸入麻醉氣體監(jiān)測儀的原理同二氧化碳檢測儀,即可在不同溶劑氣體中測出揮發(fā)性吸入麻醉氣體含量。光干涉測量原理為參比氣室和測量氣室的氣體相同時(shí)干涉條紋位置為零,兩室之間只有一種氣體差別時(shí),可以圓滿地完成測量。因此1)光干涉測氧儀檢測呼吸氣體時(shí)應(yīng)預(yù)先去除其中的二氧化碳和麻醉氣體,