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氢呼吸试验采用和分析技术(4)

氢呼吸试验最重要的诊断作用是能无创分析血液内氢气的浓度,或准确判断氢气的作用剂量,这是氢气医学非常有价值有意义的指标。这也是我们重点学习这一材料的关键原因。今天我们学习如何采集呼吸气体,并介绍分析呼吸气体中氢气含量的技术。

 

和生活最接近的是查酒驾让驾驶员吹气测定酒精浓度,这和氢呼吸试验的基本原理是一样一样的,只是分析酒精和分析氢气的方法不一样。查酒驾还需要抽血化验血液酒精浓度,氢气浓度分析也一样,如果要有更准确的氢气剂量数据,也需要抽血分析血液中的氢气浓度。
 

四、氢呼吸试验的采样方法
 

氢呼气试验中,呼气样品的采集方法和程序都非常重要。首先要理解背景校正的重要性。分析氢气和甲烷时,ppm是一种非常低的浓度,如何避免吸入空气中甲烷和氢气的干扰就十分重要了。理想的方法是让受试者吸入清洁的空气,但在使用中难度比较大。也可以用室内空气作为本底去除其中氢气和甲烷的浓度。
 

氢呼气试验分析口腔盲肠过渡时间时,一般是口服乳果糖。但是乳果糖不是生理状态,且重复性不强。也有口服牛奶代替乳果糖,但牛奶不是一个理想的工具,因为牛奶是液体,氢气浓度可能受到乳糖酶水平的影响。
 

测试前12小时禁食,患者对采气袋吹气采集肺泡气,将袋子吹满。根据测试的目的患者口服一定剂量乳糖、蔗糖、山梨糖醇、果糖、乳果糖等。然后每15分钟采集一次气样,持续3-5小时。
 

什么是肺泡气。呼出气主要由两部分构成,一部分是来自上呼吸道的未与血液发生气体交换的约200ml死腔气,另一部分是与血液发生了气体交换的来自肺泡深处的气体约300-500ml,称为肺泡气。全部呼出气体中氢气浓度一般比肺泡气样本中的浓度低两到三倍。用于诊断的呼出气分析为排除死腔气的肺泡气。图4为肺泡气采集方法。

氢呼吸试验采用和分析技术(4)

图4 肺泡气体采集方法
 

有一种相对简单的采样塑料袋,受试者只需要屏住呼吸3秒,然后呼出2秒后对采样袋吹气。美国胸外科学会发表过具体的肺泡气体采样建议。

氢呼吸试验采用和分析技术(4)

图5 氢呼气试验分析系统
 

五、氢呼气试验分析方法
 

采集到的气体一般直接进行氢浓度分析,少数用固相微萃取后分析。用于气体成分分析技术有很多,可分为三类。
 

(1)传统的分析技术是气相色谱GC,结合质谱(MS)或火焰离子化检测仪(FID),或更新的离子迁移谱。(2) 气相色谱结合金属氧化物气体传感器。(3)新型传感器(电子鼻)。
 

气相色谱主要的作用是气体成分分离,也具有浓缩分析成分的作用。图5显示了呼吸气成分分析系统的模式图。分析气样被惰性气体(即载气,也叫流动相)带入色谱柱,柱内含有液体或固体固定相,由于样品中各组分沸点、极性或吸附性能不同,每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气是流动的,这种平衡实际上很难建立起来。也正是由于载气的流动,使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸附,结果是在载气中浓度大的组分先流出色谱柱,而在固定相中分配浓度大的组分后流出。这样就产生了气体成分的分离目的。
 

虽然GC–FID(气相火焰离子化检测仪)是最常用的气相色谱气体分析方法,但是这种方法不能分析氢气,因为分析过程中需要用氢气作为火焰燃料。
 

离子迁移谱也称离子迁移率谱,是在 20 世纪 70 年代初出现的一种新的气相分离和检测技术。它以离子漂移时间的差别来进行离子的分离定性,借助类似于色谱保留时间的概念,起初被称为等离子体色谱。离子迁移谱特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测,如化学战剂、毒品、爆炸物和大气污染物等,已经广泛地应用在机场安检和战地勘查,并在环境监测、工业生产等方面有应用。离子迁移谱可以和质谱整合,可以获得更好的分析准确性和分析效率。但离子迁移谱对分析氢气和甲烷也不是理想方法。
 

金属氧化物半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体n型半导体气敏传感器接触还原性气体电阻下降。n型金属氧化物半导体比p型敏感性高,典型的n型金属氧化物半导体有氧化锡,典型的p型金属氧化物半导体有氧化镍和三氧化四钴。GC结合n型金属氧化物半导体是各种呼吸气体成分的强大分析系统。许多研究报道,如果系统调整适当,GC–MS、GC–FID和GC+半导体的精确度没有显著差别。但是GC和半导体结合敏感度更高,使用也更简便。电子鼻是用多种特定气体感受器组成,模拟生物嗅觉的系统,能分析气体的浓度。一般来说,电子鼻更便宜、方便、分析速度快,一般30分钟内可分析一个样品。
 

主成分分析(PCA)是一种统计方法。通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换为一组线性不相关的变量,转换后的这组变量叫主成分。曾经有报道用电子鼻分析烧伤病灶气体成分,使用主成分分析统计方法寻找主成分,用于感染细菌类型的诊断。虽然主成分分析对氢气分析没有必要,但这种方法的临床应用比较重要,尤其是寻找和氢气相关的其他有重要生理病理价值的气体。
 

新型电子鼻感受器使用功能化金纳米颗粒,这些颗粒用各种有机物进行功能化改造,能分析多种特异性气体分子。这种电子鼻不需要对气样进行预处理,操作简单快速。最近这方面研究重点优化感受器材料,提高选择性和对水分等敏感性危害因素的耐受力。氧化锡是最敏感的金属氧化物感受器材料,通过改变处理过程改变形态可提高敏感性。
 

对于氢呼吸试验,使用热导式气体传感器传感器设备(THS)敏感度和选择性都能满足需要,在含有水蒸气和甲烷、酒精、一氧化碳等多种可燃性气体的混合气中检测出ppm级的氢气。这种感受器不仅有比较高的选择性,而且反应速度快,适合呼吸过程的实时分析。
 

后记,有一些反对氢气医学的人士提出一个证据是,来自肠道内细菌每天能产生12升氢气,如果氢气有作用,喝氢水中溶解的微量氢气不可能产生效果。其实根据呼吸气氢浓度分析的数据看,人体内一般氢气含量极其稀少,甚至有许多人检测不到。所谓12升的说法根本就是推测,不是真实的情况,因为血液和呼吸气体中氢气才真正代表氢气产生作用的浓度。少数人浓度高也是因为饮食成分导致,这些体内氢气浓度比较高的人,氢气有可能会发挥作用。
 

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