檢測呼吸氣體交換率(Respiratory exchange ratio, RER)或呼吸熵(respiratory quotient, RQ)過程中，對水蒸氣的產(chǎn)生影響和應(yīng)對策略，德國TSE、美國Sable和Columbus三大動物能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)制造商間是不同的。

       TSE PhenoMaster NG代謝與行為表型分析系統(tǒng)的CaloSys Module，是在采樣氣路中引入物理干燥裝置-水蒸氣冷凝阱(water condensation trap)去除氣體中的水蒸氣，再進(jìn)行O₂和CO₂測定。

       Columbus CLAMS系統(tǒng)則采用化學(xué)洗滌器——氣體干燥柱（Drierite Column）濾除水蒸氣后，再輸入Oxymax模塊實施氣體分析。

       Sable Promethion Core系統(tǒng)代謝氣體檢測模塊的核心是氣體分析儀和流量調(diào)節(jié)組合式控制單元（Combined Gas Analyzers and Flow Regulation, CGF）。測試氣流經(jīng)過濾顆粒后直接輸入GA-3氣體分析儀檢測。沒有用氣體干燥處理來消除水蒸氣，而是以水蒸氣補(bǔ)償（Water vapor compensation）算法修正檢測誤差。

        無論TSE的冷阱冷凝、Columbus的氣體干燥柱，還是Sable的水蒸氣補(bǔ)償校正算法，都面臨著大量水蒸氣可能對能量代謝氣體監(jiān)測產(chǎn)生的不利影響，即水蒸氣稀釋效應(yīng)問題。

一、什么是動物能量代謝氣體檢測中的水蒸氣稀釋效應(yīng)？

       常規(guī)動物能量代謝呼吸氣體監(jiān)測實驗，測試籠內(nèi)部采用Pull（負(fù)壓抽吸）模式控制氣體的流動和呼吸交換氣體測試的采樣。采集的氣體包括籠內(nèi)采集的測試氣樣、一份從空測試籠或測試室內(nèi)采集的等體積空氣對照氣樣。輸入籠內(nèi)未經(jīng)動物呼吸前的氣流，其組成成份、體積與對照氣樣完全相同。將輸入氣流為觀察目標(biāo)，分析其中O₂、CO₂、H₂O和N₂（代表的其它不參與代謝氣體交換空氣組分）在經(jīng)呼吸氣體交換前（輸入氣流，incurrent flow）、交換后（輸出氣流，excurrent flow）含量的變化，既是測算出通過呼吸消耗的O₂和產(chǎn)生的CO₂體積量化關(guān)系的必由之路，也是加深對水蒸氣稀釋效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制與影響理解的關(guān)鍵。
       代謝氣體測試中的水蒸氣來源復(fù)雜，既有機(jī)體能量代謝的產(chǎn)物（包括動物排出糞便蒸發(fā)的水汽）、測試室內(nèi)空氣中的水蒸氣，還有飲水瓶口、動物舔舐飲水過程溢灑液滴蒸發(fā)的成份。

       水蒸氣作為代謝氣體監(jiān)測指標(biāo)看似毫無價值，但其實，它在代謝氣體產(chǎn)物中的占比不容忽視。以糖、脂肪代謝反應(yīng)為例：
       葡萄糖：C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O
       三油酸甘油酯：C₅₇H₁₀₄O₆ + 80 O₂ → 57 CO₂ + 52 H₂O
       在葡萄糖代謝反應(yīng)中，產(chǎn)生的H₂O分子數(shù)與CO₂產(chǎn)量、O₂消耗量相等。CO₂增量與O₂消耗量相互抵消后，體系凈增等量的水蒸氣。脂肪代謝反應(yīng)中同樣表現(xiàn)為CO₂+H₂O的增量高于O₂減量，體系中氣體總量的增加。
       根據(jù)符合阿伏伽德羅定律(Avogadro's Hypothesis)，同溫同壓條件下，測試氣體中組分量的變化，相應(yīng)氣體體積必然發(fā)生等比例的收縮或擴(kuò)展變化。
       為方便表述，規(guī)定：
       V_in代表測試采集的對照氣流，即一定時間內(nèi)測試籠內(nèi)輸入氣流體積；
       V_ex代表輸入氣流經(jīng)呼吸交換后的實際體積，是應(yīng)當(dāng)被系統(tǒng)完整采集用于分析的輸出體積；
       F_in代表初始輸入氣流中各組成氣體的氣體分壓(incurrent fractional of gas)；
       F_ex代表初始輸入氣流經(jīng)呼吸氣體交換作用其中各組成氣體分壓的變化，即輸出氣體分壓（excurrent fractional of gas）；
       N₂代表不參與能量代謝反應(yīng)過程的所有其它空氣組份，即非代謝氣體，在呼吸氣體交換前后，其含量（氣體量或氣體mol數(shù)）、體積均保持恒定，用藍(lán)色柱條表示。代謝氣體組分中的O₂、CO₂、H₂O分別用綠色、紅色、黃色柱條表示。

       呼吸氣體交換前，輸入氣流中CO₂、H₂O含量極低。呼吸交換發(fā)生后，水蒸氣、CO₂含量明顯上升，其增量在抵消O₂的減量后仍有盈余。CO₂、O₂和水蒸氣含量此消彼長的結(jié)果是體系中氣體總量/總體積出現(xiàn)凈增量。
       輸入氣流中的O₂總量減少，N₂總量不變，但二者的分布體積都增加了，故濃度均下降。CO₂含量、分布體積雖都增加了，但含量的增幅顯然大，反而表現(xiàn)為濃度的輕微上升。
       當(dāng)系統(tǒng)流量控制器從測試籠內(nèi)依然按對照氣體的流量即輸入流量采集測試氣樣時，其體積因小于實際應(yīng)采樣體積即輸出體積。無形中，造成了O₂、CO₂、H₂O和N₂的采樣損失。因系統(tǒng)采樣誤差，使得各組分測試值都低于實際值，即出現(xiàn)了氣體濃度稀釋的假象。業(yè)內(nèi)把這種現(xiàn)象視作水蒸氣稀釋效應(yīng)（water vapor dilution）。
       而根據(jù)以上推導(dǎo)過程，測試值誤差是輸入氣體體積膨脹后與系統(tǒng)默認(rèn)的輸入流量不匹配所致。而造成輸出氣流體積擴(kuò)張的實際上并非僅水蒸氣一個因素，CO₂在其中亦發(fā)揮了推波助瀾的關(guān)鍵作用。因此，將氣體含量值降低的稀釋效應(yīng)歸結(jié)為水蒸氣稀釋效應(yīng)，顯然與實情相悖，是片面、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/strong>
       采樣流量系統(tǒng)誤差造成測試值的壓低，使測算的O₂消耗顯著增加（VO₂被高估）、排放CO₂輕微減少（VCO₂被低估），最終必是RER（RER = VCO₂/VO₂）被嚴(yán)重低估（dramatic underestimation）。只有將初始輸入氣流、輸出氣流中CO₂、O₂各自的含量差值厘定清楚，才能完整、準(zhǔn)確地測算出代謝氣體RER。
       消除稀釋效應(yīng)的技術(shù)途徑實際運(yùn)用的有兩種。一是對籠內(nèi)測試采樣氣體流量進(jìn)行校正以減少CO₂、O₂流失。二是先濾除水蒸氣，再校正對照和測試氣體流量，確保輸入檢測單元的對照與測試氣體流量一致。

二、能量代謝氣體測定中水蒸氣稀釋效應(yīng)的解決方案

       為了破解動物能量代謝呼吸氣體監(jiān)測中的水蒸氣稀釋效應(yīng)難題，TSE、Sable和Columbus各自所提供的解決方案都很有代表性。

2.1 Columbus CLAMS化學(xué)洗滌器除濕法

       以CLAMS系統(tǒng)Oxymax氧氣監(jiān)測模塊氣路結(jié)構(gòu)為例，對照、測試氣體由通用氣體調(diào)節(jié)器（Universal Gas Conditioner）采集后，先輸入氣體干燥柱（Drierite Column）除去水蒸氣，再返回調(diào)節(jié)器送往氧化鋯高速傳感器（Zirconia Oxygen Sensor）檢測。
       通用氣體調(diào)節(jié)器、氧氣檢測器、系統(tǒng)通用流量控制器（Universal Flow Controller）之間有信息反饋通路，控制著氣體調(diào)節(jié)器的氣體采集和輸送操作。

       氣體干燥柱內(nèi)裝填的是天然石膏（無水硫酸鈣）與二氯化鈷混合成份（desiccant or drying agent）。CoCL₂用作吸附水蒸氣飽和程度的指示劑：柱有吸附活性時顯示為藍(lán)色，吸收水汽后漸變?yōu)樗{(lán)紫色，當(dāng)柱使用壽命耗盡時變?yōu)榉奂t色，方便用戶根據(jù)柱體顏色變化決定柱體更換時間。

       一根干燥柱的連續(xù)工作壽命超過 36小時?？梢詫筛?lián)起來使用，可延長續(xù)航時間，避免實驗測試中斷風(fēng)險。Drierite柱均可多次再生、重復(fù)使用，操作維護(hù)簡便。 

2.2 TSE PhenoMaster NG的水蒸氣冷凝除濕法

       CaloSys Module的水蒸氣凈化核心模塊包括取樣切換控制單元（Sample Switch Unit）、氣體干燥單元（Air Drying Unit）兩部分（圖中綠色虛線框所示）。取樣控制單元抽取氣體輸送至氣體干燥單元干燥處理。
        對比TSE PhenoMaster NG的CaloSys Module與Columbus CLAMS 系統(tǒng)Oxymax模塊會發(fā)現(xiàn)，二者氣路結(jié)構(gòu)布局有區(qū)別：CLAMS 系統(tǒng)的通用氣體調(diào)節(jié)器直接連通干燥裝置和Oxymax模塊氣體檢測。而TSE系統(tǒng)的干燥氣體先進(jìn)入校正處理控制單元（Calibration Process Control Unit），校正控制單元接收氣體并輸送給CaloSys主控單元（Calorimetry Master Process Control Unit），由后者接力傳輸至CO2/O2含量檢測單元。很明顯，單靠去除水蒸氣還難以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。而校正控制單元一個重要功能必是對除濕氣體的流量校正。

       低溫冷阱裝置是在冷凍干燥機(jī)、低溫離心濃縮議等儀器廣泛采用的空氣冷凝除濕手段。TSE的空氣干燥單元采用珀耳帖致冷控制冷阱，工作溫度設(shè)定為+5℃。室溫樣氣輸入后被快速冷卻，所含水蒸氣因低溫過飽和而析出、凝聚，順著冷阱內(nèi)壁流入機(jī)器底部的冷凝水收集容器。容器有排水口和排水管可導(dǎo)出冷凝水，完成空氣與水蒸氣的分離。

       TSE提供兩種規(guī)格的空氣干燥器： 1x Air Drying Unit（單除濕通道）和4x Air Drying Unit（1-4除濕通道）。單通道除濕器與測試籠、對照籠的配置的數(shù)量一一對應(yīng)。每套裝置包含上下兩級冷凝水收集器：底部收集容器和頂部分離瓶。

       4通道除濕器能連接4路氣體同時除濕。4個氣路并聯(lián)，各自有獨立管路和冷凝水收集容器。該型號可降低購置成本，并節(jié)省設(shè)備工作空間。特別適合8-16籠測試籠位系統(tǒng)，或需同時對多個籠位同步、連監(jiān)測續(xù)的應(yīng)用系統(tǒng)使用。 

2.3 Sable Promethion Core算法補(bǔ)償技術(shù)

       Promethion Core系統(tǒng)的水蒸氣補(bǔ)償技術(shù)是由CGF控制單元、PromethionLive軟件平臺和控制計算機(jī)共同完成的。CGF集氣體發(fā)生控制、氣體流量調(diào)節(jié)和氣體分析于一體。流量控制器模塊采集等分氣樣，過濾塵埃顆粒物后輸入氣體分析儀的37℃恒溫艙，進(jìn)行O₂、CO₂和水蒸氣的同步檢測。CGF集成的多組高精度刀片式氣體檢測卡，可加快系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析進(jìn)程，減少檢測數(shù)據(jù)相對于采樣的滯后效應(yīng)（lag effects）。

       算法校正水蒸氣補(bǔ)償技術(shù)，可歸納為以下步驟:

       1）采集等體積的對照氣體（即輸入體積）、測試氣體(為實際輸出體積，非理論輸出體積)，測定O₂、CO₂和水蒸氣的氣體分壓。

       F_inCO₂、F_inO₂、F_inH₂O代表各輸入氣流中的各自氣體分壓；

       F_exCO₂、F_exO₂、F_exH₂O代表各輸出氣流中各自氣體分壓。

       2）輸入、輸出氣流中的N₂氣體分壓，分別以F_inN₂、F_exN₂表示。

       根據(jù)道爾頓分壓定律（Dalton’s of partial pressures），得到：

        F_inN₂ = 1 - F_inCO₂ - F_inO₂ - F_inH₂O

        F_exN₂ = 1 - F_exCO₂ - F_exO₂ - F_exH₂O。

       3）由N₂測試實際輸出體積計算N₂理論輸出體積

       輸入氣流體積用V_in表示，輸入N₂初始體積為V_inN₂，則V_inN₂=V_in* F_inN₂；

       同理，輸出氣體體積用V_ex表示，輸出N₂的體積為V_exN₂，則V_exN₂=V_ex* F_exN₂。

       N₂的量在輸入、輸出氣體中理應(yīng)相等，即V_in* F_inN₂ = V_ex* F_exN₂。則N2的理論輸出體積V_exN₂ = V_inN₂* (F_inN₂/F_exN₂)。

       無論是輸入氣流還是輸出氣流中，而的分布是均勻的。因此，N2在輸入氣流中體積等于整個輸入氣流之體積，而代謝后應(yīng)輸出氣流中N2理論體積V_exN₂即測試氣體的理論體積V_ex（公式中Vin即系統(tǒng)默認(rèn)采樣氣流體積，是已知的）。

       4）O₂、CO₂理論輸出體積計算

       V_in與F_inCO₂、F_inO₂對應(yīng)，得到V_inO₂ = V_in* F_inO₂，V_inCO₂ = V_in* F_inCO₂；

       V_ex與F_exCO₂、F_exO₂對應(yīng)，得到V_exO₂ = V_ex* F_exO₂，V_exCO₂ =  V_ex* F_exCO₂；

       5）完成RER計算

       VO₂ = V_inO₂ - V_exO₂，VCO₂ = V_exCO₂ - V_inCO₂。

       RER = VCO₂/ VO₂= (V_exCO₂ - V_inCO₂)/(V_inO₂ - V_exO₂)。

（待續(xù)）。