摘要
　　吸入低浓度一氧化氮气体已广泛用于医学临床，选择性扩张肺血管平滑肌和改善通气/血流比值促进氧合。利用一氧化氮与臭氧产生化学发光反应释放出特征光原理，我们开发研制了YY-1型医用氮氧化物浓度监测仪，并参照国家技术监督局颁布的国家计量检定规程，对其主要性能进行测试鉴定。该仪器除体积小、重量轻、预热时间短和转换室温度低效率高适合临床应用外，其各项性能指标均超过国家技术监督局颁布的标准。其线性相关、零点漂移、跨度漂移和响应时间均优于国外同类仪器。样机在本科临床试用6个月，证实性能稳定、反应灵敏、抗干扰强及采气量小等优点适合临床应用。
　　关键词　一氧化氮　化学发光法　浓度监测
　　一氧化氮(NO)是工业废气之一，可造成空气污染，引发多种疾病。自1987年Moncada证实NO是内皮依赖性松驰因子(EDRF)气态形式后，NO的生理和药理受到全世界医学界关注[1]。吸入低浓度NO气体已广泛用于慢性肺高压、成人呼吸窘迫综合症(ARDS)和新生儿持续性肺高压[2]，选择性扩张肺血管平滑肌和改善通气/血流比例促进氧合[3]。另外，NO气体性质极不稳定，与氧气接触后迅速氧化为二氧化氮(NO2 )毒性很强，NO2 又可转化为亚硝酸和硝酸，引起严重肺水肿、酸性肺炎和死亡[4,5]。NO2 量与NO浓度、氧浓度、接触时间和温度密切相关[1,6]。因此应用NO气体临床治疗时，持续监测吸入气中NO、NO2 及氧浓度，对减少毒性产物的摄入预防毒付作用极为重要。化学发光法氮氧化物浓度分析法是环保和工业中公认的标准方法。环保和工业NO/NOx 监测仪除结构复杂、体积庞大、重量沉和预热时间长外，正压采气、气样量大、NO2 -NO转换室温度高达630℃且效率低等，不能满足医学临床和科研要求。为此我们开发研制了YY-1型医用氮氧化物浓度监测仪，并参照国家技术监督局颁布的国家计量检定规程，对其主要性能进行测试鉴定。
　　资　料　和　方　法
　　工作原理：
　　化学发光法NO/NOx 分析仪于1970年在美国问世，该仪器利用NO与臭氧(O3 )产生化学发光反应的原理测定氮氧化物[7]。仪器内部O3 发生器采集室内空气，经辉光放电产生的O3 直接进入反应室。当含有NO的样品气和O3 在反应室内相遇时，就会立即发生化学反应生成NO2 ：
　　　　　　　　　　　　　 3O2 →2O3
　　　　　　　　　　　　　 NO+O3 →NO2 * +O2
　　　　　　　　　　 NO2 * →NO2 +hv
　　NO2 * 是激发态二氧化氮，占NO2 生成量的10%。NO2 * 回到基态时发射出波长为590-2500纳米范围的光(h为普朗克常数,v为发射光子的频率)。在O3 过量的情况下，发光强度与进入反应室的NO量成正比。光电倍增管接受光能后转变为电信号，经放大器放大后以PPM浓度的形式反应在显示上。样品气NO2 经高温转换成NO，与样品气中原有NO一起进入反应室发生化学发光反应，测出总的NO量即NOx 量后，减去首次测出的NO量即为NO2 量。因此，样品气NO2 可由下面的计算得出：
　　　　　　　　　　[NO2 ]=[NOX ]-[NO]
　　气路控制(见图1)：
　　当气路部分工作时，抽气泵3工作使反应室1处于恒定负压状态，负压值可由负压表2显示，由可调节的负压阀4来定值。由于反应室处于恒定负压状态，由过滤器5净化的空气经由限流毛细管6定量地流经臭氧发生器7后进入反应室。如样气中含有NO，在反应室中发生反应。反应室1中的光经过红滤光片13由S-20阴极光电倍增管14接收并转换成电流信号，经放大器15放大后由显示器16以PPM浓度形式显示出来。高压电源17供光电倍增管工作，排气口18排出尾气。反应室1、滤光片13和光电倍增管14装在具有光和电磁屏蔽的金属外套中共同组成光电变送器。如打开电磁阀10开关，气路切换，样气经过滤器9后进入NO2 －NO转换室12。样气中NO2 在转换室中定量的转换成NO，连同样气中原有的NO一起经电磁阀和限流毛细管11进入反应室，化学发光反应后，显示器上显示出NOx 含量(NO2 ＋NO)。从采样口8输入干净空气可对仪器进行零点校准；输入NO标准气可对仪器进行跨度校准。
　　技术改进：
　　在原环保和工业用化学发光法氮氧化物浓度监测仪基础上，对核心电子部件和气路控制部分作了重大改进。光电倍增管、O3 发生器、NO2 －NO转换器和气样采集系统等采用国内元件，进行测试后进行改进。O3 发生器由O2 载气长放电管改为空气载气短放电管；NO2 －NO转换器由钢制的PCM-2转换器改为钼制的MSC-831转换器；气样采集系统由正压大量进气改为负压可调式进气。
　　性能指标鉴定方法：
　　各种浓度标准NO气体和78PPM的NO2 气体，由国家标准物质研究中心提供。以FLABED RECORDER MODEL FBR-252A(TOA Electronics Ltd Japan)记录鉴定结果。以室内空气为零点气体，77.7PPM标准NO气体为信号气体，对样机进行了鉴定。NO和NO2 满量程均为100PPM，稳定示值为仪器屏幕显示读数不变时的值，最大差值为仪器每一读数与标准含量差值中最大者。
　　1　零点漂移　以零点气校正仪器零点后，连续通零点气4小时，计算最大差值与满量程之比。
　　2　跨度漂移　以零点气校正仪器零点后，连续通信号气1小时，计算最大差值与满量程之比。
　　3　精密度　以零点气校正仪器零点后，通信号气读取稳定示值，重复测量6次。计算标准差与满量程之比。
　　4　线性误差　用零点气和信号气对仪器进行校正后，分别通入15.6PPM、35.4PPM、56.8PPM、和77.7PPM标准NO气体读取稳定示值，每点重复3次取平均值。以最小二乘法计算线性回归方程。求各点实验值与线性方程计算值之差，计算差值最大者与满量程之比。
　　5　基本误差　用零点气和信号气对仪器进行校正后，通信号气读取稳定示值，重复3次取平均值。计算该平均值与信号气标准值的差值。
　　6　NO2 转换效率　将仪器选择开关置于NOx ，通入78PPM标准NO2 气体读取稳定示值。按下式计算转换率：
　　　 转换率＝测定的NOx 量/标准NO2 量
　　7　响应时间　用零点气和信号气对仪器进行校正后，通信号气读取稳定示值。再用零点气清洗仪器气路校正零点后，通入同一信号气，用上海产秒表记录从信号气通入到仪器示值达到第一次示值90%的时间。重复3次，计算平均值。
　　8　电源电压影响　在仪器电源上连接一个调压变压器(TDG2/250自藕调压变压器,北京椿树电器厂)，按仪器额定电压(220V)通入信号气读取稳定示值；再按额定电压的±10%改变电压(200V和240V)，通入同一信号气读取各点稳定示值。求各电压下测量值与标准值之差，计算最大差值与满量程之比。
　　临床应用鉴定：
　　选择心脏病合并肺高压术中机械通气的成人患者28例，吸入低浓度NO气体治疗。以YY-1型氮氧化物浓度监测仪持续监测吸入气中NO和NO2 浓度，监测仪采样量调至300ml/min。在监测仪开始工作前后分别采取动脉血样，以GEM Premier血气分析仪进行血气分析。对动脉血气CO2 值进行配对t检验，观察在呼吸回路中采集气样后对气体交换的影响。
　　结果
　　光电倍增管采用GDB54，臭氧发生器由长放电管氧气载气改为短放电管空气载气，NO2 －NO转换器由PCM-2型改为MSC-831型，使NO2 －NO转换器温度由630℃降低到370℃转换效率高达99%以上。采气方式由1-2L/min正压进样改为50-300ml/min负压进样。YY-1型氮氧化物浓度监测仪各项性能指标见表1，样机主机体积440mm×360mm×160mm。经临床试用证实性能稳定、操作简便及反应灵敏，基本能满足临床要求。仪器各项性能指标鉴定结果如下：
　　
指　标　　　　 　　 仪 器 示 值(PPM)
　 1 2 3 4 5 6 最小 最大 平均
零点漂移(PPM)　　　 　 0 1
跨度漂移(PPM) 　 77.7 78.4
响应时间(秒) 　 14.22 14.31 14.56 14.36
基本误差(PPM) 　 77.7 77.7 77.6 77.67
精密度　(PPM)　　 77.7 77.7 77.6 77.5 77.5 77.4 77.6

线性误差(见图2)
NO标准气(PPM) 15.6 35.4 56.8 77.7
仪器示值(PPM) 15.3 34.6 55.3 75.6
相关系数(r) 0.99999
线性方程 y=0.1879+0.9706x
差 值 0.03 -0.05 0.02 0.004
NO2 转换效率
转换室温度指示灯闪亮时 71÷78×100%=91%
转换室温度稳定1小时后 　　77.9÷78×100%=99.87%
电源电压影响
电压(V) 200 220 240
示值(PPM) 77.9 77.7 77.6
临床应用
　　 仪器工作前动脉血气Pco2 为29.89±4.59mmhg，仪器工作后动脉血气Pco2 为31.00±3.89mmhg，两者无明显差异(P>0.05)。
　　讨论
　　目前可用于监测NO/NOx 浓度的方法很多，如化学发光法、电化学法、红外线吸收法、紫外线吸收法、气相色谱和质谱法等[8]，但是专为医学科研和临床应用设计的NO/NOx 浓度监测仪尚缺乏。虽然气相色谱和质谱法是分析氮氧化物含量的金标准(gold standard)，但用于临床长时间连续监测有困难。Stenqvist等对红外线吸收法、化学发光法和电化学法三种不同仪器，用于呼吸回路中NOx 浓度监测结果进行了比较[9]。他们发现红外线吸收法影响因素较多特别是受湿度影响较大，化学发光法和电化学法比较稳定受湿度影响较小。电化学法氮氧化物浓度监测仪尽管小巧方便，但化学电池寿命仅6个月左右，在使用后期误差常常较大。在缺乏医用氮氧化物浓度监测仪情况下，大多数医学研究借用环保和工业用化学发光法氮氧化物浓度分析仪。化学发光法分析仪于1970年在美国问世，该仪器利用NO与O3 产生化学发光反应，释放出特征光的原理测定氮氧化物[9]。该原理工作的仪器具有灵敏度高(PPB级)、抗干扰性强(特征光)、线性范围宽(0--1000PPM均呈线性)和可连续监测等优点，在环保和工业领域得到广泛应用。但环保和工业NOx 监测仪，结构复杂除为分体式、体积庞大、重量沉和预热时间长外，正压采气、气样量大、NO2 -NO转换室温度高达630℃且效率低等，不能满足医学临床和科研要求(见表2)。另外，环保和工业氮氧化物分析工作时，由于"熄光(quenching)"现象干扰，仪器NO和NO2 读书可能偏低；因活泼的NO2 分子中只有部分在释放能量时发出光子，其余部分在反应室内与其它分子相互碰撞失活不发出光子。熄光的量与周围气体的性质和浓度有关，特别是在高氧环境中。工业和环保用监测仪不锈钢NO2 －NO转换室内熄光现象值得注意。将钢制转换室换为钼制后，提高了NO2 转换效率，未观察到熄光现象。在临床常用的浓度(低于100PPM)范围内，线性相关很好(相关系数r为0.9999)，精密度为满量程的0.13%，基本误差为满量程的0.03%。该方法目前被认为是临床吸入NO气体治疗中监测NO和NO2 浓度的标准分析法(gold standard)[10]。经对主要部件革新后样机体积小重量轻，预热时间仅15min，NO2 -NO转换室温度为370℃但效率高达99%以上。其各项指标均超过国家技术监督局颁布的＜中华人民共和国国家计量检定规程－化学发光法氮氧化物分析仪＞的要求[11]。线性相关、零点漂移、跨度漂移和响应时间均优于国外同类仪器(见表3)。改进后样机采样量由原来的1-2L/min减少到50-300ml/min，并入呼吸回路工作后动脉血气Pco2 由29.89±4.59mmhg上升到31.00±3.89mmhg，无明显统计学意义也无临床意义，因此对患者气体交换影响较小。样机在本科临床试用6个月100余次，证实性能稳定、反应灵敏、抗干扰强、采气量小及小巧轻便等优点适合临床应用。目前国外也在积极研制医用氮氧化物浓度监测仪，化学发光法和电化学法医用监测仪刚刚投入市场。据悉发光仪报价约合人民币10万元，电化学仪约合人民币30万元，尚未进入大陆市场。YY-型氮氧化物浓度监测仪采用国产元件，成本较低，附合我国国情。该仪器的研制成功必将推动国内NO临床应用和作用机理的研究。
　　总之，YY-型氮氧化物浓度监测仪，各项性能指标达到或超过国外同类仪器性能指标，附合国家技术监督局颁布的有关标准，经试用能满足临床应用要求。 表1 YY-1型氮氧化物浓度监测仪各项性能指标
　　　1.量程 　 NO 0-100 PPM
　 　 　 NO2 0-100 PPM
　　2.零点漂移 　 1% 满量程
　　3.跨度漂移 　 0.7% 满量程
　　4.精密度 　 0.13% 满量程
　　5.基本误差 0.03% 满量程
　　　6.线性误差 -0.0005% 满量程
7.响应时间(秒) 14.36
　　8.预热时间 　 15min.
　 　9.连续工作时间 8小时以上
10.采气样速度 50-300mL/min
　　 11.测量项目选择性 NO和NO2 两档
　 　 12.NO/NO2 报警系统 　 可调NO和NO2 上限报警
13.额定电压 220V,50Hz
14.输出功率 0.5KW
　　
表2 医用化学发光仪与环保和工业用化学发光仪的比较
环保和工业用化学发光仪　医用化学发光仪
预热时间　　　 60---90min 15min以内
采样流量 1--2L/min 50--300ML/min
光电倍增管 GDB54 已证明GDB54可行,争取小型　 (PMT) 化换为GDB24
进样方式 正压进样 负压进样
O3 发生器 O2 载气,长放电管 空气载气,短放电管
NO2 －NO转换器 PCM-2转换器 MSC-831转换器,争取为MSC-100　

表3 YY-1型与过外同类仪器性能比较

　　　　　 　 YY-型仪 国外同类仪 国家标准
零点漂移(满量程) 1% ±4% ±1%
跨度漂移(满量程) 0.7% ±1% ±1%
精密度(满量程) 0.13% ±1% ±0.33%
基本误差(满量程) 0.03% ±1%
线性误差(满量程) -0.0005% 1% ±2%
NO2 －NO转换率 99.87% 90%以上
响应时间(秒) 14.36 5 120以内
电源电压影响(满量程) 0.2% ±1%

参　　考　　文　　献
1 Moncada S, Palmer RMJ, HiggsEA : Nitric oxide :Physiology , pathophysiology and pharmacology. Pharmacological Reviews. 1991;43: 109-142.
2 Kam PCA, Govender G : Nitric oxide : Basic science and clinical application. Anaesthesia ,1994;49: 515-521.
3 Pearl RG. Inhaled nitric oxide: the past, the present, and the future. Aesthesiology 1993;78:413-16.
4 Fustin AT. The chemistry of the higher oxides of nitrogen as related to the manufacture, storage and administration of nitrous oxide. Br J Anesth 1967;39:345-92.
5 Frostell C, Fratacci M-D, Wain JC, et al. Inhaled nitric oxide :a selective pulmonary vasodilator reversing hypoxic pulmonary vasoconstriction. Circulation 1991;83:2038-47.
6 Gaston B, Drazen JM, Loscalzo J, et al : The biology of nitrogen oxides in the airways. Am J Respir Crit Care Med 1994;149:538-51.
7 Fontijn A, Savadell AJ, Ronco RJ: Homogeneous chemiluminescent measurement of nitric oxide with ozone . Implications for continuous selective monitoring of gaseous air pollutants. Anal Chem 1970;42:575-579.
8 Miller CC. Chemiluminescence analysis and nitrogen dioxide measurement. Lanct.1994:343(29):300-301.
9 Wessel DL, Adatla I, Thompson JE, et al.Delivery and monitoring of inhaled nitric oxide in patients with pulmonary hypertension.Crit Care Med. 1994;22:930-938.
10 Zapol WM, Falke KJ. Inhaled netric oxide for the adult respiratory distress syndrone. N Engl J Med. 1993;329:206-207.
11 国家技术监督局. 中华人民共和国国家计量检定规程. 化学发光法氮氧化物分 析仪 JJG801-93. 第一版.北京. 中国计量出版社. 1993年.
The Research and Verification of Medical Nitric Oxide Analyzer
Dong-Ya Zhang, Wei-PingCheng, Jin Liu, et al Depertment of Anesthesiology Cardiovascular Institute and Fu Wai Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences.
Abstract:
Inhalation nitric oxide,at low concentrations ,is a selective pulmonary vasodilator and improves blood/gas match . Nitric oxide analyzer--modle YY-1 measures nitric oxide concentrations with the priciple of the chemiluminescence of the NO molecules,by which the chemical reaction between ozone and NO gives a lightoutput proportional to the concentration of nitric oxide molecules present. Refer to the verification regulation of national measure test publicated by the National Technical Supervise Bureau, we have measuredand evaluated the function of analyzer model YY-1.Apart from its littlevolume and weight, shorter warming time, and low temperature and high convert rate of its converter, each function is satisfied for the national demand. Its linearity, zero drift, span drift and response timeare comparable to other analyzer made by foreign company.In our institute we have used analyzer model YY-1 for 6 months. The model YY-1 monitor works very well with stable function, high sensitivity,powerful distubbance resistance, and low volume gas sampling.
Key words Nitric oxide chemiluminescence analysis