Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Газовый анализ дыхательных смесей на основе гелия является одной из важнейших составляющих системы жизнеобеспечения людей (водолазов, исследователей) длительно, иногда по многу суток, находящихся под повышенным давлением в барокамере. Кроме того, количественный анализ газовых смесей является неотъемлемой частью методики исследований дыхательной функции организма, в частности, дыхательного газообмена. Для этого необходимы точные измерения объемных концентраций дыхательных газов (О2 и СО2), которые снижаются, примерно, обратно пропорционально повышению давления в барокамере, чтобы парциальные давления сохранялись на уровне, близком к нормальному. Это требует надежного способа, методики анализа и приборов, обеспечивающих измерение сотых и тысячных долей объемных процентов анализируемых газов, что особенно важно при научных исследованиях в условиях гипербарии. Существует два способа анализа при исследованиях в условиях повышенного давления – анализ в барокамере под давлением и анализ той же смеси вне камеры в условиях нормального давления. Оба способа применялись при изучении дыхательного газообмена на имитированных в барокамере глубинах до 300 и более метров [8, 3, 4, 5]. Возможность применения этих способов обосновывалась в основном тем, что при использовании прецизионных газоанализаторов результаты исследований находятся в диапазоне вероятных величин.

Цель исследования – дать оценку способам и методам анализа дыхательных газов непосредственно при повышенном давлении в барокамере и той же смеси при нормальном давлении вне барокамеры.

Материалы и методы исследования

Анализы дыхательных газов в смесях на основе гелия проводились одновременно в барокамере под давлением 1,08 МПа (11 кгс/см2), имитирующим глубину погружения на 100 метров, обученным водолазом-исследователем и вне камеры при нормальном давлении. В барокамере использовался блок с электрохимическими датчиками (электродами) РО2 и РСО2 (Instrumentation Laboratory – Италия) с системой термостатирования. Индикаторный блок располагался вне камеры. Соединения между блоками осуществлялись через герморазъем. Датчики калибровались в барокамере поверочными газовыми смесями для измерения парциальных давлений газов и объемных процентов.

При нормальном давлении вне барокамеры использовался анализатор кислорода c электрохимическим датчиком (OM-11-Beckman, Австрия) и анализатор СО2 с инфракрасным датчиком (LB-2-Beckman). Анализаторы подключались к усилительной системе для расширения шкал измерений. Определялись объемные проценты газов, которые с учетом давления в камере пересчитывались в парциальные давления. Для проверки влияния результатов анализа в двух средах (повышенное и нормальное давление) на газообмен у испытуемого определяли дыхательный коэффициент (RQ), потребление кислорода (VO2, л/мин) и выделение углекислого газа (VECO2, л/мин) по классической методике.

Из барокамеры пробы для анализа отбирались через вентиль тонкой регулировки с тройником на наружной стороне камеры по схеме «со сбросом» с помощью системы отсоса анализаторов, обеспечивающей стабильное давление в измерительных ячейках датчиков.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее простым является анализ газов в редуцированной (выпущенной из барокамеры через вентиль) смеси при нормальном давлении. Опыт работы многих исследователей показал, что такой способ вполне приемлем для контроля дыхательной среды и анализа газов в научных целях, если человек дышит в барокамере сжатым воздухом или кислородно-азотными смесями [2, 1]. При давлениях в барокамере, когда используются дыхательные газовые смеси (ДГС) на основе гелия, он менее надежен.

Сравнительные исследования способов анализа кислорода показали, что имеются различия в результатах анализа смесей на основе гелия в барокамере и редуцированной смеси (табл. 1). Но как интерпретировать эти результаты, вопрос непростой. Завышаются результаты анализа в барокамере или занижаются при нормальном давлении?

Таблица 1

Результаты измерения парциального давления кислорода (РО2, мм рт. ст.) в среде барокамеры под давлением 1,08 МПа и при нормальном давлении

В среднем разница парциальных давлений кислорода (РО2) при анализах в двух средах составила 2,4 мм рт. ст. Эти результаты трудно связать с какими-то другими причинами, кроме как с неполной гомогенизацией дыхательной среды в камере и попаданием выдыхаемой смеси в зону выпуска пробы из барокамеры на анализ. Нельзя полностью исключить и некоторую сепарацию смеси на уровне проходного сечения в микровентиле в связи с 8-ми кратной разницей молекулярных масс между относительно «тяжелым» кислородом и «легким» гелием. Возможно также влияние и других факторов (градиент давлений на входе и выходе выпускного вентиля, температура, влажность, длина и внутренний диаметр трубки, расход смеси при сбросе через тройник на анализ и в атмосферу). Обнаруженные различия статистически незначимы (Р ˃ 0,05). Почти не имеют они и практического значения, так как в водолазной практике парциальные давления кислорода в среде барокамер длительного пребывания измеряются в более грубых единицах – кгс/см2. При пересчете получается, что средние величины РО2 при анализе в барокамере под давлением и при нормальном давлении составляют соответственно 0,24 и 0,23 кгс/см2. Такое различие несущественно. К этому следует добавить, что на практике для непрерывного контроля дыхательной среды в барокамерах длительного пребывания способ газового анализа редуцированных смесей не применяется, хотя такие комплексы газоанализа разрабатывались [7], но использовались для периодического анализа. Оптимальный вариант – комплексы непрерывного газового анализа с системой возврата смеси в камеру, в которых датчики находятся в герметичных прочных корпусах, соединенных со средой барокамеры.

Кажущаяся незначительной средняя разница по кислороду (2,4 мм рт. ст., что соответствует 0,03 об. % при давлении в барокамере, полученная при анализе в двух средах, имеет научно-методическое значение, так как при одновременном снижении величин РО2 и РСО2 в выдыхаемой смеси, выпущенной из барокамеры, приведет к различию в величинах рассчитываемых показателей газообмена.

Выделение СО2 из организма при использовании для расчетов результатов анализа редуцированной смеси было снижено у испытуемого на 7,4 %, а потребление кислорода на 6,0 % (табл. 2). Конечно, эти изменения газообмена не связаны с дыхательной функцией организма. Это результат влияния исключительно способа, методики газового анализа. В противном случае различий в показателях газообмена быть не должно, потому что анализируется одна и та же смесь.

Таблица 2

Показатели газообмена, расcчитанные по результатам газоанализа в барокамере и при нормальном давлении

Все приведенные в таблицах изменения парциальных давлений в пересчете на объемные проценты составляют сотые и тысячные доли относительно давления в барокамере. При больших давлениях эти величины должны быть еще меньше. Поэтому при газовом анализе редуцированной смеси чувствительность анализатора должна быть, примерно, во столько раз выше, во сколько раз повышается давление в барокамере.

Интересно, что при повышенном давлении чувствительность электрохимических (полярографических) датчиков повышается пропорционально давлению. Например, при нормальном давлении (РО2-150 мм рт. ст.) 1 мм рт. ст. кислорода соответствует 0,14 об. %, под давлением 11 кгс/см2 (глубина 100 м) – 0,0124 об. %, под давлением 21 кгс/см2 (глубина 200 м) – 0,0065 об. %. То есть, при анализе в барокамере такие величины объемной доли кислорода могут быть измерены, но для анализа редуцированной смеси необходим высокочувствительный и точный анализатор.

Таким образом, электрохимический метод прямого полярографического измерения парциального давления кислорода в барокамере является наиболее пригодным как для контроля среды, так и для научных исследований. Экспериментально установлено и подтверждено на практике, что полярографический датчик (электрод Кларка) сохраняет свою работоспособность при любых применяемых в водолазной и исследовательской практике давлениях в барокамере [6]. Практикой нашей работы с такими датчиками кислорода в барокамере при давлениях в диапазоне до 3,04 МПа (31 кгс/см2) установлено, что при аккуратной подготовке датчика к работе и его калибровке непосредственно в камере под давлением он работает в условиях повышенного, но стабильного давления, даже лучше, чем при нормальном давлении. Стабильность показаний и воспроизводимость величин парциальных давлений кислорода значительно выше. Это обусловлено в основном тем, что неизбежно содержащиеся в электролите микропузырьки газа при компрессии сдавливаются, что положительно сказывается на качестве анализа. Однако обратное происходит при декомпрессии и остановить процесс образования пузырьков при снижении давления невозможно, за исключением периодов изопрессии, то есть на декопрессионных остановках.

Для измерения парциального давления двуокиси углерода в условиях гипербарии также являются эффективными электрохимические датчики. СО2 из газовой пробы диффундирует через мембрану в электролит. При этом рН электролита изменяется, потенциал между стеклянным рН-электродом и сравнительным электродом также изменяется пропорционально логарифму РСО2 в анализируемой смеси. Датчик, функционирующий по такому принципу, достаточно стабильно работает при повышенном давлении в барокамере. Небольшая, но решаемая, проблема связана с удлинением кабеля и передачей сигнала от электрода РСО2 через герморазъем.

Вообще, по опыту исследований в условиях гипербарии, надо отметить, что анализаторные системы с электрохимическими датчиками (электродами РО2 и РСО2) прошлых поколений более пригодны для работы в условиях повышенного давления, поскольку могут легко модифицироваться для работы в барокамере. К тому же, это тот случай, когда полная автоматизация процесса анализа является излишней.

Лучшими для анализа кислорода в редуцированных смесях являются парамагнитные и электрохимические датчики. Для анализа СО2 – инфракрасные. Для анализа кислорода применяется и метод, основанный на детектировании кислорода с помощью керамического элемента из окиси циркония. Преимущество таких датчиков – быстродействие, высокая стабильность показаний и относительно большой срок службы. Диапазон рабочих температур при таком методе анализа составляет 600-850 °С, что исключает возможность его использования в барокамере. Но в условиях нормобарии его высокая чувствительность и точность позволяют работать практически в любом диапазоне измерений.

При любом способе газоанализа важным условием является использование для калибровки анализаторов таких же по составу и близких к анализируемой смеси по количественному соотношению компонентов поверочных газовых смесей, подаваемых к измерительным ячейкам датчиков по возможно более короткой пробоотборной трубке.

Основным недостатком редуцирования является понижение давления в барокамере при выпуске газовой смеси в атмосферу. Это особенно заметно при работе со смесями на основе гелия. Общий расход смеси в зависимости от расхода через анализаторы, сброса в атмосферу и давления в камере может составлять до 3 и более литров в минуту. Это много, учитывая, что продолжительность эксперимента может выражаться в часах. В результате адиабатического расширения температура смеси заметно снижается. Проходя через короткую пробоотборную трубку, она не успевает нагреться, попадая в ячейку датчика, что приводит к ошибке
анализа.

Небольшое снижение давления в барокамере – процесс постоянный. Даже без учета неизбежных шлюзований, заборов проб для других анализов, возможных утечек, постоянное, хотя и медленное, снижение давления обусловлено дыханием находящихся в барокамере людей. Кислород потребляется организмом, а выдыхаемая двуокись углерода удаляется непрерывно работающей системой очистки. Потребление кислорода приводит к снижению его объемного содержания в дыхательной среде замкнутого объема. Это при одновременном понижении давления сопровождается и постоянным снижением РО2 в барокамере. Скомпенсировать эти процессы системой поддержания этих параметров в реальном времени непросто. Снижение давления в барокамере от исходных 1,08 МПа (11 кгс/см2 или 8059 мм рт.ст. сухой смеси) всего на 20 мм рт. ст. (это 0.027 кгс/см2, или 0,27 м глубины) и объемной доли кислорода на 0,03 об. % приведет к снижению РО2 в дыхательной среде на 2,8 мм рт. ст., что вместе со снижением РСО2 и РО2 в редуцированной выдыхаемой смеси существенно повлияет на расчетные показатели газообмена. В таких нестабильных условиях добиться совпадения результатов газового анализа одной и той же смеси в барокамере и при нормальном давлении сложно. Больше шансов получить ошибочные результаты анализа все-таки в барокамере. В замкнутом объеме под повышенным давлением есть много источников ошибок. Там имеют место постоянные, хотя и довольно медленные колебания величин физических параметров среды. Главное – это давление, температура и влажность, которые влияют на функционирование электрохимических датчиков. Небольшое изменение этих параметров среды искажает результаты анализа и требует обязательной перекалибровки анализатора. Даже незначимое для организма снижение давления сопровождается появлением микропузырьков газа в электролите и на границе электролит-мембрана, что приводит к ошибке в результатах измерения парциальных давлений газов. Это может быть одной из главных причин вышеописанных различий в парциальных давлениях газов при анализе в этих двух средах.

Заключение

Способы анализа дыхательных газов в смесях на основе гелия (непосредственно в барокамере при повышенном давлении и при нормальном давлении вне барокамеры) могут применяться в научных целях при изучении дыхательного газообмена при условии соблюдения всех тонкостей методики газоанализа в этих средах. Особенно важным является поддержание стабильного давления, гомогенности газовой среды, температуры и влажности в барокамере и в измерительных ячейках датчиков, а также оптимального расхода смеси при выпуске через вентиль из барокамеры. В итоге можно добиться хороших результатов в большом диапазоне давлений, что показано в крупных исследованиях с использованием различных газовых смесей [5]. Для анализа дыхательных газов в редуцированной смеси с целью расчета показателей дыхательного газообмена одним из главных условий является наличие высокочувствительных прецизионных анализаторов.