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Un spectromètre de masse adapté à l'analyse rapide des gaz respiratoires

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Un spectromètre de masse adapté à l’analyse rapide des

gaz respiratoires

M. Borot, S. Gradsztajn, R. Bernas, J. Armand, P. Dejours

To cite this version:

(2)

14

UN

SPECTROMÈTRE

DE MASSE

ADAPTÉ

A L’ANALYSE RAPIDE DES GAZ RESPIRATOIRES

Par M.

BOROT,

S.

GRADSZTAJN,

R.

BERNAS,

Laboratoire de Physique Nucléaire, Faculté des Sciences, Orsay

et

J. ARMAND et P.

DEJOURS,

Centre Chirurgical Marie-Lannclongue, Paris.

Résumé. --- On décrit les modifications

apportées à un spectromètre de masse d’usage courant

pour l’adapter à l’étude de la composition des gaz respiratoires. Les effets parasites résultant de l’introduction alternée de gaz saturés en vapeur d’eau et de gaz secs sont soulignés.

Abstract. 2014 Some modifications have been made to a

simple

mass-spectrometer

to enable it

to perform analyses of respiratory gases. Some indications are given of the effects of the

alternate introduction of moist and dry gas samples on the response time for oxygen.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUEE

SUPPLÉMENT AU N° 3.

TOME 25, MARS 1964, PAGE

Introduction.

- De nombreux

problèmes

de la

physiologie

respiratoire

n’ont pu être étudiés

jusqu’à

maintenant faute de moyens de mesure

rapide

de la

composition

de l’air

respiré.

La fré-quence

respiratoire

chez les

sujets

au repos se situe

entre 5 et 25 par minute et

peut

atteindre 40 par

minute au cours des exercices musculaires les

plus

intenses. Les variations des

pressions partielles

de

l’oxygène

et de

l’anhydride

carbonique

dans les gaz

inspiré

et

expiré

au cours d’un

cycle respiratoire

sont de

plusieurs

dizains de mm

Hg

et les

physio-logistes

désirent obtenir une mesure

précise

à

1. mm

Hg près.

La

technique

de la

spectrométrie

de masse

peut

répondre

aux besoins des

physiologistes

de la

res-piration [1, 2].

Principe.

- La

technique

de

l’analyse

des gaz par

spectrométrie

de masse est maintenant

clas-sique,

aussi les

disposi.ifs généraux

de

l’appareil

ne seront que très brièvement

rappelés.

On insistera

seulement sur les

aspects

relatifs à l’utilisation

par-ticulière

qui

en est faite dans le cas de

l’analyse

des gaz

respiratoires.

L’appareil

est pour l’essentiel un

spectromètre

à

champ

magnétique

homogène

à déviation de 600 et

rayon de courbure moyen de 15 cm. Il est de cons-truction entièrement

métallique

[3]

et les

dispo-sitifs

électroniques

nécessaires pour les alimen-tations en tension

(2

500

V),

l’excitation de l’élec-tro-aimant

(300

mA sous 300

V)

ainsi que les

dis-positifs

de

pompage et

de mesure du vide sont des éléments standard du commerce.

La source d’ions est du

type

à bombardement

électronique (fig. 1).

Un faisceau d’électrons

tra-FIG. 1.

verse une chambre d’ionisation dans

laquelle

le ga2

pénètre.

Les ions formés sont accélérés par la

péné-tration du

champ

dû à l’électrode d’extraction E. Ils sont ensuite focalisés et centrés par les

plaques

de déflection

DI, D2,

puis

collimatés par la fente de définition F.

Le faisceau

électronique

est

régulé

en intensité par un

dispositif

classique.

La mesure des courants d’ions est effectuée par

(3)

15

un collecteur double conçu pour recueillir

simul-tanément les masses 44

(C02+)

et 32

(02+).

Les courants

produits

sont

amplifiés

par deux

électro-mètres EKCO N 616 A et la sortie à

charge

catho-dique

alimente un

enregistreur

Hathaway

à 6

gal-vanomètres. Les électromètres

possédant

une

cons-tante de

temps

qui

n’est pas

négligeable,

nous avons dû les faire fonctionner avec une résistance d’entrée de 109 11 au

prix

d’une

perte

de sensibilité. Deux

aspects

particuliers

au

problème

à résoudre

ont été étudiés :

1 )

L’INTRODUCTION Du GAZ. - Elle doit

se faire de

façon

continue et avec une constante de

temps

aussi courte que

possible.

Ces

exigences

ont été

réalisées de la

façon

suivante

(fige 1) :

un tube

capillaire

de diamètre intérieur

0,5

mm en acier

inoxydable,

de

1,40

m de

long (1)

possède

une extrémité

placée

dans le courant de gaz à

analyser,

c’est-à-dire dans un masque

respiratoire.

Son autre

extrémité aboutit à une enceinte

(2)

évacuée en

permanence par une pompe à

palette

ayant

un débit de 1

1/sec.

Il s’établit alors un

gradient

de

k Fie. 2. -- Intensité du courant

ionique de

0;-j(polarité inversée)

en fonction de la pression de 02.

Fic. 3.

pression

à l’intéjeur du

capillaire lequel

constitue une

charge

suffisante pour que la

pression

à l’inté-rieur de

(2)

soit de l’ordre de

quelques

millimètres de mercure. C’est la

première

détente. A la sortie du

capillaire,

le

jet

de gaz

(3,4

cm3/sec)

passe devant une

pastille

de verre fritté

(Metrosil)

(3)

dont la

porosité

est telle que seule une fraction du

gaz

pénètre

dans l’enceinte du

spectromètre (4).

C’est la deuxième détente. A l’arrivée du

jet

de

gaz sur

(3)

la

pression

dans

(4)

remonte de

quelques

10-6 mm

Hg.

Le gaz introduit est canalisé vers la

source d’ions

(6)

par un tube de

quartz

(5).

Le

temps

de transit du gaz,

qui

va déterminer la

fréquence

maximum des

respirations

compatible

avec une mesure

correcte,

est de

0,08

s.

2)

INFLUENCE SUR LE TEMPS DE RÉPONSE D LA PRÉSENCE DE VAPEUR D’EAU DANS L’AIR EXPIRÉ.

- Différents essais ont montré

qu’en

alternant un

gaz humide à faible teneur en

oxygène

et l’air

atmosphérique,

l’intensité du faisceau de

O2 +

ne

reprenait

sa valeur correcte

qu’à

l’issue d’une

pé-riode dont la durée croissait avec la durée

d’intro-FIG. 4. - Enregistrement des courants d’ions de 02 : courbe ( l) (polarité inversée) et CO2 : courbe (2)

(4)

16

duction du gaz humide. Il s’est avéré que ce retard

dépendait

de la

quantité

d’eau introduite dans

Ï’appareil

et il se

produisait

une condensation dans le

système

d’introduction de gaz,

qui

était d’ailleurs favorisée par le refroidissement dû à la détente.

Ce

phénomène

extrêmement

gênant

dans le cas d’une

respiration rapide

a été éliminé par un

chauf-fage

à 100 OC réalisé par effet Joule dans le

capil-laire lui-même. En

effet,

un enroulement chauffant extérieur laisserait subsister des

points

froids au niveau

desquels

de la vapeur d’eau

pourrait

se con-denser et

ultéiieurement,

en

s’évaporant

au cours du

cycle suivant,

perturber

la mesure de

0,+.

Prati-quement,

le tube

capillaire

est parcouru par un courant

pouvant

aller jusqu’à

3 A

grâce

à un

trans-formateur basse tension alimenté par un

auto-transformateur

réglable.

Il est de

plus calorifugé

pour que sa

température

soit relativement stable

(perles

de stéatite +

gaine synthétique).

Par

ailleurs,

la vapeur d’eau

peut

obturer

partiel-lement la

pastille

métrosil,

ce

qui

rend le

fonction-nement du

spectromètre

instable au

point

de rendre toute mesure

impossible.

Il n’est malheureusement pas

possible

de

piéger

cette vapeur d’eau. Tout

dispositif

de

piégeage

dans l’introduction de gaz en

apportant

un volume

mort relativement

grand

par

rapport

au débit du

capillaire

rendrait illusoire l’obtention d’une

ré-ponse

rapide.

Aussi l’échauffement dû au

fonction-nement de la source suffit-il

généralement

au bout de

quelques

instants à éliminer ce

phénomène

para-site

lorsqu’il

se

produit.

Résultats. - LINÉARITÉ. -- Les

figures

2 et 3

montrent la linéarité de la

réponse

pour les deux gaz

analysés :

courant collecteur en ordonnée

(unités arbitraires)

en fonction de

la

pression

par-tielle du gaz en abscisse.

L’analyse

des gaz étalons avait été effectuée à l’aide du

micro-analyseur

de

Scholander

[4].

TEMPS DE RÉPONSE : Il

apparaît

sur la

figure

4

qui représente

des commutations brutales de gaz

étalon. Ces

cycles

comprennent

la

pression partielle

d’oxygène

en

(1)

et celle du gaz

carbonique

en

(2).

On voit sur cet

enregistrement

que le

temps

de

réponse

est d’environ

0,4

seconde.

La

figure

5 fait

apparaitre

des

cycles

respiratoires

pris

sur un

sujet

respirant

à la

fréquence

de 12 par minute.

FIG. 5. -

Sujet -au repos, portant un masque et, un

pneumotachographe ;

prèlèvement

continu de l’air

res-piré à la sortie du masque.

De haut en bas :

-

Ëlectrocardiogramme

(électrodes aux poignets). -

Enregistrement de la respiration

pulmonaire ;

l’ins-piration s’inscrit de bas en haut.

- Pression

partielle de l’oxygène, P020

- Pression

partielle de l’anhydride carbonique, Pco2 Pendant l’inspiration, l’air atmosphérique est pompé par le spectromètre de masse ; P02 vaut 150 mm IIg et

PC02 est voisin de zéro.

Pendant l’expiration, l’air de la trachée et des bronches qui n’a subi ni perte de 02, ni gain de CO2 (air de l’espace

mort

respiratoire),

est d’abord expiré. Puis du gaz venant

des alvéoles pulmonaires, appauvri en 02 et enrichi

en CO2, est expiré ; lorsque l’espace mort est

complè-tement lavé, de l’air alvéolaire pur est exhalé. Les

courbes de

Po2 et de Pool

atteignant un niveau à peu

près constant ; elles ne sont toutefois pas horizontales puisque la consommation de O2 et le rejet de CO2 sont

des phénomènes continus dans les alvéoles pulmonaires (même échelle des temps que sur la figure 4).

La vitesse de

réponse

pourra être

augmentée

dans l’avenir par

l’emploi

de circuits

électroniques

plus

rapides

à sensibilité

égale.

Le calcul a montré

que,

physiquement,

le

temps

de montée

pouvait

se situer aux alentours du dixième de seconde. Par

ailleurs,

les

galvanomètres enregistreurs

peuvent

reproduire

des

phénomènes

de

fréquence

égale

à

40

c/s.

L’utilisation

d’amplificateurs rapides pourrait,

par

conséquent,

suffire à donner à

l’appareil

une

vitesse lui

perm.ettant

d’analyser

les

respirations

aux

fréquences

les

plus

élevées.

BIBLIOGRAPHIE

[1] FOWLER (K. T.) et HUGH-JONES (P.), Mass spectro-metry

applied

to clinical practice and research. British Med. J., 1957, 1, 1205-1211.

[2] HUNTER (J. A.), STACY (R.

W.)

et HITCHCOCK (F. A.), A mass spectrometer for continuous gas analysis. The Rev. of Sc. Instr., 1949, 20, 333-336.

[3] Thèse de DUONG-NHU-HOA (3e

cycle),

Faculté des

Sciences, Orsay, 1959.

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