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Submitted on 1 Jan 1964
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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:
14
UN
SPECTROMÈTRE
DE MASSEADAPTÉ
A L’ANALYSE RAPIDE DES GAZ RESPIRATOIRESPar 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 itto 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 nombreuxproblèmes
de laphysiologie
respiratoire
n’ont pu être étudiésjusqu’à
maintenant faute de moyens de mesurerapide
de lacomposition
de l’airrespiré.
La fré-quencerespiratoire
chez lessujets
au repos se situeentre 5 et 25 par minute et
peut
atteindre 40 parminute au cours des exercices musculaires les
plus
intenses. Les variations despressions partielles
del’oxygène
et del’anhydride
carbonique
dans les gazinspiré
etexpiré
au cours d’uncycle respiratoire
sont deplusieurs
dizains de mmHg
et lesphysio-logistes
désirent obtenir une mesureprécise
à1. mm
Hg près.
La
technique
de laspectrométrie
de massepeut
répondre
aux besoins desphysiologistes
de lares-piration [1, 2].
Principe.
- Latechnique
del’analyse
des gaz parspectrométrie
de masse est maintenantclas-sique,
aussi lesdisposi.ifs généraux
del’appareil
ne seront que très brièvementrappelés.
On insisteraseulement sur les
aspects
relatifs à l’utilisationpar-ticulière
qui
en est faite dans le cas del’analyse
des gazrespiratoires.
L’appareil
est pour l’essentiel unspectromètre
àchamp
magnétique
homogène
à déviation de 600 etrayon de courbure moyen de 15 cm. Il est de cons-truction entièrement
métallique
[3]
et lesdispo-sitifs
électroniques
nécessaires pour les alimen-tations en tension(2
500V),
l’excitation de l’élec-tro-aimant(300
mA sous 300V)
ainsi que lesdis-positifs
depompage et
de mesure du vide sont des éléments standard du commerce.La source d’ions est du
type
à bombardementélectronique (fig. 1).
Un faisceau d’électronstra-FIG. 1.
verse une chambre d’ionisation dans
laquelle
le ga2pénètre.
Les ions formés sont accélérés par lapéné-tration du
champ
dû à l’électrode d’extraction E. Ils sont ensuite focalisés et centrés par lesplaques
de déflectionDI, D2,
puis
collimatés par la fente de définition F.Le faisceau
électronique
estrégulé
en intensité par undispositif
classique.
La mesure des courants d’ions est effectuée par
15
un collecteur double conçu pour recueillir
simul-tanément les masses 44
(C02+)
et 32(02+).
Les courantsproduits
sontamplifiés
par deuxélectro-mètres EKCO N 616 A et la sortie à
charge
catho-dique
alimente unenregistreur
Hathaway
à 6gal-vanomètres. Les électromètres
possédant
unecons-tante de
temps
qui
n’est pasnégligeable,
nous avons dû les faire fonctionner avec une résistance d’entrée de 109 11 auprix
d’uneperte
de sensibilité. Deuxaspects
particuliers
auproblème
à résoudreont été étudiés :
1 )
L’INTRODUCTION Du GAZ. - Elle doitse faire de
façon
continue et avec une constante detemps
aussi courte quepossible.
Cesexigences
ont étéréalisées de la
façon
suivante(fige 1) :
un tubecapillaire
de diamètre intérieur0,5
mm en acierinoxydable,
de1,40
m delong (1)
possède
une extrémitéplacée
dans le courant de gaz àanalyser,
c’est-à-dire dans un masque
respiratoire.
Son autreextrémité aboutit à une enceinte
(2)
évacuée enpermanence par une pompe à
palette
ayant
un débit de 11/sec.
Il s’établit alors ungradient
dek Fie. 2. -- Intensité du courant
ionique de
0;-j(polarité inversée)
en fonction de la pression de 02.Fic. 3.
pression
à l’intéjeur ducapillaire lequel
constitue unecharge
suffisante pour que lapression
à l’inté-rieur de(2)
soit de l’ordre dequelques
millimètres de mercure. C’est lapremière
détente. A la sortie ducapillaire,
lejet
de gaz(3,4
cm3/sec)
passe devant unepastille
de verre fritté(Metrosil)
(3)
dont laporosité
est telle que seule une fraction dugaz
pénètre
dans l’enceinte duspectromètre (4).
C’est la deuxième détente. A l’arrivée dujet
degaz sur
(3)
lapression
dans(4)
remonte dequelques
10-6 mmHg.
Le gaz introduit est canalisé vers lasource d’ions
(6)
par un tube dequartz
(5).
Le
temps
de transit du gaz,qui
va déterminer lafréquence
maximum desrespirations
compatible
avec une mesurecorrecte,
est de0,08
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 ungaz humide à faible teneur en
oxygène
et l’airatmosphérique,
l’intensité du faisceau deO2 +
nereprenait
sa valeur correctequ’à
l’issue d’unepé-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)
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duction du gaz humide. Il s’est avéré que ce retard
dépendait
de laquantité
d’eau introduite dansÏ’appareil
et il seproduisait
une condensation dans lesystème
d’introduction de gaz,qui
était d’ailleurs favorisée par le refroidissement dû à la détente.Ce
phénomène
extrêmementgênant
dans le cas d’unerespiration rapide
a été éliminé par unchauf-fage
à 100 OC réalisé par effet Joule dans lecapil-laire lui-même. En
effet,
un enroulement chauffant extérieur laisserait subsister despoints
froids au niveaudesquels
de la vapeur d’eaupourrait
se con-denser etultéiieurement,
ens’évaporant
au cours ducycle suivant,
perturber
la mesure de0,+.
Prati-quement,
le tubecapillaire
est parcouru par un courantpouvant
aller jusqu’à
3 Agrâce
à untrans-formateur basse tension alimenté par un
auto-transformateur
réglable.
Il est deplus calorifugé
pour que sa
température
soit relativement stable(perles
de stéatite +gaine synthétique).
Par
ailleurs,
la vapeur d’eaupeut
obturerpartiel-lement la
pastille
métrosil,
cequi
rend lefonction-nement du
spectromètre
instable aupoint
de rendre toute mesureimpossible.
Il n’est malheureusement pas
possible
depiéger
cette vapeur d’eau. Tout
dispositif
depiégeage
dans l’introduction de gaz enapportant
un volumemort relativement
grand
parrapport
au débit ducapillaire
rendrait illusoire l’obtention d’uneré-ponse
rapide.
Aussi l’échauffement dû aufonction-nement de la source suffit-il
généralement
au bout dequelques
instants à éliminer cephénomène
para-sitelorsqu’il
seproduit.
Résultats. - LINÉARITÉ. -- Les
figures
2 et 3montrent la linéarité de la
réponse
pour les deux gazanalysés :
courant collecteur en ordonnée(unités arbitraires)
en fonction dela
pression
par-tielle du gaz en abscisse.L’analyse
des gaz étalons avait été effectuée à l’aide dumicro-analyseur
deScholander
[4].
TEMPS DE RÉPONSE : Il
apparaît
sur lafigure
4qui représente
des commutations brutales de gazétalon. Ces
cycles
comprennent
lapression partielle
d’oxygène
en(1)
et celle du gazcarbonique
en(2).
On voit sur cet
enregistrement
que letemps
deréponse
est d’environ0,4
seconde.La
figure
5 faitapparaitre
descycles
respiratoires
pris
sur unsujet
respirant
à lafréquence
de 12 par minute.FIG. 5. -
Sujet -au repos, portant un masque et, un
pneumotachographe ;
prèlèvement
continu de l’airres-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 venantdes 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 peuprès 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 êtreaugmentée
dans l’avenir par
l’emploi
de circuitsélectroniques
plus
rapides
à sensibilitéégale.
Le calcul a montréque,
physiquement,
letemps
de montéepouvait
se situer aux alentours du dixième de seconde. Parailleurs,
lesgalvanomètres enregistreurs
peuvent
reproduire
desphénomènes
defréquence
égale
à40
c/s.
L’utilisation
d’amplificateurs rapides pourrait,
par
conséquent,
suffire à donner àl’appareil
unevitesse lui
perm.ettant
d’analyser
lesrespirations
aux
fréquences
lesplus
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 desSciences, Orsay, 1959.