设计一种可用于NO吸入治疗的便携式NO救治仪。
NO救治仪采用模块化设计，可方便地调节各关键参数。其使用低强度、高频率的脉冲放电方式对大气压下干燥的空气进行脉冲放电，产生NO混合气体；采用Ca（OH）2颗粒来过滤放电过程中产生的NO2气体。基于该NO救治仪系统，研究气流方向、气体流量和输入电压对NO混合气体中的NO和NO2水平的影响；研究NO2去除装置对NO2的过滤性能。
当空气从反应舱的阴极流入，阳极流出，且气体流量为2 L/min、输入电压为4 V时，系统性能较好。此时，输出气体中NO的体积分数为3.25×10-5，NO2/NO为0.05。
本研究提出的NO救治仪可满足医用NO气体需求，且系统性能稳定、体积便携、成本较低，在肺动脉高压、慢性阻塞性肺等疾病的治疗中有广泛的应用前景。
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一氧化氮（nitric oxide，NO）是一种化学性质不稳定的气体分子，其易被氧化为有毒的NO2。但是，NO在医学界被誉为"明星分子"，受到广泛关注。NO属于血管内皮衍生舒张因子，具有舒张血管的功能，是一种新型生物信使分子[1]。低浓度NO气体（体积分数范围3×10-6~2×10-5）可选择性扩张肺动脉，提高肺部氧合能力。NO在肺动脉高压、慢性阻塞性肺等多种心肺疾病的临床治疗中有良好的效果[2,3,4]。
目前，临床使用的NO气体主要是通过酸解法制备，制备好的高浓度NO气体（体积分数范围5×10-4~8×10-4）由钢瓶储存。临床上，NO治疗仪由储气瓶和供气系统组成，通常与呼吸机联用。使用时，NO气体需经过复杂的气体输送装置，完成多环节的减压、稀释步骤，才能实现NO气体的浓度调节[5]。NO治疗仪功耗较高、移动性差、价格昂贵，并需要经过培训的专业人员操作。上述原因导致了NO吸入治疗在慢性疾病治疗和突发症状缓解中有一定的局限性，难以在临床推广和普及。因此，有必要开发一种使用简单、便携和经济的NO气体临床供给装置。
利用脉冲电弧放电，可使空气中的N2和O2发生反应，从而合成NO气体。对于脉冲放电法制备医用NO气体，国内外研究者进行了大量研究。Namihira等[6,7,8]提出一种脉冲电弧放电NO制备装置，并对电极材料、放电方式、气体流量及NO2去除装置等进行了研究，但其装置存在NO2浓度过高的问题。胡辉等[9,10,11]对N2和O2合成NO的化学反应机理进行了研究，从微观角度研究了电弧温度变化规律；通过优化放电过程，获得了使NO2/NO最小的参数设置。Yu等[12]设计了一种便携式的NO发生系统，目前该系统尚处于研究阶段。上述采用脉冲电弧放电制备NO气体的研究中，脉冲频率均低于5 kHz（脉冲间隔大于200 μs）。但通常情况下，空气的介质强度在200 μs以内即可基本恢复，因此频率较低的脉冲放电需要反复击穿空气，耗能较大。
本研究拟基于高频脉冲放电技术，开发一种低功耗的便携式NO救治仪。通过提高脉冲放电频率至>10 kHz，缩短脉冲间隔，使电极间的空气介质更容易被击穿，进而达到降低功耗、提高效率的目的。
大气压下，脉冲放电会产生热平衡等离子体，其可将干燥空气中的N2和O2电离，生成N自由基和O自由基，并进一步结合生成NO气体。该过程的主要反应原理如下[13]。
式中：M是可能存在碰撞的任意粒子。NO可被O自由基和O2氧化为NO2，反应原理为
由上述反应原理可知，在产生NO气体的同时也会产生对人体有害的NO2气体。因此，在系统设计与参数优化时，应尽可能的控制NO2水平。
便携式NO救治仪的结构示意图如图1所示。该救治仪由电源管理模块、控制器、脉冲发生装置、等离子体反应器、气泵和NO2去除装置组成。
电源管理模块由锂电池（6 000 mA·h）和电源管理芯片组成。电源管理芯片为TP4056（南京拓微集成电路有限公司），负责对锂电池进行充放电管理。
控制器由自动升/降压模块及相关控制开关组成。自动升/降压模块由XL6019升压模块（上海芯龙半导体技术股份有限公司）和LM2596S-ADJ降压模块（美国Texas Instruments公司）组合而成。控制器的输入电压为3.80~32.00 V，输出电压为1.25~35.00 V，可满足脉冲发生装置和小型气泵的驱动电压需求。控制开关用于控制各子模块的工作状态和断路保护。
脉冲发生装置由耦合线圈、开关三极管、电阻和二极管构成。利用三极管饱和与截止的特性产生高频脉冲，频率约为12.5 kHz。当输入电压为3~7 V时，脉冲发生电路可稳定产生低电压脉冲。低电压经耦合线圈升压后输出<15 kV的高压，作为等离子体反应舱两端电极的驱动电压。反应舱两端电极的间距越大、输入功率越高，电弧反应越剧烈，NO和NO2产生量越大，但NO2/NO值越大。为了保证产生电弧的稳定，将电极间距设置为1 mm。
供气装置为微型气泵，其由520型电机驱动，最小工作电压为2 V，最大工作电压为12 V，能为系统提供0.25~4 L/min的气体供应。
等离子体反应器由反应舱和2个电极组成，如图2A所示。反应舱内径10 mm，长20 mm，舱体侧壁设置有相互对称的进气口和出气口，其分别用于空气流入和流出。舱体两端各有一个密封轴承，轴承中心填有密封橡胶。直径为0.5 mm的2个不锈钢电极分别从两端的密封橡胶中穿过，形成一对放电电极，两电极的间距为1 mm。因为密封轴承的存在，等离子体反应器在工作中，反应舱可在电极保持不动的情况下实现360°旋转（图2B和图2C），以便研究气流方向对NO和NO2产生的影响。实验中，将阴极-阳极轴（电弧）与进气口-出气口中心轴的夹角设为X（单位：°），进气口-出气口中心轴的逆时针偏转为X的正向。
NO2去除装置的作用是去除电弧放电反应后气体中的NO2成分，其结构如图3所示。NO2去除装置两端布置有过滤棉，能起到分散气流、过滤杂质颗粒的作用。NO2去除装置内部用隔板构成~250 mm长的等效过滤路径，路径内填充疏松的Ca（OH）2还原剂颗粒，其可将NO2还原为NO。因此，含有NO和NO2的电离后空气经过滤并到达出气口时，NO2成分可被有效滤除。
在完成各子系统搭建与组合安装后，对系统性能进行测试与优化。系统的工作过程为：打开电源开关，使脉冲发生装置驱动等离子体反应器内的电极，产生稳定电弧；供气装置将空气输送至反应舱，其被电离并生成含有NO和NO2的气体；混合气体流经NO2气体去除装置，过滤掉NO2成分，最终生成含有NO的气体。
系统测试过程中，主要条件参数为气流方向、气体流量、输入电压，考核参数为NO和NO2气体的体积分数。另外，将NO2/NO值作为评价救治仪安全性的指标，其值越小，说明NO2去除得越完全。测试时，将改变输入电压、气体流量、气流方向（X角），研究上述参数对电离后的混合气体中NO和NO2水平的影响，并对NO2的去除效果进行评价。
采用MF5706流量计（广州汉川仪器仪表有限公司）测量气体流量，该仪器的测量范围为0~10 L/min，分辨率为0.01 L/min。采用MultiRAE复合气体检测仪（美国华瑞公司）检测电离后的混合气体中的NO、NO2和O2水平，该仪器对NO和NO2的最大量程（体积分数）分别为2.5×10-4和0.2×10-4，分辨率分别为0.5×10-6和0.1×10-6。所得的NO和NO2水平以测试时间内的平均值表示。为了保证测试结果不超出仪器的量程，部分测试采用配气的方式稀释气体后再进行测量。
考察气流方向对NO和NO2水平的影响时，电弧与气流的夹角（X）的变化范围为0°~180°时，测试点间隔为15°；实验条件为：电压为4 V，气体流量为2 L/min。考察气体流量对NO和NO2水平的影响时，气体流量的变化范围为0.25~3 L/min，测试点间隔为0.25 L/min；实验条件为：电压为4 V，电弧与气流的夹角X=0°。考察输入电压对NO和NO2水平的影响时，输入电压的变化范围为3.0 ~4.5 V，测试点间隔为0.25 V；实验条件为：气体流量为1.5 L/min，电弧与气流的夹角X=0°。
电弧与气流的夹角X对NO和NO2水平的影响如图4所示。结果表明，气流方向对电离后气体中NO水平的影响较小，整体呈波动状态；NO2水平随X先升高，后降低，其在X=90°附近时达到最高水平；NO2/NO随X先增大后减小，其在X=0°附近时取得最小值，且此时NO水平较高、NO2水平较低。因此，在后续测试中选择X=0°作为测试条件。
此外，当将气体流量和输入电压分别调整为0.5 L/min、3 V和1.5 L/min、3.5 V后，取得的结果与上述结果一致，即X=0°时（气流从阴极流入，阳极流出）可在保证NO水平较高、NO2水平较低的情况下获得较低的NO2/NO。
气体流量对NO和NO2水平的影响如图5所示。结果表明，随着气体流量的增大，NO和NO2水平均降低，且NO2水平的降低幅度更明显，因此NO2/NO持续减小。这是因为，随着气体流量增大，气体在反应舱中停留的时间减少，单位时间内被电离次数更少；气体反应时间减少使NO被氧化为NO2的机会减少；随着气体流量的增大，反应舱内温度降低，降低了等离子体反应速率。当气流增大到临界值（2 L/min）时，电弧的稳定性受到了较为明显的影响，反应效率下降。
此外，当考虑其他输入电压时，所得的NO和NO2水平变化曲线与上述结果有类似的变化趋势，即输入电压越大，电弧稳定性越强，气流临界值也随之升高。
输入电压对NO和NO2水平的影响如图6所示。结果表明，输入电压由3.0 V升高到3.5 V时，NO水平升高幅度较大，之后随着输入电压继续增大，NO水平升高变缓；而NO2水平在输入电压升高初期（3.0 ~3.25 V）缓慢增加，此后保持增加的趋势。当输入电压超过临界值（4.5 V）时，NO2水平升高速率加大，NO2/NO迅速增大。这是因为，随着输入电压升高，电弧获得的能量增加，N2和O2被电离的程度增大，生成更多的N自由基和O自由基，发生NO和NO2合成的反应概率增大；当电压增加到临界值后，电极间N自由基和O自由基产生堆积，发生NO2合成的反应概率明显增大。
此外，当考虑其他气体流量时，所得的NO和NO2水平变化曲线与上述结果有类似的变化趋势，即气体流量越大，使自由基发生堆积的电压临界值也随之升高。
由上述结果可知，如果采用大流量、低电压的方式，则电离气体中的NO水平较低；但如采用低流量、高电压的方式，则会产生较多的NO2。因此，存在一个气体流量和输入电压的最优参数组合，使电离产生的混合气体稳定性和质量均较优。结合便携式NO救治仪的实际需求，系统的优化目标应该是在维持较低NO2/NO的同时，尽可能提升单位时间内NO分子总量。
随着气体流量的增大，单位流量NO体积分数先增大后减小，如图7所示。这是因为，在一定范围内，气体流量越大，N2和O2分子的数量越多，被电离出的N自由基和O自由基数量越多，其相互结合生成的NO总量越多。但是，当气体流量过大，电弧温度下降过多，电离效率下降，所生成的自由基数量减少，生成的NO减少。结果表明，当气流为2 L/min时，单位流量NO体积分数有最大值。在综合考虑NO2/NO和系统功耗后，可知气体流量和输入电压的最优参数组合为：气流2 L/min，输入电压4 V。此时，单位流量NO体积分数较大，NO2/NO较小，且系统功耗较小，有利于便携式系统的稳定运行。
经过参数优化，系统可稳定输出流量为2 L/min的NO混合气体，其中NO体积分数为3.25×10-5，NO2体积分数为8.5×10-6，NO2/NO为0.26。NO2/NO值尚不能满足医用要求（<0.05），因此需要通过NO2去除装置过滤输出气体中的NO2。气流为2 L/min，不同输入电压下时，经NO2去除装置过滤后的气体的NO2/NO值如图8所示。结果表明，NO2去除装置在输入电压为4.0 V附近时，有较好的NO2去除效果，此时NO2/NO在0.05左右，基本达到医用要求。
作为一种医用可吸入治疗气体，NO尚未被广泛应用，其中重要的原因就是NO气体产生与储存不便。本研究中，提出了一种便携式NO救治仪，搭建了相应的试验系统，其通过高频脉冲放电产生NO气体。所提出的NO救治仪使用了低强度、高频率的脉冲放电方式，可用较低的功耗高效地制备NO气体，有效解决NO救治仪难以小型化、便携化的问题。系统采用模块化设计，各关键参数可方便地进行调节。此外，对影响NO混合气体中的NO和NO2水平的关键参数（如气流方向、气体流量、输入电压）进行了研究，并对系统进行了参数优化；对NO2去除装置的性能进行了研究。
结果表明，当空气从反应舱的阴极流入，阳极流出，且气体流量为2 L/min、输入电压为4 V时，系统性能较好。此时，输出气体中NO的体积分数为3.25×10-5，NO2/NO为0.05。综上，所提出的NO救治仪可满足医用NO气体需求，且系统性能稳定、体积便携、成本较低，在肺动脉高压、慢性阻塞性肺等疾病的治疗中有广泛的应用前景。
但是，所提出的NO救治仪仍有一些不足。首先是放电过程中电极易老化，拟通过选取更耐烧蚀的电极材料或在电极表面镀保护层的方式延长电极使用寿命。其次，本研究中对放电原理的研究还不足，拟研究更多的关键参数，对系统进行优化。最后，NO2过滤装置所使用的Ca（OH）2使用寿命较短，拟通过加入显色剂的方式，提示使用者及时更换。
所有作者均声明不存在利益冲突
