虽然有一个德国神奇洞穴的传说，但德国学者从事氢气生物医学研究的比较少，比较活跃的是马普研究所的卢卡斯教授，最近来自另一个著名大学亚琛工业大学附属医院Foivos Leonidas Mouzakis写的文章，介绍了他们建立的氢气血液透析在线氢浓度分析方法。
氢气浓度分析方法对研究氢气效应非常重要，尤其是血液透析技术，需要有每个时间氢浓度的数据，这样才能开展不同剂量效应的研究，而过去没有这种在线检测技术。另外，这种在线检测方法也是大规模氢水生产质量控制工具。
血液透析是晚期慢性肾脏疾病特别重要的生命维持疗法。这种方法需要经过体外血液循环系统，经过毛细管膜人造肾脏对血液进行净化。活性氧增加导致的氧化应激是包括肾脏疾病的多种疾病的病理生理学基础。因为血液暴露于透析管路和泵送设备，血液透析也能增加活性氧的产生，随着治疗频率和持续时间的增加，活性氧会越来越高，并可以诱发全身炎症。
这种炎症反应引发氧化应激，降低细胞抗氧化能力，导致自由基过量产生，从而永久阻碍细胞膜脂肪酸和蛋白质的功能过量自由基的存在可能导致DNA损伤和突变，从而成为癌症和年龄相关疾病的易感因素。因此，氧化应激和炎症的增强是一个严重的威胁，与心血管事件的发生和长期血液透析患者的死亡相关的严重后果
氢气抗氧化和抗炎作用已被证明对氧化应激介导的失调和炎症性疾病是有益。这些机制包括选择性清除强氧化剂(如羟基自由基)，调节信号转导和基因表达。氢的扩散性很强，很容易到达膜结合的细胞器，如线粒体和细胞核。线粒体是活性氧产生的主要部位，细胞核和线粒体是ROS破坏DNA的主要部位。大多数抗氧化剂都无法通过血脑屏障，但氢气能自由穿过这一屏障。在1975年，Dole等人证明了氢气具有消除细胞毒性自由基的治疗特性。从那时起，氢气已被成功地作为抗氧化剂用于治疗脑和心脏缺血引起的损伤，大面积烧伤引起的肺水肿，器官移植损伤等多种动物模型。Spulber等进一步证实氢刺激小鼠抗炎基因表达，从而提高小鼠的恢复率。在动物身上进行的类似研究也支持氢对肝炎、结肠炎、胰腺炎和败血症等慢性炎症的有益使用。到目前为止，已经尝试了几种氢气输送方式，如吸入，饮用富氢水和注射氢溶解的生理盐水。最近，一种新型血液透析系统提供了富含氢气的透析溶液，并报道了氧化应激标志物的显著抑制，包括在接受治疗的患者中高血压水平的降低。在一项针对类风湿关节炎患者的初步研究中，口服富含氢气的水有效地限制了氧化应激反应，并改善了2型糖尿病或糖耐量受损患者的脂质和糖代谢。
虽然氢气的使用普遍被认为具有良好的抗氧化和抗炎生物学作用，但很少有人关注能在体内准确追踪其临床剂量的实验方法，即在患者血流中氢浓度的分析，这是目前工作的主要重点。为此，本研究建立了一种新型能够实时监测液体中氢气浓度的非接触式氢气传感器，并与体外ECC装置相结合，以表征和验证其在循环血液替代溶液中溶解氢气的定量性能。
材料与实验方法
采用一种新型的在线无触点氢气监测装置，在实验室闭路回路中连续测量循环溶液中溶解氢气的浓度。图1显示了用于生理溶液中溶解氢气定量的组装系统的方案。
图1 实验装置图示。
在整个实验过程中，蠕动泵产生每分钟0.5升的恒定进料流量，流速由超声波流量计监测。本实验以生理盐水和水作为循环工作介质。在泵之后，流体被推进通过膜式气体交换装置(MGE)，通过将氢气/空气气体混合物注入MGE的气体侧，不断富集氢气。此外还探索了向工作介质输送气体的其他方式，如直接向原料储层喷射混合气体，但发现系统存在气体泄漏。
为了克服这一问题，采用了膜式血氧合器(Medos Hilite 800lt, Xenios AG，德国)作为MGE，以促进高效的传质，同时保证工作介质中气态氢气的泄漏最小。（氢思云：这种MEG就是ECMO人工肺同样的原理。）
MGE原理图
此外，MGE的气体侧排气置于层流罩下，成功地处理气态氢气。MGE设备与温度调节器(换热器)相连，温度调节器保持20℃恒温。最后，浓缩液回流到储料池。溶解氢的浓度[氢气]测定误差为±0.5ppb，由日本普瑞隆公司(Pureron Japan Co.， Ltd)在20℃标定的氢水监测系统中，通过连接到HWMS-Mark III的非接触传感器连续定量。传感器夹装在MGE下游的管路上，可在0≤[氢气]≤1.2ppm范围内定量测定循环溶液中的氢气浓度。同时，通过放置在气体入口的在线氧压力传感器(FDO2, Pyroscience GmbH, Germany)，连续监测输入的气态混合物中氧分压(氧分压)。
在使用上述装置进行实验前，已经就氢气应用进行了广泛的研究。Fang等人使用0.6mmol/L的富氢生理盐水进行输液，而Nakayama等人报道了血液透析疗法中透析液中溶解氢的浓度在30-210ppb之间。因此，本研究采用20≤[氢气]≤250ppb范围内的溶解氢气浓度。
在室温/体温下，如果不存在催化剂，氢气不与大多数表现出惰性气体行为的化合物(包括氧气)反应。因此，将氢与空气混合，以方便通过其他气体组分的分压间接追溯其性质，不应引起任何安全问题。表1显示了本研究中气态混合物组分的相关物理化学数据。
表1 氢气/空气混合物中各组分的物理化学性质。
结果
在前面描述的设置中执行两次连续的实验运行(n=1,2)来定义操作条件。
在第一个实验运行(n=1),氢气流量53±2毫升/分钟和稳态氢气浓度达到氢气:空气气体流率的1:40,1:20和1:10，对应于氢气原料气混合分别等于2.67±0.07%、5.4±0.15%和10.4±0.5%。同样，在第二次实验(n=2)中，氢气流量53±1毫升/分钟。氢气:空气气体流量比为1:40、1:20和1:10时达到稳态，即氢气在原料气混合物中的vol%分别为2.7±0.05%、5.3±0.09%和10.5±0.3%。
上述氢气:空气比为1:40、1:20和1:10时，氧气传感器记录的原料气混合物中氧气分压分别为145.52、141.28和134.84mmHg。当气体混合物只有空气时，传感器的读数为149.47毫米汞柱。
给定氢气:空气比(1:40、1:20和1:10)的理论氧分压值分别为145.48、141.54和133.77mmHg。因此，实验数据与预测值在整个测量范围内显示出良好的一致性，验证了氧传感器的准确性。
当每种原料气氢含量达到稳定状态时，氢气浓度测量仪报告如下值:47±2%，100±3%和211±3%。图2描述了给定实验条件下氧分压和氢气浓度随时间的变化过程。
图2 不同操作条件下溶氢浓度和氧分压的变化。
在整个试验运行过程中，无论运行条件如何，HWMS都表现出大约50分钟的滞后，直到达到等效平衡值。如图所显示，检测氢浓度立刻开始增加，大约50分钟后才达到平衡。氧传感器表现出高响应性，能快速记录分压的变化，证实了用氧分压作为参考测量方法的功能。为了更好地理解这种反应时间上的差异，HWMS比氧气传感器滞后了三个数量级。
为了证实上述结果，在实验电路中引入了第二个HWMS单元，其传感器紧挨着原有的传感器。已经根据既定的议定书进行了第二轮调查。如图3所示，在相同的操作条件下，两种HWMS设备的测量剖面在整个实验过程中遵循类似的过程。在这两个剖面中，平衡时的值都没有显著的偏离。在较高浓度下，即t=180min和t=250min时，散度分别为1% (氢气含量为5.3%时)和1.4% (氢气含量为10.5 %时)。然而，在初始操作条件下(2.7% 氢气)，在60-100分钟内，两个剖面之间可以观察到30%的差异。有趣的是，在较高氢气浓度下，传感器的响应时间会变短，这可能表明了灵敏度和响应性之间的关系。也就是说在比较高浓度情况下，氢气的灵敏度会提高，这对于生产高浓度氢水来说，比较有意义。
图3 在相同的操作条件下，两个分析装置的氢浓度分布。
氢气在血液透析治疗中的应用背后概念涉及不同温度下的不同液体。因此，应重点研究氢在不同温度下的扩散率和溶解度。为此，在电路中引入第三个经工厂校准的36℃温度的HWMS单元，与测试电路中的原单元(经工厂校准的20℃温度)放置在一起，以便在相同条件下比较它们的读数。在这种情况下，只需要在两个温度等级(20℃和36℃)下测试两种工况，原料气氢含量(氢气 vol%)为3.5%和6.6%。
如图4所示，每个传感器在其工作温度下记录的稳态值并不一致。事实上，随着温度的升高和原料气中氢气含量的增加，两个传感器测量值的初始差异会进一步扩大。此外，虽然原料气中的氢含量保持不变，但溶解氢浓度测量值随温度变化而波动。这种行为再次表明，传感器的灵敏度可能受到温度或更高的氢气浓度等因素的影响。尽管如此，这一现象仍然令人费解，因为它直接违背了溶解度随温度升高而降低的原则，因此需要进一步研究。
图4 分别在20℃和36℃标定的两个HWMS装置记录了不同温度下的氢浓度。
为了解决HWMS装置的灵敏度和准确性问题，采用了一种理论方法，在给定的操作条件下确定工作介质中溶解氢的实际浓度。图5为本研究中实施的所有操作条件下，从各种调查中获得的实验数据，以及溶解氢浓度的理论值。如前所述，测量值和估计值之间的相对误差随着温度/浓度的升高而增加。工厂重新校准传感器可能会缓和这一趋势，并减少总体测量误差。
讨论
本研究实现了一种新型非接触式氢气传感器HWMS，用于实时测量液体中溶解的氢气浓度。根据体外循环原理建立了一个实验装置，用于优化工作介质中氢气/空气气体混合物的输送。结果表明，该系统具有较强的测量能力，但也存在一些不足之处，主要是响应时间较慢。虽然高响应性是所有类型传感器的理想特性，但它的缺乏并不一定会对血液透析应用构成障碍，因为处理本身是一个漫长的过程，传感器的滞后在这种情况下可以忽略不计。另一方面，准确性是任何测量仪器的关键参数，因此，在较高的氢气浓度下观察到的波动读数应立即加以处理。在更高的温度和更高的速率下，即使是在这些条件下校准的传感器，也发现了类似的准确性不足。通过为所有HWMS设备定义新的/特定案例的校准曲线，上述大多数困境可能会在一定程度上得到缓解。这应该可以抑制传感器之间氢气浓度测量的差异，并可能在较高温度下减小相对误差。
进一步的研究和实施更多的直接/间接方法来测量气相和/或液相中的氢浓度(例如气相色谱法)，将为HWMS系统的准确性和可靠性提供证据。此外，用动物血液进行体外研究，可以帮助研究氢在体外环境中的缓和作用。这可能会证明特别有启发性，因为氢的抗氧化和抗炎作用可能会吸引很多学科，特别是当考虑到血液创伤和常用医疗设备(如泵、过滤器和导管)的促炎影响时，细胞分布是由多种流动模式引起的。
Mouzakis FL, Khadka LB, Pereira da Silva M, Mottaghy K. Quantification of dissolved 氢气 and continuous monitoring of hydrogen-rich water for haemodialysis applications: An experimental study. Int J Artif Organs. 2022 Jan 25:3913988211070588. doi: 10.1177/03913988211070588. Epub ahead of print. PMID: 35075943.
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