CN110872714A - 一种便携式一氧化氮制造机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式一氧化氮制造机，包括空气泵、一氧化氮发生器、还原模块，所述的一氧化氮发生器还连接一氧化氮浓度调节器及数值显示器。本发明采用电化学一氧化氮发生原理制备新鲜一氧化氮，原料安全可靠、反应温和、装置小巧便携、调控方便，为长期慢性病患者在家中制备使用一氧化氮提供了可能性。与目前国际上临床应用的一氧化氮气体钢瓶和混气装置比较，安全性更好，成本更低。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种便携式一氧化氮制造机。
背景技术
一氧化氮是一种内源性的，具有重要生理功能的小分子物质。主要功能包括：增加血管舒张，防止血小板粘附，促进伤口愈合和血管生成，可以通过巨噬细胞和鼻腔上皮细胞释放作为一种有效的抗菌剂。直接吸入一氧化氮疗法是经过美国食品药品监督管理局批准的作为治疗新生儿持续肺动脉高压的治疗手段，而且已经被证实能够改善机体氧化能力，减少高风险的危重病体外心肺支持治疗。一氧化氮吸入疗法不仅可以扩张肺部血管，降低肺部血管阻力，而且还对包括肺炎，中风，急性呼吸窘迫综合征等其他疾病的治疗也有帮助。最近的研究报道一氧化氮作为一种吸入的抗菌剂在治疗囊肿性纤维化，肺结核以及作为一种抗炎剂调节免疫反应，提高疟疾病人的存活率。一氧化氮吸入疗法同时也被证明可以提供神经保护以及减少脑损伤。气相一氧化氮的另一个潜在的重用临床应用领域在心肺转流手术的体外回路中使用的氧合器中的扫描气体以及心脏切开术空气，会引起某些病人发生严重的系统性炎症，炎症和多种器官衰竭有关，其严重程度和手术时间的长度有关。一氧化氮的抗炎特性也会有利于减少这些疾病的并发症产生。
目前，一氧化氮吸入疗法和一氧化氮其他治疗性的生物应用需要用到一氧化氮气体钢瓶和复杂的给药系统来调节和监测一氧化氮的浓度。因此，治疗用一氧化氮被认为是新生医学中一种最为昂贵的药物每个病人每天在治疗上要花费大约3000美元。但相较于减少危重病体外心肺支持系统使用和防止新生儿死亡来说，一氧化氮吸入疗法仍然是一种较为划算的治疗方案。医疗用一氧化氮气体钢瓶中有效成分含量大于800ppm，而一氧化氮压缩进入传统的钢瓶之后会歧化生成一氧化二氮和高毒性的二氧化氮，大大限制了钢瓶的使用寿命。而且钢瓶及其配套使用的混气和传输系统笨重庞大并且十分昂贵。因此，廉价、便携式的纯净一氧化氮气源的需求极其迫切，可适用于使用一氧化氮疗法的不同应用场景，特别是在偏远地区以及推广到家用市场。
其它文献报道的一氧化氮发生装置，包括催化液态四氧化二氮转变成二氧化氮并进一步生成一氧化氮气体以及通过对空气脉冲放电来获取。但是通过这些方式得到的一氧化氮中含有相当量的有毒的二氧化氮气体，存在非常大的安全隐患。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的不足之处，本发明提出一种装置，利用选择性的电化学催化反应产生高纯度的气态一氧化氮，通过控制电压或电流调节一氧化氮浓度。
技术方案：本发明所述的便携式一氧化氮制造机，包括空气泵1、一氧化氮发生器2、还原模块3，所述的一氧化氮发生器2还连接一氧化氮浓度调节器4及数值显示器5；所述的一氧化氮发生器2为密闭容器，设有电解液21和电极，所述电极包括电极负极22、电极正极23，电极正极、电极负极连接电源；该密闭容器设有进气管25和出气管26，进气管25的一端连接空气泵，另一端伸入电解液中，并靠近电极负极；出气管26一端连接还原模块3，另一端位于电解液21的上方。
具体的，所述的空气泵1为可调节空气泵，能够通过调节电流大小来控制空气流速。
具体的，所述的还原模块3，为装有还原剂的装置，用于去除一氧化氮混合气流中的二氧化氮。所述的还原剂例举为(不局限于)三氧化二铬，三氯化铬，维生素E、抗坏血酸等。
具体的，所述的一氧化氮浓度调节器4，为电流控制器，能够通过调节作用电流大小实现产生一氧化氮浓度的调节。
具体的，本发明中，所采用的电极材料为金、铂、碳、合金或者不锈钢。
对于本发明来说，正极材料与负极材料，可以相同，也可以不相同。
进一步的改进，所述的电极表面固定有催化剂，催化剂选自三(2-吡啶基甲基)胺合铜(Ⅱ)、1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、三(2-氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、三(2-二甲氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)或者二(2-氨甲基吡啶)-丙酸合铜(Ⅱ)等。电极表面固定催化剂主要有以下优势：一方面使催化反应集中在工作电极表面，避免产物扩散损失降低电解效率；另一方面催化剂固定到电极表面后，可以延长其使用寿命，同时降低电解液和整个发生器的成本。
具体的，本发明中，所述的电极负极面积大于电极正极面积。电极负极作为工作电极，电解得到的一氧化氮气体主要富集于其表面，当作用电流足够大时，大面积负极有助于产生得到的产物的均匀分散，在气体鼓吹下，确保一氧化氮气体的稳定输出。
具体的，所述的进气管25置于电解液中的一端，其端部设有多孔材料24，例如气泡石、气泡盘、透气钢材、透气石英球或者多孔陶瓷等。通过该多孔材料可以使得出来的气体能够均匀。
具体的，所述的电解液为：0.01～3M磷酸盐或有机缓冲液、0.01～5M亚硝酸盐、1～7mM铜催化剂；铜催化剂包括三(2-吡啶基甲基)胺合铜(Ⅱ)、1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、三(2-氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、三(2-二甲氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、二(2-氨甲基吡啶)-丙酸合铜(Ⅱ)等。
有益效果：本发明采用电化学一氧化氮发生原理制备新鲜一氧化氮，原料安全可靠、反应温和、装置小巧便携、调控方便，为长期慢性病患者在家中制备使用一氧化氮提供了可能性。与目前国际上临床应用的一氧化氮发生器比较，安全性更好，成本更低。
本发明克服了传统一氧化氮气体需要使用高压钢瓶保存，保存时间不宜过久，体积大，价格昂贵的缺点，可以做到随用随开，不用时无气体产生，具有易保存，易维护的优点。相比于传统一氧化氮钢瓶和混气传输装置，本发明所提供的便携式一氧化氮制造机尺寸小，约为50cm×30cm×30cm，在使用过程中，装置轻巧便携，无需钢瓶供气，只需通过电流调节得到理想的一氧化氮气体浓度。
本发明使用时对电极施加电流或电压即可，调节电流/电压即可调节产出的一氧化氮气体的浓度，简单易用，无需配备减压阀等调节气体输出压力的专用设备。当仪器产生的一氧化氮浓度降低，无法满足使用需求时，只需更换新鲜溶液即可。长期维护时更换电极，和传统更换钢瓶的方式相比简单易用，维护费用少。
附图说明
图1本发明所述便携式一氧化氮制造机的示意图。
图2本发明所述一氧化氮发生器的示意图。
图中：1-空气泵；2-一氧化氮发生器；3-还原模块；4-一氧化氮浓度调节器；5-显示器；21-电解液；22-电极负极；23-电极正极；24-多孔材料；25-进气管；26-出气管。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进一步详细说明。
如图1、图2所示的便携式一氧化氮制造机，包括空气泵1、一氧化氮发生器2、还原模块3，所述的一氧化氮发生器2还连接一氧化氮浓度调节器4及数值显示器5；所述的一氧化氮发生器2为密闭容器，设有电解液21、电极负极22、电极正极23，电极正极、电极负极连接电源；该密闭容器设有进气管25和出气管26，进气管25的一端连接空气泵1，另一端设有多孔材料24伸入电解液21中，并靠近电极负极；出气管26一端连接还原模块3，另一端置于电解液21的上方。
空气泵1，为可调节空气泵，能够通过调节电流大小来控制空气流速。
还原模块3，为装有还原剂的装置，用于去除一氧化氮混合气流中的二氧化氮。所述的还原剂为三氧化二铬、三氯化铬、维生素E、抗坏血酸。
一氧化氮浓度调节器4，为电流控制器，能够通过调节作用电流大小实现一氧化氮浓度的调节。
电极材料为金、铂、碳、合金或者不锈钢。所述的不锈钢可以是软不锈钢或硬不锈钢。正极材料与负极材料，可以相同，也可以不相同。所述的负极电极面积大于正极电极面积。
进一步的改进，所述的电极表面固定有催化剂。催化剂选自三(2-吡啶基甲基)胺合铜(Ⅱ)、1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、三(2-氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、三(2-二甲氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)或者二(2-氨甲基吡啶)-丙酸合铜(Ⅱ)等。
在一定气体流速作用下，空气泵输气端与一氧化氮发生器相连，一氧化氮混合气体经输出管道通过还原剂作用，清除气体中可能存在的微量二氧化氮气体，用于病人治疗，一氧化氮具体浓度、作用电流和气体流速均可显示于显示器面板上。此外，一氧化氮发生器作用机理：在恒流电源作用下，电解液发生氧化还原反应，于电极负极表面产生气态一氧化氮；空气经多孔材料进入电解液中，将电极表面的一氧化氮气体从溶液中吹扫出来，经管道排出发生装置，其中一氧化氮浓度变化可以通过电流调节来实现。
实施例1
具体的，电化学产生一氧化氮所用的溶液为含有1M亚硝酸钠，7mM铜催化剂的缓冲溶液。电极材质：软不锈钢网；工作电极×参比电极：9cm×3cm；氮气出口与电极负极并置，将吸附于电极表面和溶解在溶液中的一氧化氮分离并带离反应容器，通过氮氧化物分析仪进行检测。
控制氮气流量为0.7L/min，未施加电流，此时一氧化氮检测浓度为：4.5ppm(表1)。
改变作用电流大小(1～5mA)，此时一氧化氮检测浓度呈线性增长，增长速率约为16.8ppm/mA，5mA电流作用下，一氧化氮浓度高达86.8ppm。
表1.随着体系电流的增加一氧化氮(NO)浓度的变化情况
实施例2
具体的，电解液为含有1M亚硝酸钠，7mM铜催化剂的缓冲溶液。电极材质：镀金软不锈钢网；工作电极×参比电极：9cm×3cm。
控制氮气流速为0.7L/min，选用镀金软不锈钢网作为工作电极，改变作用电流大小(1～5mA)，一氧化氮浓度线性增长，增长速率约为17.5ppm/mA，5mA作用下，一氧化氮浓度高达93.3ppm(表2)。相比于软不锈钢网，一氧化氮浓度有一定程度的提高。
表2.一氧化氮(NO)浓度随电流变化情况
实施例3
具体的，电解液为含有1M亚硝酸钠，7mM铜催化剂的缓冲溶液。电极材质：软不锈钢网；工作电极×参比电极：9cm×3cm；控制气体总流速为0.7L/min，使用氮气吹扫溶液，并改变氮气与空气的混合比例，气体出口与电极负极并置，将吸附于电极表面和溶解在溶液中的一氧化氮分离并带离反应容器，通过一氧化氮气体分析仪进行检测。
控制气体总流速为0.7L/min，固定氮气与空气的混合比例(R(N2/Air)可取2，1，0.5)，此时，NO检测浓度随着电流增大，线性增长。
改变氮气与空气的混合比例(R(N2/Air)取2，1，0.5)，此时，NO检测浓度随着R(N2/Air)值变小，有一定程度下降(表3)。
表3不同氮气/空气比，NO浓度值随电流变化情况
实施例4
具体的，电化学产生NO所用的溶液为含有1M亚硝酸钠，7mM铜催化剂的溶液。电极材质：软不锈钢网；工作电极×参比电极：9cm×3cm；使用空气吹扫，空气出口与电极负极并置，将吸附于电极表面和溶解在溶液中的NO分离并带离反应容器，通过氮氧化物分析仪进行检测。
控制空气流速为0.7L/min，改变作用电流大小(1～72mA)，此时，NO检测浓度线性增加，介于3.5到98.7ppm之间(表4)。
表4鼓空气作用下，一氧化氮(NO)浓度值随电流变化情况
实施例5
具体的，电化学产生一氧化氮所用的溶液为含有1M亚硝酸钠，7mM铜催化剂溶液。电极材质：软不锈钢网；工作电极×参比电极：9cm×3cm；电极空气出口与电极负极并置，将吸附于电极表面和溶解在溶液中的一氧化氮分离并带离反应容器，通过分析仪进行检测。
控制空气流速为0.7L/min，电解液在32mA电流下作用4小时，一氧化氮浓度最高可达44.5ppm，最低为40.6ppm，平均浓度为42.0ppm，一氧化氮浓度总体呈稳定状态，表明可以通过调节电流得到相对稳定浓度的一氧化氮气体。
实施例6
具体的，电解液为含有1M亚硝酸钠，7mM铜催化剂溶液。电极材质：软不锈钢网；工作电极×参比电极：9cm×3cm。
控制氮气流速为0.7L/min，50mL电解液于恒定电流作用下，通过一氧化氮分析仪不间断测试产生一氧化氮浓度，发现NO浓度维持在70ppm左右，持续时间超过45小时。
注：上述所有实施案例中，二氧化氮(NO2)浓度均低于1ppm，处于安全使用浓度范围中。
当系统制造出的一氧化氮浓度降低至一定数值时，系统提示更换一氧化氮发生器反应液模块，以便及时更新新的模块盒保证一氧化氮的产生浓度和质量。
从上述实施例中可以看出，电解液含有亚硝酸盐和铜催化剂和缓冲溶液，电极为不锈钢的一氧化氮制造机能够提供稳定浓度的一氧化氮，产生极少量二氧化氮，产品小巧便携，在使用一氧化氮治疗的领域将有巨大潜力。
对于本发明来说，还可以采用如下的实施方式：
实施例7～12
与实施例1基本相同，不同之处在于，铜催化剂分别为：三(2-吡啶基甲基)胺合铜(Ⅱ)、1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、三(2-氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、三(2-二甲氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、二(2-氨甲基吡啶)-丙酸合铜(Ⅱ)。
以上所述实施例为本发明的典型的实施方式或较佳的实施方式，而非对本发明保护范围的限制。
Claims (12)
1.一种便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的一氧化氮制造机包括空气泵(1)、一氧化氮发生器(2)、还原模块(3)，所述的一氧化氮发生器(2)还连接一氧化氮浓度调节器(4)及数值显示器(5)；所述的一氧化氮发生器(2)为密闭容器，设有电解液(21)和电极，所述电极包括电极负极(22)、电极正极(23)，电极正极、电极负极连接电源；该密闭容器设有进气管(25)和出气管(26)，进气管(25)的一端连接空气泵，另一端伸入电解液中，并靠近电极负极；出气管(26)一端连接还原模块(3)，另一端位于电解液(21)的上方。
2.根据权利要求1所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的空气泵(1)为可调节空气泵，能够通过调节电流大小来控制空气流速。
3.根据权利要求1所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的还原模块(3)为装有还原剂的装置，用于去除一氧化氮混合气流中的二氧化氮。
4.根据权利要求1所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的一氧化氮浓度调节器(4)为电流控制器，能够通过调节作用电流大小实现一氧化氮浓度的调节。
5.根据权利要求1所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于电极材料为金、铂、碳、合金或者不锈钢。
6.根据权利要求5所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的电极负极面积大于电极正极面积。
7.根据权利要求5所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的电极表面固定有催化剂。
8.根据权利要求7所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的催化剂选自三(2-吡啶基甲基)胺合铜(Ⅱ)、1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、三(2-氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、三(2-二甲氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)或者二(2-氨甲基吡啶)-丙酸合铜(Ⅱ)。
9.根据权利要求1所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的进气管(25)置于电解液中的一端，其端部设有多孔材料(24)。
10.根据权利要求9所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的多孔材料选自气泡石、气泡盘、透气钢材、透气石英球或者多孔陶瓷。
11.根据权利要求1所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的电解液主要成分为：缓冲液、亚硝酸盐、铜催化剂。
12.根据权利要求11所述的便携式一氧化氮制造机，其特征在于所述的铜催化剂包括三(2-吡啶基甲基)胺合铜(Ⅱ)、1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、1,4,7-三甲基-1,4,7-三氮杂环壬烷合铜(Ⅱ)、三(2-氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)、三(2-二甲氨基乙基)胺合铜(Ⅱ)或者二(2-氨甲基吡啶)-丙酸合铜(Ⅱ)。
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