臨床生物化學/血氣分析儀測定原理及儀器結構

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臨床生物化學

體液平衡紊亂
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  - 血氣分析儀測定原理及儀器結構
  - 血氣分析儀分析方法
  - 血氣檢測的質量控制

早年進行血氧和二氧化碳的測定是採用經典的VanSlyke量氣法。此法原理是利用皂素破壞紅細胞，再用鐵氫化鉀破壞血紅蛋白以釋放O₂，加辛酸去泡劑等混合液，使這一反應過程在真空密閉條件下進行，讓血液中所含CO₂、O₂和N₂全部釋放進密封真空管的液面之上，然後測量所釋氣體的壓力。而後又用CO₂吸收劑及O₂吸收劑分別將兩種氣體吸收，根據壓力的改變，再計算出CO₂和O₂的含量。該法準確可靠，然而操作繁鎖，又使用大量水銀，極易污染環境，現在較少使用。另外還使用化學法測定血漿HCO₃^－含量，此法操作要求嚴格的隔絕空氣采血，否則很難測定準確。血氣分析儀問世後，該法基本屬於淘汰的方法。

當初丹麥Radiometer公司根據Astrup等學者的研究，提出血液pH與lgPCO₂成線性關係，設計了最早的血氣分析儀。最具代表性的產品是該公司70年代出品的BME系列。其後許多國家不同的廠家陸續改進，經過幾代人的努力而使血氣分析儀更加完善，更加自動化。目前血氣分析儀型號雖然很多，然而都是測定血液pH、PCO₂和PO₂三項基本數據，再參考Hb及體溫的數據計算出其他診斷參數。

國產儀器的研製也緊跟時代的步伐不斷更新產品，如南京最早的產品DH-100型血氣酸鹼分析儀，以及後來的改進型，已陸續供應國內醫院使用。

測定血氣的儀器主要由專門的氣敏電極分別測出O₂、CO₂和pH三個數據，並推算出一系列參數。血氣分析儀生產廠家的型號很多，自動化程度也不盡相同，但其結構組成基本一致，一般包括電極（pH、PO₂、PCO₂）、進樣室、CO₂空氣混合器、放大器元件、數字運算顯示屏和印表機等部件，進行自動化分析，其所需樣品少，檢測速度快而準確。

（一）電極系統

⒈pH測定系統pH測定系統包括pH測定電極即玻璃電極、參化電極及兩種電極間的液體介質。

pH電極是利用電位法原理測量溶液的H⁺濃度，其電極是一個對H⁺敏感的玻璃電極，同時必須用另一電位值已知的參比電極配套，通常與甘汞電極保持電接觸。血樣中的H⁺與玻璃電極膜中的金屬離子進行交換，產生電位差，並與血樣的H⁺濃度成正比，二者之間存在著對數關係。在電極內部有pH恆定的溶液，與玻璃膜接觸。玻璃電極內部還有Ag/Agcl參比電極，浸在pH恆定液中，電極線連接伏特計，測量血樣［H⁺］所產生的電位差，即中測pH值，並以數字顯示再列印結果。參比電極里的KCl溶液通過它逸出與標本接觸而形成接觸面。因為Kcl濃度很大，所以血標本中離子組成的差異不會改變參比電極上的恆定電位（圖5-7）。PH電極要求pH測定範圍在6.8-8.0間，並能讀出小數點以下三位，精密度達0.002pH單位，準確性達到±0.09pH單位。pH電極穩定性好，計數不漂移。

⒉PCO₂電極PCO₂電極屬於CO₂氣敏電極。主要由特殊玻璃電極和Ag/Agcl參比電極及電極緩衝液組成，如圖5-8所示。這種特殊的玻璃電極是對pH敏感的玻璃膜外包圍著一層碳酸氫鈉溶液(NaHCO₃5mmol/L、NaCl20mmol/L，並以Agcl溶液飽和)，溶液的外側再包一層氣體可透膜。此膜是以聚四氟乙烯或矽膠為材料，可選擇性讓電中性能CO₂通過，帶電荷的H⁺及帶負電荷的HCO₃^－不能通過。CO₂則擴散入電極內，與電極里的碳酸氫鈉溶液發生下列變化；見圖5-7。使其內的NaHCO₃、NaCl溶液的pH值發生改變，產生電位差，由電極套內的pH電極檢測。pH值的改變與PCO₂數值呈線性關係（△pH/logPCO₂），根據這一關係即可測出PCO₂值。

pH電極結構示意圖

圖5-7 pH電極結構示意圖

PCO₂電極靈敏度以－pH/lgPCO₂=1.0為準，即PCO₂上升1.33kPa，pH值下降1pH單位。測定範圍為0.6-33.3kPa(37℃)。

Co₂＋H₂O→H₂CO₃→H⁺＋HCO₃^－

⒊PO₂電極PO₂電極是一種對O₂敏感的電極，屬於電位法，電極結構如圖5-8所示。以白金絲（Pt）為陰極，Ag/AgCl參比電極為陽極，以陰極與陽極之間的一層磷酸鹽緩衝液藉以溝通，其外包裹一層聚丙烯膜，膜外接觸血樣品。此膜不能透過離子，僅O₂可透過。當樣品中的O₂透過聚丙烯膜到達Pt陰極表面時，O₂不斷地被還原，產生如下化學變化：

陰極反應O₂＋2H₂O＋4e^－→4OH^－

電解質反應NaCl＋OH^－→NaOH＋Cl^－

陽極反應Ag⁺＋Cl^－→Agcl＋e^－

氧的還原反應導致陰陽極之間產生電流，其強度與氧的擴散量或PO₂成正比，以此測出PO₂值（圖5-9）。PO₂電極可測定範圍為0-106kPa。

（二）管道系統

主要由測量室、轉換盤（有或無）系統、氣路系統、溶液系統及泵體等組成。測量室有一套自動控制溫度穩定於37℃的裝置，轉換盤是讓樣品進入並將有關溶液及氣體送入測量室的裝置，由計算機程序自動控制．氣路系統由空氣壓縮機、CO₂氣瓶、氣體混合器、濕化器、泵、閥門及有關管道組成。氣體混合器將空氣壓縮機送來的空氣（4-6個大氣壓，latm=101.3kPa）和CO₂（純度要求99.5％）氣瓶送來的氣體進行混合，混合後得到兩種濃度不同的氣體。由氣體混合器中部出來的「氣體1」含19.8％的O₂和5.5％的CO₂；「氣體2」含9％-11％的CO₂，從混合器的下部送出，需要時再進入測量室。液體管道系統使緩衝液進入測量室定標，保證樣品吸入和廢液排出的沖洗過程，管道系統中為保證儀器正常運轉還沒有一系列的自動檢測裝置。

PCO2電極結構示意圖