臨床生物化學/血氣分析儀測定原理及儀器結構

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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


圖5-8 PCO2電極結構示意圖

PO2電極結構示意圖


圖5-9 PO2電極結構示意圖

目前,血氣分析儀種類很多,各有其特色。一般都具備有所需樣品量少(25-100μl)、檢測時間短(1-2)分鐘、自動顯示數據、列印結果等優點。

32 血液pH值及其運算 | 血氣分析儀分析方法 32
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