医学仪器原理-生化参数测量与仪器.ppt

第八章医用化学分析类仪器 主要内容 现行生化参数测量技术电解质分析仪血气分析仪经皮血气分析仪 8 1引言 生化参数测量所涉及的内容很广 各种有关生物机体的化学结构和物质代谢的测量都属于生化参数测量 它对了解生命过程的特征 生物机体的生理病理变化机制和各种疾病的诊断等都有重要意义 现今医院中 为了诊断疾病所做的各种检查中生化参数测量占2 3以上 血液 尿及其他体液的生化分析 已成为疾病诊断必不可少的指标 8 1 1生化参数测量的特点 样品量有限制 样品在质上有限制 同一样品不可能再次得到 要求从一个样品能同时给出多种项目的分析结果 生物样品中含有多种待检测的成分 且各种成份的浓度差异极大 10 3 10 12mol L 医院每天作常规检查需要处理数百上千的样品 8 1 2生化参数测量仪器的要求 高灵敏度 高准确度 高选择性 操作简单 操作自动化 活体使用的化学传感器的最基本要求 8 2现行生化测量技术 8 2 1分光光度测量技术8 2 2色谱技术8 2 3电化学电极法 8 2 1分光光度测量技术 定义 分光光度法是利用物质所特有的吸收光谱来鉴别物质或测定其含量的分析检测技术 特点 灵敏 精确 快速和简便 在复杂组分系统中 不需要分离 即能检测出其中所含的极少量物质 应用 生物化学研究中广泛使用的方法之一 广泛用于糖 蛋白质 核酸 酶等的快速定量检测 分光光度法是比色法的发展 后者只限于在可见光区 前者则可以扩展到紫外光区和红外光区 分光光度计的分类红外分光光度计 测定波长范围为大于760nm的红外光区可见光分光光度计 测定波长范围为400 760nm的可见光区紫外分光光度计 测定波长范围为200 400nm的紫外光区 分光光度计工作原理 人眼可见的光只占电磁波谱的很小 部分 400 760nm 它是一种频率较大的电磁波 电磁波按频率大小 从频率最小的无线电波到频率最大的 射线排成一列 即组成电磁波的波谱 基本原理 Beer定理改变入射光波长 并依次记录物质对不同波长光的吸收程度 就得到该物质的吸收光谱 每种物质都有其特定的吸收光谱紫外线 可见光分光光度计属于分子吸收光谱仪 分析波长范围一般为200nm 800nm 8 2 2色谱技术 层析仪 它是为了解决样品中多成分分析而发展起来的一种分离技术 可以把不同成分的混合物分离为单独的组分 色谱法是一种分离技术 试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程 其中的一相固定不动 称为固定相 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体 气体或液体 称为流动相 色谱仪的输出信息色谱图基线色谱峰进样峰和空气峰保留时间死时间和死体积 色谱法分类气相色谱 流动相为气体 称为载气 液相色谱 流动相为液体 也称为淋洗液 a 气相色谱仪 气体相氦气 氮气 氢气固定相硅氧烷聚合体 涂抹在毛细管上 探测器测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化 检测信号值与组分的浓度成正比 b 高效液相色谱仪 特点 高压 高效 高速高沸点 热不稳定有机及生化试样的高效分离分析方法 流动相 水或烃类固体相 5 10um的精细颗粒探测器 紫外探测器 8 2 3电化学电极法 从灵敏度 选择性和自动化等方面来看 分光光度法和色谱法都可以满足临床检验的要求 但从技术简单 造价低廉角度看 电化学电极法则更有优越性 溶液的电化学性质是指电解质溶液通电时 其电位 电流 电导和电量等电化学特性随化学组分和浓度而变化的性质电化学电极分析法是测量由氧化还原反应 离子在两相的选择分布和透过膜等过程产生的电流和电压来进行物质分析的 电化学电极利用电化学原理把化学量转化为电位或者电流量的装置电解质在水中溶解形成离子 液体中有电池存在时 离子运动形成电流需要一对接口器件把离子电流转化为电子电流 电极被测对象的量反应为电位的传感器称为电位传感器 电位法 电位法 电位法的实质是通过在零电流条件下测定两电极间的电位差 基础是 Nernst方程离子选择法 电位滴定法 参比电极 指示电极 Nernst方程 E0为标准半电池电位 取决于电极使用材料 液体中离子浓度及外界温度 一般取25 将材料置于含有该材料阳离子浓度为单位浓度电解液中以标准氢电极为参考测得的电位为E0 R是气体常数 其值8 314JK 1 mol 1T是热力学温度F为法拉第常数 其值9 65 104C molaA 和aA分别表示两种状态原子的活性 Nernst方程 a 电极电位和参考电极 参考电极 电极电势已知 恒定 且与被测溶液组成无关 则称之为参考电极 理想的参考电极为 1 电极反应可逆 符合Nernst方程 2 电势不随时间变化 3 微小电流流过时 能迅速恢复原状 4 温度影响小 氢电极H2 2H 2e 常用作标准电极溶解氢达到饱和时 活性保持不变 如果H 浓度不变 活性变维持1 E E0 标准氢电极在所有温度下的电极电位假定为0 故测定其它材料电极电位都以氢电极为标准 Ag AgCl电极金属银的活性稳定 电极电位由溶液中的Ag 决定 Ag Ag e 如果银表面存在固态的AgCl 附近又有高浓度的Cl Ag 浓度几乎不变 AgCl Ag Cl Ag Cl 1 7 10 10 mol l 2但是第二部分不为0 所以会受温度变化影响 b 指示电极 理想的指示电极对离子浓度变化响应快 重现性好 有两类可基本满足以上要求 金属电极与离子选择性电极 c 离子选择性电极 离子选择性膜 离子浓度变化反映为膜两侧的电位差 电位差变化由膜两侧溶液中的电极测量 理想离子选择性电极的膜只有一种特定的离子能够通过 实际上 只要一种膜对某种离子的通透性远远高于其它离子 就可以作为离子选择性膜 离子选择性电极测量系统图 c 离子选择性电极 cont 跨膜电压 c 离子选择性电极 cont 如果溶液2中A 的浓度或者活性是常数 膜电位可写成 则溶液中A 浓度或活性的变化可由跨膜电位变化确定 25 时 溶液1中A 浓度增加10倍 膜电位增加约59mV c 离子选择性电极 cont 如果膜对其它离子也通透 膜电位可以表示为 KB KC是膜对B 和C 的选择系数 K值足够小时 这种离子活性变化就对跨膜电位的影响很小 但是离子活性高时 即使系数K小 影响也会显著 离子选择电位法 利用一些对离子有选择性响应的电极的电位与离子浓度间的相关性来测定溶液中氢离子和其他离子浓度的一种分析方法 所用的仪器是由离子选择电极和精密的电极测定仪所构成 在临床中广泛应用的有测定血液酸碱度计 pH计 测定体液中钠 钾 钙等离子的电解质分析仪和测定PO2 PCO2的血气分析仪等 8 3电解质分析仪 体内含有各种无机及有机物质 这些物质又可以分为电解质和非电解质 电解质有钠离子 钾离子 钙离子 镁离子 氯离子及其它有机酸及其衍生物 如氨基酸 蛋白质等等 电解质对于神经的正常应刺激 酶的催化作用 保持体液酸碱平衡 维持渗透压等起着重要作用 所以保持体液电解质的恒定性对维持人体正常技能是及其重要的 因而测定其异常变化程度是临床诊断的重要指标 临床体内电解质测定 通常检查血液 以血浆代表细胞外液 多数分析仪 以钠离子 钾离子 钙离子 氯离子 碳酸氢根离子的定量分析为主 8 3 1pH计 两支电极与溶液组成电池指示电极 pH玻璃膜电极参比电极 饱和甘汞电极 a pH计知识背景 动脉血液的pH正常值为7 36 7 44 当其低于7 36时 可能引起酸中毒症状 高于7 44时 可能引起明显的碱中毒症状 当血液pH值维持在7 36 7 44 称为酸碱平衡 最初应用的是氢电极的电位随所在溶液的H 活度而变的特性 由于它是气体 使用不便 本世纪初 科学家发现某些玻璃膜两边放有pH值不同的溶液时能产生电位 当其中一个pH值恒定不变 玻璃膜的电位就会随另一溶液的pH值而变 b H 响应的玻璃膜电极 敏感膜是在SiO2基质中加入Na2O Li2O和CaO烧结而成的特殊玻璃膜 厚度约为0 05mm b H 响应的玻璃膜电极 cont 膜浸泡在水中时 表面的Na 与水中的H 交换 才能在表面形成水合硅胶层 故玻璃电极使用前 必须在水溶液中浸泡 点击观看水化玻璃模原理 b H 响应的玻璃膜电极 cont 将浸泡后的玻璃膜电极放入待测溶液 水合硅胶层表面与溶液中的H 活度不同 形成活度差 H 由活度大的一方向活度小的一方迁移 b H 响应的玻璃膜电极 cont 溶液中H 经水化层扩散至干玻璃层干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离子离子的相对移动产生扩散电位 两者之和构成玻璃电极的膜电位 点击观看玻璃模原理 b H 响应的玻璃膜电极 cont 玻璃膜两侧的跨膜电压可以表示为 取常温下 设内参比溶液中H 的活度a2固定 b H 响应的玻璃膜电极 cont E 膜两侧溶液相同时出现的膜电位 不对称电位 Ag AgCl电极电位 内参比电位 它会随温度变化 当温度和内参比溶液一定时 E 是常数 K 2 c 玻璃膜电极测定 测定这种玻璃电极的方法是将它与另一组电极组成化学电池 由玻璃电极和参比电极组成 参比电极常用饱和甘汞电极 其电极电位是恒定值 c 玻璃膜电极测定 cont c 玻璃膜电极测定 cont 这时电池测得的电动势EX可用下式表示 3 E接表示液界电位 它是两种组成不同或组成相同而离子活度不同的溶液互相接界时 在界面上形成的双电层结构而产生的电位差 在实验条件固定时 E接为常数 c 玻璃膜电极测定 cont 将 3 带入 2 待测液的pH值用pHx表示 则 4 因为实验条件固定时 K和E接都是常数 可与E参合并成新常数K 故在25 时 有 5 式中常数K 包括 外参比电极电位 内参比电极电位 不对称电位 液接电位 由于不对称电位 液接电位无法测得 所以不能由上式通过测量 求出溶液pH 通常采用比较法 c 玻璃膜电极测定 cont K 的确定方法 配制一个标准缓冲液 其组成与样品液组成相同且pH值已知 在相同的测定条件下测出其电池电位Es 利用公式 5 6 把 6 中的K 值带入 5 c 玻璃膜电极测定 cont 式中pHs已知 实验测出Es和Ex后 即可计算出试液的pHx 使用时 尽量使温度保持恒定并选用与待测溶液pH接近的标准缓冲溶液 d PHS 2型酸度计的工作原理框图 直流的电流信号馈入参量振荡放大器 转变成交流电压信号 抵消玻璃电极的不对称电位 扩展量程 8 3 2临床用离子选择电极 8 3 2临床用离子选择电极 cont 钙电极 液膜电极 内参比溶液为含Ca2 水溶液 内外管之间装的是0 1mol L二癸基磷酸钙 液体离子交换剂 的苯基磷酸二辛酯溶液 其极易扩散进入微孔膜 但不溶于水 故不能进入试液溶液 二癸基磷酸根可以在液膜 试液两相界面间来回迁移 传递钙离子 直至达到平衡 样品通过一特定的选择性电极时由一相对应的电解质渗过电极膜时产生了电流 通过对该电流的放大 同标准液A标及B标通过电极时产生的电流进行对数及斜率比较 计算出样品中某一电解质的值 首先由动力泵将A标准液抽入电极池 抽样长度由光电开关检测 并停留几秒进行A标标定 然后由动力泵将A标准液抽回废液瓶 接着分配阀动作将通道接向B标准液 由动力泵将B标准液抽入电极池进行斜率测定 B标定标完成后 由动力泵将B标准液抽回废液瓶 第三步由动力泵将样品吸入电极池进行样品的测定 测量数据经前置放大器放大送入CPU板 同A标 B标测量值进行比较 计算结果通过cRT显示器和打印机输出 8 3 3临床电解质分析仪 S 2000六项电解质分析仪 测定项目 K Na Cl Ca 总Ca PH测试方法 离子选择电极法测量时间 25秒标本形式 血浆 血清 全血及稀释尿液 注射器 试管 毛细管 8 3 4电解质分析仪的包养 电极系统的保养钠电极经常检查调整内充液浓度钾电极每月至少更换一次内充液参比电极 每周均需检查电极是否有足够的饱和氯化钾溶液及氯化钾残片 及时添加 流路系统保养流路保养 多数仪器都有仪器流路保养程序 保养程序结束 应该重新定标 全流路清洗 每天工作结束关机前 必须进行管路的清洗 重新定标 8 3 5日常维护 每日维护试剂量 1 4液面应及时更换清洁灰尘 保持探针畅通及时倾倒废液每周维护流路清洗每月维护用酒精棉球清洁泵管不锈钢转轴 涂硅油或凡士林等润滑剂每季度进行MV值实验 8 4血气分析仪 血气是指血液中氧和二氧化碳气体 血气分析仪能测出PO2 PCO2 PH值等多种重要的血液参数 其它参数实际碳酸氢根浓度 AB 标准碳酸氢根浓度 SB 血液缓冲碱 BB 血浆二氧化碳总量 TCO2 血液碱剩余 BEblood 细胞外液碱剩余 BEECF 血氧饱和度 SO2 主要用作呼吸功能诊断和酸碱平衡诊断 血气分析仪工作原理图 8 4 1血氧测定 氧在血中有两种存在形式 一是和血红蛋白 Hb 相结合的结合型氧 另一种是溶解在血浆的溶解型氧即血液中的氧含量 结合型氧含量 溶解型氧含量结合型氧含量 F Hb SO2溶解型氧含量 pO2 是氧在血浆中的溶解系数 是指在温度38 一个大气压下 氧在100ml血液中溶解的量 其数值是2 36ml 100ml atm 测量溶解氧分压的意义何在 测量溶解氧分压的意义何在 首先 溶解氧分压的大小影响着O2和Hb的结合量 这是由于Hb悬浮在血浆中 其周围的pO2高时 O2和Hb的亲和力增强 使得与Hb结合的O2量增加 Hb周围的pO2低时 与Hb结合的O2又可以解离下来 其次 肺或组织进行气体交换时进入血液的O2先溶于血浆 提高血浆的pO2后再和Hb结合 O2从血液释放时 也是溶解的O2先释出 降低了pO2后结合的氧再分离出来补充所失去的溶解氧 溶解氧和结合氧两者之间处于动态平衡 即 肺泡 O2 溶解的O2 结合的O2 溶解的O2 O2 组织 血氧分压与血氧饱和度关系二者不等同 但有固定的关系 通常称之为 S 曲线 即氧合血红蛋白离解曲线 一般情况下 当氧分压为100mmHg时 对应氧饱和度为98 氧分压降到60mmHg时 氧饱和度降为90 即氧分压下降了40mmHg 氧饱和度才下降了8 只有当氧分压低于40mmHg后 氧饱和度才会急速下降 故单单依据血氧饱和度来判断缺氧状况 则机体的早期缺氧往往被忽略 被掩盖 容易延误诊断或未能给予及时治疗 a 氧分压的测定 血液或血浆中的氧分压反映了肺和血液之间的氧交换量 并反映血液自全身各部组织输送氧的能力 常用的测量氧分压电极是1953年clark提出的所谓clark电极 极谱法电流传感器极谱分析法是通过测量电解过程中所得到的电流 电压 或电位 时间 曲线来确定电解液中含被测成分的浓度 从而实现分析测定的电化学分析法 极谱法电流传感器 cont 如果底物 substrate 的化学反应包括电极表面和底物之间的电荷转移 这样的化学反应会产生电流 外接电子仪器能测出此电流 反应速度由底物的活性和电极与溶液之间的电位来控制 生物医学测量中 溶解的氧和氧化氢常用极谱法电极测量 极谱法电流传感器 cont 极谱法氧电极由铂阴极和银阳极组成 极谱法电流传感器 cont 把阳极Ag AgCl电极接电源正端 阴极Pt电极接电源负端 当电极表面有氧时 会有如下反应 极谱法电流传感器 cont 如果连续向电极表面供氧 将保持连续的电流 在电极表面覆盖一层允许氧气通过的膜 膜外氧压力决定了通向电极表面的氧气量 膜外氧压力反应了平衡态的电流 极谱法电流传感器 cont 电流与氧分压成正比 且取决于电极的几何形状和氧气在膜中的溶解性以及扩散系数 d为氧气通过的膜的厚度A为膜的面积F是Farady常数D是氧在膜中的扩散系数 是氧在膜中溶解性p是氧分压 Clark电极 溶解氧传感器由Clark在1953年首先提出 由精细铂丝和Ag AgCl阳极组成 膜为聚丙烯或聚乙烯 厚度20um膜和电极表面有一层电解液 b 氧含量的测定 VanSlyke检压法伽伐尼电池法氧电极法血氧计法 VanSlyke检压法经典血氧含量的测量方法 先把血红蛋白结合氧变为溶解氧 再通过真空抽取把溶解氧变为气体氧并封于一定容积的容器里 最后检定该容器内的气压变化来算出氧含量 这种方法手续繁杂 操作费时 并要求技术熟练 不适用于临床使用 但精度高 因此 现仍是各种血氧含量的检测标准 伽伐尼电池法美国Lexington公司开发出一种氧含量测定仪 用载体 1 CO 2 H2 97 N2 使蒸馏水池处于发泡状态 在其中注入血样后 结合型氧被CO置换 血液中的氧游离为载体气体内的氧 这气体氧由载体气体导入伽伐尼电池内 则产生与氧含量成比例的电流 该电流的积分和氧含量成比例 精度高 测量重复性好 造价高 测量耗时长 氧电极法用铁氰化钾溶液或一氧化碳溶液等解离试剂使与血红蛋白结合的氧解离变为溶解氧后 经氧分压测定来求血液中的氧含量 血氧计法分别测定结合氧和溶解氧 再由两者之和来求出氧含量 8 4 2血中二氧化碳测定 二氧化碳分压的意义二氧化碳分压的测定常用的二氧化碳分压电极是PH电极的改良型 它只对CO2产生反应 Severinghaus电极 8 4 3血液pH测量 8 4 4管路系统 8 4 4管路系统 cont 气路系统提供PCO2和PO2电极定标时所用的两种气体 外配气和内配气液路系统提供pH值电极系统定标的两种缓冲液自动将定标和测量时停留在测量毛细管中的缓冲液或血液冲洗干净四个盛放液体的瓶子 8 4 5电路系统 将仪器测量信号进行放大和数模转换 对仪器实行监控 显示和打印结果 通过键盘输入指令 8 4 6血气分析仪的保养 电极的保养参比电极保养更换电极内KCl溶液 加入室温下饱和的KCl溶液和少许KCl结晶 防止参比电极存在气泡定期更换pH电极的保养寿命一般1 2年在空气中暴露2小时以上 应放在缓冲液中浸泡6 2小时 经常清洗 血液 缓冲液 水 空气 8 4 6血气分析仪的保养 cont PCO2电极保养由内电极 半透膜 尼龙网和外缓冲液组成经常清洗 必要时更换半透膜电极用久后 用滴有外缓冲液的细砂纸磨去Ag或AgCl沉积 PO2电极保养干净的内电极端部 四个铂丝点应该明净发亮 用电极膏对电极进行研磨保养 氧电极内充的是氧电极液注意 PCO2电极和PO2电极保养后均需重新进行定标 8 5经皮血气监测仪 几种非侵入性测量技术 利用电极技术 经皮测量PO2 PCO2和PH值 脉搏式血氧计进行血氧饱和度的测量 用质谱仪对经皮肤扩散气体的测量 8 5 1经皮测量的原理 电阻高含蛋白质 脂类 黑色素细胞毛细血管 分布密度1 mm2 回顾微循环 三条途径令血液从微动脉流向微静脉 直捷通路 微动脉 毛细血管 微静脉 不进行物质交换动静脉吻合 血流迅速 不进行物质交换迂回通路 微动脉 后微动脉 毛细血管前括约肌 真毛细血管网 微静脉 物质交换 8 5 1经皮测量的原理 cont 动脉 静脉吻合 环境温度降低时 管壁平滑肌收缩 吻合关闭 有利于保存热量 环境温度上升时 吻合开放 皮肤血流量增加 有利于散热 体温调节 8 5 1经皮测量的原理 cont 正常情况下 皮肤对气体的渗透性不是很高 但在体温较高时 皮肤运输气体的能力会提高 温度升高 皮肤血管充分舒张 温度升高对气体通过角质层的扩散有显著作用 经皮PO2和PCO2更接近动脉血中的值 8 5 1经皮测量的原理 cont 8 5 2经皮血气测量法 PO2经皮血气测量法极谱法电流传感器 Clark电极PCO2经皮血气测量法Se