第6章-电化学分析技术和临床相关仪器-简化

1、第六章 电化学分析技术和临床相关仪器,第六章 电化学分析技术和临床相关仪器,6-1概述 6-2电化学分析原理 6-3电解质分析仪 6-4 血气分析仪,电化学临床分析仪器是利用电化学分析技术而设计的临床分析仪器。,6-1 概 述,一、电化学临床分析仪器,电解质分析仪 （electrolyte chemistry analyzers）,血气分析仪 （blood gas analyzers）,分类,1.电解质分析仪,采用离子选择性电极（ISE）测量体液中离子浓度的仪器。,测量样品中的指标： 钾、钠、氯、钙、锂、pH值等。,利用电极对血样中的酸碱度（pH）、二氧化碳分压（PCO2）和氧分压（PO2）进

2、行测定的仪器。,2.血气分析仪,测量样品中的指标： pH、PCO2、PO2、血液中实际碳酸氢根浓度（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（BE blood）、细胞外液碱剩余（BEECF）、血氧饱和度（SO2）等。,电化学分析法是建立在溶液电化学性质基础上的一类分析方法。,二、电化学分析法 （Electrochemical analysis）,测 定 物理量,参与反应的化学物质的量,确定,电位 电流 电导 电量,将样品溶液与适当的电极组成化学电池，通过测量电池的某些物理量（电压，电流，电阻，电量等）的强度或其变化来确定被测物质含量的方法称

3、为电化学分析法。 电位分析法是利用电极电位和浓度之间的关系来确定物质含量的分析方法。 指示电极：电极电势符合Nernst方程,6-2电化学分析原理,一、pH值测定原理,pH玻璃膜电极 （glass membrane electrode）,玻璃电极对溶液pH的敏感程度取决于电极的玻璃膜。,在25时，玻璃电极的电极电位：,通常采用二次测量法，即用相同的仪器测定标准溶液和待测溶液的电动势，以确定待测液的pH。采用的电池组成是：,2. 电化学法测量血液 pH,由于各玻璃电极的 K玻 不尽相同，在测定时仪器需用标准缓冲溶液进行校正。,常用标准缓冲溶液,（1）0.05mol/Kg 邻苯二甲酸氢钾溶液,37

4、，pH值： 6.84,37，pH值：4.02,（2）0.025mol/Kg 混合磷酸盐溶液,二、离子选择性电极工作原理 ( principal of Ion selective electrode ),1. 离子选择性电极的结构,膜电位：膜内外被测离子活度的不同而产生 电位差。,离子选择性电极又称膜电极（membrane electrodes ）,特点：仅对溶液中特定离子有选择性响应。,膜电极的关键：是一个称为选择膜的敏感元件。,敏感元件： 单晶、混晶、液膜、功能膜及生物 膜等构成。,离子选择电极的构造,离子选择性电极的电极电位表示为：,阳离子选择性电极为 ； 阴离子选择性电极为 ； n 为离

5、子电荷数； Cx 为被测离子浓度； fx 为被测离子活度系数； K 在测量条件恒定时为常数。,2. 离子选择性电极的测量方法,ISE与参比电极共同浸入样品试液中构成一个原电池，通过测量原电池的电动势E，便可求得被测离子的活度或浓度。,离子选择性电极作正极时： 对阳离子响应的电极，取正号； 对阴离子响应的电极，取负号。,间接法- 血清经一定离子强度缓冲溶液 稀释后由电极测量。,直接法 间接法,ISE测量方法分类：,直接法- 血清不经稀释直接由电极测量,三、氧分压（PO2）电极的工作原理,PO2 电极是氧化还原电极，对氧的测量是基于电解氧的原理实现的。,目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电

6、极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。,Clark 氧电极的结构,待测溶液中的O2可以借助电极外表面的O2渗透膜（约20m的聚丙烯或聚 乙烯或聚四氟 乙烯），依靠 PO2梯度透过 膜而进入电极。,在测定时，O2在铂阴极表面发生的反应如下：,O2 + 2 H2O H2O2 H2O2 + 2 e- 2 OH-,当阴极表面附近的氧被消耗后，阴极表面氧气分压：,PO2= 0.00 kPa/mmHg,样品中的氧将通过渗透膜向阴极发生浓度扩散。 当氧浓度扩散梯度相对稳定时，就产生一个稳定的电解电流，称之为极限扩散电流 I0 。,I0 PO2(样本）,通过测定电流变

7、化即可测定血液标本中的氧气分压。,在外加电压超过0.8V时，即使PO2 = 0 mmHg，水本身也会被电解而产生电流。 外加在PO2电极上的工作电压通常为0.65V。,四、PCO2 电极的工作原理,PCO2电极是气敏电极（gas sensing electrode），是由pH玻璃电极和银-氯化银电极组装在一起的复合电极。,6-3电解质分析仪,电解质分析仪（electrolyte analyzer） ： 采用离子选择性电极（ISE）测量溶液中离子浓度的仪器 。,测定指标： 生物样品中的K+、Na+、Cl-、Ca2+、Li+、pH值等。,具有设备简单、操作方便、灵敏度和选择性好、成本低、快速、准确

8、、微量、不破坏被测试样和不用进行复杂的预处理等优点。,优点：,如 Nova 电解质/化学分析仪： Na+、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Li+。,一、电解质分析仪的分类,（一）按自动化程度分类,半自动电解质分析仪 全自动电解质分析仪,（二）按工作方式分类,湿式电解质分析仪 临床上常用 干式电解质分析仪,（三）常见电解质分析的仪器分类,电解质分析仪 只进行单独的电解质分 析 ，分析血清、血浆、 全血和稀释尿液标本 。 血气分析仪 含H+、Na+、K+、Ca2+、Cl- 等电解质分析，既可以做 急诊化验又可批量分析。 自动生化分析仪 含电解质分析。,二、电解质分析仪的结构,（一）湿式电解质分析

9、仪,离子选择性电极 参比电极 分析箱 测量电路 控制电路 驱动电机 显示器,湿式电解质 分析仪,基本组成,结构框图,测定原理,样品通过某离子选择性电极时由某相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。, 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。,测定过程, 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。, 由动力泵将样品

10、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，与 A 标、B 标测量值进行比较，计算结果通过 CRT 显示器显示或打印机输出。,电极系统,电极系统是测定样品结果的关键，决定测定结果的准确度和灵敏度。,指示电极 参比电极,电极系统,指示电极： pH、Na+、K+、Li+、Cl-、Ca2+、Mg2+等 离子选择性电极。,参比电极： 银/氯化银电极,（二）干式电解质分析仪,电解质的干化学测定法目前主要有两类:,基于反射光度法干化学测定,基于离子选择性电极（ISE）方法干化学测定,SPOTCHEM EL SE-1520,基于ISE法干式电解质分析仪的结构示意图,通常每测一个项目需要

11、用一个干片，每个干片上带有条形识别码，仪器将自动识别所进行的测定项目。,测定时，用双孔移液管取10L血清和10L参比液滴入两个加样孔内，即可测定二者的差示电位。,三、电解质分析仪的维护保养与故障排除,（一）仪器的维护保养,1. 电极系统的保养,仪器在工作过程中，由于电极的内充液与样品之间存在着不同程度的离子交换，使电极内充液的浓度逐渐降低，从而使膜电位下降，导致测量结果偏低。需要定期对电极内充液中的离子含量进行调整。,钠电极内充液的浓度降低最为严重，要经常检查调整内充液浓度。,许多仪器的程序设计中已包含每日保养（daily maintenance）一项。坚持每日用厂家提供的清洁液和钠电极调整液

12、进行清洗和调整是最基本的保养。,调整液含有氟化钠-玻璃腐蚀剂。,（1）钠电极,钾电极为选择性膜电极,使用过程中会吸附蛋白质,影响电极的响应灵敏度。每月至少更换一次内充液。,（2）钾电极,氯电极为选择性膜电极,使用过程中亦会吸附蛋白质,影响电极的响应灵敏度。最好用物理法进行膜电极的清洁。,（3）氯电极,每周均需检查电极内是否有足够的饱和氯化钾溶液及氯化钾残片。如果不够或没有，则需及时添加。一般三个月要换一次参比电极膜。,（4）参比电极,清洗电极套,保持毛细管通透,使盐桥导通,电极芯无需保养,但不能用水洗或使其干燥。,血气分析仪（blood gas analyzer）是利用电极对人全血中的酸碱度（

13、pH）、二氧化碳分压（PCO2）和氧分压（PO2）进行测定的仪器。,6-4 血气分析仪,根据所测得的pH、PCO2、PO2参数及输入的血红蛋白值，血气分析仪可进行计算而求出血液中的其它参数，如：,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（T-CO2） 血液碱剩余（BEblood） 细胞外液碱剩余（BEECF） 血氧饱和度（SO2）,人体血气酸碱生理指标常用参数,一、工作原理,电极系统 管路系统 电路系统,血气分析仪种类型号很多，其基本结构均可分为三大部分：,血气分析仪的工作原理图,测量室必须是一个恒温系统。通常测量室的温度被恒定在370.1。,在

14、血气分析仪中，为了完成对样品的自动定标、自动测量和自动冲洗等功能，装有一套比较复杂的管路系统以及配合管路工作的泵体和电磁阀。,泵和电磁阀的转、停、开、闭、温度的高低；定标气及定标液的有、无、供、停等，均由微机进行控制或监测。,血气分析方法是一种相对测量方法。在测量样品之前，需用标准液及标准气体确定pH、PCO2和PO2三套电极的工作曲线。,通常把确定电极系统工作曲线的过程叫做定标或校准（Calibration）。,每种电极都要有两种标准物质来进行定标，以便确定建立工作曲线最少需要的两个工作点。,使用7.383和6.840两种标准缓冲液进行定标。,pH系统：,氧和二氧化碳系统：,用两种混合气体来

15、进行定标。,5 CO2和20 O2,10 CO2,定 标,二、仪器结构,（一）电极系统,电极是血气分析仪的电化学传感器。,离子极-主要有K+、Na+、Li+、Ca2+、 Cl-、pH和pCO2 电极 伏安型传感器-主要是PO2 电极,电化学传感器主要包括两大类：,一般的血气分析仪使用四支电极： pH 电极 PCO2 电极 PO2 电极 pH 参比电极。,1pH电极和pH参比电极,血气分析仪使用毛细管pH玻璃电极和甘汞电极测量溶液的酸碱度。,pH 测量系统示意图,罗氏公司使用的参比电极,1958年使用的第一个三功能血气分析仪及其电极。,2PCO2电极,PCO2电极是根据J.Severinghau

16、s原理设计的，故也称为“Severinghaus”电极。,PCO2 测量系统示意图,PCO2电极的基本组成部分-玻璃电极。,pH敏感的薄层玻璃膜-厚约0.1mm,电极内充溶液-含有KCl的磷酸盐缓冲液， 其中浸有杆状Ag/AgCl电极,内参比电极-环状Ag/AgCl电极，位于玻璃 电极杆的近侧端。,玻璃电极与参比电极外面充满PCO2电极外缓冲液，它的pH值随血液的PCO2而改变。,玻璃电极膜与其有机玻璃外套一端的渗透膜之间放一片尼龙网或擦镜纸，使两者之间保证有一薄层电极溶液间隔。,作用原理：它将测量室内的血液与玻璃电极及其外面的HCO3-溶液分隔开，血液与玻璃电极及其外面的HCO3-溶液分隔开

17、，只允许血液样品中CO2分子通过，让其溶解、水化，并建立电离平衡，使溶液中氢离子（H+）增加，因而使膜内溶液pH值下降。由二氧化碳分压电极的工作原理可知，待测溶液中pH值的变化与lgPCO2有线性关系。由pH电极测得pH值的变化量，经反对数放大器转换为PCO2，再用数字显示。,渗透膜,-聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜或硅橡胶膜,3PO2电极,PO2 电极是一种气敏电极。O2 渗透膜用约20m的聚丙烯膜或聚四氟乙烯膜，也有用聚乙烯、聚酯作电极膜。,PO2电极测量系统示意图,PO2电极电流信号的产生原理见第一节所述。,电流的大小通常只有几十纳安（10-9A），故PO2电极所配的放大器为高输入阻抗、低噪声的

18、微电流放大器。,当PO2的值为零时，电路中电流并不为零，存在一个微小的电流值，通常称其为基流。在校准PO2电极时，需采用两种气体。先用不含氧的纯CO2气体通过测量管，将电路中的基流调为零；用第二种标准气体去测定PO2，便可得出PO2和电流的标准曲线。,（二）管路系统,血气分析仪的管路系统比较复杂，是血气分析仪很重要的组成部分。 功能有完成自动定标、自动测量、自动冲洗等。,管路系统结构，通常由气瓶、溶液瓶、连接管道、电磁阀、正压泵、负压泵和转换装置等部分组成。,血气分析仪的管路系统示意图,1气路系统,气路系统用来提供PCO2和PO2两种电极定标时所用的两种气体。每种气体中含有不同比例的氧和二氧化

19、碳。,压缩气瓶供气方式，又叫外配气方式 气体混合器供气方式，又叫内配气方式,气路系统的类型,（1）压缩气瓶供气方式,由两个压缩气瓶供气，一个含有5的二氧化碳和20的氧；另一个含10的二氧化碳，不含氧。,经过减压后输出的气体，首先经过湿化器饱和湿化后，再经阀或转换装置送到测量室中，对PCO2和PO2电极进行定标。,湿化器是用水蒸气将定标气体饱和湿化的装置。,经饱和湿化后的水蒸气产生的压力为恒定值。,（2）气体混合器供气方式,这种供气系统用仪器本身的气体混合器产生定标气。,加到气体混合器上来的空气压缩机产生的压缩空气和气瓶送来的纯二氧化碳气体，二氧化碳的纯度要求大于99.5，气体混合器将上述两种气

20、体进行配比、混合，最后产生类似于上述气瓶内气体比例的两种不同浓度的气体。同气瓶预混的供气方式一样，这两种气体也要经湿化器后，才送给测量毛细管。,2液路系统,液路系统具有两种功能，一是提供pH值电极系统定标用的两种缓冲液，二是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。,需要四个盛放液体的瓶子，其中两个盛放缓冲液1和缓冲液2，第三个盛装冲洗液，第四个盛放废液。,血气分析仪内部具有两个泵，一为真空泵，另一为蠕动泵。利用这两个泵来完成仪器的定标、测量和冲洗。,真空泵用来产生负压，使废液瓶内维持负压，靠此负压去吸引冲洗液和干燥空气，用于冲洗和干燥测量毛细管。真空泵还用于湿化器的快速充液。,蠕动泵用于抽吸样品和定标液。在定标时用来抽取缓冲液到测量