第9章電化學(xué)分析技術(shù)

1、第九章第九章 電化學(xué)分析技術(shù)和臨床相關(guān)電化學(xué)分析技術(shù)和臨床相關(guān) 儀器儀器 電化學(xué)臨床分析儀器是利用 電化學(xué)分析技術(shù)而設(shè)計的臨床分 析儀器。 血氣分析儀 （blood gas analyzers） 概概 述述 利用電極對血樣中的酸堿度（pH）、二氧化碳分壓（PCO2） 和氧分壓（PO2）進行測定的儀器。 一、pH值測定原理 pH玻璃膜電極（glass membrane electrode） 玻璃電極對溶液pH的敏感程度取決于 電極的玻璃膜。 在25時，玻璃電極的電極電位： x pHK05916. 0 電化學(xué)分析原理電化學(xué)分析原理 通常采用二次測量法，即用相同的儀器測定標準溶液和待 測溶液的電動勢

2、，以確定待測液的pH。采用的電池組成是： （-）玻璃電極）玻璃電極待測溶液待測溶液(pHx)飽和甘汞電極飽和甘汞電極 (+) （-）玻璃電極）玻璃電極標準緩沖溶液標準緩沖溶液(pHs)飽和甘汞電極飽和甘汞電極 (+) 2. 電化學(xué)法測量血液 pH EE S X FRT/303. 2 pH+ + 由于各玻璃電極的 K玻 不盡相同，在測定時儀器需 用標準緩沖溶液進行校正。 常用標準緩沖溶液 （1）0.05mol/Kg 鄰苯二甲酸氫鉀溶液 37，pH值： 6.84 37，pH值：4.02 （2）0.025mol/Kg 混合磷酸鹽溶液 二、離子選擇性電極工作原理 ( principal of Ion

3、selective electrode ) 1. 離子選擇性電極的結(jié)構(gòu) 膜電位：膜內(nèi)外被測離子活度的不同而產(chǎn)生電位差。 離子選擇性電極又稱膜電極（membrane electrodes ） 特點：僅對溶液中特定離子有選擇性響應(yīng)。 膜電極的關(guān)鍵：是一個稱為選擇膜的敏感元件。 敏感元件： 單晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等構(gòu)成。 離子選擇電極的構(gòu)造 離子選擇性電極的電極電位表示為： x f x C nF RT. kEISEln 3032 陽離子選擇性電極為 ； 陰離子選擇性電極為 ； n 為離子電荷數(shù)； Cx 為被測離子濃度； fx 為被測離子活度系數(shù)； K 在測量條件恒定時為常數(shù)。 2. 離子選

4、擇性電極的測量方法 ISE與參比電極共同浸入樣品試液中構(gòu)成一個原電池，通過 測量原電池的電動勢E，便可求得被測離子的活度或濃度。 i a nF RT KElg 303. 2 離子選擇性電極作正極時： 對陽離子響應(yīng)的電極，取正號； 對陰離子響應(yīng)的電極，取負號。 直接法血清不經(jīng)稀釋直接由電極測量 間接法血清經(jīng)一定稀釋后由電極測量。 ISE測量方法 三、氧分壓（PO2）電極的工作原理 PO2 電極是氧化還原電極，對氧的測量是基于電解 氧的原理實現(xiàn)的。 目前用得最多的氧電極是電解式的Clark氧電極 Clark氧電極是由鉑陰極、Ag/AgCl陽極、KCl電解質(zhì)和透氣膜 所構(gòu)成。 四、PCO2 電極的工

5、作原理 PCO2電極是氣敏電極（gas sensing electrode），是 由pH玻璃電極和銀-氯化銀電極組裝在一起的復(fù)合電 極。 電解質(zhì)分析儀電解質(zhì)分析儀 電解質(zhì)分析儀（electrolyte analyzer） ： 采用離子選擇性電極（ISE）測量溶液中離 子濃度的儀器 。 測定指標： 生物樣品中的K+、Na+、Cl-、 Ca2+、Li+、pH值等。 具有設(shè)備簡單、操作方便、靈敏度和選擇性好、成本低、快 速、準確、微量、不破壞被測試樣和不用進行復(fù)雜的預(yù)處理等 優(yōu)點。 優(yōu)點： 如 Nova 電解質(zhì)/化學(xué)分析儀： Na+、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Li+、 TCO2、TCa、Gl

6、u、BUN、Hct、pH、 Creat。 一、電解質(zhì)分析儀的分類 （一）按自動化程度分類 半自動電解質(zhì)分析儀 全自動電解質(zhì)分析儀 （二）按工作方式分類 濕式電解質(zhì)分析儀 臨床上常用 干式電解質(zhì)分析儀 （三）常見電解質(zhì)分析的儀器分類 電解質(zhì)分析儀 只進行單獨的電解質(zhì)分析 ，分析血清、 血漿、全血和稀釋尿液標本 。 血氣分析儀 含H+、Na+、K+、Ca2+、Cl- 等電解質(zhì)分析， 既可以做急診化驗又可批量分析。 自動生化分析儀 含電解質(zhì)分析。 二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu) （一）濕式電解質(zhì)分析儀 離子選擇性電極 參比電極 分析箱 測量電路 控制電路 驅(qū)動電機 顯示器 濕式電解質(zhì)分析儀 基本組成 顯 示

7、 器 分 析 箱 Na電極 K電極 參比電極 測 量 電 路 驅(qū) 動 器邏輯控制電路操作鍵 測定原理 樣品通過某離子選擇性電極時由某相應(yīng)的電解質(zhì)滲過電極 膜時產(chǎn)生了電流，通過對該電流的放大，同標準液 A 標及 B 標通過電極時產(chǎn)生的電流進行對數(shù)及斜率比較，計算出樣品中 某一電解質(zhì)的值。 由動力泵將 A 標準液抽入電極池(抽樣長度由光電開 關(guān)檢測)，并停留幾秒進行 A 標標定,然后由動力泵將 A 標 準液抽回廢液瓶。 測定過程 分配閥動作將通道接向 B 標準液，由動力泵將 B 標 準液抽入電極池進行斜率測定。B 標定標完成后，由動力 泵將 B 標準液抽回廢液瓶。 由動力泵將樣品吸入電極池進行樣品

8、的測定，測量數(shù)據(jù) 經(jīng)前置放大器放大送入CPU 板，與 A 標、B 標測量值進行比 較，計算結(jié)果通過 CRT 顯示器顯示或打印機輸出。 到位 檢測 CRT 顯示器 CPU 板 運算 放大器 電 極動力泵樣 品 打印機 B 標準液 A 標準液 廢液 測定過程框圖 （二）干式電解質(zhì)分析儀 電解質(zhì)的干化學(xué)測定法目前主要有兩類: 基于反射光度法干化學(xué)測定 基于離子選擇性電極（ISE）方法 干化學(xué)測定 銀層銀層銀層銀層 通常每測一個項目需要用一個干片，每個干片上帶有條形識別碼，儀器將 自動識別所進行的測定項目。 測定時，用雙孔移 液管取10l 血清和 10l 參比液滴入兩個 加樣孔內(nèi)，即可測定 二者的差示

9、電位。 三、電解質(zhì)分析儀的維護保養(yǎng)與故障排除 （一）儀器的維護保養(yǎng) 1. 電極系統(tǒng)的保養(yǎng) 儀器在工作過程中，由于電極的內(nèi)充液與樣品之間存在 著不同程度的離子交換，使電極內(nèi)充液的濃度逐漸降低，從 而使膜電位下降，導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。需要定期對電極內(nèi)充 液中的離子含量進行調(diào)整。 鈉電極內(nèi)充液的濃度降低最為嚴重，要經(jīng)常檢查調(diào)整內(nèi)充液 濃度。 許多儀器的程序設(shè)計中已包含每日保養(yǎng)（daily maintenance） 一項。堅持每日用廠家提供的清潔液和鈉電極調(diào)整液進行清 洗和調(diào)整是最基本的保養(yǎng)。 調(diào)整液含有氟化鈉-玻璃腐蝕劑。 （1）鈉電極 鉀電極為選擇性膜電極,使用過程中會吸附蛋白質(zhì),影響 電極的響應(yīng)靈

10、敏度。每月至少更換一次內(nèi)充液。 （2）鉀電極 氯電極為選擇性膜電極,使用過程中亦會吸附蛋白質(zhì),影 響電極的響應(yīng)靈敏度。最好用物理法進行膜電極的清潔。 （3）氯電極 每周均需檢查電極內(nèi)是否有足夠的飽和氯化鉀溶液及氯化 鉀殘片。如果不夠或沒有，則需及時添加。一般三個月要換一 次參比電極膜。 （4）參比電極 清洗電極套,保持毛細管通透,使鹽橋?qū)?電極芯無需保 養(yǎng),但不能用水洗或使其干燥。 2.流路系統(tǒng)的保養(yǎng) 儀器在測量過程中，由于血清中含有部分纖維蛋白，蛋白將 附著在液流通道 (flowpath)的泵、管路和電極系統(tǒng)毛細管的內(nèi)壁 上，當測量工作量較大時，內(nèi)壁所附的蛋白增厚，造成阻塞管 路和影響樣品

11、與電極之間的測量電位，影響正常工作和測試結(jié) 果的準確性。 （1）流路保養(yǎng) 多數(shù)儀器都有儀器流路保養(yǎng)程序，可以根據(jù)保養(yǎng)程序進行保 養(yǎng)工作。當流路保養(yǎng)程序結(jié)束后，應(yīng)當對儀器進行重新定標。 流路清洗是為了保證儀器流路中沒有蛋白質(zhì)、脂類沉積和 鹽類結(jié)晶。 （2）全流路清洗 儀器進入流路程序進行清洗，吸入或注射清洗液、去蛋白液 或蒸餾水沖洗流路，重復(fù)23次。沖洗完畢，應(yīng)當對儀器進行重 新定標。 （二）日常維護保養(yǎng) 檢查試劑量，如不足1/4液面，應(yīng)及時更換；清潔儀器表面 灰塵及吸樣探針，保持探針的暢通；及時棄去廢液瓶中的廢 液。 1.每日維護 儀器應(yīng)進行流路清洗，除去蛋白質(zhì)、脂類沉積和鹽類結(jié)晶， 對儀器進

12、行維護保養(yǎng)。 2.每周維護 清潔泵管，用酒精棉球清潔泵管和不銹鋼轉(zhuǎn)軸，在泵管的彎 處涂硅油或白色凡士林等潤滑劑。 3.每月維護 4.每季度進行MV值試驗 電極的MV值由儀器使用說明書給出。 （三）常見故障及其排除方法 1.儀器不工作2.定標不能穩(wěn)定 3.重復(fù)性不良 4.準確性不夠 5.樣品不能吸入、管路有氣泡 6.管路堵塞 7.電極漂移與失控 8.測試血樣出現(xiàn)異常值 9.電極斜率降低 血氣分析儀（blood gas analyzer）是利用電極對 人全血中的酸堿度（pH）、二氧化碳分壓（PCO2） 和氧分壓（PO2）進行測定的儀器。 血氣分析血氣分析 儀儀 根據(jù)所測得的pH、PCO2、PO2參

13、數(shù)及輸入的血紅蛋白值， 血氣分析儀可進行計算而求出血液中的其它參數(shù)，如： 實際碳酸氫根濃度（AB） 標準碳酸氫根濃度（SB） 血液緩沖堿（BB） 血漿二氧化碳總量（T-CO2） 血液堿剩余（BEblood） 細胞外液堿剩余（BEECF） 血氧飽和度（SO2） 人體血氣酸堿生理指標常用參數(shù) 正常生理指標正常生理指標非正常生理指標非正常生理指標 pH7.35 7.45 7.45 酸血癥酸血癥堿血癥堿血癥 pCO2 4.655 5.985kPa (均值均值5.32 kPa) 5.985 kPa 低碳酸血癥低碳酸血癥高碳酸血癥高碳酸血癥 pO210.64 13.3 kPa 7.3 kPa4 kPa 呼

14、吸衰竭呼吸衰竭有生命危險有生命危險 Hb 男男女女 120160g.L-1110150g.L-1 一、工作原理 鍵 盤 參比電極 pH電極 前置放大放大 樣 品 室 PCO2電極前置放大反對數(shù)放大 PO2電極前置放大 放大 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 測 量 管 打印輸出 輸出顯示 溫度控制 微 機 管路 系統(tǒng) 測量室必須是一個恒溫系統(tǒng)。通常測量室的溫度被恒定 在370.1。 在血氣分析儀中，為了完成對樣品的自動定標、自動測量 和自動沖洗等功能，裝有一套比較復(fù)雜的管路系統(tǒng)以及配合 管路工作的泵體和電磁閥。 泵和電磁閥的轉(zhuǎn)、停、開、閉、溫度的高低；定標氣 及定標液的有、無、供、停等，均由微機進行控制或監(jiān)測。

15、 血氣分析方法是一種相對測量方法。在測量樣品之前， 需用標準液及標準氣體確定pH、PCO2和PO2三套電極的工 作曲線。 每種電極都要有兩種標準物質(zhì)來進行定標，以 便確定建立工作曲線最少需要的兩個工作點。 通常把確定電極系統(tǒng)工作曲線的過程叫做定標 或校準（Calibration）。 離子極-主要有K+、Na+、Li+、Ca2+、 Cl-、pH和pCO2 電極 伏安型傳感器-主要是PO2 電極 一般的血氣分析儀使用四支電極： pH 電極 PCO2 電極 PO2 電極 pH 參比電極。 1pH電極和pH參比電極 血氣分析儀使用毛細管pH玻璃電極和甘汞電極測量溶液的 酸堿度。 pH 測量系統(tǒng)示意圖

16、毛細管玻璃pH電極與甘汞電極結(jié)構(gòu)示意圖 此種電極的標本用量為2l，pH測定范圍為010。 2PCO2電極 PCO2電極是根據(jù)J.Severinghaus原理設(shè)計的，故也稱為 “Severinghaus”電極。 PCO2 測量系統(tǒng)示意圖 PCO2電極的基本組成部分-玻璃電極。 pH敏感的薄層玻璃膜-厚約0.1mm 電極內(nèi)充溶液-含有KCl的磷酸鹽緩沖液，其中浸有桿狀 Ag/AgCl電極 內(nèi)參比電極-環(huán)狀A(yù)g/AgCl電極，位于玻璃電極桿的近側(cè)端。 玻璃電極與參比電極外面充滿PCO2電極外緩沖液，它的pH值 隨血液的PCO2而改變。 玻璃電極膜與其有機玻璃外套一端的滲透膜之間放一片尼龍網(wǎng) 或擦鏡紙

17、，使兩者之間保證有一薄層電極溶液間隔。 作用原理：它將測量室內(nèi)的血液與玻璃電極及其外面的HCO3- 溶液分隔開，血液與玻璃電極及其外面的HCO3-溶液分隔開， 只允許血液樣品中CO2分子通過，讓其溶解、水化，并建立電 離平衡，使溶液中氫離子（H+）增加，因而使膜內(nèi)溶液pH值 下降。由二氧化碳分壓電極的工作原理可知，待測溶液中pH 值的變化與lgPCO2有線性關(guān)系。由pH電極測得pH值的變化量， 經(jīng)反對數(shù)放大器轉(zhuǎn)換為PCO2，再用數(shù)字顯示。 -聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜或硅橡膠膜 3PO2電極 PO2 電極是一種氣敏電極。O2 滲透膜用約20m的聚丙烯膜或 聚四氟乙烯膜，也有用聚乙烯、聚酯作電極膜。

18、 PO2電極測量系統(tǒng)示意圖 在測定時，O2在鉑陰極表面發(fā)生的反應(yīng)如下： 外加直流電壓 0.4V 進入電極內(nèi)O2 不反應(yīng) 0.4V0.8V在鉑陰極表面被還原 O2 + 2 H2O H2O2 H2O2 + 2 e- 2 OH- 當陰極表面附近的氧被消耗后，陰極表面氧氣分壓： PO2= 0.00 kPa/mmHg 樣品中的氧將通過滲透膜向陰極發(fā)生濃度擴散。 當氧濃度擴散梯度相對穩(wěn)定時，就產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電解電流， 稱之為極限擴散電流 I0 。 I0 PO2(樣本） 通過測定電流變化即可測定血液標本中的氧氣分壓。 在外加電壓超過0.8V時，即使PO2 = 0 mmHg，水 本身也會被電解而產(chǎn)生電流。 外

19、加在PO2電極上的工作電壓通常為0.65V。 （二）管路系統(tǒng) 血氣分析儀的管路系統(tǒng)比較復(fù)雜，是血氣分析儀很重要的 組成部分。 功能有完成自動定標、自動測量、自動沖洗等。 管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常由氣瓶、溶液瓶、連接管道、電磁閥、 正壓泵、負壓泵和轉(zhuǎn)換裝置等部分組成。 血氣分析儀的管路系統(tǒng)示意圖 （三）電路系統(tǒng) 將儀器測量信號進行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換、對儀器實行有效 控制、顯示和打印出結(jié)果，并通過鍵盤輸入指令。 作用： 某一血氣分析儀的電路系統(tǒng)原理如下圖所示： 血氣分析儀電路原理框圖 四、血氣分析儀的維護、保養(yǎng)與故障排除四、血氣分析儀的維護、保養(yǎng)與故障排除 血氣分析儀作為一種精密的分析儀器，操作比較簡單，關(guān)鍵 是日常的維護和