電化學臨床分析技術和相關儀器知識擴充VIP

1、首頁 第七章 電化學分析技術和臨床相關儀器一、電化學分析法概述溶液的電化學性質(zhì)是指電解質(zhì)溶液通電時，其電位、電流、電導和電量等電化學特性隨化學組分和濃度而變化的性質(zhì)。電化學分析法（Electrochemical analysis）是建立在溶液電化學性質(zhì)基礎上并利用這些性質(zhì)，通過電極這個變換器，將被測物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)變成電學參數(shù)而進行檢測的方法。電位分析法分為電位法（potentiometry)和電位滴定法（potentiometrictitration）兩種。電位法是根據(jù)測量到的某一個電極的電極電位，利用能斯特方程直接求出待測離子的濃度，例如酸度計就是測量溶液中氫離子的濃度。能斯特方程是根據(jù)熱力學

2、推導出來的，其關系式是： 式中，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)。公式表明，在一定條件下，電極的電極電位與被測離子濃度的對數(shù)呈線性關系。電化學臨床分析儀器就是利用電化學分析技術而設計的臨床分析儀器。臨床檢驗常用的電化學分析儀器主要是電解質(zhì)分析儀和血氣分析儀兩種。二、電解質(zhì)分析儀電解質(zhì)分析儀大多是采用離子選擇電極方法對生物樣品進行化驗分析。這種方法簡便、快速，測定的濃度范圍較寬，靈敏度較高，溶液中大多數(shù)的干擾易于消除，較少受用品顏色、濁度影響，是40年來在生化檢驗中發(fā)展最迅速的檢測手段。電解質(zhì)分析儀電極發(fā)

3、展主要在于：電極微型化，采用離子敏場效應管可將電極制成微米級大小，可直接接入人體或細胞內(nèi)進行測定；生物電極，大量開發(fā)可以測定許多代謝產(chǎn)物的酶電極，如葡萄糖酶電極、丙酮酸酶電極等，使它們與離子選擇電極結合制造出新型急診檢測儀器。但是ISE還有不少局限性，其主要問題包括以下兩個方面：1.選擇性差 使得儀器測量下限受到限制，大部分電極的測量范圍為10-1010-7mol.L-1。2. 電極壽命較短 一般壽命為半年至一年，而生物電極可能只有幾天或幾個月。（一）電極的發(fā)展電解質(zhì)分析儀的發(fā)展主要取決于電極的發(fā)展，其中最重要的是新型的離子敏場效應晶體管（Ionic Sense Field-effect Tr

4、ansistor，ISFET）使用。20世紀70年代，Begivel首次提出ISFET的基本結構，ISFET是離子敏感、選擇電極制造技術與固態(tài)微電子學相結合的產(chǎn)物，它是在MOSFET的基礎上發(fā)展起來的，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、體積小、易于集成等特點，所以在醫(yī)學領域上有廣闊的應用前景。下面以H+-ISTFET傳感器為例介紹這類傳感器。1ISFET的基本結構測量H+ 濃度的ISFET與MOSFET在結構上極為相似，不同的是H+-ISTFET的絕緣層表面是對H+ 濃度敏感的材料，并以參考電極取代了MOSFET的金屬柵。ISFET的結構如圖7-1所示。離子敏感膜可以是固態(tài)膜或液態(tài)膜，H+-ISTF

5、ET的敏感膜是Si3N4和Al2O3按一定比例混合而成的，它與P型基體間的絕緣層是SiO2。場效應管工作時需通過試液中的參比電極提供柵極電壓VG，構成測量系統(tǒng)時，場效應管源極和漏極的工作原理與普通的場效應管相同。2.工作原理H+-ISTFET的參比電極采用Ag /AgCl電極（銀-氯化銀絲浸在濃度為-1）的飽和KCl電解液中）。當參比電極插入溶液中后，與電解液發(fā)生化學反應形成一個半電池，這個半電池產(chǎn)生的電壓作為H+-ISTFET的參比電壓（Eref或Vref）。另外，在敏感膜與水接觸后，膜表面形成一層很薄的水化層，它實際是一層水凝膠層，由于濃度差，溶液中的H+通過凝膠層擴散進入H+敏感層，這樣

6、就會在溶液與敏感膜之間形成界面電位jeo，在幾種電壓的共同作用下，就會使得ISFET的漏源開始導通，此時的電壓是閥值電壓Vth。溶液中H+濃度直接影響界面電位，通過電場耦合，這個界面電位又直接影響溝道電導，進而引起H+-ISTFET傳感器溝道電流發(fā)生變化，其變化的大小與溶液中H+的活度有關。因此，根據(jù)半導體的相關理論，建立溝道電流和溶液中氫離子濃度之間的關系，從而獲得溶液中氫離子濃度的信息。對采用甘汞電極為參比電極的ISFET，其閥值電壓可由下式給出：式中 jI 為被測溶液和ISFET的柵介質(zhì)之間的電化學勢；VR為參比電極和溶液之間的結電勢；QSS為氧化層電荷密度，QB為耗盡層電荷密度，jF為

7、P型硅襯底的體弗米勢。實驗表明，甘汞電極的VR穩(wěn)定，VT只與jI有關，而jI與被測離子的離子活度及柵介質(zhì)敏感膜的性質(zhì)有關。根據(jù)能斯特關系式有：因此閥值電壓VT有下式：如果采用Si3N4作敏感膜，ISFET對溶液pH值得響應靈敏度S約為45mV/pH。3在醫(yī)學上的應用在臨床醫(yī)學檢驗中，常需要對體液中的幾種離子同時測定和檢測，以實現(xiàn)快速診斷和及時治療的目的。為此，人們利用集成化技術，將H+-ISFET和Na+-ISFET集成在一起制成多功能ISFET，用于同時對體液中氫離子和鈉離子的測定。目前，ISFET已被廣泛采納作為檢測血液或體液pH值、PCO2、PO2以及葡萄糖變化的敏感元件。（二）多功能的

8、電解質(zhì)分析儀電解質(zhì)分析儀在臨床上的使用越來越向多功能化方向發(fā)展。表7-1 NOVA系列檢測項目圖7-2 NOVA CRT-16全自動電解質(zhì)分析儀 如NOVA CRT-16全自動電解質(zhì)分析儀是美國NOVA生產(chǎn)的用于檢測人體血液、尿液、腦脊液中的尿素、肌酐、葡萄糖鉀、鈉、氯、總二氧化碳，同時計算出陰離子間隙、晶體滲透壓的急診分析儀器。它具有快速、準確、穩(wěn)定、重復性好等特點，越來越受到檢驗科和臨床科室的歡迎。NOVA生產(chǎn)的不同系列，其測定項目各不相同，如表7-2所示。又如AVL 9181型電解質(zhì)分析儀，它是由微電腦控制、全自動的檢測儀器，可以測量鉀、鈉、氯、鈣和鋰離子，通過板面上的yes和no的功能

9、鍵進行人機對話，完成樣本測量、數(shù)據(jù)輸入、菜單選擇和質(zhì)控。三、血氣分析儀血氣分析儀是20世紀50年代中期發(fā)展起來的，至20世紀70年代已達到高度數(shù)字化和自動化程度。血氣分析儀的發(fā)展與pH、PO2和PCO2電極的創(chuàng)造及改進分不開的。血氣分析儀發(fā)展過程大致分為三個階段：血液pH平衡儀階段；酸堿血氣分析儀；全自動酸堿血氣分析儀。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，微機和集成電路制造技術的提高，使血氣分析儀向自動化和智能化方向邁進。pH的測量值已精確到0.001；PCO2和PO2的測量值精確到0.1mmHg。儀器可自動校正、自動進樣、自動清洗、自動計算并發(fā)報告、自動故障檢測和報警，甚至可提供臨床診斷參考意見。

10、電極的使用壽命和穩(wěn)定性進一步提高，儀器的預熱和測量時間進一步縮短，測量所需的樣品量大大減少，最低的僅需40l。越來越多的血氣分析儀與電解質(zhì)分析儀、血氧儀等聯(lián)為一體，并與醫(yī)院的計算機系統(tǒng)聯(lián)機，使其功能更全面。血氣分析儀的發(fā)展方向?qū)⑹侨δ?、小型化、連續(xù)測量等方面。（一）多功能全自動血氣分析儀目前大多數(shù)血氣分析儀都帶有電解質(zhì)（鉀、鈉、氯、鈣）測定，很多新型儀器增加了智能專家診斷系統(tǒng)，既能測定結果又能對結果進行分析及綜合診斷。有的血氣分析儀采用彩色觸摸屏直觀操作，全自動質(zhì)控分析，自動化試劑盒，免保養(yǎng)電極。有的血氣分析儀具有樣品量少（只需2540ml微升全血便能進行手動或自動分析）、試劑消耗量少、電極

11、壽命長、各型號儀器的電極及試劑的消耗品均可互換的特點。目前血氣市場上分析速度最快的最新儀器，只需 “20秒”即可提供一份完整的分析報告（包括pH、PO2、PCO2等14項參數(shù)）并提示非正常的測量參數(shù)；測量只需要25ml樣品，特別適合新生兒和老年人；進樣可使用毛細管、注射器或采血針；具有透明的測量室，操作者可直視電極工作情況和樣本通過過程；全自動一點或兩點定標，全自動清洗。如美國Nova Biomedical公司制造了使用于臨床、重癥、看護、急診、現(xiàn)場或?qū)嶒炇乙话阍\斷檢測用的血氣、電解質(zhì)和化學物質(zhì)的分析儀。該公司的新型Stat Profile Critical Care Xpress 系列提供檢

12、測血氣、CO計量、電解質(zhì)、化學物質(zhì)與血液學相關項目，集多功能于單一儀器中。Stat Profile pHOx 系列分析儀亦有五種機型可供選擇，可作高達12項檢測。右側(cè)圖7-3為該公司的新產(chǎn)品系列Stat Profile(R) Critical Care Xpress “All-in-One”的外形圖，分析儀有19項檢測項目以及各種資料管理功能。這19項檢測項目包括血氣的pH、PCO2、PO2、SO2%；血液的Hct、Hb；電解質(zhì)的Na+、 圖7-3 NOVA系列產(chǎn)品K+、Cl-、Ca2+、Mg2+；血液化學的Glu、BUN、Creat和Lac；CO計量參數(shù)的HHb、O2Hb、MetHb和COH

13、b。（二）適于危重癥監(jiān)護系統(tǒng)的血氣分析儀最新的適于危重癥監(jiān)護系統(tǒng)的血氣分析儀的特點是具有可以提供一個包括血氣參數(shù)、電解質(zhì)參數(shù)、血葡萄糖和血乳酸的完整檢測菜單；單獨連接血氧計，具有專利技術的智能進樣器；微量樣本，分段檢測的新方法；完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；，免維護、操作成本低廉等。儀器模注射機容易升級，不更換儀器就可增加檢測參數(shù)，1分鐘內(nèi)便可快速完成血氣、電解質(zhì)、血壓積及葡萄糖和血氧參數(shù)的準確分析。如美國汽巴-康寧（CIBA-CORNING）于德國拜爾公司合并更名為拜耳診斷公司所推出的Rapidpoint系列產(chǎn)品中，Rapidpoint 400/405系列是適合于危重癥檢測的分析儀器，其中檢測項目包括

14、pH、pCO2 、pO2、 Na+ 、K+、 Ca2+、Cl-、Glucose和Hct，CO計量參數(shù)有tHb、sO2、O2Hb、HHb、COHb、MetHb。其中pH、Na+、K+、Ca2+、 Cl- 所采用的是標準離子選擇電極技術，pCO2采用Severinghaus電極，pO2采用氣敏電極，Glucose采用生物敏 圖7-4 Rapidpoint 400系列電極。Rapidpoint 400/405系列與傳統(tǒng)血氣分析儀的主要區(qū)別是，它以簡便的測量盒代替了原有的各種配件，如：電極、定標試劑、氣瓶、泵管等。操作人員只需將注射器標本活微細管標本插入進樣器，樣本即自動進入系統(tǒng)測定程序，從而大大降低

15、了操作人員的日常工作量，并消除了傳統(tǒng)血氣分析儀日常保養(yǎng)的煩惱，真正達到了危重癥監(jiān)護工作的快、準、易的要求。（三）便攜式血氣分析儀便攜式血氣分析儀可用于急診室、ICU病房、手術室、化驗室及救護車等現(xiàn)場工作中。一種手提式血氣與電解質(zhì)分析系統(tǒng)，其最新技術在于將傳統(tǒng)血氣分析儀所使用的混合標準氣瓶、各種測量電極的標準試劑溶液、廢液回收瓶子等，以最新科學的方式、尖端的科學技術“集成”到一個盒子內(nèi)(GEMSTATPAK)，克服了血氣分析中儀器體積太大不能移動的缺點。儀器采用筆尖式電極，放在一體化中無需保養(yǎng)，三個電極共用一個樣品池，有透明觀測窗觀察進樣情況，很容易發(fā)現(xiàn)血凝塊及氣泡。實驗室的血液以及校準液和質(zhì)控

16、液經(jīng)處理后都收集在密閉的盒子內(nèi)，干凈而無污染。可測量11種參數(shù)pH、PO2、PCO2、Hct、Na+、K+、Ca2+，又可計算出HCO3-、TCO2、BE、O2STAT等參數(shù)。最新的一體化盒可完成150或300次測量。如便攜式小型自動pH血氣分析儀 AVL COMPACT 1，機器采用微機控制，內(nèi)藏式熱敏打印機。具有安全進樣口、廢液水平自動監(jiān)測功能，完全避免發(fā)生任何感染和污染。只有YES/NO及另外兩個鍵便可完成全部操作。樣本用量少，只需50ul全血即可完成全部測量，此功能對老年、新生兒尤其有利。測量結果準確，并能在40秒內(nèi)顯示測量結果。電極壽命長和消耗品用量少使每個樣本的操作成本降至最低。儀

17、器內(nèi)設自檢程序，操作者可方便地檢查儀器 圖7-5 AVL COMPACT 1故障。又如ABL77便攜式血氣/電解質(zhì)分析儀，可以測量的參數(shù)包括 pH、pCO2 、pO2、Hct、 K+、Na+、Ca2+ 、Cl-，其計算參數(shù)多達十幾項。樣本血量僅70l。儀器的特點是無需處理廢液，避免交叉感染；無需任何保養(yǎng)及專人操作，適合多個科室，是急重癥病人快速床旁檢測的首選。儀器采用高科技的微型電化學技術（厚膜技術），實現(xiàn)單一電極盒可完成基本血氣、電解質(zhì)、紅細胞壓積等多項參數(shù)檢測。可以自由選擇50、100、150、300測試的電極卡，避免眾多便攜式血氣分析儀單卡單次測試需等待定標通過的煩瑣，實現(xiàn)即時測量急危重

18、病人檢測的需求。可以使用交、直流電源，內(nèi)置電池可連續(xù)測定20-30個樣本。開機只需2分鐘即可進行檢測，不用時可關閉以減少消耗，運行經(jīng)濟。彩色觸摸屏，WIN CE 操作平臺，中文界面，友好人機對話，操作簡便實用。廢液袋中含有能吸附所有廢液的吸水膠，一旦試劑包破裂，廢液不會濺出污染環(huán)境?；赪indows CE操作系統(tǒng)的軟件，可儲存病例報告、質(zhì)控報告、定標報告各500份。內(nèi)置熱敏打印機可隨時打印報告。具有完善的質(zhì)量保證體系和自我監(jiān)控系統(tǒng)對儀器狀態(tài)、操作過程不斷 進行監(jiān)測。 圖7-6 ABL77便攜式血氣/電解質(zhì)分析儀（四）急診血氣分析儀在實際工作中，單憑血氣分析結果就對酸堿失衡作出正確的判斷是有困

19、難的，它必須結合電解質(zhì)測定、代謝物的測定、血液氧合狀態(tài)的測定，才能明確診斷。在各種酸堿失衡中，代謝性酸中毒為最多見，而代謝性酸中毒最常引起的原因是腎功能衰竭和糖尿病。因此，近年來血氣酸堿分析儀附加測定尿素氮、肌酐、葡萄糖、乳酸測定，幫助明確代謝性酸中毒診斷。血氣分析儀通過隨機組合，成為系列血氣/急診電解質(zhì)/血糖/乳酸分析儀，可測定如pH、PO2、PCO2、SO2%、Hct、Na+、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、葡萄糖、尿素氮、乳酸等，同時直接與血氧計測量全面血氧參數(shù)如tHb、O2Hb、COHb、MetHb、HHb、SO2%、O2ct、O2Cap，實現(xiàn)了把一臺儀器變成一個實驗室的理想。國內(nèi)接

20、觸較早的是美國NOVA公司推出全自動CRT型系列血氣電解質(zhì)急診化學分析儀。以后又有很多公司推出類似功能的儀器。如ABL900系列血氣分析儀就很有代表性。在分析樣品時，操作人員可根據(jù)需要選擇測呼出氣、血氣，電解質(zhì)+葡萄糖或是血氣+電解質(zhì)+葡萄糖，只需按一下分析鍵，儀器便可自動伸出采樣針，接上標本，再按一下分析鍵，便開始吸樣，同時開始分析過程，直至將結果打印出來。多參數(shù)型分析儀適合于臨床急診。根據(jù)不同的參數(shù)組合，采用模塊組合式結構，儀器可以升級。組合式結構允許操作者在血氧分析中任意選擇或任意組合。儀器采用免保養(yǎng)電極，更換電極只需幾秒鐘。由于儀器的測量采用并行通道，每個通道可以自由開關，每個開關僅用

21、40ml樣本即可在60秒內(nèi)得到一份精確的測量報告。這類型的儀器如羅氏的OMNI S產(chǎn)品系列，其中OMNI S產(chǎn)品的檢測項目如下表所示：表7-2 Roche OMNI S 系列的檢測項目+ 圖7-7 羅氏OMNI S血氣分析儀（五）組合型血氣分析儀血氣分析儀發(fā)展歷史上最初是測定血液pH、PCO2和PO2而后推算出各有關診斷指標。近來又附加了電解質(zhì)、代謝物、血氧測定。而傳統(tǒng)的生化自動分析儀也早巳能測定電解質(zhì)、代謝物，近日又增加血液pH及二氧化碳測定。看來兩者都已很接近。由于酶傳感技術進步，許多生化測定方法都要有所改變。因此，血氣分析儀與生化分析儀組合只是時間問題。例如美國實驗儀器公司（Instru

22、mentationLaboratory）生產(chǎn)的Monach化學分析系統(tǒng)，在其生產(chǎn)的3個型號、5個品牌中，2000型-761、1000型-661具有離子選擇電極測定功能。如ABL700全自動血氣/電解質(zhì)/代謝物分析儀，可以測量pH、pCO2、pO2、sO2、tHb、O2Hb、COHb、HbF、MetHb、RHb、K+、Na+、Ca2+、Cl-、Glu、Lac、Bil等，計算參數(shù)達45項，適合于全血、血清、血漿、胸腹水、尿液、其他體液、氣體等樣品，樣本用量為 55l195l。檢測方式可以是血液全項、基本血氣、pH單項、血氧項目、代謝物項目、電解質(zhì)項目或任意組合等自由選擇。 圖7-8 ABL700全

23、自動血氣/電解質(zhì)/代謝物分析儀血氣分析也越來越需要同心導管技術及肺功能測定結合起來。先進的實驗室已經(jīng)這樣做了。有的肺功能室已配置了血氣分析儀，兩者聯(lián)合起來。（六）床邊快速血氣分析儀POCT（Point-Of-Care Testing），意為即時診斷，它起源于尿檢測技術，近年來得到快速發(fā)展，現(xiàn)已應用于臨床、食品衛(wèi)生、環(huán)境保護、禁毒、法醫(yī)檢驗等多個領域。在臨床醫(yī)學中它指在病人旁邊進行的臨床檢測，主要標準是不需要固定的檢測場所，便攜式試劑和儀器，可由非專業(yè)檢驗人員即時操作。目前多應用于血糖監(jiān)測、血氣、電解質(zhì)、血凝，乳酸及其它急診項目分析。POCT代表的是當今醫(yī)院在病人護理和成本管理方面的一種富有成效

24、的方法，它的運用使得一部分原來由中心實驗室承擔的檢測項目轉(zhuǎn)移到需要的臨床科室、病人床邊進行。對于血氣分析技術，POCT更顯示出極大的優(yōu)越性。由于檢測參數(shù)的特殊性，血氣分析要求樣本在采出的最短時間內(nèi)得到測定，以保證獲得的數(shù)據(jù)有高的可信度，從而幫助臨床醫(yī)生進行快速準確的診斷并進而及時有效地采取治療?，F(xiàn)將POCT血氣分析儀的臨床應用情況做一簡介：1.心血管外科： 心血管外科圍手術期間，病人呼吸受呼吸機控制，體外循環(huán)期間心肺功能被人工心肺機所代替，血氣酸堿穩(wěn)態(tài)人為調(diào)控，加之低溫的使用也深刻影響血氣和酸堿穩(wěn)態(tài)。因此，血氣和酸堿穩(wěn)態(tài)管理對保證心血管手術的安全有特殊意義。應用POCT血氣分析儀進行動態(tài)監(jiān)護血

25、氣和酸堿穩(wěn)態(tài)，可準確、綜合地反映機體心肺功能和組織代謝狀況，對手術方案的制定、實施和修正有重要意義。2.麻醉病人：麻醉病人由于疾病、麻醉、手術以及術中出血和輸血、輸液的影響，很容易出現(xiàn)血氣變化和酸堿失衡，而發(fā)生在麻醉中和麻醉恢復期間的心跳驟停約有60%與低氧血癥和高碳酸血癥有關，這一期間POCT血氣分析儀的應用能全面了解病人的呼吸功能，及時發(fā)現(xiàn)和準確診斷低氧血癥與高碳酸血癥，為正確處理麻醉病人所出現(xiàn)的血氣變化和酸堿失衡提供依據(jù)。從而可以避免由此造成的麻醉意外的發(fā)生，保證病人在麻醉和手術中的安全，降低手術風險，減少術中和術后的并發(fā)癥的出現(xiàn)。3. ICU：ICU中的危重病人因機體內(nèi)環(huán)境紊亂，常伴有

26、多臟器功能損害，特別是肺和腎功能障礙，極易并發(fā)動脈血氣異常和酸堿平衡紊亂，嚴重的酸堿平衡紊亂又可影響重要臟器的功能，有時往往成為病人致死的直接原因，因此即使正確地識別和處理常是挽救危重病人的關鍵因素之一。搶救危重病人時不但應爭分奪秒，而且在救治過程中動態(tài)檢測動脈血氣變化對危重病人的治療更具有指導作用。如IRMA床邊快速血氣分析儀是由PHILIPS公司生產(chǎn)的一種快速血氣分析系統(tǒng)，該儀器具有小巧便攜，檢測快速準確，使用維護方便等特點。如美國IL公司的產(chǎn)品GEM Premier3000血氣分析儀是集上述特點于一體的突出代表。GEMPrimer3000是一種用于全血樣品的便攜式診斷系統(tǒng)，它在秉承IL產(chǎn)品一貫品質(zhì)優(yōu)秀的同時，具備了引領POCT血氣分析儀發(fā)展方向的獨特設計：（1）采用傳統(tǒng)的氣液雙重定標法，利用內(nèi)置定標氣和定標液進行有效定標，保證了測定結果的準確性；（2）采用