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1、第七章电化学分析技术和临床相关仪器,7-0概述7-1电化学分析原理 7-2电解质分析仪 7-3 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。,7-0 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、镁等。,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）进行测定的仪器。,2.血气分析仪,测量样品中的指标：p
2、H、PCO2、PO2、AB、SB、BB、TCO2、BE blood、BEECF、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,7-1电化学分析原理,一、pH值测定原理,参比电极（正极）标准氢电极:基准，电位值为零(任何温度)。,甘汞电极:电 极 反应：Hg2Cl2+2e-=2Hg+2 Cl-电极电位（25）：EHg2Cl/Hg=EHg22+Cl/Hg-0.059lgaCl-,电极内溶液的Cl-活度一定时，甘汞电极电位固定。,银丝镀上一层Ag
3、Cl沉淀,浸在一定浓度的KCl溶液中即构成了银-氯化银电极。电极反应：AgCl+e-=Ag+Cl-,银-氯化银电极：,指示电极（负极）,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：,pH玻璃膜电极,膜电极 特点：对特定离子有选择性响应(离子选择性电极)。膜内外被测离子活度的不同而产生电位差。将膜电极和参比电极一起插到被测溶液中，则电池为:,外参比电极被测溶液(ai未知)内充溶液(ai一定)内参比电极,（敏感膜）,内外参比电极的电位值固定，且内充溶液中离子的活度也一定，则电池电动势为：,2.电化学法测量血液 pH,通常采用二次测量法，即用相同的仪器测定标准溶液
4、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：,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，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
5、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
6、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
7、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。,PCO2电极的工作原理,渗透膜一般采用聚四氟乙烯微孔膜，只允许被测的CO2气体通过。,7-2电解质分析仪,电解质分析仪（electrolyte
8、 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、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+、TCO2、TCa、Glu、BUN、Hct、pH。,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
9、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
10、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。,测定过程框图,不同的电解质分析仪在仪器板面上都具有人机对话的操作键。在分析检测样品时，操作者可以通过按键操作控制分析检测过程。,1.板面系统,例如：汽巴康宁644 电解质分析仪,只有 yes/no 两个按键，yes 键用来接收显
11、示屏上的提问，no 键用来否定显示屏上的提问，通过这两个键可对仪器进行各种操作和参数设定。,2.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,指示电极：流动式离子感应透明膜电极,新型仪器的测量电极,参比电极：流动式透明接头电极,Na电极结构示意图,K、Ca、Cl、Li电极结构示意图,参比电极结构示意图,3.液路系统,液路系统通常由标本盘、溶液瓶、吸样针、三通阀、电极系统、蠕动泵等组成,蠕动泵的作用：为各种试剂的流动提供动力。,液路
12、系统中的通路：由定标液（calibration solutions）/冲洗液（Rinse）通路、标本通路、废液通路、回水通路、电磁阀通路等组成。,液路系统直接影响到样品浓度测定的准确性和稳定性。,标本盘、三通阀和蠕动泵的转动、转换均由微机自动控制。,MEDICA全自动电解质分析仪,4.电路系统,电解质分析仪的电路系统由五个模块组成,电源电路模块微处理器模块输入输出模块信号放大及数据采集模块蠕动泵和三通阀控制模块,提供分析仪的打印机接口电路、蠕动泵控制电路、电磁阀控制电路和其它各种部件所需的电源。,电源电路模块作用：,微处理器模块及其作用：,包括主机 CPU芯片，通过地址总线、数据总线与显示板、
13、打印机、触摸控制板相连，通过系统总线与模拟通道液压系统相连。,包括主信号放大器变换器（电极、标本检测器）和其它电子系统间的界面，它除了钠、钾、氯等测量通道外，其余模拟信号也在放大系统上处理，所有这些信号被传输到CPU板上的主A/D变换器上。,信号放大模块,AVL 9181型电解质分析仪内部结构示意图,5.软件系统,提供仪器微处理系统操作、仪器设定程序操作、仪器测定程序操作和自动清洗等操作程序。,分析仪的软件系统，是控制仪器运作的关键。,软件系统的作用：,监察分析仪的稳定性、调校自动定标频率和自动测定质控标本，并自动将结果与预期的数据作比较评估，也能指导操作者日常保养和帮助解决故障问题。,微处理
14、系统操作程序：,在测定质控范围、质控时间，设定密码及选择自动或手动定标方式时，都需要设定程序。,仪器设定程序操作：,仪器测定程序操作：,测定操作的控制采用人机对话方式，由操作者按键控制，运行过程包括启动运作、吸取样本、自动分析检测、数据处理及结果打印、自动清洗吸样针等测量组件以及复位等待下次检测分析等。,（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
15、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。,2.流路系统的保养,仪器在测量过程中，由于血清中含有部分纤维蛋白，蛋白将附着在液流通道(flowpath)的泵、管路和电极系统毛细管的内壁上，当测量工作量较大时，内壁所附的蛋白增厚，造成阻塞管路和影响样品与电极之间的测量电位，影响正常工
16、作和测试结果的准确性。,流路系统保养结束后注意重新定标！,（二）日常维护保养,检查试剂量，如不足1/4液面，应及时更换；清洁仪器表面灰尘及吸样探针，保持探针的畅通；及时弃去废液瓶中的废液。,1.每日维护,仪器应进行流路清洗，除去蛋白质、脂类沉积和盐类结晶，对仪器进行维护保养。,2.每周维护,清洁泵管，用酒精棉球清洁泵管和不锈钢转轴，在泵管的弯处涂硅油或白色凡士林等润滑剂。,3.每月维护,4.每季度进行MV值试验,电极的MV值由仪器使用说明书给出。,（三）常见故障及其排除方法,一些常见故障、产生原因和排除方法如下：,电极没有稳定，可以在电极稳定30min后定标。,是否停电、电源线未插入插座中、保
17、险丝熔断等。,1.仪器不工作,2.定标不能稳定,3.重复性不良,（1）针对原因自己处理 电极未活化，电极间有漏液，电极间有血样凝块，参比电极有KCl结晶，试剂太少或变质，系统校准没有进行。（2）更换电极电极毫伏偏低，更换电极内液或电极；电极斜率（electrode slope）低于规定值，应更换电极或重新校准；系统校准能通过，但电极斜率SLOPE值超出规定，重新运行系统校准23次或更换相应电极或试剂。,为保证实验室报告的准确性和稳定性，建议操作者每天做一次质控。,4.准确性不够,如果所有测定项目准确性差，应更换参比电极。,5.样品不能吸入、管路有气泡,进样针 三通 电极 疏通冲洗，更换泵管，更
18、换管道。,6.管路堵塞,血液中的蛋白、脂类、纤维及血凝块在管路中积聚，造成阻塞。,（1）采样针与空气检测器部分,（2）电极腔前端与末端部分,（3）混合器部分,（4）泵管和废液管的堵塞,7.电极漂移与失控,电极漂移的最常见的原因是地线未接好,应检查地线；检查漂移的电极银棒是否未插入信号插座或接触不良；电压不稳定,最好接UPS不间断电源或质量较好的稳压电源(质量差的稳压电源会引起电极漂移)；,避免电磁干扰,功率较大的设备应尽量远离本仪器,独立设置电源；,定位不好，造成溶液未全部浸没电极，应重新进行定位操作；,试剂过期或被污染,检查A、B标准液及清洗液瓶,是否有絮状沉淀。,8.测试血样出现异常值,附
19、近是否有大功率电器开动或漏电(如离心机、电冰箱)，造成电压波动；测试时吸入凝血；溶液未到位,可查看定位是否良好,如果溶液到位不好,可用服务程序中重新定位程序来进行重新定位；检查盛血样的容器是否污染,是否残留了消毒液等物质；查看校正因子是否正确,如有异常,可将校正因子清除；是否长时间未标定,可重新标定后再测。,电极斜率低,将造成测试线性不好,有时也影响电极的重复性,其主要原因有:电极膜板上吸附蛋白过多；空气湿度太大；温度太低；寿命将至。,8.电极斜率降低,血气分析仪（blood gas analyzer）是利用电极对人全血中的酸碱度（pH）、二氧化碳分压（PCO2）和氧分压（PO2）进行测定的仪
20、器。,7-3 血气分析仪,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：,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。,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：,用两种混合气体来进行定标。,
21、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。,（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。,（三）电路系统,将仪器测量信号进行放大和模数转换、
22、对仪器实行有效控制、显示和打印出结果，并通过键盘输入指令。,作用：,电极测量系统有选择地检测各种样品成分，并转化成相应的电极信号，这些信号经各种的频道被放大，再经模数转换后变成数字信号，经微机处理、运算后，由荧光屏显示出来或从打印机打印出结果。,四、血气分析仪的维护、保养与故障排除,血气分析仪作为一种精密的分析仪器，操作比较简单，关键是日常的维护和出现问题后故障的排除。,（一）电极的保养,电极是一种十分贵重的部件，应注意保养，尽量延长其寿命。,电极的保养一般是仪器自动进行。,1.参比电极保养,参比电极套需要定期更换。当发现电极不再渗参比液，或渗漏孔处变成黄色或棕色时，应随时更换。,更换盐桥或电
23、极内的KCl溶液时，除加入饱和的KCl溶液外，还需加入少许的KCl结晶，使其在37 恒温条件下也达到饱和。,2.pH电极的保养,不管是否使用pH电极，其使用寿命一般都为12年。,如果pH电极在空气中暴露2h以上，应将其放在缓冲液中浸泡6h24h才能使用。,按血液缓冲液（或生理盐水）水空气的顺序进行清洗。,蛋白质粘附在电极表面：,或用随机附送的含蛋白水解酶的清洗液或自配的0.1%胃蛋白酶盐酸溶液浸泡30分钟以上，用生理缓冲液洗净后浸泡备用。,3.PCO2电极保养,电极要经常用专用清洁剂清洗，如果经清洗、更换缓冲液后仍不能正常工作时，应更换半透膜。,电极用久后，阴极端的磨砂玻璃上会有Ag或AgCl
24、沉积。可用滴有外缓冲液的细砂纸磨去沉积物，再用外缓冲液洗干净。,清洗沉积物、半透膜和电极的更换应定期进行。,4.PO2电极的保养,PO2电极中干净的内电极端部和四个铂丝点应该明净发亮。,每次清洗时，都应该用电极膏对PO2电极进行研磨保养。,(二)仪器的日常保养,1.每天检查大气压力、钢瓶气体压力；2.每天检查定标液、冲洗液是否过期，检查气泡室是否有蒸馏水；3.每周更换一次内电极液，定期更换电极膜；4.每周至少冲洗一次管道系统，擦洗分析室；5.若电极使用时间过长，电极反应变慢，可用电极活化液对pH、PCO2电极活化，对PO2电极进行轻轻打磨，除去电极表面氧化层；6.仪器避免测定强酸强碱样品，以免损坏电极。若偏酸或偏碱液测定时，可对仪器进行几次一点校正；7.保持环境温度恒定，避免高温，以免影响仪器准确性和电极稳定性。,再见！,
