第07章電化學臨床分析技術和相關儀器

1、第七章 電化學分析技術和臨床相關儀器,7-0概述 7-1電化學分析原理 7-2電解質分析儀 7-3 血氣分析儀,電化學臨床分析儀器是利用電化學分析技術而設計的臨床分析儀器,7-0 概 述,一、電化學臨床分析儀器,電解質分析儀 （electrolyte chemistry analyzers,血氣分析儀 （blood gas analyzers,分類,1.電解質分析儀,采用離子選擇性電極（ISE）測量體液中離子濃度的儀器,測量樣品中的指標： 鉀、鈉、氯、鈣、鋰、鎂等,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,2.血氣分析儀,測量樣品中的指標： p

2、H、PCO2、PO2、AB、SB、BB、TCO2、BE blood、BEECF、SO2等,電化學分析法是建立在溶液電化學性質基礎上的一類分析方法,二、電化學分析法 （Electrochemical analysis,測 定 物理量,參與反應的化學物質的量,確定,電位 電流 電導 電量,7-1電化學分析原理,一、pH值測定原理,參比電極（正極） 標準氫電極: 基準，電位值 為零(任何溫度,甘汞電極: 電 極 反應：Hg2Cl2 + 2e- = 2Hg + 2 Cl- 電極電位（25）：EHg2Cl /Hg= EHg22+Cl /Hg- 0.059lgaCl,電極內溶液的Cl-活度一定時，甘汞電極

3、電位固定,銀絲鍍上一層AgCl沉淀,浸在一定濃度的KCl溶液中即構成了銀-氯化銀電極。 電極反應：AgCl + e- = Ag + Cl,銀-氯化銀電極,指示電極（負極,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,pH玻璃膜電極,膜電極 特點：對特定離子有選擇性響應(離子選擇性電極)。 膜內外被測離子活度的不同而產生電位差。 將膜電極和參比電極一起插到被測溶液中，則電池為,外參比電極被測溶液( ai未知) 內充溶液( ai一定) 內參比電極,敏感膜,內外參比電極的電位值固定，且內充溶液中離子的活度也一定，則電池電動勢為,2. 電化學法測量血液 pH,通常采用二

4、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，以確定待測液的pH。采用的電池組成是,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 selective electrode,1. 離子選擇性電極的結構,膜電位：膜內外被測離子活度的不同而產生 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

5、擇性響應,膜電極的關鍵：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 膜等構成,離子選擇電極的構造,離子選擇性電極的電極電位表示為,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,離子選擇性電極作正極時： 對陽離子響應的電極，取正號； 對陰離子響應的電極，取負號,間接法- 血清經一定離子強度緩沖溶液 稀釋后由電極測量,直接法 間接法,

6、ISE測量方法分類,直接法- 血清不經稀釋直接由電極測量,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電解質和透氣膜所構成,Clark 氧電極的結構,待測溶液中的O2可以借助電極外表面的O2滲透膜（約20m的聚丙烯或聚 乙烯或聚四氟 乙烯），依靠 PO2梯度透過 膜而進入電極,在測定時，O2在鉑陰極表面發(fā)生的反應如下,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=

7、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生電流。 外加在PO2電極上的工作電壓通常為0.65V,四、PCO2 電極的工作原理,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合電極,PCO2電極的工作原理,滲透膜一般采用聚四氟乙烯微孔膜，只允許被測的CO2氣體通過,7-2電解質

8、分析儀,電解質分析儀（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雜的預處理等優(yōu)點,優(yōu)點,如 Nova 電解質/化學分析儀： Na+、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、Li+、TCO2、TCa、Glu、BUN、Hct、pH,一、電解質分析儀的分類,一）按自動化程度分類,半自動電解質分析儀 全自動電解質分析儀,二）按工作方式分類,濕式電解質分析儀 臨床上常用 干式電解質分析

9、儀,三）常見電解質分析的儀器分類,電解質分析儀 只進行單獨的電解質分 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 含電解質分析,二、電解質分析儀的結構,一）濕式電解質分析儀,離子選擇性電極 參比電極 分析箱 測量電路 控制電路 驅動電機 顯示器,濕式電解質 分析儀,基本組成,結構框圖,測定原理,樣品通過某離子選擇性電極時由某相應的電解質滲過電極膜時產生了電流，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的值,由動

10、力泵將 A 標準液抽入電極池(抽樣長度由光電開關檢測)，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的測定，測量數(shù)據(jù)經前置放大器放大送入CPU 板，與 A 標、B 標測量值進行比較，計算結果通過 CRT 顯示器顯示或打印機輸出,測定過程框圖,不同的電解質分析儀在儀器板面上都具有人機對話的操作鍵。在分析檢測樣品時，操作者可以通過按鍵操作控制分析檢測過程,1.板面系統(tǒng),例如：汽巴康寧644 電解質分析儀,

11、只有 yes/no 兩個按鍵，yes 鍵用來接收顯示屏上的提問，no 鍵用來否定顯示屏上的提問，通過這兩個鍵可對儀器進行各種操作和參數(shù)設定,2.電極系統(tǒng),電極系統(tǒng)是測定樣品結果的關鍵，決定測定結果的準確度和靈敏度,指示電極 參比電極,電極系統(tǒng),指示電極： pH、Na+、K+、Li+、Cl-、Ca2+、Mg2+等 離子選擇性電極,參比電極： 銀/氯化銀電極,指示電極：流動式離子感應透明膜電極,新型儀器的測量電極,參比電極：流動式透明接頭電極,Na電極 結構示意圖,K、Ca、Cl、Li電極結構示意圖,參比電極結構示意圖,3.液路系統(tǒng),液路系統(tǒng)通常由標本盤、溶液瓶、吸樣針、三通閥、電極系統(tǒng)、蠕動泵等

12、組成,蠕動泵的作用：為各種試劑的流動提供動力,液路系統(tǒng)中的通路：由定標液（calibration solutions ）/沖洗液（Rinse）通路、標本通路、廢液通路、回水通路、電磁閥通路等組成,液路系統(tǒng)直接影響到樣品濃度測定的準確性和穩(wěn)定性,標本盤、三通閥和蠕動泵的轉動、轉換均由微機自動控制,MEDICA全自動電解質分析儀,4.電路系統(tǒng),電解質分析儀的電路系統(tǒng)由五個模塊組成,電源電路模塊 微處理器模塊 輸入輸出模塊 信號放大及數(shù)據(jù)采集模塊 蠕動泵和三通閥控制模塊,提供分析儀的打印機接口電路、蠕動泵控制電路、電磁閥控制電路和其它各種部件所需的電源,電源電路模塊作用,微處理器模塊及其作用,包括主

13、機 CPU芯片，通過地址總線、數(shù)據(jù)總線與顯示板、打印機、觸摸控制板相連，通過系統(tǒng)總線與模擬通道液壓系統(tǒng)相連,包括主信號放大器變換器（電極、標本檢測器）和其它電子系統(tǒng)間的界面，它除了鈉、鉀、氯等測量通道外，其余模擬信號也在放大系統(tǒng)上處理，所有這些信號被傳輸?shù)紺PU板上的主A/D變換器上,信號放大模塊,AVL 9181型 電解質分析儀 內部結構示意圖,5.軟件系統(tǒng),提供儀器微處理系統(tǒng)操作、儀器設定程序操作、儀器測定程序操作和自動清洗等操作程序,分析儀的軟件系統(tǒng)，是控制儀器運作的關鍵,軟件系統(tǒng)的作用,監(jiān)察分析儀的穩(wěn)定性、調校自動定標頻率和自動測定質控標本，并自動將結果與預期的數(shù)據(jù)作比較評估，也能指導

14、操作者日常保養(yǎng)和幫助解決故障問題,微處理系統(tǒng)操作程序,在測定質控范圍、質控時間，設定密碼及選擇自動或手動定標方式時，都需要設定程序,儀器設定程序操作,儀器測定程序操作,測定操作的控制采用人機對話方式，由操作者按鍵控制，運行過程包括啟動運作、吸取樣本、自動分析檢測、數(shù)據(jù)處理及結果打印、自動清洗吸樣針等測量組件以及復位等待下次檢測分析等,二）干式電解質分析儀,電解質的干化學測定法目前主要有兩類,基于反射光度法干化學測定,基于離子選擇性電極（ISE）方法干化學測定,SPOTCHEM EL SE-1520,基于ISE法干式電解質分析儀的結構示意圖,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

15、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，即可測定二者的差示電位,三、電解質分析儀的維護保養(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，由于電極的內充液與樣品之間存在著不同程度的離子交換，使電極內充液的濃度逐漸降低，從而使膜電位下降，導致測量結果偏低。需要定期對電極內充液中的離子含量進行調整,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)毛細管的內壁上，當測量工作量較大時，內壁所附的蛋白增厚，造成阻塞管路和影響樣品與電極之間

16、的測量電位，影響正常工作和測試結果的準確性,流路系統(tǒng)保養(yǎng)結束后注意重新定標,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,儀器應進行流路清洗，除去蛋白質、脂類沉積和鹽類結晶，對儀器進行維護保養(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,一些常見故障、產生原因和排除方法如下,電極沒有穩(wěn)定，可以在電極穩(wěn)定30min后定標,是否停電、電源線未插入插座中、

17、保險絲熔斷等,1.儀器不工作,2.定標不能穩(wěn)定,3.重復性不良,1）針對原因自己處理 電極未活化，電極間有漏液，電極間有血樣凝塊，參比電極有KCl結晶，試劑太少或變質，系統(tǒng)校準沒有進行。 （2）更換電極 電極毫伏偏低，更換電極內液或電極； 電極斜率（electrode slope）低于規(guī)定值，應更換電極或重新校準； 系統(tǒng)校準能通過，但電極斜率SLOPE值超出規(guī)定，重新運行系統(tǒng)校準23次或更換相應電極或試劑,為保證實驗室報告的準確性和穩(wěn)定性，建議操作者每天做一次質控,4.準確性不夠,如果所有測定項目準確性差，應更換參比電極,5.樣品不能吸入、管路有氣泡,進樣針 三通 電極 疏通沖洗，更換泵管，更

18、換管道,6.管路堵塞,血液中的蛋白、脂類、纖維及血凝塊在管路中積聚，造成阻塞,1）采樣針與空氣檢測器部分,2）電極腔前端與末端部分,3）混合器部分,4）泵管和廢液管的堵塞,7.電極漂移與失控,電極漂移的最常見的原因是地線未接好,應檢查地線；檢查漂移的電極銀棒是否未插入信號插座或接觸不良； 電壓不穩(wěn)定,最好接UPS不間斷電源或質量較好的穩(wěn)壓電源(質量差的穩(wěn)壓電源會引起電極漂移,避免電磁干擾,功率較大的設備應盡量遠離本儀器,獨立設置電源,定位不好，造成溶液未全部浸沒電極，應重新進行定位操作,試劑過期或被污染,檢查A、B標準液及清洗液瓶,是否有絮狀沉淀,8.測試血樣出現(xiàn)異常值,附近是否有大功率電器開

19、動或漏電(如離 心機、電冰箱)，造成電壓波動； 測試時吸入凝血； 溶液未到位,可查看定位是否良好,如果溶液到位不好,可用服務程序中重新定位程序來進行重新定位； 檢查盛血樣的容器是否污染,是否殘留了消毒液等物質； 查看校正因子是否正確,如有異常,可將校正因子清除； 是否長時間未標定,可重新標定后再測,電極斜率低,將造成測試線性不好,有時也影響電極的重復性,其主要原因有: 電極膜板上吸附蛋白過多； 空氣濕度太大； 溫度太低； 壽命將至,8.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,

20、7-3 血氣分析儀,人體血氣酸堿生理指標常用參數(shù),一、工作原理,電極系統(tǒng) 管路系統(tǒng) 電路系統(tǒng),血氣分析儀種類型號很多，其基本結構均可分為三大部分,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,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,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,每種電極都要有兩種標準物質來進行定標，以便確定建立工作曲線最少需要的兩個工作點,使用7.383和6.840兩種標準緩沖液進行定標,pH系統(tǒng),氧和二氧化碳系統(tǒng),用兩種混合氣體來進行定標,5 CO2和20 O2

21、,10 CO2,定 標,二、儀器結構,一）電極系統(tǒng),電極是血氣分析儀的電化學傳感器,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,電化學傳感器主要包括兩大類,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,二）管路系統(tǒng),血氣分析儀的管路系統(tǒng)比較復雜，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)結構，通常由氣瓶、溶液瓶、連接管道、電磁閥、正壓泵、負壓泵和轉換裝置等部分組成,三）電路系統(tǒng),將儀器測量信號進行放大和模數(shù)轉換、對儀器實行有效控制、顯示和打印出結果，并通過鍵盤輸入指令,作用,電極測量系統(tǒng)有選擇地檢測各種樣品成分，并轉化成相應的電極信號，這些信號經各種的頻道被放大，再經模數(shù)轉換后變成數(shù)字信號，經微機處理、運算后，由熒光屏顯示出來或從打印機打印出結果,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，關鍵是日常的維護和出現(xiàn)問題后故障的排除,一）電極的保養(yǎng),電極是一種十分貴重的部件，應注意保養(yǎng)，盡量延長其壽命,電極的保養(yǎng)一般是