第9章电化学分析技术

第九章电化学分析技术和临床相关仪器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。一、电化学临床分析仪器电解质分析仪（electrolytechemistryanalyzers）血气分析仪（bloodgasanalyzers）分类概述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）进行测定的仪器。2.血气分析仪测量样品中的指标：pH、PCO2、PO2、AB、SB、BB、TCO2、BEblood、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（Electrochemicalanalysis）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电位分析法电位分析法一、pH值测定原理1.pH玻璃膜电极（glassmembraneelectrode）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：xpHK05916.0电化学分析原理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：（-）玻璃电极︱待测溶液(pHx)‖饱和甘汞电极(+)（-）玻璃电极︱标准缓冲溶液(pHs)‖饱和甘汞电极(+)2.电化学法测量血液pHEESXFRT/303.2pHpHSX+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：6.8437℃，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(principalofIonselectiveelectrode)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（membraneelectrodes）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。ianFRTKElg303.2ISEISE法测量法测量ISEISE法测量法测量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。直接法血清不经稀释直接由电极测量间接法血清经一定稀释后由电极测量。ISE测量方法三、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。四、PCO2电极的工作原理PCO2电极是气敏电极（gassensingelectrode），是由pH玻璃电极和银-氯化银电极组装在一起的复合电极。电解质分析仪电解质分析仪（electrolyteanalyzer）：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、Creat。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显示器分析箱Na电极K电极参比电极测量电路驱动器逻辑控制电路操作键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。①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②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。③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。到位检测CRT显示器CPU板运算放大器电极动力泵样品打印机B标准液A标准液废液测定过程框图AVL9181型电解质分析仪内部结构示意图（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SPOTCHEMELSE-1520基于ISE法干式电解质分析仪的结构示意图样品液离子选择敏感膜参比层氯化银层银层离子选择敏感膜参比层氯化银层银层盐桥塑料膜塑料膜参比液电位计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测定项目。测定时，用双孔移液管取10μl血清和10μl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（dailymaintenance）一项。坚持每日用厂家提供的清洁液和钠电极调整液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。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，影响正常工作和测试结果的准确性。（1）流路保养多数仪器都有仪器流路保养程序，可以根据保养程序进行保养工作。当流路保养程序结束后，应当对仪器进行重新定标。流路清洗是为了保证仪器流路中没有蛋白质、脂类沉积和盐类结晶。（2）全流路清洗仪器进入流路程序进行清洗，吸入或注射清洗液、去蛋白液或蒸馏水冲洗流路，重复23次。冲洗完毕，应当对仪器进行重新定标。（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1.仪器不工作2.定标不能稳定3.重复性不良4.准确性不够5.样品不能吸入、管路有气泡6.管路堵塞7.电极漂移与失控8.测试血样出现异常值9.电极斜率降低血气分析仪（bloodgasanalyzer）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）进行测定的仪器。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正常生理指标非正常生理指标pH7.35~7.457.357.45酸血症碱血症pCO24.655~5.985kPa(均值5.32kPa)4.655kPa5.985kPa低碳酸血症高碳酸血症pO210.64~13.3kPa7.3kPa4kPa呼吸衰竭有生命危险Hb男女120~160g.L-1110~150g.L-1一、工作原理键盘参比电极pH电极前置放大放大样品室PCO2电极前置放大反对数放大PO2电极前置放大放大模数转换测量管打印输出输出显示温度控制微机管路系统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37℃±0.1℃。在血气分析仪中，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。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。通常把确定电极系统工作曲线的过程叫做定标或校准（Calibration）。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。5％CO2和20％O210％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。1．pH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。血液饱和KCl甘汞电极PBSAg/AgCl电极放大器PH7.38液体界面PH敏感玻璃膜液体界面pH测量系统示意图甘汞电极屏蔽电线循环水入口出口玻璃电极吸收泵聚乙烯管恒温水浴连接管饱和KClAg/AgCl气泡缓冲液PH敏感玻璃膜毛细管玻璃pH电极与甘汞电极结构示意图此种电极的标本用量为2l，pH测定范围为010。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。2．PCO2电极PCO2电极是根据J.Severinghaus原理设计的，故也称为“Severinghaus”电极。PCO2测量系统示意图玻璃电极壁电极外套参比电极Ag/AgClPBS缓冲液内电极Ag/AgClNaHCO3外缓冲溶液“O”形圈尼龙网PH敏感玻璃膜CO2渗透膜•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p