血气尿液分离仪器维修与开发技术.docx

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血气尿液分离仪器维修与开发技术

一、血液气体分析仪又称血气分析仪或血气酸碱分析仪

血气分析仪是对人体血液及呼出气的酸碱度（PH）、二氧化碳分压（PCO2）、氧分压（CO2）以及相关参数进行定量测定的精密分析仪器。

也能用于其他体液和气体中PH，PO2，PO2，的分析测量。

该仪器具有分析快速、准确、可靠的特点，在临床上已成为人体血气酸碱平衡状态和输氧状态进行监测、分析和评价的重要工具。

主要应用在胸外科、心外科、麻醉科、儿科、急救、科研和防疫部门，特别在抢救危重病人、重大手术、器官移植、心导管、体外循环及人工肾的应用上具有十分重要的意义。

是现代医疗、卫生、防疫部门进行病理、生理研究、科学实验及临床检验不可缺少的高档次检验设备之一。

下面就有关血气分析理论，测量电极，血气分析仪的组成结构及工作原理做较详细的讨论。

1．血气分析理论

众所周知，正常成人体内的血液约占体重的7％一8％，血液循环全身，维持着体内各器官组识间的相互联系，因此血液在沟通内、外环境，运输各种物质，维持内环境的相对稳定等方面都起着重要作用。

人类的生存依赖于新陈代谢，一方面通过消化系统摄取消化食物、吸收营养、排出消化吸收后的废物；另一方面通过呼吸系统吸入氧气，呼出二氧化碳。

正常的新陈代谢维持了人体体内血气、酸碱及电解质的平衡。

如果呼吸、代谢及体内调节机制的任一方面出现疾患，就会引起人体体内的血气酸碱紊乱。

血气分析仪可对人体内血液的酸碱度（PH）、二氧化碳分压（PCO2）、氧分压（PO2）进行定量分析，并且利用所测参数和病人的体温、血红蛋白，计算出HCO3-（碳酸氢根），BE（碱超），PO2含量，SB（标准碳酸氢根），SBE（标准碱超）等生理参数。

1．1血液气体和酸碱度生理学基础

呼吸是新陈代谢的重要部分，也是机体对O2的摄入与消耗及CO2的产生与排出的过程。

体内各组织细胞在代谢过程中不断地消耗O2，CO2产生CO2，血液担负着氧及二氧化碳的转运任务。

通过血液运输O2和CO2将肺呼吸和组织呼吸紧密相接，在整体呼吸中起着重要的O2作用。

O2和CO2可通过毛细血管壁、肺胞壁及细胞膜，它们无论是气体状态或溶解状态，都能由分压高处向低处扩散。

因而，促使血液与肺泡或组织之间进行气体交换的基本动力是膜两侧气体的分压差。

静脉血流经肺泡壁毛细血管时，因血液PCO2比肺泡气的高，CO2即由血液向肺泡扩散；同时，肺泡气PO2比血液的高，O2即扩散人血。

从肺流出的动脉血流经过组织毛细血管时，因血液中PO2比组织液PO2高，则O2由血液扩散人组织细胞，同时血液中PCO2比组织液中PCO2低，则组织中CO2扩散人血，再经静脉运回肺而排出。

因此，血液中的O2和CO2都有物理溶解和化学结合两种存在形式。

动静脉血中O2和CO2含量的差值即表示在安静条件下，血液循环一次中，每100ml血液通过各种形式由肺输送给组织的O2量和从组织运出到肺排出的CO2量。

其中，物理溶解所占比例很小，化学结合的O2和CO2是主要运输形式。

然而在气体交换时，进入血液的气体必须先经过物理溶解状态才能进一步成为化学结合状态；气体从血液释出时，化学结合状态的气体也需要先行分解成为物理溶解状态，然后才能离开血液。

实际上，物理溶解状态与化学结合状态的气体之间，经常维持着动态平衡。

所以血液中的O2和CO2才是反映人体代谢状态的重要指标。

（1）PO2（血氧分压值）：

氧在血液中的存在形式有2种，一是物理溶解的，约占总数的4％，二是与血红蛋白（Hb）结合成HbO2，这部分约占总数的96％。

可见溶解的O2极少，可忽略不计，而氧在血液中主要是以和血红蛋白结合形式存在的。

通常用血氧饱和度，即Hb的氧含量与氧容量的百分比来表示。

正常人血氧饱和度为：

动脉0.93－0.98，静脉0.6—0.7。

血气分析中测量的氧分压是指血浆中物理溶解O2的张力，其参考范围在10.66－13.33kPa。

（2）PCO2（血二氧化碳分压值）：

二氧化碳（CO2）在血液中的存在形式有3种，一是物理溶解的，占总量的7.3％；二是与血红蛋白（Hb）结合成氨基甲酸血红蛋白（HbNH2＋CO2→HbNHCOOH），占总量的24.4％；三是与水结合形成HCO3-，占总数的68.3％。

血气分析中测量的二氧化碳分压也是物理溶解于血浆中的CO2张力。

其参考范围在4.65－5.98kPa。

正常人血液中H+浓度增高（pH变低）或CO2分压增高时，Hb与氧结合力降低；H”浓度降低（pH变高）或CO2分压降低时，Hb与氧亲和力增高。

当血液流经组织时，因组织细胞的pH比血液低，而CO2分压较血液高，有利于HbO2释放O2，同时又促进了Hb和H+，CO2的结合。

当血流经肺叶，肺泡的O2分压高,HbO2的生成促使Hb释放H+和CO2，同时CO2呼出也有利于HbO2的形成。

这就是血液气体的生理变化过程。

（3）pH（血液酸碱度）：

血液的pH值为血液的全血或血浆的酸度，即它的氢离子强度，称作氢离子活性效应和氢离子浓度的产物。

而氢离子的强度，还不能统称为血液的酸度。

pH的概念于1909年由SornSon推导得出，其公式为：

pH＝－lg[H+]

式中的[H+]指定为氢离子的摩尔浓度。

依据这个关系式，全血的PH为7.4，即全血的[H+]浓度为4×10-8mol／L，通常正常生理状态下，人的动脉血pH值的范围应稳定在7.35－7.45之间。

人体酸碱来源于食物、饮料和药物中的酸碱物质及体内代谢后产生的酸碱物质。

维持酸碱平衡的因素有：

缓冲系统、肺调节、离子交换、肾调节，并按上述顺序分4级调节，而不正常的pH值的全血或血浆即表明为酸一碱平衡失调。

1．2血液对于PH值的测量，实际上是测定[H+]的浓度，对PCO2（二氧化碳分压）的测量实际上也是测量pH的变化。

CO2＋H2O←→H2CO3←→H+＋HCO3-

PKa=[H+]•[HCO3-]/H2CO3

H2CO3=KPCO2

lgPKa=lg[H+]＋lg[HCO3-]－lgKPCO2

pH=K’－lgPCO2

由此可见，如果某液体的[H+]仅由PCO2决定，那么，可以通过pH求PCO2的值。

，但是，血液的pH是由除CO2以外多种因素决定的，所以，不能单纯通过血液的pH值计算血液PCO2。

因此，血气分析仪是通过特种电极（二氧化碳分压电极）来实现PCO2的测量。

测量电极

血气分析仪测量电极有PH电极、PCO2电极、PO2电极和参比电极四种类型

一、PH电极

血气分析仪中使用的pH电极和酸度计中所用的电极完全一样，二者都是利用玻璃电极和甘汞电极来测量溶液的酸碱度，但电极的形状有所不同。

血气分析仪上所用的玻璃电极有平头和毛细管型两种，但多数为平头型的。

因为在血气分析仪中，为了一次进样获得多项参数，一份样品要经过好几个电极，采用平头型的电极可方便样品流动。

图1－1示出平头型玻璃电极和甘汞电极。

图1-1

1、能斯特方程式

Ex=E0－2.30259RT/nF•lgax

式中：

Ex为电极电位，E0为标准电极电位，R为气体常数；T为绝对温度；F为法拉第常数，n为离子价数；ax为离子活度，ax＝rC,；r为活度系数，C为浓度。

当溶液的浓度低于10－3mol-1时，活度系数接近于1，即活度等于浓度。

Ex=E0－2.30259RT/nF•lg[H+]

在250C时

E电压＝K＋0.059lg[H+1]/[H+2]

如果令[H+2]固定不变，则上式可改写为

E电压＝K＋0.059lg[H+1]－0.059lg[H+2]＝K’＋0.059lg[H+1]

在测量时允许甘汞参比电极中的微量的KCI溶液通过毛细孔流入待测溶液起所谓“盐桥”作用，即传导电流作用。

为了向甘汞电极内及时补充KCl溶液并使其容易向外渗漏，甘汞电极连有一细管，通过一个氯化钾泵连接到一个盛装KCl溶液的瓶子里。

该泵转动时，可使甘汞电极里的KCl循环并保持有一定的渗透压。

PH电极在使用中，常使用两种标准溶液对电极进行校准（定标），一种PH值为7.383，另一种PH值为6.841。

二、PCO2电极

PCO2电极是一个气敏电极。

电极前端有一层半透膜，它只允许CO2气体分子通过，而阻止其它气体分子和离子通过。

薄膜的材料多用高分子有机化合物制成。

电极原理如图1－2（a）所示。

1－2（a）1－2（b）

玻璃电极和参比电极（Ag－AgCl）被封装在充满碳酸氢钠（NaHCO3）、蒸馏水和氯化钠（NaCl）溶液的外电极里面，壳子的端部为半透膜。

当电极的端部插到样品室壁时，溶解在液样品中的CO2通过半透膜扩散进入电极壳内。

扩散一直进行到样品和电极壳里的CO2浓度相同为止。

进入到电极壳里的CO2和水反应生成碳酸：

CO2＋H2O←→H2CO3←→H+＋HCO3

从而改变了电极内溶液的酸碱度。

样品液中二氧化碳含量越高扩散到电极壳里的二氧化碳越多，生成的碳酸越多，从而使溶液的PH值下降也越大。

电极壳里的玻璃电极和参比电极将此PH的变化测量出来，这样就间接地测得了PCO2的高低。

反之，当样品中PCO2降低时，电极壳中的H2CO3分解，CO2气体通过CO2膜扩散出去，使得PH值升高。

溶液PH值的变化和PCO2分压成负对数关系。

即

pH=K’－lgPCO2

所以，测得的PH值经过反对数变换就可以得到PCO2值。

由于PH和PCO2之间的这种比例关系，在使用前，必须使用两种已知PCO2气体对仪器进行校准。

一般是采用大气中的空气和纯CO2两种气体，按一定比例混合产生。

PCO2电极结构如图1－2（b）所示。

三、PO2电极

PO2电极也是个气敏电极，气敏氧电极又是一种极谱化电极，氧的测量是基于电解氧的原理而实现的。

电极前端为一允许O2分子通过的透气膜，电极的原理如图1－3（a）所示：

1-3PO2电极

是常用的克拉克PO2电极。

电极壳内由一个铂阳极和一个银-氯化银（Ag－AgCI）阴极浸在电解溶液中。

内充电解质溶液由磷酸二氢钾（KH2PO4）、磷酸二氢钠（NaH2PO4）、氯化钾（KCl）和蒸馏水组成。

KH2PO4和NaH2PO4可稳定电解液的pH值。

KCl可增加电解液的电导，并参与离子导电。

在两极之间加有0．7V左右的极化电压。

在极化电压的作用下，进入内充液的氧被电解。

电极上所发生的反应为

阳极反应（氧化反应）：

O2＋2H2O＋4e－→4OH-

阴极反应（还原反应）：

4Ag→4Ag+＋4e-

此电解电流的大小正比于氧分压PO2的高低。

即通过电极的转换，PO2的高低便转换成了电流的大小。

PO2电极产生的电流很小，通常只有几十纳安（10-9安）。

所以PO2电极所配的放大器为高输入阻抗、低噪声的微电流放大器。

当PO2的值为零时，电路中电流并不为零，也有一个微小的电流值，通常称其为基流。

校准PO2电极时，也采用两种气体。

先用不含氧的纯CO2气体通过测量管，将电路中的基流调为零。

然后，用第二种标准气体去测定PO2，便可得出PO2和电流的标准曲线。

无论是PCO2电极还是PO2电极，它们对温度都非常敏感。

为了保证电极的转换精度，温度的变化必须控制在±0.10C范围内。

所以血气分析仪的测量室是一个恒温室。

血气分析原理及基本结构

一、工作原理

血气分析仪的工作原理如图1-4所示

图1-4

被测样品在管路系统的抽吸下，被抽进样品室内的测量管。

测量管的管壁上开有四个孔，孔里面插有PH、PCO2和PO2三只测量电极和一只参比电极。

待测液进入测量管后，同时被四个电极所感测。

被电极转换成PH、PCO2和PO2三项参数所对应的电信号。

这些电信号分别经放大、模数转换后，送给仪器的微机单元。

经微机处理运算后，再分别送到各自的显示单元显示，或打印机打出测量结果。

微机还控制测量室温度的高低和管道系统的动作。

二