第六章 血气分析仪

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低碳酸血症 <7.3 kPa 呼吸衰竭
>5.985 kPa
高碳酸血症 <4 kPa 有生命危险

血气分析仪的工作原理

血气分析仪种类型号很多,其基本结构均可 分为三大部分:
电极系统 管路系统 电路系统
参比电极

量 管
样 品 室
pH电极 PCO2电极 PO2电极
前置放大
Baidu Nhomakorabea
放大 反对数放大 放大
模 数 转 换

2.转换装置(转换器) 转换器为上面有七个圆孔的塑料圆盘,它将 所有的管路和测量毛细管连接起来,以便使 定标液、冲洗液、定标气体、标本能进入测 量毛细管。 在微机的控制下,电机驱动圆盘可以正向或 反向转动。

3.气路系统 气路系统用来提供PCO2和PO2两种电极定 标时所用的两种气体。每种气体中含有不同 比例的氧和二氧化碳。 气路系统的类型 压缩气瓶供气方式,又叫外配气方式 气体混合器供气方式,又叫内配气方式
前置放大
前置放大
温度控制 管路 系统
输出显示
微机
打印输出
键盘
血气分析仪的工作原理图




被测血液样品在管路系统的抽吸下,进入样品室内的 测量毛细管中。 测量毛细管的管壁上开有四个孔,孔内分别插有pH、 PCO2和PO2三支测量电极和一支pH参比电极。其中, pH和pH参比电极共同组成对pH的测量系统。 血液样品进入样品室的测量管后,管路系统停止抽吸, 样品同时被四个电极所感测。电极产生对应于pH、 PCO2和PO2三项参数的电信号。 这些电信号分别经放大、模数转换后送到微处理机。 经微处理机系统处理、运算后,再分别被送到各自的 显示单元显示或打印机打印出测量结果。
(1)压缩气瓶供气方式 由两个压缩气瓶供气,一个含有5%的二 氧化碳和20%的氧;另一个含10%的二氧化 碳,不含氧。 经过减压后输出的气体,首先经过湿化 器饱和湿化后,再经阀或转换装置送到测量 室中,对PCO2和PO2电极进行定标。 湿化器是用水蒸气将定标气体饱和湿化 的装置。 经饱和湿化后的水蒸气产生的压力为恒 定值。
放大器
PH7.38
pH 测量系统示意图
Ag/AgCl
气泡
缓冲液
PH敏感玻璃膜
循环水
入口 出口
吸收泵
甘汞电极
屏蔽电线 玻璃电极
饱和KCl
连接管
恒温水浴
聚乙烯管
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2l,pH测定范围为 010。
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.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。 蛋白质粘附在电极表面: ① 按血液→缓冲液(或生理盐水)→水→ 空气的顺序进行清洗。 ② 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。
(三)电路系统
作用: 将仪器测量信号进行放大和模数转换、 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。 某一血气分析仪的电路系统原理如下 图所示:
机械驱动 电 极 讯 号 空 气 检 测 恒 温 控 制 信 号 选 择 模 数 转 换
计算机
系统
显示 打印
系统 固化程序及 故障诊断系

血气分析仪电路原理框图
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。
光学系统

有些血气分析仪还增加了测量血红蛋白的项 目,其中血红蛋白是利用光电比色法进行测 量的。
(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 洗及抽取标本血样。
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、测量毛细 管和转换装置等部分组成。
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。 通常把确定电极系统工作曲线的过程叫 做定标或校准(Calibration)。
2.PCO2电极
PCO2电极是根据J.Severinghaus原理设计 的,故也称为“Severinghaus”电极。
玻璃电极壁
NaHCO3外缓冲溶液 内电极Ag/AgCl “O”形圈 尼龙网
电极外套
PBS缓冲液 参比电极Ag/AgCl PH敏感玻璃膜
PCO2 测量系统示意图
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pH值随血液的PCO2而改变。 玻璃电极膜与其有机玻璃外套一端的渗透 膜之间放一片尼龙网或擦镜纸,使两者之间保 证有一薄层电极溶液间隔。



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。 电流的大小通常只有几十纳安(10-9A),故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,存在一 个微小的电流值,通常称其为基流。在校准PO2电 极时,需采用两种气体。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;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。
血气分析仪
主要内容

血气分析仪的原理
Pco2分压电极的工作原理 P02分压电极的工作原理

血气分析仪的结构
血气分析仪

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 的仪器。
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 pH pCO2 pO2 7.35 ~ 7.45 4.655 ~ 5.985kPa (均值5.32 kPa) 10.64 ~ 13.3 kPa 男 Hb
120~160g.L-1 110~150g.L-1
非正常生理指标 <7.35 酸血症 >7.45 碱血症
<4.655 kPa
蠕动泵
泵 参比 测 量 室
阀或转换装置
KCl
溶 液
废 液
缓 冲 液
缓 冲 液
湿 化 器
湿 化 器
冲 洗 液
进 样 口


定标气G1 定标气G2
空气混合器
空气压缩机
CO2气瓶
血气分析仪的管路系统示意图
1.测量室
测量室是一固定铝块,测量毛细管位于测量 室内,是一根透明的细塑料管,管壁上有四 个孔,分别用于漏出参比电极、 PCO2电极、 PO2电极、pH电极的端部。 测量室内还有加热器和温度传感器,即为一 热敏电阻,以便测量室内保持370c,一旦温度 超出37℃±0.1℃的规定范围,传感器立即 反馈信号到温控电路,使停止或开始加热。
1.参比电极保养 更换盐桥或电极内的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。
参比电极套需要定期更换。如果一天作100 个样品,每周应更换一次;一般情况下两周可 更换一次;在样品较少时,可视具体情况延长 更换时间。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。
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。
外加直流电压 < 0.4V
进入电极内O2 不反应
0.4V~0.8V
在铂阴极表面被还原
在测定时,O2在铂阴极表面发生的 反应如下: O2 + 2 H2O → H2O2
伏安型传感器----主要是PO2 电极
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。
液体界面 PH敏感玻璃膜 液体界面
甘汞 电极
饱和 KCl 血液
PBS
Ag/AgCl 电极
(2)气体混合器供气方式 这种供气系统用仪器本身的气体混合器产 生定标气。
加到气体混合器上来的空气压缩机产生的 压缩空气和气瓶送来的纯二氧化碳气体,二氧 化碳的纯度要求大于99.5%,气体混合器将上 述两种气体进行配比、混合,最后产生类似于 上述气瓶内气体比例的两种不同浓度的气体。 同气瓶预混的供气方式一样,这两种气体也要 经湿化器后,才送给测量毛细管。
3.PO2电极
PO2 电极是一种气敏电极。O2 渗透膜用约 20m的聚丙烯膜或聚四氟乙烯膜,也有用聚乙 烯、聚酯作电极膜。
玻璃柱
铂丝阴极 = -0.65V 阳极Ag/AgCl = 0.0V “O”型圈 磨砂玻璃表面 O2渗透膜(聚丙烯膜)
电极外套 磷酸盐缓冲液
PO2电极测量系统示意图
氧分压(PO2)电极的工作原理
4.液路系统 液路系统具有两种功能,一是提供pH值电 极系统定标用的两种缓冲液,二是自动将定标 和测量时停留在测量毛细管中的缓冲液或血液 冲洗干净。 需要四个盛放液体的瓶子,其中两个 盛放缓冲液1和缓冲液2,第三个盛装冲洗 液,第四个盛放废液。
血气分析仪内部具有两个泵,一为真空 泵,另一为蠕动泵。利用这两个泵来完成仪 器的定标、测量和冲洗。 真空泵用来产生负压,使废液瓶内维持 负压,靠此负压去吸引冲洗液和干燥空气, 用于冲洗和干燥测量毛细管。真空泵还用于 湿化器的快速充液。 蠕动泵用于抽吸样品和定标液。在定标 时用来抽取缓冲液到测量室。在测血样时用 来抽样品。
渗透膜 ---聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜或硅橡胶膜 作用原理:它将测量室内的血液与玻璃电极及 其外面的HCO3-溶液分隔开,血液与玻璃电极及 其外面的HCO3-溶液分隔开,只允许血液样品中 CO2分子通过,让其溶解、水化,并建立电离 平衡,使溶液中氢离子(H+)增加,因而使膜 内溶液pH值下降。由二氧化碳分压电极的工作 原理可知,待测溶液中pH值的变化与lgPCO2有 线性关系。由pH电极测得pH值的变化量,经反 对数放大器转换为PCO2,再用数字显示。
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。
定 pH系统:

使用7.383和6.840两种标准缓冲液进行定标。
氧和二氧化碳系统:
用两种混合气体来进行定标。 5% CO2和12% O2
10% CO2
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。 电化学传感器主要包括两大类: 离子极----主要有K+、Na+、Li+、Ca2+、 Cl-、pH和pCO2 电极
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 ∝ PO (样本)
2
通过测定电流变化即可测定血液标本 中的氧气分压。
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