醫(yī)學儀器原理-生化參數(shù)測量與儀器.ppt

第八章醫(yī)用化學分析類儀器 主要內(nèi)容 現(xiàn)行生化參數(shù)測量技術電解質分析儀血氣分析儀經(jīng)皮血氣分析儀 8 1引言 生化參數(shù)測量所涉及的內(nèi)容很廣 各種有關生物機體的化學結構和物質代謝的測量都屬于生化參數(shù)測量 它對了解生命過程的特征 生物機體的生理病理變化機制和各種疾病的診斷等都有重要意義 現(xiàn)今醫(yī)院中 為了診斷疾病所做的各種檢查中生化參數(shù)測量占2 3以上 血液 尿及其他體液的生化分析 已成為疾病診斷必不可少的指標 8 1 1生化參數(shù)測量的特點 樣品量有限制 樣品在質上有限制 同一樣品不可能再次得到 要求從一個樣品能同時給出多種項目的分析結果 生物樣品中含有多種待檢測的成分 且各種成份的濃度差異極大 10 3 10 12mol L 醫(yī)院每天作常規(guī)檢查需要處理數(shù)百上千的樣品 8 1 2生化參數(shù)測量儀器的要求 高靈敏度 高準確度 高選擇性 操作簡單 操作自動化 活體使用的化學傳感器的最基本要求 8 2現(xiàn)行生化測量技術 8 2 1分光光度測量技術8 2 2色譜技術8 2 3電化學電極法 8 2 1分光光度測量技術 定義 分光光度法是利用物質所特有的吸收光譜來鑒別物質或測定其含量的分析檢測技術 特點 靈敏 精確 快速和簡便 在復雜組分系統(tǒng)中 不需要分離 即能檢測出其中所含的極少量物質 應用 生物化學研究中廣泛使用的方法之一 廣泛用于糖 蛋白質 核酸 酶等的快速定量檢測 分光光度法是比色法的發(fā)展 后者只限于在可見光區(qū) 前者則可以擴展到紫外光區(qū)和紅外光區(qū) 分光光度計的分類紅外分光光度計 測定波長范圍為大于760nm的紅外光區(qū)可見光分光光度計 測定波長范圍為400 760nm的可見光區(qū)紫外分光光度計 測定波長范圍為200 400nm的紫外光區(qū) 分光光度計工作原理 人眼可見的光只占電磁波譜的很小 部分 400 760nm 它是一種頻率較大的電磁波 電磁波按頻率大小 從頻率最小的無線電波到頻率最大的 射線排成一列 即組成電磁波的波譜 基本原理 Beer定理改變?nèi)肷涔獠ㄩL 并依次記錄物質對不同波長光的吸收程度 就得到該物質的吸收光譜 每種物質都有其特定的吸收光譜紫外線 可見光分光光度計屬于分子吸收光譜儀 分析波長范圍一般為200nm 800nm 8 2 2色譜技術 層析儀 它是為了解決樣品中多成分分析而發(fā)展起來的一種分離技術 可以把不同成分的混合物分離為單獨的組分 色譜法是一種分離技術 試樣混合物的分離過程也就是試樣中各組分在稱之為色譜分離柱中的兩相間不斷進行著的分配過程 其中的一相固定不動 稱為固定相 另一相是攜帶試樣混合物流過此固定相的流體 氣體或液體 稱為流動相 色譜儀的輸出信息色譜圖基線色譜峰進樣峰和空氣峰保留時間死時間和死體積 色譜法分類氣相色譜 流動相為氣體 稱為載氣 液相色譜 流動相為液體 也稱為淋洗液 a 氣相色譜儀 氣體相氦氣 氮氣 氫氣固定相硅氧烷聚合體 涂抹在毛細管上 探測器測量的是載氣中通過檢測器組分濃度瞬間的變化 檢測信號值與組分的濃度成正比 b 高效液相色譜儀 特點 高壓 高效 高速高沸點 熱不穩(wěn)定有機及生化試樣的高效分離分析方法 流動相 水或烴類固體相 5 10um的精細顆粒探測器 紫外探測器 8 2 3電化學電極法 從靈敏度 選擇性和自動化等方面來看 分光光度法和色譜法都可以滿足臨床檢驗的要求 但從技術簡單 造價低廉角度看 電化學電極法則更有優(yōu)越性 溶液的電化學性質是指電解質溶液通電時 其電位 電流 電導和電量等電化學特性隨化學組分和濃度而變化的性質電化學電極分析法是測量由氧化還原反應 離子在兩相的選擇分布和透過膜等過程產(chǎn)生的電流和電壓來進行物質分析的 電化學電極利用電化學原理把化學量轉化為電位或者電流量的裝置電解質在水中溶解形成離子 液體中有電池存在時 離子運動形成電流需要一對接口器件把離子電流轉化為電子電流 電極被測對象的量反應為電位的傳感器稱為電位傳感器 電位法 電位法 電位法的實質是通過在零電流條件下測定兩電極間的電位差 基礎是 Nernst方程離子選擇法 電位滴定法 參比電極 指示電極 Nernst方程 E0為標準半電池電位 取決于電極使用材料 液體中離子濃度及外界溫度 一般取25 將材料置于含有該材料陽離子濃度為單位濃度電解液中以標準氫電極為參考測得的電位為E0 R是氣體常數(shù) 其值8 314JK 1 mol 1T是熱力學溫度F為法拉第常數(shù) 其值9 65 104C molaA 和aA分別表示兩種狀態(tài)原子的活性 Nernst方程 a 電極電位和參考電極 參考電極 電極電勢已知 恒定 且與被測溶液組成無關 則稱之為參考電極 理想的參考電極為 1 電極反應可逆 符合Nernst方程 2 電勢不隨時間變化 3 微小電流流過時 能迅速恢復原狀 4 溫度影響小 氫電極H2 2H 2e 常用作標準電極溶解氫達到飽和時 活性保持不變 如果H 濃度不變 活性變維持1 E E0 標準氫電極在所有溫度下的電極電位假定為0 故測定其它材料電極電位都以氫電極為標準 Ag AgCl電極金屬銀的活性穩(wěn)定 電極電位由溶液中的Ag 決定 Ag Ag e 如果銀表面存在固態(tài)的AgCl 附近又有高濃度的Cl Ag 濃度幾乎不變 AgCl Ag Cl Ag Cl 1 7 10 10 mol l 2但是第二部分不為0 所以會受溫度變化影響 b 指示電極 理想的指示電極對離子濃度變化響應快 重現(xiàn)性好 有兩類可基本滿足以上要求 金屬電極與離子選擇性電極 c 離子選擇性電極 離子選擇性膜 離子濃度變化反映為膜兩側的電位差 電位差變化由膜兩側溶液中的電極測量 理想離子選擇性電極的膜只有一種特定的離子能夠通過 實際上 只要一種膜對某種離子的通透性遠遠高于其它離子 就可以作為離子選擇性膜 離子選擇性電極測量系統(tǒng)圖 c 離子選擇性電極 cont 跨膜電壓 c 離子選擇性電極 cont 如果溶液2中A 的濃度或者活性是常數(shù) 膜電位可寫成 則溶液中A 濃度或活性的變化可由跨膜電位變化確定 25 時 溶液1中A 濃度增加10倍 膜電位增加約59mV c 離子選擇性電極 cont 如果膜對其它離子也通透 膜電位可以表示為 KB KC是膜對B 和C 的選擇系數(shù) K值足夠小時 這種離子活性變化就對跨膜電位的影響很小 但是離子活性高時 即使系數(shù)K小 影響也會顯著 離子選擇電位法 利用一些對離子有選擇性響應的電極的電位與離子濃度間的相關性來測定溶液中氫離子和其他離子濃度的一種分析方法 所用的儀器是由離子選擇電極和精密的電極測定儀所構成 在臨床中廣泛應用的有測定血液酸堿度計 pH計 測定體液中鈉 鉀 鈣等離子的電解質分析儀和測定PO2 PCO2的血氣分析儀等 8 3電解質分析儀 體內(nèi)含有各種無機及有機物質 這些物質又可以分為電解質和非電解質 電解質有鈉離子 鉀離子 鈣離子 鎂離子 氯離子及其它有機酸及其衍生物 如氨基酸 蛋白質等等 電解質對于神經(jīng)的正常應刺激 酶的催化作用 保持體液酸堿平衡 維持滲透壓等起著重要作用 所以保持體液電解質的恒定性對維持人體正常技能是及其重要的 因而測定其異常變化程度是臨床診斷的重要指標 臨床體內(nèi)電解質測定 通常檢查血液 以血漿代表細胞外液 多數(shù)分析儀 以鈉離子 鉀離子 鈣離子 氯離子 碳酸氫根離子的定量分析為主 8 3 1pH計 兩支電極與溶液組成電池指示電極 pH玻璃膜電極參比電極 飽和甘汞電極 a pH計知識背景 動脈血液的pH正常值為7 36 7 44 當其低于7 36時 可能引起酸中毒癥狀 高于7 44時 可能引起明顯的堿中毒癥狀 當血液pH值維持在7 36 7 44 稱為酸堿平衡 最初應用的是氫電極的電位隨所在溶液的H 活度而變的特性 由于它是氣體 使用不便 本世紀初 科學家發(fā)現(xiàn)某些玻璃膜兩邊放有pH值不同的溶液時能產(chǎn)生電位 當其中一個pH值恒定不變 玻璃膜的電位就會隨另一溶液的pH值而變 b H 響應的玻璃膜電極 敏感膜是在SiO2基質中加入Na2O Li2O和CaO燒結而成的特殊玻璃膜 厚度約為0 05mm b H 響應的玻璃膜電極 cont 膜浸泡在水中時 表面的Na 與水中的H 交換 才能在表面形成水合硅膠層 故玻璃電極使用前 必須在水溶液中浸泡 點擊觀看水化玻璃模原理 b H 響應的玻璃膜電極 cont 將浸泡后的玻璃膜電極放入待測溶液 水合硅膠層表面與溶液中的H 活度不同 形成活度差 H 由活度大的一方向活度小的一方遷移 b H 響應的玻璃膜電極 cont 溶液中H 經(jīng)水化層擴散至干玻璃層干玻璃層的陽離子向外擴散以補償溶出的離子離子的相對移動產(chǎn)生擴散電位 兩者之和構成玻璃電極的膜電位 點擊觀看玻璃模原理 b H 響應的玻璃膜電極 cont 玻璃膜兩側的跨膜電壓可以表示為 取常溫下 設內(nèi)參比溶液中H 的活度a2固定 b H 響應的玻璃膜電極 cont E 膜兩側溶液相同時出現(xiàn)的膜電位 不對稱電位 Ag AgCl電極電位 內(nèi)參比電位 它會隨溫度變化 當溫度和內(nèi)參比溶液一定時 E 是常數(shù) K 2 c 玻璃膜電極測定 測定這種玻璃電極的方法是將它與另一組電極組成化學電池 由玻璃電極和參比電極組成 參比電極常用飽和甘汞電極 其電極電位是恒定值 c 玻璃膜電極測定 cont c 玻璃膜電極測定 cont 這時電池測得的電動勢EX可用下式表示 3 E接表示液界電位 它是兩種組成不同或組成相同而離子活度不同的溶液互相接界時 在界面上形成的雙電層結構而產(chǎn)生的電位差 在實驗條件固定時 E接為常數(shù) c 玻璃膜電極測定 cont 將 3 帶入 2 待測液的pH值用pHx表示 則 4 因為實驗條件固定時 K和E接都是常數(shù) 可與E參合并成新常數(shù)K 故在25 時 有 5 式中常數(shù)K 包括 外參比電極電位 內(nèi)參比電極電位 不對稱電位 液接電位 由于不對稱電位 液接電位無法測得 所以不能由上式通過測量 求出溶液pH 通常采用比較法 c 玻璃膜電極測定 cont K 的確定方法 配制一個標準緩沖液 其組成與樣品液組成相同且pH值已知 在相同的測定條件下測出其電池電位Es 利用公式 5 6 把 6 中的K 值帶入 5 c 玻璃膜電極測定 cont 式中pHs已知 實驗測出Es和Ex后 即可計算出試液的pHx 使用時 盡量使溫度保持恒定并選用與待測溶液pH接近的標準緩沖溶液 d PHS 2型酸度計的工作原理框圖 直流的電流信號饋入?yún)⒘空袷幏糯笃?轉變成交流電壓信號 抵消玻璃電極的不對稱電位 擴展量程 8 3 2臨床用離子選擇電極 8 3 2臨床用離子選擇電極 cont 鈣電極 液膜電極 內(nèi)參比溶液為含Ca2 水溶液 內(nèi)外管之間裝的是0 1mol L二癸基磷酸鈣 液體離子交換劑 的苯基磷酸二辛酯溶液 其極易擴散進入微孔膜 但不溶于水 故不能進入試液溶液 二癸基磷酸根可以在液膜 試液兩相界面間來回遷移 傳遞鈣離子 直至達到平衡 樣品通過一特定的選擇性電極時由一相對應的電解質滲過電極膜時產(chǎn)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(chǎn)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 首先由動力泵將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 接著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 第三步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(jīng)前置放大器放大送入CPU板 同A標 B標測量值進行比較 計算結果通過cRT顯示器和打印機輸出 8 3 3臨床電解質分析儀 S 2000六項電解質分析儀 測定項目 K Na Cl Ca 總Ca PH測試方法 離子選擇電極法測量時間 25秒標本形式 血漿 血清 全血及稀釋尿液 注射器 試管 毛細管 8 3 4電解質分析儀的包養(yǎng) 電極系統(tǒng)的保養(yǎng)鈉電極經(jīng)常檢查調(diào)整內(nèi)充液濃度鉀電極每月至少更換一次內(nèi)充液參比電極 每周均需檢查電極是否有足夠的飽和氯化鉀溶液及氯化鉀殘片 及時添加 流路系統(tǒng)保養(yǎng)流路保養(yǎng) 多數(shù)儀器都有儀器流路保養(yǎng)程序 保養(yǎng)程序結束 應該重新定標 全流路清洗 每天工作結束關機前 必須進行管路的清洗 重新定標 8 3 5日常維護 每日維護試劑量 1 4液面應及時更換清潔灰塵 保持探針暢通及時傾倒廢液每周維護流路清洗每月維護用酒精棉球清潔泵管不銹鋼轉軸 涂硅油或凡士林等潤滑劑每季度進行MV值實驗 8 4血氣分析儀 血氣是指血液中氧和二氧化碳氣體 血氣分析儀能測出PO2 PCO2 PH值等多種重要的血液參數(shù) 其它參數(shù)實際碳酸氫根濃度 AB 標準碳酸氫根濃度 SB 血液緩沖堿 BB 血漿二氧化碳總量 TCO2 血液堿剩余 BEblood 細胞外液堿剩余 BEECF 血氧飽和度 SO2 主要用作呼吸功能診斷和酸堿平衡診斷 血氣分析儀工作原理圖 8 4 1血氧測定 氧在血中有兩種存在形式 一是和血紅蛋白 Hb 相結合的結合型氧 另一種是溶解在血漿的溶解型氧即血液中的氧含量 結合型氧含量 溶解型氧含量結合型氧含量 F Hb SO2溶解型氧含量 pO2 是氧在血漿中的溶解系數(shù) 是指在溫度38 一個大氣壓下 氧在100ml血液中溶解的量 其數(shù)值是2 36ml 100ml atm 測量溶解氧分壓的意義何在 測量溶解氧分壓的意義何在 首先 溶解氧分壓的大小影響著O2和Hb的結合量 這是由于Hb懸浮在血漿中 其周圍的pO2高時 O2和Hb的親和力增強 使得與Hb結合的O2量增加 Hb周圍的pO2低時 與Hb結合的O2又可以解離下來 其次 肺或組織進行氣體交換時進入血液的O2先溶于血漿 提高血漿的pO2后再和Hb結合 O2從血液釋放時 也是溶解的O2先釋出 降低了pO2后結合的氧再分離出來補充所失去的溶解氧 溶解氧和結合氧兩者之間處于動態(tài)平衡 即 肺泡 O2 溶解的O2 結合的O2 溶解的O2 O2 組織 血氧分壓與血氧飽和度關系二者不等同 但有固定的關系 通常稱之為 S 曲線 即氧合血紅蛋白離解曲線 一般情況下 當氧分壓為100mmHg時 對應氧飽和度為98 氧分壓降到60mmHg時 氧飽和度降為90 即氧分壓下降了40mmHg 氧飽和度才下降了8 只有當氧分壓低于40mmHg后 氧飽和度才會急速下降 故單單依據(jù)血氧飽和度來判斷缺氧狀況 則機體的早期缺氧往往被忽略 被掩蓋 容易延誤診斷或未能給予及時治療 a 氧分壓的測定 血液或血漿中的氧分壓反映了肺和血液之間的氧交換量 并反映血液自全身各部組織輸送氧的能力 常用的測量氧分壓電極是1953年clark提出的所謂clark電極 極譜法電流傳感器極譜分析法是通過測量電解過程中所得到的電流 電壓 或電位 時間 曲線來確定電解液中含被測成分的濃度 從而實現(xiàn)分析測定的電化學分析法 極譜法電流傳感器 cont 如果底物 substrate 的化學反應包括電極表面和底物之間的電荷轉移 這樣的化學反應會產(chǎn)生電流 外接電子儀器能測出此電流 反應速度由底物的活性和電極與溶液之間的電位來控制 生物醫(yī)學測量中 溶解的氧和氧化氫常用極譜法電極測量 極譜法電流傳感器 cont 極譜法氧電極由鉑陰極和銀陽極組成 極譜法電流傳感器 cont 把陽極Ag AgCl電極接電源正端 陰極Pt電極接電源負端 當電極表面有氧時 會有如下反應 極譜法電流傳感器 cont 如果連續(xù)向電極表面供氧 將保持連續(xù)的電流 在電極表面覆蓋一層允許氧氣通過的膜 膜外氧壓力決定了通向電極表面的氧氣量 膜外氧壓力反應了平衡態(tài)的電流 極譜法電流傳感器 cont 電流與氧分壓成正比 且取決于電極的幾何形狀和氧氣在膜中的溶解性以及擴散系數(shù) d為氧氣通過的膜的厚度A為膜的面積F是Farady常數(shù)D是氧在膜中的擴散系數(shù) 是氧在膜中溶解性p是氧分壓 Clark電極 溶解氧傳感器由Clark在1953年首先提出 由精細鉑絲和Ag AgCl陽極組成 膜為聚丙烯或聚乙烯 厚度20um膜和電極表面有一層電解液 b 氧含量的測定 VanSlyke檢壓法伽伐尼電池法氧電極法血氧計法 VanSlyke檢壓法經(jīng)典血氧含量的測量方法 先把血紅蛋白結合氧變?yōu)槿芙庋?再通過真空抽取把溶解氧變?yōu)闅怏w氧并封于一定容積的容器里 最后檢定該容器內(nèi)的氣壓變化來算出氧含量 這種方法手續(xù)繁雜 操作費時 并要求技術熟練 不適用于臨床使用 但精度高 因此 現(xiàn)仍是各種血氧含量的檢測標準 伽伐尼電池法美國Lexington公司開發(fā)出一種氧含量測定儀 用載體 1 CO 2 H2 97 N2 使蒸餾水池處于發(fā)泡狀態(tài) 在其中注入血樣后 結合型氧被CO置換 血液中的氧游離為載體氣體內(nèi)的氧 這氣體氧由載體氣體導入伽伐尼電池內(nèi) 則產(chǎn)生與氧含量成比例的電流 該電流的積分和氧含量成比例 精度高 測量重復性好 造價高 測量耗時長 氧電極法用鐵氰化鉀溶液或一氧化碳溶液等解離試劑使與血紅蛋白結合的氧解離變?yōu)槿芙庋鹾?經(jīng)氧分壓測定來求血液中的氧含量 血氧計法分別測定結合氧和溶解氧 再由兩者之和來求出氧含量 8 4 2血中二氧化碳測定 二氧化碳分壓的意義二氧化碳分壓的測定常用的二氧化碳分壓電極是PH電極的改良型 它只對CO2產(chǎn)生反應 Severinghaus電極 8 4 3血液pH測量 8 4 4管路系統(tǒng) 8 4 4管路系統(tǒng) cont 氣路系統(tǒng)提供PCO2和PO2電極定標時所用的兩種氣體 外配氣和內(nèi)配氣液路系統(tǒng)提供pH值電極系統(tǒng)定標的兩種緩沖液自動將定標和測量時停留在測量毛細管中的緩沖液或血液沖洗干凈四個盛放液體的瓶子 8 4 5電路系統(tǒng) 將儀器測量信號進行放大和數(shù)模轉換 對儀器實行監(jiān)控 顯示和打印結果 通過鍵盤輸入指令 8 4 6血氣分析儀的保養(yǎng) 電極的保養(yǎng)參比電極保養(yǎng)更換電極內(nèi)KCl溶液 加入室溫下飽和的KCl溶液和少許KCl結晶 防止參比電極存在氣泡定期更換pH電極的保養(yǎng)壽命一般1 2年在空氣中暴露2小時以上 應放在緩沖液中浸泡6 2小時 經(jīng)常清洗 血液 緩沖液 水 空氣 8 4 6血氣分析儀的保養(yǎng) cont PCO2電極保養(yǎng)由內(nèi)電極 半透膜 尼龍網(wǎng)和外緩沖液組成經(jīng)常清洗 必要時更換半透膜電極用久后 用滴有外緩沖液的細砂紙磨去Ag或AgCl沉積 PO2電極保養(yǎng)干凈的內(nèi)電極端部 四個鉑絲點應該明凈發(fā)亮 用電極膏對電極進行研磨保養(yǎng) 氧電極內(nèi)充的是氧電極液注意 PCO2電極和PO2電極保養(yǎng)后均需重新進行定標 8 5經(jīng)皮血氣監(jiān)測儀 幾種非侵入性測量技術 利用電極技術 經(jīng)皮測量PO2 PCO2和PH值 脈搏式血氧計進行血氧飽和度的測量 用質譜儀對經(jīng)皮膚擴散氣體的測量 8 5 1經(jīng)皮測量的原理 電阻高含蛋白質 脂類 黑色素細胞毛細血管 分布密度1 mm2 回顧微循環(huán) 三條途徑令血液從微動脈流向微靜脈 直捷通路 微動脈 毛細血管 微靜脈 不進行物質交換動靜脈吻合 血流迅速 不進行物質交換迂回通路 微動脈 后微動脈 毛細血管前括約肌 真毛細血管網(wǎng) 微靜脈 物質交換 8 5 1經(jīng)皮測量的原理 cont 動脈 靜脈吻合 環(huán)境溫度降低時 管壁平滑肌收縮 吻合關閉 有利于保存熱量 環(huán)境溫度上升時 吻合開放 皮膚血流量增加 有利于散熱 體溫調(diào)節(jié) 8 5 1經(jīng)皮測量的原理 cont 正常情況下 皮膚對氣體的滲透性不是很高 但在體溫較高時 皮膚運輸氣體的能力會提高 溫度升高 皮膚血管充分舒張 溫度升高對氣體通過角質層的擴散有顯著作用 經(jīng)皮PO2和PCO2更接近動脈血中的值 8 5 1經(jīng)皮測量的原理 cont 8 5 2經(jīng)皮血氣測量法 PO2經(jīng)皮血氣測量法極譜法電流傳感器 Clark電極PCO2經(jīng)皮血氣測量法Se