第07章--电化学临床分析技术和相关仪器知识扩充.doc
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4、学组分和浓度而变化的性质。电化学分析法(Electrochemical analysis)是建立在溶液电化学性质基础上并利用这些性质,通过电极这个变换器,将被测物质的浓度转变成电学参数而进行检测的方法。电位分析法分为电位法(potentiometry)和电位滴定法(potentiometrictitration)两种。电位法是根据测量到的某一个电极的电极电位,利用能斯特方程直接求出待测离子的浓度,例如酸度计就是测量溶液中氢离子的浓度。能斯特方程是根据热力学推导出来的,其关系式是: 式中,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
5、条件恒定时为常数。公式表明,在一定条件下,电极的电极电位与被测离子浓度的对数呈线性关系。电化学临床分析仪器就是利用电化学分析技术而设计的临床分析仪器。临床检验常用的电化学分析仪器主要是电解质分析仪和血气分析仪两种。二、电解质分析仪电解质分析仪大多是采用离子选择电极方法对生物样品进行化验分析。这种方法简便、快速,测定的浓度范围较宽,灵敏度较高,溶液中大多数的干扰易于消除,较少受用品颜色、浊度影响,是40年来在生化检验中发展最迅速的检测手段。电解质分析仪电极发展主要在于:电极微型化,采用离子敏场效应管可将电极制成微米级大小,可直接接入人体或细胞内进行测定;生物电极,大量开发可以测定许多代谢产物的酶
6、电极,如葡萄糖酶电极、丙酮酸酶电极等,使它们与离子选择电极结合制造出新型急诊检测仪器。但是ISE还有不少局限性,其主要问题包括以下两个方面:1.选择性差 使得仪器测量下限受到限制,大部分电极的测量范围为10-1010-7mol.L-1。2. 电极寿命较短 一般寿命为半年至一年,而生物电极可能只有几天或几个月。(一)电极的发展电解质分析仪的发展主要取决于电极的发展,其中最重要的是新型的离子敏场效应晶体管(Ionic Sense Field-effect Transistor,ISFET)使用。20世纪70年代,Begivel首次提出ISFET的基本结构,ISFET是离子敏感、选择电极制造技术与固
7、态微电子学相结合的产物,它是在MOSFET的基础上发展起来的,具有输入阻抗高、输出阻抗低、体积小、易于集成等特点,所以在医学领域上有广阔的应用前景。下面以H+-ISTFET传感器为例介绍这类传感器。1ISFET的基本结构测量H+ 浓度的ISFET与MOSFET在结构上极为相似,不同的是H+-ISTFET的绝缘层表面是对H+ 浓度敏感的材料,并以参考电极取代了MOSFET的金属栅。ISFET的结构如图7-1所示。离子敏感膜可以是固态膜或液态膜,H+-ISTFET的敏感膜是Si3N4和Al2O3按一定比例混合而成的,它与P型基体间的绝缘层是SiO2。场效应管工作时需通过试液中的参比电极提供栅极电压
8、VG,构成测量系统时,场效应管源极和漏极的工作原理与普通的场效应管相同。2.工作原理H+-ISTFET的参比电极采用Ag /AgCl电极(银-氯化银丝浸在浓度为3.5mol.L-1)的饱和KCl电解液中)。当参比电极插入溶液中后,与电解液发生化学反应形成一个半电池,这个半电池产生的电压作为H+-ISTFET的参比电压(Eref或Vref)。另外,在敏感膜与水接触后,膜表面形成一层很薄的水化层,它实际是一层水凝胶层,由于浓度差,溶液中的H+通过凝胶层扩散进入H+敏感层,这样就会在溶液与敏感膜之间形成界面电位jeo,在几种电压的共同作用下,就会使得ISFET的漏源开始导通,此时的电压是阀值电压Vt
9、h。溶液中H+浓度直接影响界面电位,通过电场耦合,这个界面电位又直接影响沟道电导,进而引起H+-ISTFET传感器沟道电流发生变化,其变化的大小与溶液中H+的活度有关。因此,根据半导体的相关理论,建立沟道电流和溶液中氢离子浓度之间的关系,从而获得溶液中氢离子浓度的信息。对采用甘汞电极为参比电极的ISFET,其阀值电压可由下式给出:式中 jI 为被测溶液和ISFET的栅介质之间的电化学势;VR为参比电极和溶液之间的结电势;QSS为氧化层电荷密度,QB为耗尽层电荷密度,jF为P型硅衬底的体弗米势。实验表明,甘汞电极的VR稳定,VT只与jI有关,而jI与被测离子的离子活度及栅介质敏感膜的性质有关。根
10、据能斯特关系式有:因此阀值电压VT有下式:如果采用Si3N4作敏感膜,ISFET对溶液pH值得响应灵敏度S约为45mV/pH。3在医学上的应用在临床医学检验中,常需要对体液中的几种离子同时测定和检测,以实现快速诊断和及时治疗的目的。为此,人们利用集成化技术,将H+-ISFET和Na+-ISFET集成在一起制成多功能ISFET,用于同时对体液中氢离子和钠离子的测定。目前,ISFET已被广泛采纳作为检测血液或体液pH值、PCO2、PO2以及葡萄糖变化的敏感元件。(二)多功能的电解质分析仪电解质分析仪在临床上的使用越来越向多功能化方向发展。表7-1 NOVA系列检测项目图7-2 NOVA CRT-1
11、6全自动电解质分析仪 如NOVA CRT-16全自动电解质分析仪是美国NOVA生产的用于检测人体血液、尿液、脑脊液中的尿素、肌酐、葡萄糖钾、钠、氯、总二氧化碳,同时计算出阴离子间隙、晶体渗透压的急诊分析仪器。它具有快速、准确、稳定、重复性好等特点,越来越受到检验科和临床科室的欢迎。NOVA生产的不同系列,其测定项目各不相同,如表7-2所示。又如AVL 9181型电解质分析仪,它是由微电脑控制、全自动的检测仪器,可以测量钾、钠、氯、钙和锂离子,通过板面上的yes和no的功能键进行人机对话,完成样本测量、数据输入、菜单选择和质控。三、血气分析仪血气分析仪是20世纪50年代中期发展起来的,至20世纪
12、70年代已达到高度数字化和自动化程度。血气分析仪的发展与pH、PO2和PCO2电极的创造及改进分不开的。血气分析仪发展过程大致分为三个阶段:血液pH平衡仪阶段;酸碱血气分析仪;全自动酸碱血气分析仪。近年来,随着计算机技术的发展,微机和集成电路制造技术的提高,使血气分析仪向自动化和智能化方向迈进。pH的测量值已精确到0.001;PCO2和PO2的测量值精确到0.1mmHg。仪器可自动校正、自动进样、自动清洗、自动计算并发报告、自动故障检测和报警,甚至可提供临床诊断参考意见。电极的使用寿命和稳定性进一步提高,仪器的预热和测量时间进一步缩短,测量所需的样品量大大减少,最低的仅需40l。越来越多的血气
13、分析仪与电解质分析仪、血氧仪等联为一体,并与医院的计算机系统联机,使其功能更全面。血气分析仪的发展方向将是全功能、小型化、连续测量等方面。(一)多功能全自动血气分析仪目前大多数血气分析仪都带有电解质(钾、钠、氯、钙)测定,很多新型仪器增加了智能专家诊断系统,既能测定结果又能对结果进行分析及综合诊断。有的血气分析仪采用彩色触摸屏直观操作,全自动质控分析,自动化试剂盒,免保养电极。有的血气分析仪具有样品量少(只需2540ml微升全血便能进行手动或自动分析)、试剂消耗量少、电极寿命长、各型号仪器的电极及试剂的消耗品均可互换的特点。目前血气市场上分析速度最快的最新仪器,只需 “20秒”即可提供一份完整
14、的分析报告(包括pH、PO2、PCO2等14项参数)并提示非正常的测量参数;测量只需要25ml样品,特别适合新生儿和老年人;进样可使用毛细管、注射器或采血针;具有透明的测量室,操作者可直视电极工作情况和样本通过过程;全自动一点或两点定标,全自动清洗。如美国Nova Biomedical公司制造了使用于临床、重症、看护、急诊、现场或实验室一般诊断检测用的血气、电解质和化学物质的分析仪。该公司的新型Stat Profile Critical Care Xpress 系列提供检测血气、CO计量、电解质、化学物质与血液学相关项目,集多功能于单一仪器中。Stat Profile pHOx 系列分析仪亦有
15、五种机型可供选择,可作高达12项检测。右侧图7-3为该公司的新产品系列Stat Profile(R) Critical Care Xpress “All-in-One”的外形图,分析仪有19项检测项目以及各种资料管理功能。这19项检测项目包括血气的pH、PCO2、PO2、SO2%;血液的Hct、Hb;电解质的Na+、 图7-3 NOVA系列产品K+、Cl-、Ca2+、Mg2+;血液化学的Glu、BUN、Creat和Lac;CO计量参数的HHb、O2Hb、MetHb和COHb。(二)适于危重症监护系统的血气分析仪最新的适于危重症监护系统的血气分析仪的特点是具有可以提供一个包括血气参数、电解质参数
16、、血葡萄糖和血乳酸的完整检测菜单;单独连接血氧计,具有专利技术的智能进样器;微量样本,分段检测的新方法;完善的数据管理系统;,免维护、操作成本低廉等。仪器模注射机容易升级,不更换仪器就可增加检测参数,1分钟内便可快速完成血气、电解质、血压积及葡萄糖和血氧参数的准确分析。如美国汽巴-康宁(CIBA-CORNING)于德国拜尔公司合并更名为拜耳诊断公司所推出的Rapidpoint系列产品中,Rapidpoint 400/405系列是适合于危重症检测的分析仪器,其中检测项目包括pH、pCO2 、pO2、 Na+ 、K+、 Ca2+、Cl-、Glucose和Hct,CO计量参数有tHb、sO2、O2H
17、b、HHb、COHb、MetHb。其中pH、Na+、K+、Ca2+、 Cl- 所采用的是标准离子选择电极技术,pCO2采用Severinghaus电极,pO2采用气敏电极,Glucose采用生物敏 图7-4 Rapidpoint 400系列电极。Rapidpoint 400/405系列与传统血气分析仪的主要区别是,它以简便的测量盒代替了原有的各种配件,如:电极、定标试剂、气瓶、泵管等。操作人员只需将注射器标本活微细管标本插入进样器,样本即自动进入系统测定程序,从而大大降低了操作人员的日常工作量,并消除了传统血气分析仪日常保养的烦恼,真正达到了危重症监护工作的快、准、易的要求。(三)便携式血气分
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