学分析技术 木相关仪器 知识扩充 学分析技术和临床相关仪器 一、电化学分析法概述 溶液的电化学性质是指电解质溶液通电时，其电位、电流、电导和电量等 电化学特性随化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： E=k±2303RnC, nF 式中，阳离子选择性电极为十，阴离子选择性电极为一；n为离子电荷数： C,为被测离子浓度：众为被测离子活度系数：K在测量条件恒定时为常数。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：①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：②生物电极，大量开 发可以测定许多代谢产物的酶电极，如葡萄糖酶电极、丙酮酸酶电极等，使它们
首页 → 第七章 电化学分析技术和临床相关仪器 一、电化学分析法概述 溶液的电化学性质是指电解质溶液通电时，其电位、电流、电导和电量等 电化学特性随化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： x x C f nF RT E k ln 2.303 = 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：①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；②生物电极，大量开 发可以测定许多代谢产物的酶电极，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1SE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 100107molL。 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(1 onic Sense Field-.effect Transistor,ISFET)使用。20世纪70年 代，Begv©l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。 1.ISFET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F浓度敏感的材料，并以参考电极取代了MOSFET的金属栅。 1SFET的结构如图？-1所示。离子敏感膜可以是固态膜或液态膜，HIST下ET的 敏感膜是SN4和AO:按一定比例混合而成的，它与P型基体间的绝缘层是 SO2。场效应管工作时需通过试液中的参比电极 参比电极 敏感膜 统时，场效应管源极和漏极的工作原理与普通的 图-11SFET的结构 2.工作原理
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。 1．ISFET 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 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 3.5molL-1)的饱和KC1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(E 或)。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φ，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V。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： g=0,+a-,+0-2pn 式中91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，Q为耗尽层电荷密度，℉为P型 硅衬底的体弗米势。 实验表明，甘汞电极的VR稳定，V灯只与有关，而侧与被测离子的离子活 度及栅介质敏感膜的性质有关。根据能斯特关系式有： 9=%+RT 因此阀值电压VT有下式： V=Vo+RT Id,=C+SIna 如果采用SsN:作敏感膜，ISFET对溶液pH值得响应灵敏度S约为 45mVpH。 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
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eo，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 Vth。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 I 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，F 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I 有关，而I 与被测离子的离子活 度及栅介质敏感膜的性质有关。根据能斯特关系式有： 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 [ 2 ] F ox ss B T I R C Q Q V V − + = + − I ai nF RT = 0 + ln T ai C S ai nF RT V = V0 + ln = + ln
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。 Menus Tests 7 I NOVA系 Nova 1:Na'.K'.Hct 列检测项目 a4: Na",K',Cr.LI'.TCOa Na",K',Cr,Hct a10 Na,K,Cr,TCa,Li ova 11: Na',K',LI',Hct Nova 12:Na",K",CI.TCO2.Glu,BUN (Urea) Nova 13:Na".K'.Cr.Li.Hct Nova 14:Na",K",Cr.Glu,BUN (Urea).Hct NOVA CRT16全自 lova 16: 动电解质分析仪 图7-2 NOVACRT16全自动电解质分析仪 如NOVA CRT-I6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AVL9181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o的功能键进行人机
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 NOVACRT-16 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70年代己达到高 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：①血液pH平衡仪阶段： ②酸碱血气分析仪：③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。p 的测量值己精确到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401。越来越多 的血气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25-40如1微升全血使能进行手动或 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25和样品，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
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 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：①血液 pH 平衡仪阶段； ②酸碱血气分析仪；③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 40μl。越来越多 的血气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 25~40l 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 25l 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